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只读存储器 发布于:

只读存储器(Read-Only Memory,ROM)以非破坏性读出方式工作,只能读出无法写入信息。信息一旦写入后就固定下来,即使切断电源,信息也不会丢失,所以又称为固定存储器。ROM所存数据通常是装入整机前写入的,整机工作过程中只能读出,不像随机存储器能快速方便地改写存储内容。ROM所存数据稳定 ,断电后所存数据也不会改变,并且结构较简单,使用方便,因而常用于存储各种固定程序和数据。

除少数种类的只读存储器(如字符发生器)可通用之外,不同种类的只读存储器功能不同。为便于用户使用和大批量生产,进一步发展出可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程序只读存储器(EPROM)和带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)等不同的种类。ROM应用广泛,诸如Apple II或IBM PC XT/AT等早期个人电脑的开机程序(操作系统)或是其他各种微电脑系统中的轫体(Firmware),所使用的硬件都是ROM。

右图给出ROM的基本结构,ROM主要由地址译码器、存储体、读出线及读出放大器等部分组成。ROM是按地址寻址的存储器,由CPU给出要访问的存储单元地址ROM的地址译码器是与门的组合,输出是全部地址输入的最小项(全译码)。n位地址码经译码后2种结果,驱动选择2个字,即W=2。存储体是由熔丝、二极管或晶体管等元件排成W*m的二维阵列(字位结构),共W个字,每个字m位。存储体实际上是或门的组合,ROM的输出线位数就是或门的个数。由于它工作时只是读出信息,因此可以不必设置写入电路,这使得其存储单元与读出线路也比较简单。

右图给出ROM的工作过程,CPU经地址总线送来要访问的存储单元地址,地址译码器根据输入地址码选择某条字线,然后由它驱动该字线的各位线,读出该字的各存储位元所存储的二进制代码,送入读出线输出,再经数据线送至CPU。

只读存储器的特点是只能读出而不能写入信息,通常在电脑主板的ROM里面固化一个基本输入/输出系统,称为BIOS(基本输入输出系统)。其主要作用是完成对系统的加电自检、系统中各功能模块的初始化、系统的基本输入/输出的驱动程序及引导操作系统。

ROM有多种类型,且每种只读存储器都有各自的特性和适用范围。从其制造工艺和功能上分,ROM有五种类型,即掩膜编程的只读存储器MROM(Mask-programmedROM)、可编程的只读存储器PROM(Programmable ROM)、可擦除可编程的只读存储器EPROM(Erasable Programmable ROM)、可电擦除可编程的只读存储器 EEPROM(Elecrically Erasable Programmable ROM)和快擦除读写存储器(Flash Memory)。

掩膜只读存储器(Mask ROM)中存储的信息由生产厂家在掩膜工艺过程中“写入”。在制造过程中,将资料以一特制光罩(Mask)烧录于线路中,有时又称为“光罩式只读内存”(Mask ROM),此内存的制造成本较低,常用于电脑中的开机启动。其行线和列线的交点处都设置了MOS管,在制造时的最后一道掩膜工艺,按照规定的编码布局来控制MOS管是否与行线、列线相连。相连者定为1(或0),未连者为0(或1),这种存储器一旦由生产厂家制造完毕,用户就无法修改。

MROM的主要优点是存储内容固定,掉电后信息仍然存在,可靠性高。缺点是信息一次写入(制造)后就不能修改,很不灵活且生产周期长,用户与生产厂家之间的依赖性大。

可编程只读存储器(Programmable ROM,PROM)允许用户通过专用的设备(编程器)一次性写入自己所需要的信息,其一般可编程一次,PROM存储器出厂时各个存储单元皆为1,或皆为0。用户使用时,再使用编程的方法使PROM存储所需要的数据。

PROM的种类很多,需要用电和光照的方法来编写与存放的程序和信息。但仅仅只能编写一次,第一次写入的信息就被永久性地保存起来。例如,双极性PROM有两种结构:一种是熔丝烧断型,一种是PN结击穿型。它们只能进行一次性改写,一旦编程完毕,其内容便是永久性的。由于可靠性差,又是一次性编程,较少使用。PROM中的程序和数据是由用户利用专用设备自行写入,一经写入无法更改,永久保存。PROM具有一定的灵活性,适合小批量生产,常用于工业控制机或电器中。

