只讀存儲器工作原理

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1、只讀存儲器工作原理 只讀存儲器（ROM），亦稱為固件，是一種在生產(chǎn)時用特定數(shù)據(jù)進行過編程的集成電路。ROM芯片不僅用于電腦，還出現(xiàn)在大多數(shù)其他電子設(shè)備中。 在本文中，您會了解到幾種不同的ROM，還有它們各自的工作原理。本文是探討計算機存儲器的系列文章之一，該系列還包括下列文章： · 計算機存儲器工作原理 · 隨機存取存儲器（RAM）的工作原理 · 虛擬內(nèi)存工作原理 · 閃存工作原理 · BIOS工作原理 讓我們從分辨幾種不同類型的ROM開始來展開我們的討論。 ROM有五種基本類型： · ROM · PROM · EPROM · EEPROM

2、· 閃存 在本文中您會了解到，上述的各類ROM都有其獨特屬性，但它們同屬于一種存儲器，這種存儲器有兩個特征： · 這些芯片中存儲的數(shù)據(jù)具有非易失性——即斷電時不會丟失數(shù)據(jù)。 · 這些芯片中存儲的數(shù)據(jù)具有不可變更性，或是需要特定的操作才能變更數(shù)據(jù)（這與讀寫數(shù)據(jù)都很方便的RAM不同）。 這就意味著，切斷芯片的電源不會丟失任何信息。 工作中的ROM 類似于RAM，ROM芯片（見圖1）也包含由記憶行與記憶列組成的柵格。但在記憶行與記憶列相交處，ROM芯片與RAM芯片有根本性的區(qū)別。RAM使用晶體管打開或關(guān)閉通往位于交點處的電容器的訪問電路，而ROM則使用二極管來控制線路，當

3、二極管取1值時，線路導通。當它取0值時，線路就完全切斷。 圖1：使用閃存的BIOS，閃存是ROM的一種類型。 一般來說，二極管允許電流單向流通，并且有一個閾值電壓，亦稱正向?qū)妷?，這一電壓決定了導通二極管所需電流的大小。在硅半導體器件（例如處理器和存儲器芯片等）中，正向?qū)妷杭s為0.6伏。利用二極管這些獨特屬性，ROM芯片能夠生成一個高于正向?qū)妷旱碾妱?，然后這一電勢沿著選定的記憶列傳導到一個選定的接地（零電勢）記憶行上，這樣芯片就與存儲單元建立了連接。如果在該存儲單元處有一個二極管，電流會被導向大地（零電勢），并且在二進制系統(tǒng)下，這一存儲單元被認為是“通路”（取1值）。存儲單

4、元取0值的情況比較簡單，此時相交處的二極管不能連通記憶行與記憶列。因而記憶列上的電勢不能傳導到記憶行上。 不難理解，ROM芯片的工作方式要求生產(chǎn)時寫入芯片的數(shù)據(jù)必須完好無損。一般ROM芯片不能重復(fù)編程或重復(fù)寫入。如果數(shù)據(jù)有誤或需要更新，您只能把舊的ROM扔掉，然后從新來過。創(chuàng)建ROM芯片的原始模板是一項艱苦的工作，通常要經(jīng)歷一個屢敗屢試的過程。但ROM芯片仍然是利大于弊。只要完成了模板的設(shè)計，單個芯片的實際成本相當?shù)土?，只有幾美分。它們的能耗極低，使用起來非?？煽?，并且用于小型電子設(shè)備時，它們多數(shù)情況下都內(nèi)含控制設(shè)備所需的全部程序。唱歌魚使用的小型芯片就是一個很好的例子。該芯片大小略同于您的

5、手指甲，寫入了幾首時長30秒的歌曲片段，并且內(nèi)含能控制電動機并使其與音樂保持同步的程序代碼。 可編程只讀存儲器(PROM) 如果完全從零開始，生產(chǎn)少量的ROM將會是一件既耗時又耗財?shù)墓ぷ?。主要針對這一點，開發(fā)商發(fā)明了一種新型ROM，稱為可編程只讀存儲器（PROM）?？瞻椎腜ROM價格低廉，只要你擁有一種稱為編程器的特殊工具，就能將代碼寫入其中。 PROM芯片（見圖2）同普通ROM一樣，由記憶行與記憶列相交而成的柵格組成。區(qū)別在于，PROM芯片中記憶行與記憶列的每一個交點都是靠熔絲將它們連接起來。電勢會沿記憶列導向接地的記憶行，電流會流經(jīng)存儲單元處的熔絲，這表示存儲單元取1值。由于全部

6、的存儲單元都有熔絲，因而PROM芯片所有存儲單元的初始（空白）狀態(tài)都是1值。若想將單元值變?yōu)?，必須使用編程器向存儲單元發(fā)送一定量的電流。更高的電壓能燒斷熔絲，并造成記憶行與記憶列之間形成開路。這一過程稱為燒制PROM。 圖2 PROM只能進行一次編程。它們比ROM更嬌氣。靜電電擊很容易就能燒斷PROM中的熔絲，從而使得關(guān)鍵位元的取值由1變?yōu)?。空白PROM不僅價格低廉，更是在將元件交付高成本的ROM制造過程之前，打造數(shù)據(jù)原型的極佳選擇。 可擦除可編程只讀存儲器(EPROM) 使用ROM和PROM可能并不經(jīng)濟。盡管它們的單價并不昂貴，然而隨時間的流逝，總成本會越來越高?？刹脸?/p>

