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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(guò)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(kāi)始來(lái)展開(kāi)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(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(xiě)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(jiàn)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(kāi)或關(guān)閉通往位于交點(diǎn)處的電容器的訪問(wèn)電路,而ROM則使用二極管來(lái)控制線路,當(dāng)
3、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(lái)說(shuō),二極管允許電流單向流通,并且有一個(gè)閾值電壓,亦稱正向?qū)妷?,這一電壓決定了導(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
4、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(xiě)入芯片的數(shù)據(jù)必須完好無(wú)損。一般ROM芯片不能重復(fù)編程或重復(fù)寫(xiě)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(lái)過(guò)。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(guò)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)土挥袔酌婪?。它們的能耗極低,使用起來(lái)非??煽?,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(yú)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
5、手指甲,寫(xiě)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(lè)保持同步的程序代碼。
可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)
如果完全從零開(kāi)始,生產(chǎn)少量的ROM將會(huì)是一件既耗時(shí)又耗財(cái)?shù)墓ぷ?。主要針?duì)這一點(diǎn),開(kāi)發(fā)商發(fā)明了一種新型ROM,稱為可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)??瞻椎腜ROM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(xiě)入其中。
PROM芯片(見(jiàn)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(lái)。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
6、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,并造成記憶行與記憶列之間形成開(kāi)路。這一過(guò)程稱為燒制PROM。
圖2
PROM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)???瞻譖ROM不僅價(jià)格低廉,更是在將元件交付高成本的ROM制造過(guò)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(lái)越高??刹脸?/p>
7、編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)解決了這個(gè)問(wèn)題。EPROM芯片可以多次復(fù)寫(xiě)。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(kāi)。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(guò)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(guò)一個(gè)奇妙的過(guò)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(gè)電壓(通常是10-13伏)。電流從記憶列(位線)流出,流過(guò)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(guò)浮柵的電量水平。如果穿過(guò)浮柵的電流超過(guò)總電量的50%,記憶單元就取1值。如果流過(guò)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(kāi)的,因而所有單元都取1值。
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圖3
想要復(fù)寫(xiě)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(lái)說(shuō),完成這一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(guò)長(zhǎng),有可能導(dǎo)
10、致過(guò)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(guò)繁瑣的操作程序,才能移除原有數(shù)據(jù)并寫(xiě)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(wú)需移除即可進(jìn)行復(fù)寫(xiě)。
· 更改局部數(shù)據(jù)時(shí),芯片無(wú)需全部擦除。
· 無(wú)需使用附加的專用設(shè)備,即可改寫(xiě)芯片內(nèi)容。
無(wú)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
11、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(xiě)。EEPROM一次可以改動(dòng)一個(gè)字節(jié),這種方法操作起來(lái)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(lái)說(shuō),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(xiě)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。
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