RAM和ROM原理解析

何为Memory

Memory种类

Memory用来存储和读写的大量的二进制数据。其中又有两个相对应的概念：只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）。ROM只能读，不能写；RAM既能读又能写。RAM具有易失性。断电以后，RAM中保存的数据将全部丢失；而ROM中的数据则可以长久保存。

Memory结构

存储器内部结构基本都差不多，一般由存储阵列，地址译码器和输出控制电路组成。存储阵列以外的电路都称为外围电路（Periphery）。存储阵列是memory的核心区域，它有许多存储单元组成，每个存储单元存放一位二值数据。每次读出一组数据，称为一组字。一个字中所含的位数称为字长（Bit）。为了区别各个不同的字，给每个字赋予一个编号，称为地址，由译码器将地址代码转译。地址单元个数就是字数（Depth），用N表示，数值为2n，n为地址码的位数。

实际运用中，我们经常以字数（Depth）和字长（Bit）的乘积来表示存储器的容量。如下图中的ROM容量为28 X 1，有256个字，字长为1位，总共256个存储单元。容量越大，意味着能存储的数据越多。

关于RAM

RAM （Random Access Memory），随机存储器，指存储内容可被快速地写入或者读出，掉电后存储内容丢失地存储器。

RAM可分为SRAM（静态随机存储器）和DRAM（动态随机存储器）两种。

1）SRAM

SRAM的优点是只要器件不掉电，存储内容就不会丢失，无需刷新电路，工作速度快。缺点是集成度低，功耗大，价格高。

上图是一种典型的SRAM结构，每个存储单元由六个MOS管组成，中间四个MOS管构成双稳态触发器，两侧的两个MOS管（Q1，Q1’）的开关状态由同一个选择信号CE控制。

数据写入时，数据信号D及其取反后的信号D#分别出现在Q1和Q1’上，待选择信号CE将Q1和Q1’导通后，D和D#触发双稳态触发器，使之发生相应的翻转，并使翻转后的状态一直得到保留，直到下次数据写入事件的发生。

数据读出时，选择信号CE有效并使Q1和Q1’导通后，A和A’点的逻辑状态出现在数据信号D和D#上，从而实现数据的读取，该读取的过程并不改变存储单元内双稳态触发器的状态。

每个SRAM存储单元由六个MOS管组成，功耗大，集成度低，但由于内部采用了双稳态触发器，也无需不断地对内部存储地内容进行刷新。

所以SRAM在电子产品种容量较小，往往用在非常苛刻的地方，例如CPU的缓存。

2）DRAM

DRAM地优点是集成度高，功耗小，价格低。

缺点是即便器件不掉电，存储内容也只能保持很短地时间，需不断地被刷新。

典型的DRAM结构图如下：

每个存储单元由一个MOS管及其寄生电容构成。由于数据信号的状态由电容的电荷量决定，因此每隔一段时间需对电容做一次充放电的刷新操作。

DRAM通常用于制作容量要求高，但是速度要求相对低的存储器，例如电脑内存条。

DRAM分为很多种，常见的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，这里介绍其中的一种，DDR RAM。

DDR RAM（Date-Rate RAM）也称作DDR SDRAM，这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用得最多的内存，而且它有着成本优势。在很多高端的显卡上，也配备了高速DDR RAM来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

关于SRAM和DRAM的更多信息可以参考之前的推文：科普：SRAM与DRAM的区别在哪里？

关于ROM

ROM的定义

ROM是只读存储器（Read-Only Memory）的简称，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除。通常用在不需经常变更资料的电子或电脑系统中，并且资料不会因为电源关闭而消失。

ROM的发展

为便于使用和大批量生产 ，进一步发展了可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）和电可擦可编程只读存储器（EEPROM）。例如早期的个人电脑如Apple II或IBM PC XT/AT的开机程序（操作系统）或是其他各种微电脑系统中的韧体（Firmware）。

EPROM需用紫外光擦除，使用不方便也不稳定。20世纪80年代制出的EEPROM，克服了EPROM的不足，但集成度不高 ，价格较贵。于是又开发出一种新型的存储单元结构同 EPROM 相似的快闪存储器 。其集成度高、功耗低 、体积小 ，又能在线快速擦除 ，因而获得飞速发展，并有可能取代现行的硬盘和软盘而成为主要的大容量存储媒体。大部分只读存储器用金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管制成。

ROM有很多种，Mask-ROM就是工程师口中的只读memory，数据固化后就不可改变。

最初,大家把只能读的存储器叫做ROM(Read Only Memory),并且掉电后数据不会丢失。由于不能改写，因而使用起来很不方便。随着技术的进步，在ROM中使用一些新技术，就可以使它具有可以编程的功能。

PROM是可编程的ROM，但PROM是一次性的，也就是软件灌入后，就无法修改了。随着时代发展，这样的功能显然是不够的。

后来又出现了EPROM，是通过紫外线来擦除的，并且通过高压来编程，这类ROM上面一般有一个透明的石英玻璃窗。

而EPROM则可以通过紫外光的照射擦除原先的程序，进行编程，是一种通用的存储器。

后来又出现了EEPROM，不用紫外线照射就可以擦除，因而可以直接在电路中编程。EEPROM是通过电子擦除，价格很高，写入时间很长，写入很慢。

其实从性质上看，它们的功能已经与ROM的名称（只读）有些出入，但之所以它们依然叫ROM，大概有几个原因:

（1）不能像RAM那样快速的写；

（2）可能需要特殊的擦写电压；

（3）可能需要特殊的擦写时序；

（4）可能需要在写之前进行擦除操作；

（5）擦写次数有限,不像RAM那样可以随意写而不损坏；

（6）掉电后数据不会丢失；

（7）有些可写的存储器只能写一次(OTP)。

接下来我们展开讨论下EPROM和EEPROM。

关于EPROM

可抹除可编程只读存储（Erasable Programmable Read Only Memory）可利用高电压将资料编程写入，抹除时将线路曝光于紫外线下，则资料可被清空，并且可重复使用。通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。

EPROM的优点

（1）EPROM是一种经济高效的解决方案，尤其是对于多个重新编程的情况。

（2）EPROM更易于测试和调试操作。

（3）即使没有电源，EPROM也可以存储数据。

EPROM的缺点

（1）EPROM比EEPROM具有更高的静态功耗。

（2）与EEPROM相比，EPROM擦除操作要困难得多，时间更长。

（3）EPROM无法逐字节擦除数据。

（4）在某些情况下，EPROM可能比PROM昂贵。

关于EEPROM

电子式可抹除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，或写作E2PROM）的运作原理类似EPROM，但是抹除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透明窗。可分为序列式和并行式。

与FLASH的区分在于，擦写时FLASH需要一片一片擦写，而EEPROM则可以按“位”擦写。

单独的EEPROM组件，其通信口通常可分为串行（serial）与并行（parallel）两类。除电源线外，串行通信口只使用1~4只接线来传递信号，所需接脚较并行式少，通常用来存储资料。运行用的程序则通常放在并行式的 EEPROM 中，以利访问。

EEPROM多字节读写操作时序

读取EEPROM数据很简单，EEPROM根据我们所送的时序，直接就把数据送出来了，但是写入EEPROM数据却没有这么简单了。给EEPROM发送数据后，先保存在了EEPROM的缓存，EEPROM必须要把缓存中的数据搬移到“非易失”的区域，才能达到数据掉电不丢失的效果。

在往非易失区域写的过程，EEPROM是不会再响应我们的访问的，不仅接收不到我们的数据，而且我们使用IIC标准的寻址模式去寻址，EEPROM都不会应答，就如同这个总线上没有这个器件一样。数据写入非易失区域完毕后，EEPROM再次恢复正常，可以正常读写数据了。

EEPROM的主要制造商

ON Semiconductor、美信、NXP、华邦电子等

EPROM与EEPROM的比较

（1）紫外线可以擦除EPROM，而电信号可以擦除EEPROM。

（2）EPROM和EEPROM均用于与外部编程相关的硬件或操作系统的下层。

（3）EPROM晶体管的功耗约为12.5，而EEPROM晶体管的功耗为5伏。

（4）EPROM使用电子注入编程技术进行编程，而EEPROM使用隧道效应技术进行编程。

（5）EPROM擦除操作可能需要15到20分钟，而EEPROM擦除操作仅需5毫秒，这比EPROM快得多。

（6）应该从计算机电路或主板上取下EPROM，以进行擦除和重新编程，在不取下的情况下，可以在计算机电路和主板内擦除EEPROM。

EPROM与EEPROM的工作原理

PROM是可编程器件,主流产品是采用双层栅(二层poly)结构。主要结构如图所示：

浮栅中没有电子注入时，在控制栅加电压时，浮栅中的电子跑到上层,下层出现空穴。由于感应,便会吸引电子,并开启沟道。如果浮栅中有电子的注入时，即加大的管子的阈值电压。沟道处于关闭状态。这样就达成了开关功能。

这是EPROM的写入过程，在漏极加高压，电子从源极流向漏极。沟道充分开启。在高压的作用下,电子的拉力加强,能量使电子的温度极度上升，变为热电子(hot electron)。这种电子几乎不受原子的振动作用引起的散射，在受控制栅的施加的高压时，热电子使能跃过SiO2的势垒,注入到浮栅中。

在没有别的外力的情况下，电子会很好的保持着。在需要消去电子时，利用紫外线进行照射,给电子足够的能量,逃逸出浮栅。

EEPROM的写入过程，是利用了隧道效应，即能量小于能量势垒的电子能够穿越势垒到达另一边。根据隧道效应，包围浮栅的SiO2，必须极薄以降低势垒。

源漏极接地,处于导通状态。在控制栅上施加高于阈值电压的高压，以减少电场作用，吸引电子穿越。

要达到消去电子的要求,EEPROM也是通过隧道效应达成的。如上图所示,在漏极加高压,控制栅为0V,翻转拉力方向,将电子从浮栅中拉出。这个动作,如果控制不好,会出现过消去的结果。

ROM与RAM的不同使用范围

RAM ，易挥发性随机存取存储器，高速存取，读写时间相等，且与地址无关，如计算机内存等。

ROM ，只读存储器。断电后信息不丢失，如计算机启动用的BIOS芯片。存取速度很低，（较RAM而言）且不能改写。由于不能改写信息，不能升级，现已很少使用。

ROM现阶段已经很少有独立的芯片了，最早还应用于汉字字库、游戏卡等，如今基本上都是以嵌入在芯片里的IP形式出现了。

EPROM、EEPROM、Flash ROM(NOR Flash 和 NAND Flash)，性能同ROM，但可改写。一般读出比写入快，写入需要比读出更高的电压（读5V写12V）。而Flash可以在相同电压下读写，且容量大、成本低，如今在U盘、MP3中使用广泛。

在计算机系统里，RAM一般用作内存，ROM用来存放一些硬件的驱动程序，也就是固件。