ROM là gì ? Bộ nhớ chỉ đọc – Tài liệu kỹ thuật điện tử

19/11/2019

ROM là gì ?

Mục lục hiện

Bộ nhớ chỉ đọc ( ROM ) là một loại bộ nhớ không thay đổi được sử dụng trong máy tính và các thiết bị điện tử khác. Dữ liệu được lưu trữ trong ROM không thể được sửa đổi bằng điện tử sau khi sản xuất. Bộ nhớ chỉ đọc hữu ích cho việc lưu trữ phần mềm hiếm khi thay đổi trong suốt vòng đời của hệ thống, đôi khi được gọi là phần sụn (firmware) . Các ứng dụng phần mềm cho các thiết bị lập trình có thể được phân phối dưới dạng các hộp mực bổ trợ có chứa bộ nhớ chỉ đọc (băng trò chơi video game).

Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình xóa được (EPROM) và bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình xóa được bằng điện (EEPROM) có thể được xóa và lập trình lại, nhưng thông thường chỉ có thể được thực hiện ở tốc độ tương đối chậm, có thể cần thiết bị đặc biệt để thực hiện, và chỉ có thể một sửa đổi số lần nhất định.

Thuật ngữ “ROM” đôi khi được sử dụng để chỉ một thiết bị ROM có chứa phần mềm hoặc một tệp có phần mềm được lưu trữ trong EEPROM hoặc Flash Memory. Ví dụ: người dùng sửa đổi hệ điều hành Android gọi các tệp chứa hệ điều hành đã sửa đổi là ” ROM tùy chỉnh ”

ROM sử dụng để lưu trữ chương trình BIOS

Mọi chương trình được lưu trữ có thể sử dụng một dạng lưu trữ cố định trên ROM (nghĩa là dữ liệu của nó không bị mất khi bị ngắt nguồn) để lưu trữ chương trình ban đầu khởi chạy khi máy tính được bật hoặc bắt đầu thực thi (một quá trình được gọi là bootstrapping , thường được viết tắt là ” booting ” hoặc “booting up”).

Các dạng bộ nhớ chỉ đọc được sử dụng làm bộ lưu trữ không mất dữ liệu cho các chương trình trong hầu hết các máy tính, chẳng hạn như ENIAC từ năm 1948. Bộ nhớ chỉ đọc thực hiện nó đơn giản hơn vì nó chỉ cần một cơ chế để đọc các giá trị được lưu trữ, và không thay đổi chúng, và do đó có thể được thực hiện với các thiết bị điện tử thô (xem các ví dụ lịch sử bên dưới). Với sự ra đời của các mạch tích hợp vào những năm 1960, cả ROM và RAM có thể thay đổi đã được triển khai dưới dạng các mảng bóng bán dẫn trong chip silicon; tuy nhiên, một ô nhớ ROM có thể được sản xuất bằng cách sử dụng ít bóng bán dẫn hơn một ô nhớ SRAM. Do đó, ROM có thể được sản xuất với chi phí thấp hơn so với RAM trong nhiều năm.

Hầu hết các máy tính gia đình của những năm 1980 đã lưu trữ một trình thông dịch BASIC hoặc hệ điều hành trong ROM vì các hình thức lưu trữ không mất dữ liệu khác như ổ đĩa từ là quá tốn kém. Ví dụ, Commodore 64 bao gồm 64 KB RAM và 20 KB ROM chứa trình thông dịch BASIC và ” Kernel ” của hệ điều hành. Các máy tính gia đình hoặc văn phòng sau này như IBM PC XT thường bao gồm các ổ đĩa từ và dung lượng RAM lớn hơn, cho phép chúng tải hệ điều hành từ ổ cứng vào RAM, chỉ còn một chương trình khởi động phần cứng tối thiểu trong ROM (được gọi là BIOS trong các máy tính tương thích IBM ). Cơ chế này cho phép chạy các hệ điều hành phức tạp hơn và dễ dàng nâng cấp hơn.

