Только для чтения памяти

EPROM

Постоянная память ( ПЗУ ) - это тип энергонезависимой памяти, используемой в компьютерах и других электронных устройствах . Данные, хранящиеся в ПЗУ, не могут быть изменены электронным способом после изготовления устройства памяти . Постоянная память полезна для хранения программного обеспечения , которое редко изменяется в течение срока службы системы, также известного как микропрограммное обеспечение . Программные приложения (например, видеоигры ) для программируемых устройств могут распространяться в виде сменных картриджей, содержащих ПЗУ .

Постоянное запоминающее устройство строго относится к запоминающему устройству, которое является жестко смонтированным, таким как диодная матрица или интегральная схема (ИС) ПЗУ с маской , которые не могут быть изменены электронным способом ^[a] после изготовления. Хотя дискретные схемы могут быть изменены в принципе, путем добавления проводов и / или удаления или замены компонентов, микросхемы не могут. Для исправления ошибок или обновления программного обеспечения требуется производство новых устройств и замена установленного устройства.

Полупроводниковая память ПЗУ с плавающим затвором в виде стираемой программируемой постоянной памяти (СППЗУ), электрически стираемой программируемой постоянной памяти (ЭСППЗУ) и флэш-памяти может быть стерта и перепрограммирована. Но обычно это можно сделать только на относительно низких скоростях, для этого может потребоваться специальное оборудование и, как правило, это возможно только определенное количество раз. ^[1]

Термин «ROM» иногда используется для обозначения устройства ROM, содержащего определенное программное обеспечение, или файла с программным обеспечением, который должен храниться в EEPROM или флэш-памяти. Например, пользователи, модифицирующие или заменяющие операционную систему Android, описывают файлы, содержащие измененную или заменяющую операционную систему, как « пользовательские ПЗУ » после типа хранилища, в которое файл использовался для записи.

История [ править ]

Дискретно-компонентное ПЗУ [ править ]

IBM использовала конденсаторное хранилище только для чтения (CROS) и трансформаторное хранилище только для чтения (TROS) для хранения микрокода для меньших моделей System / 360 , 360/85 и первых двух моделей System / 370 ( 370/155 и 370 / 165 ). На некоторых моделях было также записываемое хранилище элементов управления (WCS) для дополнительной диагностики и поддержки эмуляции. Аполлон Руководство Компьютер используется основная память веревки , запрограммированная путем продевания через провод магнитных сердечников.

Твердотельное ПЗУ [ править ]

Простейший тип твердотельного ПЗУ так же стара, как и сама полупроводниковая технология. Комбинационные логические элементы могут быть объединены вручную для сопоставления ввода n- битного адреса с произвольными значениями m- битных выходных данных ( справочная таблица ). С изобретением интегральной схемы появилась маска ПЗУ . ПЗУ маски состоит из сетки строк слов (адресный вход) и битовых строк (выход данных), выборочно соединенных вместе с транзистором.переключатели, и может представлять произвольную таблицу поиска с регулярным физическим расположением и предсказуемой задержкой распространения .

В ПЗУ с маской данные физически закодированы в схеме, поэтому их можно запрограммировать только во время изготовления. Это приводит к ряду серьезных недостатков:

1. Покупать ПЗУ масок в больших количествах выгодно только потому, что пользователи должны заключить договор с литейным заводом для изготовления нестандартной конструкции.
2. Время между завершением дизайна ПЗУ маски и получением готового продукта велико по той же причине.
3. ПЗУ с маской непрактично для НИОКР, поскольку дизайнерам часто приходится изменять содержимое памяти по мере того, как они совершенствуют дизайн.
4. Если продукт поставляется с неисправным ПЗУ маски, единственный способ исправить это - отозвать продукт и физически заменить ПЗУ в каждом отправленном устройстве.

В последующих разработках эти недостатки были устранены. Программируемая постоянная память (PROM), изобретенная Вэнь Цин Чоу в 1956 году ^{[2] [3],} позволяла пользователям программировать ее содержимое ровно один раз, физически изменяя ее структуру с помощью импульсов высокого напряжения. Это решило проблемы 1 и 2, описанные выше, поскольку компания может просто заказать большую партию свежих микросхем PROM и запрограммировать их с желаемым содержимым по усмотрению разработчиков.

Появление металл-оксид-полупроводник полевого транзистора (MOSFET), изобретен в Bell Labs в 1959 году ^[4] позволило практическое использование металл-оксид-полупроводник (МОП) транзисторов в качестве ячейки памяти запоминающих элементов в полупроводниковой памяти , функцию, ранее выполняемую магнитными сердечниками в памяти компьютера . ^[5] В 1967 году Давон Кан и Саймон Сзе из Bell Labs предложили использовать плавающий затвор полупроводникового МОП- устройства для ячейки перепрограммируемого ПЗУ, что привело к Дову Фроману изВ 1971 году Intel изобрела стираемую программируемую постоянную память (EPROM). ^[6] Изобретение EPROM в 1971 году по существу решило проблему 3, поскольку EPROM (в отличие от PROM) можно многократно возвращать в незапрограммированное состояние под воздействием сильного ультрафиолетового света.

Электрически стираемая программируемая постоянная память (EEPROM), разработанная Ясуо Таруи, Ютакой Хаяши и Киёко Нага в Электротехнической лаборатории в 1972 году ^[7], во многом решила проблему 4, поскольку EEPROM можно запрограммировать на месте, если содержащее устройство обеспечивает средства для приема содержимого программы из внешнего источника (например, персонального компьютера через последовательный кабель ). Флэш-память , изобретенная Фудзио Масуока в Toshibaв начале 1980-х и коммерциализированная в конце 1980-х, это форма EEPROM, которая очень эффективно использует область чипа и может быть стерта и перепрограммирована тысячи раз без повреждений. Он позволяет стирать и программировать только определенную часть устройства, а не все устройство. Это можно сделать на высокой скорости, отсюда и название «вспышка». ^{[8] [9]}

Все эти технологии улучшили гибкость ПЗУ, но со значительной стоимостью микросхемы, так что в больших количествах ПЗУ с маской останется экономичным выбором в течение многих лет. (Снижение стоимости перепрограммируемых устройств почти привело к исчезновению рынка ПЗУ с масками к 2000 году.) Технологии перезаписи рассматривались как замена ПЗУ с масками.

Самая последняя разработка - это флеш-память NAND , также изобретенная в Toshiba. Его разработчики явно отошли от прошлой практики, прямо заявив, что «цель флэш-памяти NAND - заменить жесткие диски » ^[10], а не традиционное использование ПЗУ как формы энергонезависимого первичного хранилища . По состоянию на 2007 год ^{[Обновить]}NAND частично достигла этой цели, предлагая пропускную способность, сопоставимую с жесткими дисками, более высокую устойчивость к физическим ударам, крайнюю миниатюризацию (например, в виде USB-накопителей и крошечных карт памяти microSD ) и гораздо более низкое энергопотребление.

Использовать для хранения программ [ править ]

Каждый компьютер с хранимой программой может использовать форму энергонезависимого хранилища (то есть хранилища, которое сохраняет свои данные при отключении питания) для хранения начальной программы, которая запускается, когда компьютер включается или иным образом начинает выполнение (процесс, известный как начальная загрузка , часто сокращенно « загрузка » или «загрузка»). Точно так же каждому нетривиальному компьютеру требуется некоторая форма изменяемой памяти для записи изменений своего состояния во время выполнения.

Формы постоянной памяти использовались в качестве энергонезависимой памяти для программ в большинстве ранних компьютеров с хранимыми программами, таких как ENIAC после 1948 года . (До тех пор это не был компьютер с хранимой программой, поскольку каждую программу приходилось вручную подключать к машине, что могло занимать от нескольких дней до недель.) Постоянная память была проще в реализации, поскольку ей требовался только механизм для чтения сохраненных значений, и не менять их на месте, и, таким образом, может быть реализован с очень грубыми электромеханическими устройствами (см. исторические примеры ниже). С появлением интегральных схем в 1960-х годах как ПЗУ, так и его изменяемое статическое ОЗУ были реализованы в виде массивов транзисторов.в кремниевых чипах; однако ячейка памяти ПЗУ может быть реализована с использованием меньшего количества транзисторов, чем ячейка памяти SRAM, поскольку последней требуется защелка (состоящая из 5-20 транзисторов) для сохранения своего содержимого, в то время как ячейка ПЗУ может состоять из отсутствия (логический 0) или наличие (логическая 1) одного транзистора, соединяющего разрядную шину со словарной шиной. ^[11] Следовательно, ПЗУ может быть реализован при более низкой стоимости-пер- бита , чем RAM в течение многих лет.

