ROM (Read-only memory)

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 22:24, 10 ноября 2017.

ROM (англ. Read Only Memory — постоя́нное запомина́ющее устро́йство) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. В английской терминологии Read Only Memory - это память, работающая только на считывание. Информация, находящаяся в такой памяти, заранее закладывается при ее изготовлении («зашивается») и при отключении питания не разрушается.

Схема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), построенная на мультиплексоре [Источник 1]
Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах [Источник 1]


Исторический прообраз

Постоянные запоминающие устройства стали находить применение в технике задолго до появления ЭВМ и электронных приборов. В частности, одним из первых типов ПЗУ был кулачковый валик, применявшийся в шарманках, музыкальных шкатулках, часах с боем.

С развитием электронной техники и ЭВМ возникла необходимость в быстродействующих ПЗУ. В эпоху вакуумной электроники находили применение ПЗУ на основе потенциалоскопов, моноскопов, лучевых ламп. В ЭВМ на базе транзисторов в качестве ПЗУ небольшой ёмкости широко использовались штепсельные матрицы. При необходимости хранения больших объёмов данных (для ЭВМ первых поколений — несколько десятков килобайт) применялись ПЗУ на базе ферритовых колец (не следует путать их с похожими типами ОЗУ).

Именно от этих типов ПЗУ и берёт своё начало термин «прошивка» — логическое состояние ячейки задавалось направлением навивки провода, охватывающего кольцо. Поскольку тонкий провод требовалось протягивать через цепочку ферритовых колец для выполнения этой операции применялись металлические иглы, аналогичные швейным. Да и сама операция наполнения ПЗУ информацией напоминала процесс шитья.[Источник 2]

Виды памяти

Упрощенная структура ПЗУ

По своему функциональному назначению запоминающие устройства можно разделить на классы:

  • регистровые внутренние запоминающие устройства;
  • Кэш-память;
  • основная память;
  • внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Запоминающие устройства, входящие в состав основной памяти, составляют важнейший модуль любого компьютера, в них хранятся программы и данные, обрабатываемые центральным процессором. В составе основной памяти выделим оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Применение

В постоянной памяти хранятся программы, обеспечивающие работу технического устройства (телевизор, сотовый телефон, различные контроллеры и компьютеры) после его включения в сеть (Basic Input Output System, BIOS) или OpenBoot на машинах SPARC. Здесь же хранятся данные, которые не изменяются в процессе эксплуатации. Постоянная память используется только в режиме чтения информации. Система BIOS связана с аббревиатурой CMOS. Это название дано постоянной перепрограммируемой памяти по лежащей в основе ее изготовления технологии CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor. В системе BIOS имеется программа Setup, которая может изменять содержимое CMOS памяти в зависимости от конфигурации компьютера. В микросхеме CMOS реализованы также часы реального времени RTS (Rial Time Clock). Они работают и при выключенном из сети компьютере от специальной батарейки. Часы позволяют следить за текущим временем, пользователь компьютера всегда может узнать время, число, месяц, год, воспользоваться программами, которые ограничат время использования компьютера для игр детьми. Компьютер может напомнить его хозяину о необходимости предпринять заранее запланированные на определенное время действия, включить в определенное время электронную технику, или выключить ее и т.д.

BootROM — прошивка, такая, что если её записать в подходящую микросхему ПЗУ, установленную в сетевой карте, то становится возможна загрузка операционной системы на компьютер с удалённого узла локальной сети. Для встроенных в ЭВМ сетевых плат BootROM можно активировать через BIOS. ПЗУ в IBM PC-совместимых ЭВМ располагается в адресном пространстве с F600:0000 по FD00:0FFF.[Источник 2]

Классификация

Часто используется английский термин ROM (Read-Only Memory). Но в английской терминологии термин применяют в более широком смысле - как ПЗУ, т.е. ROM можно переписать. В этом смысле ROM можно классифицировать следующим образом:

  • По типу исполнения ПЗУ
  1. ПЗУ, в которых массив данных (в обиходе называемый «прошивкой») совмещён с устройством выборки (считывающим устройством):

микросхема ПЗУ; один из внутренних ресурсов однокристальной микро ЭВМ (микроконтроллера), как правило, FlashROM;

  1. ПЗУ, в которых массив данных существует самостоятельно (компакт-диск; гибкая грампластинка с цифровой записью (с 1975 года); перфокарта; перфолента; штрих-коды; монтажные «1» и монтажные «0»).
  • По разновидностям микросхем выделяют ПЗУ:
  1. по технологии изготовления кристалла
  2. по виду доступа
  3. по способу программирования микросхем (то есть, по способу записи «прошивки» в микросхему) [Источник 2]
Схема масочного постоянного запоминающего устройства (ROM).[Источник 1]
Условно-графическое обозначение масочного ПЗУ (ROM) на принципиальных схемах. [Источник 1]

Технология изготовления кристалла [Источник 3]

ROM

ROM — ( англ. read-only memory, постоянное запоминающее устройство) — масочное ПЗУ, изготавливаемое фабричным методом. Данный вид памяти называется Mask-ROM (Масочные ПЗУ). Память устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. Данные на ROM записывались во время производства путём нанесения по маске (отсюда и название) алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0" или "1". Mask-ROM отличается сложностью модификации содержимого (только путем изготовления новых микросхем), а также длительностью производственного цикла (4-8 недель). Поэтому, а также в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, данный тип памяти не получил широкого распространения.

Преимущества:

  1. Низкая стоимость готовой запрограммированной микросхемы (при больших объёмах производства).
  2. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.
  3. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.