Trong các PC hiện đại, “ROM” (hoặc flash) được sử dụng để lưu trữ phần sụn khởi động (firmware) cơ bản cho bộ xử lý chính, cũng như các phần firmware khác nhau cần thiết để điều khiển các thiết bị độc lập như card đồ họa, đĩa cứng, ổ đĩa DVD, màn hình, v.v.. trong hệ thống. Ngày nay, nhiều bộ nhớ “chỉ đọc” này – đặc biệt là BIOS – thường được thay thế bằng bộ nhớ Flash (xem bên dưới), để cho phép lập trình lại khi cần nâng cấp firmware. Tuy nhiên, các hệ thống phụ đơn giản (chẳng hạn như bàn phím hoặc một số bộ điều khiển giao tiếp trong các mạch tích hợp trên bo mạch chính chẳng hạn) có thể sử dụng ROM (lập trình một lần).

ROM và các công nghệ kế thừa như flash là phổ biến trong các hệ thống nhúng . Chúng có trong mọi thứ, từ robot công nghiệp đến thiết bị gia dụng, điện tử tiêu dùng và IoT internet vạn vật (máy nghe nhạc MP3, hộp giải mã set-top-box, v.v.) tất cả đều được thiết kế cho các chức năng cụ thể, nhưng dựa trên bộ vi xử lý đa năng . Với phần mềm thường được kết hợp chặt chẽ với phần cứng, các thay đổi chương trình hiếm khi cần thiết trong các thiết bị đó (thường không trang bị ổ cứng vì lý do chi phí, kích thước hoặc mức tiêu thụ điện năng). Kể từ năm 2008, hầu hết các sản phẩm đều sử dụng Flash thay vì ROM và nhiều sản phẩm cung cấp một số cổng để kết nối với PC cho phần sụn (firmware) cập nhật; ví dụ, trình phát âm thanh kỹ thuật số có thể được cập nhật để hỗ trợ định dạng tệp mới . Một số người có sở thích đã tận dụng sự linh hoạt này để lập trình lại các sản phẩm tiêu dùng cho mục đích mới; ví dụ, các dự án iPodLinux và OpenWrt đã cho phép người dùng chạy các bản phân phối Linux đầy đủ tính năng trên máy nghe nhạc MP3 và bộ định tuyến không dây của họ.

ROM cũng hữu ích cho việc lưu trữ dữ liệu mật mã, vì nó khiến chúng khó thay đổi, điều này có thể được sử dụng để tăng cường bảo mật thông tin .

Sử dụng để lưu trữ dữ liệu

Vì ROM không thể được sửa đổi (hoặc khó sửa đổi), nên nó chỉ phù hợp để lưu trữ dữ liệu mà dự kiến sẽ không cần sửa đổi nhiều trong xuốt vòng đời của thiết bị. Cuối cùng, ROM đã được sử dụng trong nhiều máy tính để lưu trữ các bảng tra cứu để đánh giá các hàm toán học và logic (ví dụ: một đơn vị dấu phẩy động có thể lập bảng hàm sin để tạo điều kiện tính toán nhanh hơn). Điều này đặc biệt hiệu quả với CPU chậm và ROM rẻ hơn so với RAM.

Đáng chú ý, bộ xử lý hình ảnh màn hình của các máy tính ban đầu lưu trữ các bảng ký tự phông chữ bitmap trong ROM. Điều này thường có nghĩa là phông chữ hiển thị văn bản không thể thay đổi tương tác. Đây là trường hợp cho cả bộ điều hợp CGA và MDA có sẵn với IBM PC XT.

Việc sử dụng ROM để lưu trữ một lượng nhỏ dữ liệu như vậy đã biến mất gần như hoàn toàn trong các máy tính đa năng hiện đại. Tuy nhiên, Flash ROM đã đảm nhận vai trò mới là phương tiện để lưu trữ hàng loạt hoặc lưu trữ thứ cấp các tệp.