可编程可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM)可多次编程,是一种以读为主的可写可读的存储器。是一种便于用户根据需要来写入,并能把已写入的内容擦去后再改写的ROM。其存储的信息可以由用户自行加电编写,也可以利用紫外线光源或脉冲电流等方法先将原存的信息擦除,然后用写入器重新写入新的信息。 EPROM比MROM和PROM更方便、灵活、经济实惠。但是EPROM采用MOS管,速度较慢。

擦除远存储内容的方法可以采用以下方法:电的方法(称电可改写ROM)或用紫外线照射的方法(称光可改写ROM)。光可改写ROM可利用高电压将资料编程写入,抹除时将线路曝光于紫外线下,则资料可被清空,并且可重复使用,通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。

电可擦可编程序只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM)是一种随时可写入而无须擦除原先内容的存储器,其写操作比读操作时间要长得多,EEPROM把不易丢失数据和修改灵活的优点组合起来,修改时只需使用普通的控制、地址和数据总线。EEPROM运作原理类似EPROM,但抹除的方式是使用高电场来完成,因此不需要透明窗。 EEPROM比 EPROM贵,集成度低,成本较高,一般用于保存系统设置的参数、IC卡上存储信息、电视机或空调中的控制器。但由于其可以在线修改,所以可靠性不如 EPROM。

快擦除读写存储器( Flash Memory)是英特尔公司90年代中期发明的一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器它既有EEPROM的特点,又有RAM的特点,是一种全新的存储结构,俗称快闪存储器。它在20世纪80年代中后期首次推出,快闪存储器的价格和功能介于 EPROM和EEPROM之间。与 EEPROM一样,快闪存储器使用电可擦技术,整个快闪存储器可以在一秒钟至几秒内被擦除,速度比 EPROM快得多。另外,它能擦除存储器中的某些块,而不是整块芯片。然而快闪存储器不提供字节级的擦除,与 EPROM一样,快闪存储器每位只使用一个晶体管,因此能获得与 EPROM一样的高密度(与 EEPROM相比较)。“闪存”芯片采用单一电源(3V或者5V)供电,擦除和编程所需的特殊电压由芯片内部产生,因此可以在线系统擦除与编程。“闪存”也是典型的非易失性存储器,在正常使用情况下,其浮置栅中所存电子可保存100年而不丢失。

目前,闪存已广泛用于制作各种移动存储器,如U盘及数码相机/摄像机所用的存储卡等。

一次编程只读内存(One Time Programmable Read Only Memory,OTPROM)之写入原理同EPROM,但是为了节省成本,编程写入之后就不再抹除,因此不设置透明窗。

由于ROM具有断电后信息不丢失的特性,因而可用于计算机启动用的BIOS芯片。EPROM、EEPROM和Flash ROM(NOR Flash 和 NAND Flash),性能同ROM,但可改写,一般读比写快,写需要比读高的电压,(读5V写12V)但Flash可以在相同电压下读写,且容量大成本低,如U盘MP3中使用广泛。在计算机系统里,RAM一般用作内存,ROM一般作为固件,用来存放一些硬件的驱动程序。

ROM的地址译码器是与门的组合,其输出是全部地址输入的最小项。可以把译码器表示成右图所示的与阵列,图中与阵列水平线和垂直线交叉处标的“点”表示有“与”的联系。存储单元体实际上是或门的组合,ROM的输出数即或门的个数。译码器的每个最小项都可能是或门的输入,但是,某个最小项能否成为或门的输入取决于存储信息,因此存储单元体可看成是一个或阵列。由上分析,可以从另一角度来看ROM的结构:它由两个阵列组成——“与”门阵列和“或”门阵列,其中“或”的内容是由用户设置的,因而它是可编程的,而与阵列是用来形成全部最小项的,因而是不可编程的。


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