Недостатки:

  1. Невозможность записывать и модифицировать данные после изготовления.
  2. Сложный производственный цикл.

PROM

PROM — ( англ. programmable read-only memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем. В качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие перемычки. В отличие от Mask-ROM, в PROM появилась возможность кодировать ("пережигать") ячейки при наличии специального устройства для записи (программатора). Программирование ячейки в PROM осуществляется разрушением ("прожигом") плавкой перемычки путём подачи тока высокого напряжения. Возможность самостоятельной записи информации в них сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства. PROM практически полностью вышел из употребления в конце 80-х годов.

Преимущества:

  1. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям и радиации.
  2. Возможность программировать готовую микросхему, что удобно для штучного и мелкосерийного производства.
  3. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.

Недостатки:

  1. Невозможность перезаписи
  2. Большой процент брака
  3. Необходимость специальной длительной термической тренировки, без которой надежность хранения данных была невысокой
Микросхема EPROM AMD AM2716, выпущенная в 1979 году
[Источник 2]

EPROM

EPROM — ( англ. erasable programmable read-only memory, перепрограммируемое/репрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ/РПЗУ)). Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM - как Erasable Programmable ROM или как Electrically Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ). В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (соответственно появилась возможность перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми (UV-EPROM) или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в 1971 году, и носят название UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) - ультрафиолет). Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании процесса стирания заклеивают.

Микросхема EPROM Intel 1702 с ультрафиолетовым стиранием[Источник 2]

EPROM от Intel была основана на МОП-транзисторах с лавинной инжекцией заряда (FAMOS - Floating Gate Avalanche injection Metal Oxide Semiconductor, русский эквивалент - ЛИЗМОП). В первом приближении такой транзистор представляет собой конденсатор с очень малой утечкой заряда. Позднее, в 1973 году, компания Toshiba разработала ячейки на основе SAMOS (Stacked gate Avalanche injection MOS, по другой версии - Silicon and Aluminum MOS) для EPROM памяти, а в 1977 году Intel разработала свой вариант SAMOS.

В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние (обычно во все единицы, реже - во все нули). Запись на EPROM, как и в PROM, также осуществляется на программаторах (однако отличающихся от программаторов для PROM). В настоящее время EPROM практически полностью вытеснена с рынка EEPROM и Flash.

Достоинство: Возможность перезаписывать содержимое микросхемы

Недостатки:

  1. Небольшое количество циклов перезаписи.
  2. Невозможность модификации части хранимых данных.
  3. Высокая вероятность "недотереть" (что в конечном итоге приведет к сбоям) или передержать микросхему под УФ-светом (т.н. overerase - эффект избыточного удаления, "пережигание"), что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её полной негодности.

EEPROM

EEPROM — ( англ. electrically erasable programmable read-only memory, электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ) — электрически стираемые ППЗУ были разработаны в 1979 году в той же Intel. В 1983 году вышел первый 16Кбит образец, изготовленный на основе FLOTOX-транзисторов (Floating Gate Tunnel-OXide - "плавающий" затвор с туннелированием в окисле).

Главной отличительной особенностью EEPROM (в т.ч. Flash) от ранее рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи.

Преимущества: (по сравнению с EPROM)

  1. Увеличенный ресурс работы.
  2. Проще в обращении.

Недостатки:

  1. Высокая стоимость

Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память ( англ. flash memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

  • ПЗУ на магнитных доменах. Например, К1602РЦ5, которое имело сложное устройство выборки и хранило довольно большой объём данных в виде намагниченных областей кристалла, при этом не имея движущихся частей (см. Компьютерная память). Обеспечивает неограниченное количество циклов перезаписи;
  • NVRAM — ( англ. non-volatile memory, «неразрушающаяся» память) — ПЗУ, которое, строго говоря, не является ПЗУ. Это ОЗУ небольшого объёма, конструктивно совмещённое с батарейкой. В СССР такие устройства часто назывались «Dallas» по имени фирмы ( англ.), выпустившей их на рынок. В NVRAM современных ЭВМ батарейка уже конструктивно не связана с ОЗУ и может быть заменена;

Доступ к памяти[Источник 2]

  • ПЗУ с параллельным доступом (parallel mode или random access) — ПЗУ, которое в системе может быть доступно в адресном пространстве ОЗУ.
  • ПЗУ с последовательным доступом — ПЗУ, часто используемые для однократной загрузки констант или «прошивки» в процессор или ПЛИС, используемые для хранения, например, настроек каналов телевизора и других данных.

Способ программирования [Источник 2]

  • непрограммируемые ПЗУ;
  • ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства — программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы;
  • внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP — англ. in-system programming) — микросхемы, имеющие внутри генератор всех необходимых высоких напряжений. Могут быть перепрошиты программным способом, то есть, без программатора и без выпайки из печатной платы.

Источники

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 ЛЕКЦИЯ №8 «Подсистема памяти микропроцессорной системы» (продолжение) // Корпоративный портал. Томский политехнический университет. 04.10.2017. URL: http://portal.tpu.ru/SHARED/a/ALEX1479/study/dis1_mpt/Tab4/ (дата обращения: 04.10.2017).
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Постоянное запоминающее устройство // Википедия. [2017—2017]. Дата обновления: 04.10.2017. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=88095346 (дата обращения: 04.10.2017).
  3. Лекция 1 ПЗУ // Яндекс.Народ. URL:http://frela-mk.narod.ru/olderfiles/1/Lekcciya_1_Programma_kursa_PZU.pdf (дата обращения: 04.10.2017).