深入理解DRAM刷新机制：异步刷新为何无需扣除刷新时间？

引言

在计算机组成原理和存储器系统的学习中，DRAM（动态随机存取存储器）的刷新机制是一个关键问题。许多同学在学习时会遇到一个疑问：

“为什么异步刷新的刷新信号周期可以直接用 总时间/行数 计算（如 2ms/32=62.5μs），而集中刷新和分散刷新却需要考虑刷新操作占用的时间？”

这篇文章将系统性地分析 三种DRAM刷新方式（集中刷新、分散刷新、异步刷新），解释为什么异步刷新可以“直接除”，而其他方式不行，并探讨现代DRAM控制器如何优化刷新调度。

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1. DRAM为什么需要刷新？

DRAM存储数据的方式是利用 电容电荷，但电荷会随时间泄漏，因此必须定期刷新（重新写入）以保持数据。

刷新关键参数：

• 刷新间隔（Refresh Interval, tREFI）：通常为 2ms（所有存储单元必须在2ms内刷新一次）。

• 刷新一行的时间（tRC/tRFC）：约 50-100ns（不同DRAM标准不同）。

• 行数（Rows）：例如，32×32结构的DRAM有32行。

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2. 三种DRAM刷新方式

(1) 集中刷新（Burst Refresh）

• 方式：在 2ms 的末尾，集中连续刷新所有行，期间CPU无法访问内存（产生“死时间”）。

• 计算：

  • 总刷新时间 = 行数 × 每行刷新时间（t_RC）。

  • 例如：32行 × 100ns = 3.2μs 的“死时间”。

  • 必须扣除刷新时间，否则CPU会在这3.2μs内完全停止。

(2) 分散刷新（Distributed Refresh）

• 方式：在每个正常读写周期后插入一个刷新周期，均匀分布刷新操作。

• 计算：

  • 刷新周期 = 一个正常读写周期+一个刷新周期。

  • 必须扣除刷新时间，因为刷新操作会占用总线周期。

(3) 异步刷新（Asynchronous Refresh）

• 方式：由DRAM控制器管理刷新，刷新请求以固定间隔（如62.5μs）发出，但实际刷新操作可以“排队”执行。

• 计算：

  • 刷新信号周期 = 2ms / 32 = 62.5μs。

  • 不扣除刷新时间，因为：

    1. 刷新操作由控制器动态调度，可以在内存空闲时执行。

    2. 只要保证 2ms 内完成所有刷新，不严格要求每次刷新按时完成。

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3. 为什么异步刷新可以“直接除”？

关键区别：刷新调度方式

刷新方式	是否扣除刷新时间	原因
集中刷新	✔️ 扣除	连续刷新，CPU完全停止访问
分散刷新	✔️ 扣除	每次刷新占用固定周期
异步刷新	❌ 不扣除	刷新操作由控制器动态调度

• 异步刷新的优势：

  • 刷新请求以固定间隔（62.5μs）发出，但实际刷新可以延迟执行。

  • DRAM控制器会检查内存状态：

    • 如果内存忙（CPU正在读写），延迟刷新。

    • 如果内存空闲，立即执行刷新。

  • 最终保证 2ms 内完成所有行刷新，但不严格要求每次刷新按时完成。

类比理解

• 集中刷新：像“期末考试周”，所有复习（刷新）集中在几天，期间不干别的。

• 分散刷新：像“每天复习1小时”，固定占用时间。

• 异步刷新：像“设定复习提醒，但可以灵活安排”，只要在截止日期前完成即可。

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4. 现代DRAM控制器如何优化刷新？

现代DRAM（如DDR4/DDR5）采用 异步刷新 + 智能调度：

1. 刷新请求 以固定间隔（如62.5μs）发出。

2. DRAM控制器 动态管理刷新：

   • 如果内存正在被访问，推迟刷新。

   • 如果内存空闲，立即执行刷新。

3. 避免CPU停顿，提高系统性能。

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5. 为什么书本上不同刷新方式计算方式不同？

• 集中/分散刷新 是早期DRAM的实现方式，刷新操作严格占用时间，必须扣除。

• 异步刷新 是现代DRAM的主流方式，刷新由控制器优化，不严格占用周期，因此可以“直接除”。

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6. 总结

刷新方式	计算方式	是否扣除刷新时间	适用场景
集中刷新	总刷新时间 = 行数 × t_RC	✔️ 扣除	早期DRAM
分散刷新	刷新周期 = (总时间/行数) - t_RC	✔️ 扣除	低性能系统
异步刷新	刷新周期 = 总时间/行数	❌ 不扣除	现代DRAM

关键结论：

• 异步刷新 的刷新信号周期可以“直接除”（如 2ms/32=62.5μs），因为刷新操作由控制器动态调度，不占用固定时间。

• 集中/分散刷新 必须扣除刷新时间，因为刷新操作会固定占用周期。

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7. 延伸思考

• 如果刷新操作时间很长（如高温下 t_RC 增加），异步刷新是否仍然有效？

  • 是的，但需要更智能的调度策略，避免刷新堆积。

• DDR5如何进一步优化刷新？

  • 采用 Same-Bank Refresh，允许部分Bank刷新，其余Bank仍可访问。

 

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结语

DRAM刷新机制是计算机体系结构中的重要话题，理解不同刷新方式的区别有助于优化内存性能。异步刷新凭借其灵活性成为现代DRAM的主流方案，而集中/分散刷新的计算方式则反映了早期硬件的限制。希望这篇文章能帮助大家彻底理解这个问题！