RAM 是如何工作的？

什么是计算机内存？

随机存取存储器，通常称为 RAM，是一个临时存储位置，可以在其中以任何顺序检索或重写数据，以支持计算机和移动应用程序的实时工作。

如果没有快速存储和检索数据的能力，任何应用程序或其他功能都无法正常运行。这就是 RAM 发挥作用的地方。RAM 或随机存取存储器是计算机系统的重要组成部分之一。它是一个短期存储库，其中存放必须快速检索的数据。

RAM 保持数据随时可用，以便中央处理器单元 (CPU) 可以找到它，而无需访问长期存储来执行紧急处理任务。

RAM 包含在所有计算设备中，包括台式电脑（在 Windows、MacOS 和 Linux 上运行）、平板电脑和智能手机（在 Android 或 iOS 上运行），甚至物联网 (IoT) 设备（如智能电视）。

RAM 也用于指代设备的短期记忆。它读取程序或操作系统在不久的将来可能需要的数据，并临时存储这些数据，以便 CPU、显卡和任何其他可能需要它的组件轻松访问。此信息在 RAM 中保持可用，直到应用程序或设备关闭或重新启动。然后清理 RAM 并准备好接受新的、适当的数据。

每当您打开新的浏览器选项卡时，RAM 都会阻止其他组件访问速度较慢的存储设备，例如硬盘驱动器或固态驱动器 (SSD)。虽然当前的存储速度比旧驱动器快，但它仍然比 RAM 慢得多。然而，这些存储组件是必需的，因为它们允许在 RAM 未处于完全功能状态时进行更长期的数据存储。

为什么 RAM 被称为随机存取？

RAM 被称为随机访问，因为如果识别出在该单元重叠的行和列，则可以直接访问任何存储单元。

另一方面，串行存取存储器 (SAM) 将数据存储为一系列存储块，只能连续检索（如盒式磁带）。如果信息不在当前位置，则检查每个块，直到找到所需的数据。SAM 非常适用于数据通常按使用顺序存储的存储库。相反，RAM 数据可以按任何顺序检索。

多少 RAM 是理想的？

构建 Pentium CPU 上的硬件时，用户很少需要超过 8 MB 的 RAM，如果系统用于业务，则需要 32 MB。这足以运行 Windows 95、最早的 Microsoft Word 版本和早期的 PC 游戏。目前，打开多个选项卡的 Web 浏览器可能很容易占用 2.2 GB 的 RAM，因此 PC RAM 的最低要求为 4 GB，移动设备的最低要求为 3 GB。

所需的 RAM 量取决于您的应用程序和用户同时打开的窗口数量以及所需的用户体验。系统拥有的 RAM 越多，运行速度就越快。当设备过时时，可能需要更换 RAM 或其他组件。所有活动的应用程序，包括浏览器选项卡，都使用 RAM。

当计算机的工作需求超过可用 RAM 的数量时，操作系统必须将程序转移到硬盘驱动器。当您返回程序时，它必须在您继续工作之前检索数据。这称为分页或转移，这需要一些时间。该过程导致延迟和功能受损。

购买 PC 的客户将有多种 RAM 容量选择—4GB、8GB、16GB，如果他们使用高级编辑工具或图形应用程序（如 CAD），甚至可以选择额外的内存（32GB、64GB）。

请记住，RAM 与存储不同：计算机关闭时，RAM 中存储的信息会丢失，而长期存储设备（SSD 或 HDD）中的数据会保留。

内存的使用

RAM 执行以下关键功能：

1. 充当临时存储位置

这是 RAM 的主要用途。当用户保存文件或任何其他数据类型时，信息会传输到硬盘驱动器或其他形式的长期存储中。此外，当您退出应用程序时，操作系统会将其从 RAM 中删除，释放计算机短期内存中的空间，以便您可以开始下一个任务。

RAM 仅用于临时存储。因此，如果用户没有将文件保存到硬盘驱动器并且断电，他们的所有工作都可能丢失。但是，现代应用程序可能有一种机制可以将文件的副本存储在嵌入式备份系统中，以帮助以后恢复它。

2. 可以更快地读取文件

RAM 用于快速检索读取任何文件内容所需的数据。根据技术和工作的不同，随机存取存储器处理数据的速度可能比存储在硬盘上的数据快 20 到 100 倍。

如果用户打开以前存储在系统上的文档，操作系统会在其长期存储中识别该文件并将其内容复制到 RAM 中。一旦数据存储在 RAM 中，由于 RAM 闪电般的速度，用户几乎可以立即进行读写。

但是，由于数据是分布式的，因此尝试直接从硬盘驱动器访问文件会花费大量时间。要读取文件，计算机的硬盘驱动器每分钟必须旋转数百次，从而造成延迟。

为了加快速度，计算机系统将文件的副本存储在 RAM 中以供读取。

3. 提高应用性能

RAM 还用于加快以前访问过的应用程序的加载。当用户第一次打开他们的计算机并运行任何程序时，如 PowerPoint 或数据库管理系统 (DBMS) 软件，如 Access，加载需要一些时间。但是，当程序关闭并重新启动时，它几乎会立即打开，因为加载应用程序所需的数据存储在 RAM 中而不是硬盘驱动器中。

应用程序数据保留在 RAM 中，直到 PC 重新启动或应用程序从任务管理器（或其非 Windows 等效项）强制关闭。对于移动 RAM，它甚至可以在后台动态刷新应用程序数据以提升设备性能。

RAM 是如何工作的？

让我们首先了解随机存取存储器的物理结构和功能。RAM 在概念上类似于一系列盒子，每个盒子可以存储一个 0 或一个 1。每个盒子都有一个特定的地址，可以通过跨列和向下计数来确定。

RAM 盒子的集合称为数组，每个盒子称为单元格。RAM 控制器将列和行地址向下传输到芯片中的一根小电线中，以定位特定的单元格。在 RAM 阵列中，每一行和每一列都分配有不同的地址线。任何检索到的数据都在不同的数据行上返回。

RAM 物理上紧凑并存储在微芯片上，这一点至关重要。它可以存储的信息量也有限。基本的笔记本电脑可能有 8 GB 的 RAM，而硬盘驱动器可能包含 10 TB。

RAM 的工作取决于以下关键功能：

1. 内存主板

所有 RAM 硬件组件都焊接在该电路板上。它由基于硅的集成电路组成，可提供跨内存组件的连接以及与计算机的接口，以便 CPU 和内存控制器可以访问 RAM。

2. 实际数据存储的内存库

这部分包含存储数据的实际内存模块或单元。RAM 总是由两个或多个存储体组成，使一个存储体可以在另一个存储体充电时访问。这减少了银行预充电的延迟，从而加快了传输速度。它还降低了每个存储体的粒度，从而以更低的成本提高了内存容量和性能。

3. 计时

RAM 中的内存操作与时钟信号同步。这简化了控制器接口并消除了模拟信号生成的需要。它还降低了内存组件的制造成本，因为可以以相同的成本生成更快的内存。

4. 模式寄存器组件

该寄存器配置核心器件操作。它调节列地址选通 (CAS) 延迟、突发持续时间和突发类型。它通常在机器启动时配置。高级用户通常需要 4,000MHz RAM 和 CAS 15-18 或更低的延迟才能获得最佳性能。

5.SDP 芯片

SPD 是「串行存在检测」的缩写。RAM 配备内置 SPD 芯片，可存储有关内存大小、类型、频率和访问时间线的信息。该芯片使计算机能够在启动阶段的开机测试周期中获取此信息。

6. RAM 的突发计数器

突发计数器是存储列地址信息的片上计数器。它通过采用顺序和交错的突发类型以及不同的突发持续时间来提供高频突发访问。模式寄存器允许对这些设置进行编程。

大多数 PC 允许用户安装特定容量的 RAM 单元。具有更多 RAM 的计算机减少了 CPU 必须从硬盘驱动器读取数据的次数，这是一个比从 RAM 读取数据更慢的过程。RAM 访问时间以纳秒为单位，而存储器访问持续时间以毫秒为单位。

RAM 与闪存

闪存和 RAM 均由固态半导体组成。然而，由于它们的构造、性能标准和价格的差异，它们在计算机系统中的职责也不同。闪存用于存储。RAM 用作活动存储器，它处理从存储器获得的数据。

RAM 与闪存之间的一个根本区别在于，信息必须从后者的完整块中擦除。这使它比 RAM 慢，其中可能会删除单个位。

然而，与 RAM 相比，闪存要便宜得多且具有非易失性。与 RAM 不同，它即使在电源关闭时也可以保存数据。由于其降低速度、非易失性和成本降低，闪存通常用于长期存储。

