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1、只读存储器工作原理只读存储器(ROM),亦称为固件,是一种在生产时用特定数据进行过编程的集成电路。ROM芯片不仅用于电脑,还出现在大多数其他电子设备中。 在本文中,您会了解到几种不同的ROM,还有它们各自的工作原理。本文是探讨计算机存储器的系列文章之一,该系列还包括下列文章: 计算机存储器工作原理 随机存取存储器(RAM)的工作原理 虚拟内存工作原理 闪存工作原理 BIOS工作原理 让我们从分辨几种不同类型的ROM开始来展开我们的讨论。ROM有五种基本类型: ROM PROM EPROM EEPROM 闪存 在本文中您会了解到,上述的各类ROM都有其独特属性,但它们同属于一种存储器,这种存储器
2、有两个特征: 这些芯片中存储的数据具有非易失性即断电时不会丢失数据。 这些芯片中存储的数据具有不可变更性,或是需要特定的操作才能变更数据(这与读写数据都很方便的RAM不同)。 这就意味着,切断芯片的电源不会丢失任何信息。工作中的ROM类似于RAM,ROM芯片(见图1)也包含由记忆行与记忆列组成的栅格。但在记忆行与记忆列相交处,ROM芯片与RAM芯片有根本性的区别。RAM使用晶体管打开或关闭通往位于交点处的电容器的访问电路,而ROM则使用二极管来控制线路,当二极管取1值时,线路导通。当它取0值时,线路就完全切断。 图1:使用闪存的BIOS,闪存是ROM的一种类型。一般来说,二极管允许电流单向流通
3、,并且有一个阈值电压,亦称正向导通电压,这一电压决定了导通二极管所需电流的大小。在硅半导体器件(例如处理器和存储器芯片等)中,正向导通电压约为0.6伏。利用二极管这些独特属性,ROM芯片能够生成一个高于正向导通电压的电势,然后这一电势沿着选定的记忆列传导到一个选定的接地(零电势)记忆行上,这样芯片就与存储单元建立了连接。如果在该存储单元处有一个二极管,电流会被导向大地(零电势),并且在二进制系统下,这一存储单元被认为是“通路”(取1值)。存储单元取0值的情况比较简单,此时相交处的二极管不能连通记忆行与记忆列。因而记忆列上的电势不能传导到记忆行上。不难理解,ROM芯片的工作方式要求生产时写入芯片
4、的数据必须完好无损。一般ROM芯片不能重复编程或重复写入。如果数据有误或需要更新,您只能把旧的ROM扔掉,然后从新来过。创建ROM芯片的原始模板是一项艰苦的工作,通常要经历一个屡败屡试的过程。但ROM芯片仍然是利大于弊。只要完成了模板的设计,单个芯片的实际成本相当低廉,只有几美分。它们的能耗极低,使用起来非常可靠,并且用于小型电子设备时,它们多数情况下都内含控制设备所需的全部程序。唱歌鱼使用的小型芯片就是一个很好的例子。该芯片大小略同于您的手指甲,写入了几首时长30秒的歌曲片段,并且内含能控制电动机并使其与音乐保持同步的程序代码。可编程只读存储器(PROM)如果完全从零开始,生产少量的ROM将
5、会是一件既耗时又耗财的工作。主要针对这一点,开发商发明了一种新型ROM,称为可编程只读存储器(PROM)。空白的PROM价格低廉,只要你拥有一种称为编程器的特殊工具,就能将代码写入其中。PROM芯片(见图2)同普通ROM一样,由记忆行与记忆列相交而成的栅格组成。区别在于,PROM芯片中记忆行与记忆列的每一个交点都是靠熔丝将它们连接起来。电势会沿记忆列导向接地的记忆行,电流会流经存储单元处的熔丝,这表示存储单元取1值。由于全部的存储单元都有熔丝,因而PROM芯片所有存储单元的初始(空白)状态都是1值。若想将单元值变为0,必须使用编程器向存储单元发送一定量的电流。更高的电压能烧断熔丝,并造成记忆行