Большинство домашних компьютеров 1980-х годов хранили интерпретатор BASIC или операционную систему в ПЗУ, поскольку другие формы энергонезависимой памяти, такие как магнитные диски, были слишком дорогими. Например, Commodore 64 включал 64 КБ ОЗУ, а 20 КБ ПЗУ содержали интерпретатор БЕЙСИК и « КЕРНАЛ » его операционной системы. Позднее домашние или офисные компьютеры, такие как IBM PC XT, часто включали магнитные диски и большие объемы оперативной памяти, что позволяло им загружать свои операционные системы с диска в оперативную память, при этом в ПЗУ оставалось только минимальное ядро ​​инициализации оборудования и загрузчик (известный как тоBIOS в IBM-совместимых компьютерах). Такая компоновка позволила создать более сложную и легко обновляемую операционную систему.

В современных ПК «ROM» используется для хранения базовой прошивки начальной загрузки для процессора, а также различных прошивок, необходимых для внутреннего управления автономными устройствами, такими как графические карты , жесткие диски , твердотельные накопители , оптические дисководы и т. Д. TFT-экраны и др. В системе. Сегодня многие из этих постоянных запоминающих устройств, особенно BIOS / UEFI , часто заменяются EEPROM или флэш-памятью.(см. ниже), чтобы разрешить перепрограммирование на месте в случае необходимости обновления прошивки. Однако простые и зрелые подсистемы (например, клавиатура или некоторые контроллеры связи в интегральных схемах на основной плате) могут использовать ПЗУ с маской или OTP (одноразовое программирование).

ПЗУ и последующие технологии, такие как флэш-память, преобладают во встроенных системах . Это все: от промышленных роботов до бытовой техники и бытовой электроники ( MP3-плееры , телевизионные приставки и т. Д.). Все они предназначены для определенных функций, но основаны на микропроцессорах общего назначения . Поскольку программное обеспечение обычно тесно связано с оборудованием, изменения программы в таких устройствах редко требуются (у которых обычно отсутствуют жесткие диски по причинам стоимости, размера или энергопотребления). По состоянию на 2008 год в большинстве продуктов используется флэш-память, а не маска ПЗУ, и многие из них предоставляют средства для подключения к ПК для прошивки.обновления; например, цифровой аудиоплеер может быть обновлен для поддержки нового формата файла . Некоторые любители воспользовались этой гибкостью, чтобы перепрограммировать потребительские товары для новых целей; например, iPodLinux и OpenWRT проекты позволили пользователям запускать полнофункциональные Linux дистрибутивы на своих MP3 - плееров и беспроводных маршрутизаторов, соответственно.

ПЗУ также полезно для двоичного хранения криптографических данных, поскольку затрудняет их замену, что может быть желательно для повышения информационной безопасности .

Использовать для хранения данных [ править ]

Поскольку ПЗУ (по крайней мере, в форме жестко зашитой маски) не может быть изменено, оно подходит только для хранения данных, которые, как ожидается, не потребуют модификации в течение срока службы устройства. С этой целью ПЗУ использовалось во многих компьютерах для хранения справочных таблиц для оценки математических и логических функций (например, модуль с плавающей запятой может табулировать синусоидальную функцию , чтобы облегчить более быстрые вычисления). Это было особенно эффективно, когда ЦП были медленными, а ПЗУ было дешевым по сравнению с ОЗУ.

Примечательно, что видеоадаптеры ранних персональных компьютеров хранили таблицы символов растровых шрифтов в ПЗУ. Обычно это означало, что шрифт отображения текста нельзя было изменить в интерактивном режиме. Так было с адаптерами CGA и MDA, доступными в IBM PC XT.

Использование ПЗУ для хранения таких небольших объемов данных в современных компьютерах общего назначения почти полностью исчезло. Однако NAND Flash приобрел новую роль в качестве носителя для массового или вторичного хранения файлов.

Типы [ править ]

Заводские настройки [ править ]

ПЗУ маски - это постоянное запоминающее устройство, содержимое которого программируется производителем интегральной схемы (а не пользователем). Желаемое содержимое памяти предоставляется заказчиком производителю устройства. Требуемые данные преобразуются в настраиваемый слой маски для окончательной металлизации межсоединений на микросхеме памяти (отсюда и название).

Обычной практикой является использование перезаписываемой энергонезависимой памяти, такой как UV- EPROM или EEPROM, на этапе разработки проекта и переключение на маскирование ПЗУ после завершения кода. Например, микроконтроллеры Atmel имеют форматы EEPROM и mask ROM.

Главное преимущество ПЗУ с маской - это ее стоимость. ПЗУ с маской более компактно, чем любой другой тип полупроводниковой памяти . Поскольку стоимость интегральной схемы сильно зависит от ее размера, ПЗУ с маской значительно дешевле любого другого типа полупроводниковой памяти.

Однако единовременные затраты на маскирование высоки, и требуется длительный период времени от разработки до этапа изготовления продукта. Ошибки проектирования обходятся дорого: если обнаружена ошибка в данных или коде, ПЗУ маски становится бесполезным и должно быть заменено, чтобы изменить код или данные. ^[12]

По состоянию на 2003 год четыре компании производили большинство таких микросхем ПЗУ с масками: Samsung Electronics , NEC Corporation , Oki Electric Industry и Macronix. ^{[13] [ требуется обновление ]}

Некоторые интегральные схемы содержат только ПЗУ с маской. Другие интегральные схемы содержат ПЗУ с маской, а также множество других устройств. В частности, многие микропроцессоры имеют ПЗУ по маске для хранения своего микрокода . Некоторые микроконтроллеры имеют ПЗУ с маской для хранения загрузчика или всей своей прошивки .

Классические микросхемы ПЗУ с программированием по маске представляют собой интегральные схемы, которые физически кодируют данные, подлежащие хранению, и поэтому их содержимое невозможно изменить после изготовления.

Программируется на месте [ править ]

• Программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM) или одноразовое программируемое ROM (OTP) может быть записано или запрограммировано с помощью специального устройства, называемого программатором PROM . Обычно в этом устройстве используются высокие напряжения для постоянного разрушения или создания внутренних перемычек ( предохранителей или антифузоров ) внутри микросхемы. Следовательно, PROM можно запрограммировать только один раз.
• Стираемая программируемая постоянная память (EPROM) может быть стерта под воздействием сильного ультрафиолетового света (обычно в течение 10 минут или дольше), а затем перезаписана с помощью процесса, который снова требует более высокого напряжения, чем обычно. Многократное воздействие ультрафиолетового света в конечном итоге приведет к износу EPROM, но срок службы большинства микросхем EPROM превышает 1000 циклов стирания и перепрограммирования. Пакеты микросхем EPROM часто можно определить по выступающему кварцевому «окну», через которое проникает УФ-свет. После программирования окно обычно закрывается этикеткой, чтобы предотвратить случайное стирание. Некоторые микросхемы EPROM стираются на заводе-изготовителе перед упаковкой и не имеют окна; это фактически PROM.
• Электрически стираемая программируемая постоянная память (EEPROM) основана на полупроводниковой структуре, аналогичной EPROM, но позволяетэлектрически стиратьвсе ее содержимое (или выбранные банки ), а затем перезаписывать электрически, так что их не нужно удалять с компьютера ( будь то универсальный или встроенный компьютер в камеру, MP3-плеер и т. д.). Запись или перепрошивка EEPROM происходит намного медленнее (миллисекунды на бит), чем чтение из ROM или запись в RAM (наносекунды в обоих случаях).
  • Электрически изменяемая постоянная память (EAROM) - это тип EEPROM, который можно изменять по одному биту за раз. Запись - очень медленный процесс и опять же требует более высокого напряжения (обычно около 12 В ), чем используется для доступа для чтения. EAROM предназначены для приложений, требующих нечастой и частичной перезаписи. EAROM может использоваться как энергонезависимое хранилище для важной информации о настройке системы; во многих приложениях EAROM был заменен CMOS RAM, питаемым от сети и поддерживаемым литиевой батареей .
  • Флэш-память (или просто флеш-память ) - это современный тип EEPROM, изобретенный в 1984 году. Флэш-память может стираться и перезаписываться быстрее, чем обычная EEPROM, а новые конструкции обладают очень высокой долговечностью (превышающей 1 000 000 циклов). Современная флеш-память NAND эффективно использует площадь кремниевого чипа, в результате чего отдельные ИС имеют емкость 32 ГБ по состоянию на 2007 год^{[Обновить]}; эта функция, наряду с ее выносливостью и физической долговечностью, позволила флеш-памяти NAND заменить магнитную в некоторых приложениях (например, в USB-накопителях ). NOR флэш- память иногда называется флэш-ПЗУ или флэш-EEPROM. при использовании в качестве замены старых типов ПЗУ, но не в приложениях, которые используют его способность быстро и часто изменяться.

