只读内存工作.pdf

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1、只读内存工作 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

2、种存储器，这种存储器有两个特征: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

3、是 ROM 的一种类型。一般来说，二极管允许电流单向流通，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

4、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

5、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(

6、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，并造成记忆行与记忆列之间形成开路。这一过程称为烧制 PROM。图 2 PROM 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

7、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)

8、。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 supp

9、ort 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

10、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

11、 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