只读存储器工作原理.doc

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，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