Применяя защиту от записи , некоторые типы перепрограммируемых ПЗУ могут временно стать постоянным запоминающим устройством.

Другие технологии [ править ]

Существуют и другие типы энергонезависимой памяти, которые не основаны на технологии твердотельных ИС, в том числе:

• Оптический носитель информации, такой как CD-ROM, доступный только для чтения (аналог маскированного ROM). CD-R - это запись один раз, чтение многих (аналог PROM), тогда как CD-RW поддерживает циклы стирания-перезаписи (аналог EEPROM); оба предназначены для обратной совместимости с CD-ROM.

• ПЗУ с диодной матрицей , использовавшееся в небольших количествах во многих компьютерах в 1960-х годах, а также в электронных настольных калькуляторах и кодерах клавиатуры для терминалов . Это ПЗУ было запрограммировано путем установки дискретных полупроводниковых диодов в выбранных местах между матрицей дорожек словарной шины и дорожек разрядной линии на печатной плате .
• ПЗУ матрицы резистора , конденсатора или трансформатора , которое использовалось во многих компьютерах до 1970-х годов. Как диод матрицы ROM, она была запрограммирована путем размещения компонентов в выбранных местах между матрицей слов линий и линий данных . Таблицы функций ENIAC представляли собой ПЗУ с резисторной матрицей, запрограммированное вручную с помощью поворотных переключателей. Различные модели IBM System / 360 и сложных периферийных устройств хранят свой микрокод в любом конденсаторе (называемом BCROS для симметричного конденсатора постоянного хранения только для чтения на 360/50 и 360/65, либо CCROS длякарта памяти конденсатора только для чтения на 360/30 ) или преобразователя (называемого TROS для хранения только для чтения трансформатора на 360/20 , 360/40 и других) матричного ПЗУ.
• Трос с сердечником , форма ПЗУ с матрицей трансформатора, используемая там, где размер и вес были критическими. Это было использовано в NASA / MIT 's Apollo космических аппаратов компьютеров , DEC ' s PDP-8 компьютеров, Hewlett-Packard 9100A калькулятор, и в других местах. Этот тип ПЗУ был запрограммирован вручную путем плетения «проводов словарной шины» внутри или снаружи сердечников ферритовых трансформаторов.
• Магазины Diamond Ring, в которых провода пропущены через последовательность больших ферритовых колец, которые работают только как чувствительные устройства. Они использовались в телефонных станциях TXE .

Скорость [ править ]

Хотя относительная скорость RAM по сравнению с ROM менялась с течением времени, с 2007 года ^{[Обновить]}большие чипы RAM могут считываться быстрее, чем большинство ROM. По этой причине (и для обеспечения единообразного доступа) содержимое ПЗУ иногда копируется в ОЗУ или затеняется перед первым использованием, а затем считывается из ОЗУ.