计算机内存的类型

随机存取存储器可以是以下类型：

1. 静态随机存取存储器（SRAM）

对于每个存储单元，静态随机存取存储器需要许多晶体管，通常为四到六个。然而，每个电池不包含电容器。它通常用于缓存。如果电源可用，SRAM 会将数据保存在内存中，这与必须经常更新的动态 RAM DRAM 形成对比。因此，SRAM 速度更快但成本更高，使 DRAM 成为计算机中更常见的内存类型。

2. 动态随机存取存储器（DRAM）

DRAM 通常用作计算机中的主内存。每个 DRAM 存储单元的电容器中都保留一个数据字节，由集成电路中的晶体管和电容器组成。由于晶体管不断泄漏少量，电容器将逐渐耗尽，导致其中包含的数据丢失。为了维护数据，DRAM 必须每隔几毫秒更新一次。

3. 扩展数据输出随机存取存储器（EDO RAM）

EDO RAM 是为提高 1990 年代使用的 RAM 芯片的效率而开发的 DRAM 的早期示例。它不会等到对第一位的分析完成后再继续下一位。在确定第一位的位置后，EDO DRAM 开始搜索下一块。

4. 同步 DRAM（SDRAM）

这种形式的 RAM 使内存速率与中央处理器 (CPU) 的时钟速度同步。因此，内存控制器知道数据包可用的精确时钟周期。这使得 CPU 每单位时间可以执行更多的指令。SDRAM 通常以高达 133 MHz 的速度传输数据，比 DRAM 快得多。

5. Rambus 动态随机存取存储器（RDRAM）

Rambus DRAM 及其后代 Concurrent Rambus DRAM 和 Direct Rambus DRAM 是 1990 年代和 2000 年代初期创建的一种同步动态随机存取存储器。这种 RAM 芯片并行运行，使数据传输速度在 800 MHz 和 1,600 Mbps 之间变化。然而，由于它们以如此高的速度工作，它们会散发出更多的热量。

6. 单数据速率同步动态随机存取存储器（SDR SDRAM）

这种 RAM 最初使用的是单数据速率技术，这就是为什么这种 RAM 被称为 SDR 的原因。随着 SDRAM 在 1990 年代的首次亮相，时钟速率首次同步。通过将计算机内存与处理器输入同步，机器可以更快地完成任务。然而，到 20 世纪 90 年代后期，SDR RAM 已经达到了极限，让位给了下一代 RAM。

7. 双倍数据速率同步动态随机存取存储器（DDR SDRAM）

双倍数据速率同步随机存取存储器 (DDR SRAM) 于 2000 年左右发明。它在开始和结束时在单个时钟周期内执行两次数据传输。DDR SDRAM 已被重新设计三到四次，从 DDR2 到 DDR3 再到 DDR4，并且在每次迭代中，数据传输速率都提高了，功耗也降低了。然而，事实证明，DDR 的每一次迭代都与之前的其他迭代不兼容，PC 制造商不得不跟上步伐。DDR 仍然是当今计算机中使用最广泛的 RAM。

8. 图形双倍数据速率同步动态随机存取存储器（GDDR SDRAM）

GDDR SDRAM 用于视频和图形设备。与 DDR SDRAM 相同，此架构允许在 CPU 时钟周期内在多个位置传输数据。但是，与 DDR SDRAM 相比，它的运行功率更高，时序要求也没有那么严格。

GDDR 可以实现计算机辅助设计 (CAD) 或 3D 建模等图形密集型任务的 GPU 性能所需的速度、内存和带宽级别。与 DDR 相比，GDDR 经历了多个发展阶段，每次迭代都会带来性能提升和功耗降低。图形内存的最新迭代是 GDDR6。

9. 视频随机存取存储器（VRAM）

VideoRAM 仅供视频适配器和 3D 加速器使用。它通常有两个独立的访问端口而不是一个（多端口），使 CPU 和图形处理器能够同时访问 RAM。计算机显示器的分辨率和颜色深度由显存 (VRAM) 的数量决定。此外，VRAM 用于存储特定于图形的数据，例如 3D 几何数据或纹理贴图。

真正的多端口 VRAM 通常很昂贵，这就是为什么许多图形卡采用同步图形 RAM (SGRAM) 的原因。性能具有可比性；但是，SGRAM 更便宜。