6、与记忆列之间形成开路。这一过程称为烧制PROM。图2PROM只能进行一次编程。它们比ROM更娇气。静电电击很容易就能烧断PROM中的熔丝,从而使得关键位元的取值由1变为0。空白PROM不仅价格低廉,更是在将元件交付高成本的ROM制造过程之前,打造数据原型的极佳选择。可擦除可编程只读存储器(EPROM)使用ROM和PROM可能并不经济。尽管它们的单价并不昂贵,然而随时间的流逝,总成本会越来越高。可擦除可编程只读存储器(EPROM)解决了这个问题。EPROM芯片可以多次复写。擦除EPROM需要一种特制工具,这种工具能发射某一频率的紫外线。配置EPROM时必须由EPROM编程器提供一个特定的电压,电
7、压水平由EPROM的类型决定。我们又要提到记忆行与记忆列形成的栅格。在EPROM中,位于行列相交处的每个存储单元都有两个晶体管。这两个晶体管被一个薄氧化层隔开。其中一个称为浮栅,另一个为控制栅。由浮栅通往记忆行(字线)的唯一路径必须经过控制栅。只要这条线路能够接通,存储单元就取1值。若想将1值转换为0值,则需要经过一个奇妙的过程,这就是福勒诺德海姆隧道效应(Fowler-Nordheim tunneling)。隧道效应能改变浮栅上的电子分布。浮栅上要施加一个电压(通常是10-13伏)。电流从记忆列(位线)流出,流过浮栅后流向大地(零电势)。这一外加电压让浮栅晶体管起到了电子枪的作用。受激发的电
8、子被推向薄氧化层的另一面并陷入其中,使得薄氧化层带有负电荷。这些带负电的电子在控制栅和浮栅之间起到了壁垒的作用。一种称为单元传感器的设备能监测流过浮栅的电量水平。如果穿过浮栅的电流超过总电量的50%,记忆单元就取1值。如果流过浮栅的电量低于阈值的50%,则单元取值变为0。在空白EPROM中,所有栅都是完全打开的,因而所有单元都取1值。Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 图3想要复写EPROM,首先要将其擦除。进行擦除时,必须要提供足够强大的能量,才能打通阻碍着浮栅的负电子壁垒。对于一般的EPROM来说,完成这一
9、工作的最佳选择是频率为253.7的紫外线。因为这一频率的光波不能穿透大多数塑料制品和玻璃制品,每个EPROM芯片的顶部都置有一副石英窗。EPROM必须与擦除器的光源保持很近的距离(要在两到五厘米以内),才能正常工作。EPROM擦除器不具有选择性,它会擦除EPROM的全部内容。EPROM必须从设备中移除,然后要在EPROM擦除器发出的紫外线下放置几分钟。如果放置时间过长,有可能导致过度擦除。在这种情况下,EPROM的浮栅会完全丧失负载电子的能力。EEPROM和闪存尽管EPROM比PROM在复用性上有了巨大的进步,但当数据需要改动时,EPROM仍需使用专用设备,还要经过繁琐的操作程序,才能移除原有
10、数据并写入新数据。并且EPROM不能局部地修改数据;必须擦除芯片保存的全部数据。电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)芯片解决了EPROM最大的技术缺陷。在EEPROM中: 芯片无需移除即可进行复写。 更改局部数据时,芯片无需全部擦除。 无需使用附加的专用设备,即可改写芯片内容。 无需使用紫外光,您只要在记忆单元处施加局部电场,就可以使得EEPROM存储单元中的电子回归常态。这样就能擦除EEPROM的目标单元,而后就可以进行复写。EEPROM一次可以改动一个字节,这种方法操作起来虽然很灵活,但速度太慢。实际中,对于那些需要快速改变芯片上所存数据的产品来说,EEPROM的速度还达不到要求。生产商为了应对这一技术局限,研制出了闪存,这种EEPROM采用电路内接线技术,闪存在擦除数据时,会在整个芯片上或在某一个预先选定的区域上(称为区块)施加一个电场。闪存的工作速度比传统的EEPROM要快得多,因为它能大面积地写入数据,通常是512字节,而非一次1字节。请查阅闪存工作原理一文,以了解这种ROM及其应用的详细信息。有关ROM以及其他类型计算机存储器的更多信息,请查看下一页的链接!