Написание [ править ]

Для тех типов ПЗУ, которые можно электрически модифицировать, скорость записи традиционно была намного ниже скорости чтения, и для этого может потребоваться необычно высокое напряжение, перемещение перемычек для подачи сигналов разрешения записи и специальные коды команд блокировки / разблокировки. Modern NAND Flash обеспечивает наивысшую скорость записи среди всех технологий перезаписываемых ПЗУ, достигая 10 ГБ / с.это стало возможным благодаря увеличению инвестиций как в потребительские, так и в корпоративные твердотельные накопители и продукты флэш-памяти для мобильных устройств более высокого класса. На техническом уровне выигрыш был достигнут за счет увеличения параллелизма как в конструкции контроллера, так и в системе хранения, использования больших кэшей чтения / записи DRAM и реализации ячеек памяти, которые могут хранить более одного бита (DLC, TLC и MLC). Последний подход более подвержен сбоям, но это в значительной степени смягчено за счет избыточного выделения ресурсов (включение резервной емкости в продукт, которая видна только контроллеру накопителя) и за счет усложнения алгоритмов чтения / записи во встроенном ПО накопителя.

Выносливость и сохранение данных [ править ]

Поскольку они записываются путем проталкивания электронов через слой электрической изоляции на затвор плавающего транзистора , перезаписываемые ПЗУ могут выдерживать лишь ограниченное количество циклов записи и стирания, прежде чем изоляция будет необратимо повреждена. В самых ранних EPROM это могло произойти уже после 1000 циклов записи, тогда как в современных Flash EEPROM срок службы может превышать 1000000. Ограниченный срок службы, а также более высокая стоимость битов означают, что флэш-накопители вряд ли полностью вытеснят магнитные диски в ближайшем будущем. ^{[ необходима цитата ]}

Интервал времени, в течение которого ПЗУ остается точно читаемым, не ограничивается циклической записью. Сохранение данных в EPROM, EAROM, EEPROM и Flash может быть ограничено по времени из-за утечки заряда из плавающих затворов транзисторов ячейки памяти. EEPROM раннего поколения в середине 1980-х годов обычно указывал на срок хранения данных 5 или 6 лет. Обзор EEPROM, предлагаемых в 2020 году, показывает, что производители ссылаются на 100-летнее хранение данных. Неблагоприятные условия окружающей среды сократят время удерживания (утечка ускоряется высокими температурами или радиацией ). Маскированное ПЗУ и ППЗУ предохранителя / антипредохранителя не страдают от этого эффекта, поскольку сохранение их данных зависит от физического, а не электрического постоянства интегральной схемы, хотя повторное увеличение предохранителя когда-то было проблемой в некоторых системах. ^[14]

Изображения содержания [ править ]

Содержимое микросхем ПЗУ можно извлечь с помощью специальных аппаратных устройств и соответствующего управляющего программного обеспечения. Это обычная практика, в качестве основного примера, при чтении содержимого старых картриджей игровой консоли . Другой пример - создание резервных копий прошивок / ПЗУ ОС со старых компьютеров или других устройств - для архивных целей, поскольку во многих случаях исходные микросхемы являются ППЗУ и, следовательно, подвержены риску превышения срока их пригодности для использования.

Полученные в результате файлы дампа памяти известны как образы ПЗУ или сокращенные ПЗУ , и могут использоваться для создания дубликатов ПЗУ - например, для создания новых картриджей или как цифровые файлы для воспроизведения в эмуляторах консоли . Термин « образ ПЗУ» возник, когда большинство консольных игр распространялись на картриджах, содержащих микросхемы ПЗУ, но получил такое широкое распространение, что до сих пор применяется к изображениям новых игр, распространяемых на компакт-дисках или других оптических носителях.

Образы ПЗУ коммерческих игр, микропрограмм и т. Д. Обычно содержат программное обеспечение, защищенное авторскими правами. Несанкционированное копирование и распространение программного обеспечения, защищенного авторским правом, является нарушением законов об авторском праве во многих юрисдикциях, хотя копирование в целях резервного копирования может считаться добросовестным использованием в зависимости от местоположения. В любом случае существует процветающее сообщество, занимающееся распространением и продажей такого программного обеспечения и отказа от программного обеспечения в целях сохранения / совместного использования.

Хронология [ править ]

См. Также [ править ]

• Флэш-память
• Оперативная память
• Основная память (RMM)
• Память только для записи

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Послушайте эту статью ( 7 минут )

Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 12 апреля 2005 г. и не отражает последующих правок. ( 2005-04-12 )

( Аудио справка  · Больше устных статей )