Các loại ROM

ROM dựa trên chất bán dẫn

Các chip ROM được lập trình cổ điển là các mạch vật lý tích hợp mã hóa dữ liệu sẽ được lưu trữ và do đó không thể thay đổi nội dung của chúng sau khi chế tạo. Các loại bộ nhớ trạng thái rắn không mất dữ liệu khác cho phép sửa đổi một số lần nhất định.

PROM là gì

Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình (PROM) hoặc ROM lập trình một lần (OTP), có thể được ghi vào hoặc lập trình lại thông qua một thiết bị đặc biệt gọi là lập trình PROM . Thông thường, thiết bị này sử dụng điện áp cao để phá hủy vĩnh viễn hoặc tạo các liên kết bên trong ( cầu chì hoặc antifuses ) trong chip. Do đó, một PROM chỉ có thể được lập trình một lần.

EPROM là gì

Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình lại (EPROM) bằng cách tiếp xúc với ánh sáng cực tím mạnh(thường trong 10 phút hoặc lâu hơn), sau đó viết lại với quy trình cần điện áp cao hơn thông thường. Tiếp xúc nhiều lần với tia UV cuối cùng sẽ làm hao mòn EPROM, nhưng độ bền của hầu hết các chip EPROM đều đạt 1000 chu kỳ xóa và lập trình lại. Các chip EPROM thường có thể được phân biệt bởi “cửa sổ” cho phép ánh sáng UV đi vào. Sau khi lập trình, cửa sổ thường được phủ nhãn bảo vệ để ngăn việc xóa do vô tình. Một số chip EPROM được lập trình tại nhà máy trước khi chúng được đóng gói và không bao gồm cửa sổ.

EEPROM là gì

Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình được bằng điện tử (EEPROM) dựa trên cấu trúc bán dẫn tương tự EPROM, nhưng cho phép xóa toàn bộ nội dung của nó, sau đó viết lại bằng điện, và chúng không bị xóa khỏi máy tính khi mất điện (máy tính nhúng trong máy ảnh, máy nghe nhạc MP3, v.v.). Viết hoặc flash EEPROM chậm hơn nhiều (mili giây trên bit) so với đọc từ ROM hoặc ghi vào RAM (nano giây trong cả hai trường hợp).

EAROM là gì

Bộ nhớ chỉ đọc có thể thay đổi bằng điện (EAROM) là một loại EEPROM có thể được sửa đổi một bit mỗi lần. Viết lại là một quá trình rất chậm và cần điện áp cao hơn (thường là khoảng 12 V ) so với điện áp sử dụng để đọc dữ liệu. EAROM dành cho các ứng dụng yêu cầu thay đổi không thường xuyên và chỉ thay đổi một phần. EAROM có thể được sử dụng làm bộ lưu trữ không mất dữ liệu cho thông tin thiết lập hệ thống quan trọng; trong nhiều ứng dụng, EAROM đã được thay thế bằng RAM CMOS được cung cấp bởi nguồn điện chính và được sao lưu bằng pin lithium .

Bộ nhớ flash là gì ?

Bộ nhớ flash (hoặc đơn giản là flash ) là một loại EEPROM hiện đại được phát minh vào năm 1984. Bộ nhớ flash có thể bị xóa và ghi lại nhanh hơn EEPROM thông thường và các thiết kế mới hơn có độ bền rất cao (vượt quá 1.000.000 chu kỳ). Đèn flash NAND hiện đại giúp sử dụng hiệu quả diện tích chip silicon, dẫn đến các IC riêng lẻ có dung lượng lên tới 512 GB tính đến năm 2018; tính năng này, cùng với độ bền đọc ghi và độ bền vật lý của nó, đã cho phép flash NAND thay thế phương pháp lưu trữ từ tính (ổ cứng HDD) trong một số ứng dụng (như ổ flash USB ). Bộ nhớ flash đôi khi được gọi là flash ROM hoặc flash EEPROM khi được sử dụng thay thế cho các loại ROM cũ hơn, nhưng không phải trong các ứng dụng tận dụng khả năng của nó để được sửa đổi nhanh chóng và thường xuyên.