7、編程只讀存儲器（EPROM）解決了這個問題。EPROM芯片可以多次復(fù)寫。擦除EPROM需要一種特制工具，這種工具能發(fā)射某一頻率的紫外線。配置EPROM時必須由EPROM編程器提供一個特定的電壓，電壓水平由EPROM的類型決定。 我們又要提到記憶行與記憶列形成的柵格。在EPROM中，位于行列相交處的每個存儲單元都有兩個晶體管。這兩個晶體管被一個薄氧化層隔開。其中一個稱為浮柵，另一個為控制柵。由浮柵通往記憶行（字線）的唯一路徑必須經(jīng)過控制柵。只要這條線路能夠接通，存儲單元就取1值。若想將1值轉(zhuǎn)換為0值，則需要經(jīng)過一個奇妙的過程，這就是福勒諾德海姆隧道效應(yīng)（Fowler-Nordheim tunn

8、eling）。隧道效應(yīng)能改變浮柵上的電子分布。浮柵上要施加一個電壓（通常是10-13伏）。電流從記憶列（位線）流出，流過浮柵后流向大地（零電勢）。 這一外加電壓讓浮柵晶體管起到了電子槍的作用。受激發(fā)的電子被推向薄氧化層的另一面并陷入其中，使得薄氧化層帶有負電荷。這些帶負電的電子在控制柵和浮柵之間起到了壁壘的作用。一種稱為單元傳感器的設(shè)備能監(jiān)測流過浮柵的電量水平。如果穿過浮柵的電流超過總電量的50%，記憶單元就取1值。如果流過浮柵的電量低于閾值的50%，則單元取值變?yōu)?。在空白EPROM中，所有柵都是完全打開的，因而所有單元都取1值。 Your browser does not suppor

9、t JavaScript or it is disabled. 圖3 想要復(fù)寫EPROM，首先要將其擦除。進行擦除時，必須要提供足夠強大的能量，才能打通阻礙著浮柵的負電子壁壘。對于一般的EPROM來說，完成這一工作的最佳選擇是頻率為253.7的紫外線。因為這一頻率的光波不能穿透大多數(shù)塑料制品和玻璃制品，每個EPROM芯片的頂部都置有一副石英窗。EPROM必須與擦除器的光源保持很近的距離（要在兩到五厘米以內(nèi)），才能正常工作。 EPROM擦除器不具有選擇性，它會擦除EPROM的全部內(nèi)容。EPROM必須從設(shè)備中移除，然后要在EPROM擦除器發(fā)出的紫外線下放置幾分鐘。如果放置時間過長，有可能導

10、致過度擦除。在這種情況下，EPROM的浮柵會完全喪失負載電子的能力。 EEPROM和閃存 盡管EPROM比PROM在復(fù)用性上有了巨大的進步，但當數(shù)據(jù)需要改動時，EPROM仍需使用專用設(shè)備，還要經(jīng)過繁瑣的操作程序，才能移除原有數(shù)據(jù)并寫入新數(shù)據(jù)。并且EPROM不能局部地修改數(shù)據(jù)；必須擦除芯片保存的全部數(shù)據(jù)。電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）芯片解決了EPROM最大的技術(shù)缺陷。 在EEPROM中： · 芯片無需移除即可進行復(fù)寫。 · 更改局部數(shù)據(jù)時，芯片無需全部擦除。 · 無需使用附加的專用設(shè)備，即可改寫芯片內(nèi)容。 無需使用紫外光，您只要在記憶單元處施加局部電場，就可以

11、使得EEPROM存儲單元中的電子回歸常態(tài)。這樣就能擦除EEPROM的目標單元，而后就可以進行復(fù)寫。EEPROM一次可以改動一個字節(jié)，這種方法操作起來雖然很靈活，但速度太慢。實際中，對于那些需要快速改變芯片上所存數(shù)據(jù)的產(chǎn)品來說，EEPROM的速度還達不到要求。 生產(chǎn)商為了應(yīng)對這一技術(shù)局限，研制出了閃存，這種EEPROM采用電路內(nèi)接線技術(shù)，閃存在擦除數(shù)據(jù)時，會在整個芯片上或在某一個預(yù)先選定的區(qū)域上（稱為區(qū)塊）施加一個電場。閃存的工作速度比傳統(tǒng)的EEPROM要快得多，因為它能大面積地寫入數(shù)據(jù)，通常是512字節(jié)，而非一次1字節(jié)。請查閱閃存工作原理一文，以了解這種ROM及其應(yīng)用的詳細信息。 有關(guān)ROM以及其他類型計算機存儲器的更多信息，請查看下一頁的鏈接！