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DRAM的三种基本刷新策略

1. 集中式刷新 (Centralized Refresh / Burst Refresh)

• 原理与执行方式：

  这是一种最简单直接但最“粗暴”的策略。DRAM芯片在规定的刷新周期（如64ms）内，绝大部分时间都正常响应CPU的读写请求。但在该周期的末尾，找到一个空闲时间，暂停所有对存储器的访问，然后启动一个连续的、不间断的**“刷新脉冲串 (Burst)”**，一次性地、连续地对所有行（例如全部8192行）进行刷新，直到所有行都被刷新完毕。

• 流程示意：

  [---------- 正常读写周期 (接近64ms) ----------][-- 死区: 连续刷新所有行 --]

• "死时间"分析：

  假设刷新一个行需要一个时钟周期（例如100ns），那么刷新8K（8192）行就需要：

  T死区​=8192×100ns=819.2μs

  在这长达819.2微秒的时间内，CPU或任何其他设备都无法访问内存，内存完全处于“死机”状态，不响应任何读写请求。

• 优点：

  • 控制简单： 内存控制器的逻辑非常简单，只需要一个定时器，在刷新周期结束前触发一次集中的刷新操作即可。读写逻辑和刷新逻辑完全分离。

• 缺点：

  • 存在明显的“死区”：这是其致命缺点。在刷新期间，内存完全不可用，对于需要实时响应的系统（如工业控制、实时操作系统）是绝对无法接受的。

• 适用场景：

  • 由于存在严重的“死区”问题，集中式刷新在现代通用计算机系统中基本不被采用。它更多是作为一个理论模型，用于教学和理解刷新概念。可能仅适用于某些对实时性要求极低、且允许有固定长暂停的嵌入式或专用系统中。

2. 分散式刷新 (Decentralized Refresh / Distributed Refresh)

• 原理与执行方式：

  这种策略将刷新操作均匀地分散到整个刷新周期内。它将刷新周期（如64ms）平分给所有需要刷新的行（如8192行），计算出两次刷新操作之间的最大时间间隔。

  刷新间隔=8192行64ms​≈7.8μs

  这意味着，内存控制器必须保证每7.8μs就执行一次行刷新操作。这个刷新周期被穿插在正常的读写周期之间。

• 流程示意：

  [读/写] [读/写] ... [刷新行i] [读/写] [读/写] ... [刷新行i+1] ...

  存储器的每个工作周期实际上由一个读/写操作和一个刷新操作构成。

• "死时间"分析：

  分散式刷新没有集中的、长的“死区”。但它把刷新的时间开销“摊派”到了每一次存储器访问中，使得每个存储周期的总时间被拉长了。例如，一个正常的读写周期可能是80ns，但为了插入刷新，整个系统周期可能被定义为100ns，预留了刷新操作的时间。

• 优点：

  • 无长“死区”：系统响应不会有长时间的中断，实时性得到了保证。

• 缺点：

  • 降低了整体性能： 即使在读写不频繁、总线空闲的时候，也必须严格按照固定的时间间隔插入刷新，这会拖慢系统运行速度。在需要密集读写的场景下，频繁的刷新插入会严重影响带宽。

  • 控制相对复杂： 需要更精细的时序控制来保证刷新周期的精确插入。

• 适用场景：

  • 适用于对实时性要求高、不允许出现长暂停的系统。虽然它也不是现代主流PC的选择，但其设计思想对实时系统有重要意义。

3. 异步式刷新 (Asynchronous Refresh / Staggered Refresh)

• 原理与执行方式：

  这是集中式和分散式的折中方案，也是现代计算机系统普遍采用的策略。它同样要求在64ms内刷新完所有行（如8K行），因此平均下来也是每7.8μs需要刷新一行。但它不要求严格地在固定时间点进行刷新。控制器只需要保证在一个刷新周期（64ms）内，发出了足够次数（8192次）的刷新命令即可。

• 流程示意：

  它将刷新操作分解为对单行的刷新，可以在CPU不访问内存的空闲时间，或者对性能影响较小的时机，见缝插针地进行。控制器可以一次性刷新几行，也可以在一段时间内不刷新（只要不超出单行电荷泄漏的最大时限），只要最终能“完成任务”即可。

• "死时间"分析：

  异步刷新既避免了集中式的长“死区”，也避免了分散式的死板。单次刷新一行的时间非常短（如100ns），对系统的影响可以降到最低。

• 优点：

  • 性能影响最小： 提供了极大的灵活性，可以在总线空闲时进行刷新，最大化了读写操作的有效带宽。这是性能最好的刷新方式。

  • 实时性好： 避免了长“死区”，保证了系统的及时响应。

• 缺点：

  • 控制最复杂： 内存控制器需要更智能的逻辑，不仅要跟踪刷新进度，还要判断总线状态，以寻找最佳的刷新时机。

• 适用场景：

  • 几乎所有现代计算机系统，包括个人电脑、服务器、智能手机等。这是因为它在性能和实时性之间取得了最佳的平衡。

总结对比