只讀存儲(chǔ)器工作原理

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1、只讀存儲(chǔ)器工作原理只讀存儲(chǔ)器（ROM），亦稱為固件，是一種在生產(chǎn)時(shí)用特定數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)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(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的系列文章之一，該系列還包括下列文章： 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器工作原理 隨機(jī)存取存儲(chǔ)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 閃存 在本文中您會(huì)了解到，上述的各類ROM都有其獨(dú)特屬性，但它們同屬于一種存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器

2、有兩個(gè)特征： 這些芯片中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有非易失性即斷電時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。 這些芯片中存儲(chǔ)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(huì)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(diǎn)處的電容器的訪問電路，而ROM則使用二極管來控制線路，當(dāng)二極管取1值時(shí)，線路導(dǎo)通。當(dāng)它取0值時(shí)，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

3、，并且有一個(gè)閾值電壓，亦稱正向?qū)妷海@一電壓決定了導(dǎo)通二極管所需電流的大小。在硅半導(dǎo)體器件（例如處理器和存儲(chǔ)器芯片等）中，正向?qū)妷杭s為0.6伏。利用二極管這些獨(dú)特屬性，ROM芯片能夠生成一個(gè)高于正向?qū)妷旱碾妱?shì)，然后這一電勢(shì)沿著選定的記憶列傳導(dǎo)到一個(gè)選定的接地（零電勢(shì)）記憶行上，這樣芯片就與存儲(chǔ)單元建立了連接。如果在該存儲(chǔ)單元處有一個(gè)二極管，電流會(huì)被導(dǎo)向大地（零電勢(shì)），并且在二進(jìn)制系統(tǒng)下，這一存儲(chǔ)單元被認(rèn)為是“通路”（取1值）。存儲(chǔ)單元取0值的情況比較簡(jiǎn)單，此時(shí)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(shì)不能傳導(dǎo)到記憶行上。不難理解，ROM芯片的工作方式要求生產(chǎn)時(shí)寫入芯片

4、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(xiàng)艱苦的工作，通常要經(jīng)歷一個(gè)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(jì)，單個(gè)芯片的實(shí)際成本相當(dāng)?shù)土?，只有幾美分。它們的能耗極低，使用起來非常可靠，并且用于小型電子設(shè)備時(shí)，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(gè)很好的例子。該芯片大小略同于您的手指甲，寫入了幾首時(shí)長(zhǎng)30秒的歌曲片段，并且內(nèi)含能控制電動(dòng)機(jī)并使其與音樂保持同步的程序代碼?？删幊讨蛔x存儲(chǔ)器(PROM)如果完全從零開始，生產(chǎn)少量的ROM將

5、會(huì)是一件既耗時(shí)又耗財(cái)?shù)墓ぷ?。主要針?duì)這一點(diǎn)，開發(fā)商發(fā)明了一種新型ROM，稱為可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）。空白的PROM價(jià)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(gè)交點(diǎn)都是靠熔絲將它們連接起來。電勢(shì)會(huì)沿記憶列導(dǎo)向接地的記憶行，電流會(huì)流經(jīng)存儲(chǔ)單元處的熔絲，這表示存儲(chǔ)單元取1值。由于全部的存儲(chǔ)單元都有熔絲，因而PROM芯片所有存儲(chǔ)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(chǔ)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

6、與記憶列之間形成開路。這一過程稱為燒制PROM。圖2PROM只能進(jìn)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(jià)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(chǔ)器(EPROM)使用ROM和PROM可能并不經(jīng)濟(jì)。盡管它們的單價(jià)并不昂貴，然而隨時(shí)間的流逝，總成本會(huì)越來越高。可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM）解決了這個(gè)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(shí)必須由EPROM編程器提供一個(gè)特定的電壓，電

7、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(gè)存儲(chǔ)單元都有兩個(gè)晶體管。這兩個(gè)晶體管被一個(gè)薄氧化層隔開。其中一個(gè)稱為浮柵，另一個(gè)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(chǔ)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(gè)奇妙的過程，這就是福勒諾德海姆隧道效應(yīng)（Fowler-Nordheim tunneling）。隧道效應(yīng)能改變浮柵上的電子分布。浮柵上要施加一個(gè)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(shì)）。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

8、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(fù)電荷。這些帶負(fù)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(cè)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 support JavaScript or it is disabled. 圖3想要復(fù)寫EPROM，首先要將其擦除。進(jìn)行擦除時(shí)，必須要提供足夠強(qiáng)大的能量，才能打通阻礙著浮柵的負(fù)電子壁壘。對(duì)于一般的EPROM來說，完成這一

9、工作的最佳選擇是頻率為253.7的紫外線。因?yàn)檫@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(gè)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(huì)擦除EPROM的全部?jī)?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(shí)間過長(zhǎng)，有可能導(dǎo)致過度擦除。在這種情況下，EPROM的浮柵會(huì)完全喪失負(fù)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(jìn)步，但當(dāng)數(shù)據(jù)需要改動(dòng)時(shí)，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

10、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(chǔ)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(jìn)行復(fù)寫。 更改局部數(shù)據(jù)時(shí)，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(chǎng)，就可以使得EEPROM存儲(chǔ)單元中的電子回歸常態(tài)。這樣就能擦除EEPROM的目標(biāo)單元，而后就可以進(jìn)行復(fù)寫。EEPROM一次可以改動(dòng)一個(gè)字節(jié)，這種方法操作起來雖然很靈活，但速度太慢。實(shí)際中，對(duì)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(dá)不到要求。生產(chǎn)商為了應(yīng)對(duì)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(shí)，會(huì)在整個(gè)芯片上或在某一個(gè)預(yù)先選定的區(qū)域上（稱為區(qū)塊）施加一個(gè)電場(chǎng)。閃存的工作速度比傳統(tǒng)的EEPROM要快得多，因?yàn)樗艽竺娣e地寫入數(shù)據(jù)，通常是512字節(jié)，而非一次1字節(jié)。請(qǐng)查閱閃存工作原理一文，以了解這種ROM及其應(yīng)用的詳細(xì)信息。有關(guān)ROM以及其他類型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的更多信息，請(qǐng)查看下一頁的鏈接！