Bằng cách áp dụng bảo vệ ghi, một số loại ROM có thể lập trình lại có thể tạm thời trở thành bộ nhớ chỉ đọc.

Các công nghệ khác

Có các loại bộ nhớ không mất dữ liệu khác không dựa trên công nghệ IC trạng thái rắn, bao gồm:

Phương tiện lưu trữ quang , CD-ROM chỉ đọc (tương tự ROM). CD-ROM được ghi một lần đọc nhiều lần (tương tự như PROM), trong khi CD-RW hỗ trợ các chu trình xóa-ghi lại (tương tự EEPROM); cả hai đều được thiết kế để tương thích ngược với CD-ROM.

Tốc độ của ROM

Mặc dù tốc độ tương đối của RAM so với ROM đã thay đổi theo thời gian, kể từ năm 2007, các chip RAM lớn có thể đọc nhanh hơn hầu hết các ROM. Vì lý do này (và để cho phép truy cập thống nhất), đôi khi nội dung ROM được sao chép vào RAM hoặc được load vào RAM sau lần sử dụng đầu tiên và sau đó được đọc từ RAM.

Tốc độ đọc ghi

Đối với những loại ROM có thể được sửa đổi bằng điện, tốc độ ghi thường chậm hơn nhiều so với tốc độ đọc và có thể cần điện áp cao hơn thông thường, mức thay đổi điện áp kích hoạt ghi và mã lệnh khóa / mở khóa đặc biệt. Flash NAND hiện đại đạt tốc độ ghi cao nhất trong mọi công nghệ ROM có thể ghi lại, với tốc độ lên tới 10 GB/s, điều này đã được thúc đẩy bởi sự đầu tư gia tăng vào công nghệ ổ cứng trạng thái rắn của người tiêu dùng và doanh nghiệp và các sản phẩm bộ nhớ flash cho các thiết bị di động cao cấp hơn. Ở cấp độ kỹ thuật, những lợi ích đã đạt được bằng cách tăng tính song song cả trong thiết kế bộ điều khiển và lưu trữ, việc sử dụng bộ đệm đọc/ghi DRAM lớn và triển khai các ô nhớ có thể lưu trữ nhiều hơn một bit (DLC, TLC và MLC). Cách tiếp cận thứ hai dễ bị thất bại hơn nhưng điều này phần lớn được giảm thiểu bằng cách cung cấp các thuật toán đọc/ghi ngày càng tinh vi trong phần sụn (firmware)ổ đĩa.

Độ bền và lưu giữ dữ liệu ROM

Bởi vì chúng được ghi bằng cách buộc các electron đi qua một lớp cách điện trên cổng bóng bán dẫn, ROM có thể đọc ghi chỉ có thể chịu được một số lượng hạn chế các chu trình ghi và xóa trước khi lớp cách điện bị hỏng vĩnh viễn. Trong các EPROM thời kỳ đầu, điều này có thể xảy ra sau ít nhất 1.000 chu kỳ ghi, trong khi trong EEPROM Flash hiện đại, độ bền có thể vượt quá 1.000.000. Độ bền hạn chế, cũng như chi phí mỗi bit cao hơn, có nghĩa là bộ lưu trữ dựa trên Flash không có khả năng thay thế hoàn toàn các ổ đĩa từ trong tương lai gần.

Số lần mà ROM có thể đọc chính xác không bị giới hạn bởi chu kỳ ghi. Việc lưu giữ dữ liệu của EPROM, EAROM, EEPROM và Flash có thể bị hạn chế do rò rỉ điện tích từ các cổng của các bóng bán dẫn tế bào bộ nhớ. Rò rỉ có thể xảy ra nhanh hơn dưới tác động bởi nhiệt độ cao hoặc bức xạ . ROM và PROM không bị ảnh hưởng này, vì việc lưu giữ dữ liệu của chúng phụ thuộc vào tính chất vật lý thay vì tính bền vững của mạch tích hợp.

Nguồn: Thietbiketnoi

Xem thêm :

Tìm kiếm bởi Google: