电路基础与集成电子技术-16.2只读存储器ROM
电路中的计算机硬件基础
电路中的计算机硬件基础计算机硬件是实现计算机功能的物理部分，包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、显示器等。
在电路中，计算机硬件扮演着连接各个部件、协同工作的重要角色。
本文将介绍电路中计算机硬件的基础概念和原理。
一、中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心组件，负责执行指令、控制和协调其他硬件设备的工作。
在电路中，CPU由许多电路组成，包括控制电路、算术逻辑单元（ALU）和寄存器等。
1. 控制电路控制电路负责解析指令、发出相应的控制信号，以控制CPU的工作流程。
它包括指令寄存器、指令译码器和时钟等电路。
2. 算术逻辑单元（ALU）ALU是执行算术和逻辑运算的主要部件。
它由加法器、逻辑门等组成，可以执行加减乘除等算术运算，以及与、或、非等逻辑运算。
3. 寄存器寄存器用于存储临时数据和指令。
在CPU中，包括通用寄存器、指令寄存器、程序计数器等。
寄存器起到了临时存储数据的作用，对于计算机的运行速度和灵活性至关重要。
二、内存内存是计算机中用来存储数据和指令的组件。
在电路中，内存由许多电路和存储单元构成。
常见的内存有随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
1. 随机存取存储器（RAM）RAM是一种用来读写数据的内存，数据可以随机访问。
它是计算机中临时存储数据的主要方式，包括静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种。
2. 只读存储器（ROM）ROM是一种只读存储器，存储的数据不能被修改。
常见的ROM有固件、启动程序等。
ROM在电路中起到了存储程序和数据的作用。
三、硬盘硬盘是计算机中用来存储大量数据的设备。
在电路中，硬盘由电机、磁头、盘片和控制器等组成。
硬盘通过盘片上的磁性材料来进行数据的读写操作。
1. 读写机构硬盘中的读写机构由磁头和电机组成。
磁头负责在盘片上读取和写入数据，电机负责驱动盘片的旋转。
2. 控制器硬盘的控制器负责控制读写操作，包括将电信号转换为磁信号、控制磁头的移动和定位等。
只读存储器工作原理
只读存储器工作原理只读存储器（Read-Only Memory，ROM）是计算机中一种用于存储程序和数据的存储设备，其内容只能被读取而不能被修改。
ROM中存储着计算机启动时所需的固化程序，以及一些不经常更改的数据和信息。
ROM的主要工作原理涉及存储元件的选择和数据传输。
ROM内部由存储器元件组成，其中最常见的是ROM芯片。
在ROM芯片中，通常使用非易失性的存储电路，例如闪存（Flash Memory），它通常通过氧化物栅（Oxide Gate）或者浮栅（Floating Gate）来存储数据。
ROM芯片中的存储单元通过导线和存储芯片的引脚相连，便于与其他部件进行数据传输。
ROM的存储单元通常使用二进制逻辑来记录数据，每个存储单元可以存储1位二进制数据，即0或1、ROM芯片上的存储单元被组织成一个二维的矩阵，行和列组成，每个矩阵交叉点上的存储单元就是一个字节（8位二进制数据）的存储位置。
ROM的地址线决定了要访问的存储单元的行和列，数据线用于将存储单元中的数据传输到计算机的其他部件。
ROM工作原理的关键在于地址的选择和数据的传输。
当计算机需要读取ROM中的内容时，它会将需要读取的存储单元的地址发送到ROM芯片上，ROM芯片通过地址线接收到地址信息后，根据地址选择相应的存储单元。
通过数据线，ROM芯片会将存储单元中的数据传输回计算机的其他部件。
ROM的特点是只能被读取，这是因为ROM芯片在制造过程中被使用专用的材料和技术进行了编程，存储了特定的内容。
与可读写存储器（Random Access Memory，RAM）相比，ROM的数据不会丢失，即使断电也能保留。
ROM的内容可以被读出，但不能被修改。
ROM有多种类型，包括只可执行ROM（ROM），可编程ROM（PROM），可写入ROM（WORM），电可擦除可编程ROM（EEPROM）和闪存。
这些都有不同的特点和应用，但他们都基于相似的工作原理。
总之，只读存储器（ROM）是一种用于存储固化程序和数据的存储设备，其内容只能被读取而不能被修改。
只读存储器ROM
图
6.13是熔丝型PROM的一个存储元示意图。
VCC
6.13 PROM
(2) 待机(备用)方式。当CE=1，OE为任意状态，且VPP 端加 +4～+6 V电压时，2816处于待机状态。与2716芯片一样，待机状 态下芯片的功耗将下降。
(3) 字节擦除方式。当CE=0，OE=1，数据线(I/O0～I/O7)都 加高电平且VPP加幅度为+2l V、宽度为9～15 ms的脉冲时，2816 处于以字节为单位的擦除方式。
存
储
字线
电 路
示
意
位 线 Di
图
第6章 半导体存储器
基本存储电路由1个三极管和1根熔丝组成，可存储一位信息。 出厂时，每一根熔丝都与位线相连，存储的都是“0”信息。如果 用户在使用前根据程序的需要，利用编程写入器对选中的基本存 储电路通以2050 mA的电流，将熔丝烧断，则该存储元将存储 信息“1”。由于熔丝烧断后无法再接通，因而PROM只能一次编 程。编程后不能再修改。
1
+25
校验编程内容
0
0
+25
禁止编程
0
1
+25
数据总线状态 输出 高阻 高阻 输入 输出 高阻
第6章 半导体存储器
(1) 读出方式：当CS＝0时，此方式可以将选中存储单元的内 容读出。
(2) 未选中：当CS＝l时，不论PD/PGM的状态如何，2716均 未被选中，数据线呈高阻态。
电路基础原理数码逻辑电路的存储器与寄存器
电路基础原理数码逻辑电路的存储器与寄存器在电路基础原理的学习中，数码逻辑电路是一个非常重要的概念。
数码逻辑电路是利用数字信号来处理和传输信息的电路。
而在数码逻辑电路中，存储器和寄存器是两个非常关键的组成部分。
存储器是一种用于存储和读取信息的电路。
常见的存储器有随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM是一种易失性存储器，它可以在电源关闭之前存储和读取数据。
它由许多存储单元组成，每个存储单元都可以存储一个二进制位。
这些存储单元可以通过地址线进行选择，使得我们可以根据需要读取或写入特定的存储单元。
RAM的易失性意味着在断电时会失去存储的信息，所以它通常用作临时存储器，用于计算机的运行时存储。
ROM是一种只读存储器，其中的信息一旦写入就不能被改变。
它通常被用来存储程序代码和其他不需要频繁修改的数据。
ROM中的存储单元是非易失性的，这意味着在断电时依然可以保留数据。
ROM的制造工艺决定了数据内容无法更改，所以它被称为只读存储器。
寄存器是一种用于存储和移动数据的电路。
它通常由多个存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位。
与RAM不同的是，寄存器可以直接根据需要选择和读取其中的存储单元，而无需使用地址线。
寄存器常用于存储中间结果或在计算机CPU中用于快速存储和移动数据。
除了RAM、ROM和寄存器，还有其他一些存储器组件，如闪存和缓存。
闪存是一种非易失性存储器，它通常用于移动设备和计算机的永久存储。
缓存是一种用于快速存储和调用数据的存储器，它位于CPU和主存之间，可以提高计算机的运行速度。
数码逻辑电路的存储器和寄存器在现代电子设备中起着至关重要的作用。
它们为计算机和其他数字系统提供了数据的存储和传输功能。
不同类型的存储器和寄存器适用于不同的应用场景。
例如，RAM用于临时存储数据，ROM用于存储固定数据，寄存器用于数据的快速存储和移动。
它们共同构成了计算机和其他数字设备的核心部分。
总的来说，电路基础原理中关于数码逻辑电路的存储器和寄存器是非常重要的概念。
ROM(只读存储器)是一种非易失性存储器存储着计算机的固化程序和数据断电时数据不会丢失
ROM（只读存储器）是一种非易失性存储器存储着计算机的固化程序和数据断电时数据不会丢失ROM（只读存储器）是一种非易失性存储器，它用于存储计算机的固化程序和数据，即一旦存储在ROM中的信息，在断电的情况下也不会丢失。
ROM在计算机系统中起着非常重要的作用，本文将详细介绍ROM的定义、分类、特点以及应用领域。
一、ROM的定义ROM（Read-Only Memory），即只读存储器，是一种存储计算机程序和数据的电子器件，其中的数据在断电或重新启动后仍能保持。
与随机存取存储器（RAM）不同，ROM只能读取其中存储的数据，不能进行写入或修改操作。
二、ROM的分类根据存储方式和工作性质，ROM可分为以下几种不同的类型：1. Mask ROM（掩膜只读存储器）Mask ROM是制造过程中在芯片上预先编程的ROM，其中的程序和数据是通过在制造过程中使用掩膜进行固化。
由于程序和数据是在制造过程中设定的，因此无法改变其中的内容。
2. PROM（可编程只读存储器）PROM是一种用户可编程的ROM，用户可以使用特殊的设备将数据和程序编程到ROM芯片中，并且这些数据和程序在更改前是可擦除的。
PROM通常是一次性编程的，一旦编程完成，就无法再次擦除或修改其中的内容。
3. EPROM（可擦写可编程只读存储器）EPROM是一种用户可擦除的ROM，它使用特殊的设备将数据和程序编程到ROM芯片中，然后在需要修改时，可以使用紫外线照射来擦除原有的内容，再重新编程新的内容。
EPROM的擦除和编程过程需要专门的设备和操作，因此一般用户无法在家中完成。
4. EEPROM（电可擦可编程只读存储器）EEPROM与EPROM类似，但它使用电子信号来擦除和编程，而不需要紫外线。
EEPROM可以在计算机系统内部进行擦除和编程，因此更加方便。
EEPROM可以被多次擦写和编程，但其速度较慢，相对较小容量，价格也较高。
5. Flash ROMFlash ROM是一种擦写可编程的存储器，它是EEPROM和SRAM 的结合体，具有较大的存储容量和较快的读写速度。
只读存储器ROM
只读存储器ROM一、只读存储器的一般结构容量=字位=16字位ROM结构图:地址译码器是一个二进制全译码电路，即是一个不行编程的“与”阵列。
存储体是一个“或”结构的阵列。
读出的信息内容如表所示：从中可知：ROM没有记忆电路，且由固定的“与”阵列和固定的“或”阵列组成，所以是一种组合规律电路。
假如“与”和“或”阵是可编程时，就是前面介绍的组合型可编程规律器件(PLD)了。
为此，ROM也可用简化图表示了。
表明PLD器件是由ROM逐步进展过来的。
二、只读存储器ROM的种类依据不同的半导体制造工艺，或阵列的编程方式有多种。
存储器ROM种类通常按其编程工艺划分：1.掩膜型只读存储器：用掩膜工艺，生产厂在存储体中的字位线交叉处，依据用户要求的存储内容，制作半导体器件。
一旦制成，其内容就固定，无法更改，只供读出。
如家电中的洗衣机程序，电风扇程序都是固定的。
2.一次编程(改写)的只读存储器PROM：可以编程一次，编程后内容就固定了，再无法更改。
在这种PROM中的存储体内，字位线的每个交叉点上都做上一个半导体器件。
3.可多次编程(改写)的只读存储器EPROM(紫外线擦除式可编程只读存储器UVEPROM：Ultraviolat Erasable Programmable ROM)：这种ROM在每个字位线的交叉点都做上一个特别的MOS器件。
一种是FAMOS(Floating gate Avalanche Injunction MOS)；另一种是SIMOS(Stacked gate Injunction MOS)。
它与一般MOS管不同的是有两个栅极，第一栅极与其它电极完全绝缘。
要求能掌握管子导电或截止的思路是：设法让栅极g1猎取电子，并能掌握电子释放。
当g1带上电子后，管子的开启电压将上升；电子释放后，开启电压恢复正常。
栅极g1猎取电子的方法是：在漏源极间加上肯定的编程电压VPP(该电压由制造时工艺打算)，同时在掌握栅极g2加上掌握脉冲，此时在栅极下面的两个N+区间感应出电子，其中一些能量大的电子就会穿越SiO2层而达到栅极g1，g1积累了肯定的电子后，它的开启电压将上升。
只读存储器工作原理
只读存储器工作原理ROM的工作原理主要涉及到ROM的结构和存储数据的方式。
ROM的基本结构包括存储单元和存储单元的连接方式，从而实现对数据的存储和读取。
ROM内部存储单元的基本组成是存储体和译码器。
存储体是ROM的主要部分，通常采用半导体材料制造，其内部由许多互相连接的晶体管和电容组成。
这些晶体管和电容的导通与否会决定存储单元的状态，从而存储不同的数据信息。
而译码器则是用于将外部的地址信号转换为内部存储体地址的电路，通过选通特定的存储单元，实现对特定数据的访问。
ROM存储数据的方式可以分为只读传导存储和只读存储。
只读传导存储是指存储数据时通过设计存储体的导通与否来实现存储信息。
其中，认字型ROM是最简单的只读传导存储器，它的存储单元被设计为晶体管的结，根据结的正、反偏导致导通与否的不同状态。
只读传导存储器的主要优点是制作工艺简单，但存储密度较低，难以扩展存储容量。
只读存储是指存储体中的晶体管经过一次编程之后无法擦除和修改。
目前常见的只读存储器有ROM、PROM、EPROM和EEPROM四种类型。
ROM是最早的只读存储器，常用的有MASKROM和FPGA。
MASKROM（掩膜ROM）是通过专门的光刻制程在制造过程中固化数据信息，可读取但不可写入。
MASKROM适用于需要大量的相同数据存储的场景。
PROM（可编程只读存储器）是相对于MASKROM而言的一种改进型存储器，它将存储细胞制造成一个集成电路为单位，通过在制程过程中布置的保险丝（或者叫熔丝）来销毁使之恒为1，不毁的表示为0。
通过烧断保险丝的方式来编程，可以实现只读存储器的数据修改。
但是只能编程一次，之后的存储内容不可擦除，也无法修改。
EPROM（可擦除可编程只读存储器）是一种改进的PROM，它可以通过一次或多次的紫外线照射来擦除原有的数据并重新编程。
EPROM的擦除只能在特定条件下进行，如紫外线辐照或者特定的电压擦除。
EEPROM（电可擦可编程只读存储器）是一种电擦除可编程只读存储器，与EPROM类似，但不需要提供外部的紫外线照射就能擦除存储内容，通过在特定的电压条件下进行擦除和编程。
电路基础与集成电子技术-16.2 只读存储器ROM
字线与位线的交点，即 0
是ROM矩阵的存储单元， 地 1 输
存储单元代表了ROM矩阵 的容量，所以ROM矩阵的
址
入
输 入 n -1
缓 冲 器
EPROM2716的六种工作方式，见表16.2。
工作方式 读出
未选中 低功耗 编程（写） 程序检验 禁止编程
表 16.2 2716 的六种工作方式
CS PD/PGM
0
0
1
×
×
1
1 50ms( 正脉冲)
0
0
1
0
VPP ( V ) +5 +5 +5 +25 +25 +25
数据线 输出状态 数据输出 高阻 高阻 数据输入 数据输出 高阻
第16章 半导体存储器与可编程逻辑器件
2010.03
16.2.2.5 快闪存储器Flash Memory
快闪存储器Flash Memory是新一代E2PROM，它具有 E2PROM擦除的快速性，结构又有所简化，进一步提高了 集成度和可靠性，从而降低了成本。目前除了各种快闪存 储器的产品面世外，快闪存储器还向其他应用领域拓展， 例如现在已经出现了应用于计算机上的可移动磁盘，以代 替软磁盘。可移动磁盘的容量大的已经做到1G以上，大小 只相当一只普通的打火机，它采用USB口，有的可以带电 插拔，工作速度快，使用十分方便。Flash Memory的进一 步完善，可取代计算机的硬盘，以及更新和诞生许多新的 电子产品，如数码相机的存储卡、MP3、MP4等音频、视 频播放器等。
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1
D1
1
D0
W
0
W1
字 线
W
2
与字线相连接来表示， 如果MOS管存储信息，该MOS管的栅极与字线连接，该单 元是存“0”；如果该MOS管不存储信息，则栅极与字线断 开，该单元是存“1”。 例如，当输入一个地址码[A1A0]=00时，字线W0被选 中（高电平），其他为低电 “1” V 平，被选中字线上信息从相 D 1 0 应位线上读出，[D3D2D1D0] =0101 。 1 D 1 字线可以是低电平被选 位 线 中，也可高电平被选中，输 1 D 0 出可以是反相缓冲，也可以 是同相缓冲，会使输出高低 1 D 1 电平结果不同。
16.2.2.2 可一次编程PROM
PROM（Programmable ROM）是可一次编程的 ROM。 这种存储器出厂时未存入数据。单元可视为全“0”或全“１”， 用户可按设计要求将所需存入的数据“一次性写入”，一旦写 入后就不能再改变了。在各种PROM中，有一种是在每个存储 单元中都接有熔断丝，各存储单元相当于存入“1”。写入数据 时，将应该存“0”的单元，通以足够大的电流脉冲将相应熔丝 烧断。哪些熔丝烧断，哪些保留，可用熔丝图表示，在其他没 有熔丝结构的存储器中，也沿用熔丝图这一名词。
DD 3 2 1 0
W 00 W
W1
字 线
W
2
W
3
当给定地址代码后，经译码器译成W0~W3中某一字线上 的高电平，使接在这根字线上的MOS管导通，并使与这些 MOS管漏极相连的位线为低电平，经输出缓冲器反相后，在 数据输出端得到高电平，输出为1。ROM全部4个地址内的存
储内容见表16.1。
V
DD
1
DD 3 2
位 线
或非
W0 W1 W2 W3
非
或
1
D1
1
1
D0
D0
W
0
W1
字 线
W
2
W
3
(b) ROM矩阵中一条字线的分解图
(a) ROM存储矩阵
图16.2.2 ROM矩阵字线和位线的关系
地址译码器相当于最小项译码器，如下图所示,其输入A1、 A0称为地址线。二位地址代码A1A0能给出4个不同的地址。每 输入一个地址，地址译码器的字线输出W0~W3中将有一根线 为高电平，其余为低电平。即每一个输出对应一个最小项。
VDD
1
D1=W1+W2+W3 D3=W1+W3
VCC
D3
1
D2
位线
W0
W1
W2
W3
1
D0
1
D1
W0 W1 W2 W3
1
D0
1
D0
W0
W1
W2
W3
字线
(a) ROM存储矩阵
(b) ROM矩阵中一条字线的分解图
图16.2.2 MOS 管ROM矩阵字线和位线关系
• 每一个逻辑式是一个或门，即位线与字线间的逻辑关系是 或逻辑关系，位线与地址码A1、A2之间是与或逻辑关系。 最小项译码器相当于一个与矩阵， ROM 矩阵相当或矩阵， 整个ROM存储器是一个与或矩阵。 • ROM的两个矩阵一般与矩阵是不可编程的，而或矩阵是 可编程的。编程时一般要通过专门的编程器，采用一定的 编程工具软件进行，以决定存储单元的MOS管是否接入。 • 为了简单起见，接通的MOS管用小黑点表示，对应表16.1 存储内容用图16.2.3的阵列图表示。
A0
A1
地 址 译 码 器
图
W0 W1 W2 W3
W 0A 1A 0
W 1A 1A 0
W 2A 1A 0
W 3 A 1A 0
最小项译码器
当字线W0~W3某根线上给出高电平信号时，都会在位线 D3~D0四根线上输出一个4位二进制代码。输出端的缓冲器不 但可以提高带负载能力，还可以将输出的高、低电平变换为 标准的逻辑电平。如果作为输出缓冲器的反相器是三态门， 还可以通过使能端实现对输出 V 的三态控制 。 D 1 右图中的4×4=16个存 储单元，即跨接在字线和位 1 D 线上的MOS管，MOS管的 位 线 栅极接字线，源极接地。
D3
表 16.1 ROM中的存储数据
D3 W0 W1 W2 W3 D2
0 1 0 1
1 1 0 0
D1 0
D0
1
D
2
1 1 1
1 1 1 1
W
0
位 线
1
D1
1
D0
W1
字 线
W
2
W
3
位线D0与字线之间的逻辑关系如下图所示，将下图(a)中 与位线D0相连的各字线的有关部分画在图(b)中，显然
D0=W0+W1+W2+W3 D2=W0+W1
A1
表 16.1 ROM中的存储数据
D3 W0 W1 W2 W3 D2
0 1 0 1
1 1 0 0
D1 0
D0
1 1 1
1 1 1 1
A0
地 址 译 码 器
W0 W1 W2 W3 D0 D1 D2 D3
图16.2.3 ROM阵列图
16.2.2 ROM的分类
16.2.2.1 固定内容ROM
由于固定ROM所存信息不能修改，断电后信息不消失， 所以常用来存储固定的程序和数据。如在计算机中，用来存 放监控、管理等专用程序。 这种ROM是采用掩模工艺制作的，其内容根据用户要求 已固定，在出厂后用户无法修改。
...
输 入 缓 冲 器
地 址 译 码 器
W0 W1
字线
ROM 矩阵 (N M)
D0
...
...
WN -1
. . . 位线
D1 输出缓冲器
D M-1
.. .
数据输出
图16.2.1 ROM的结构图
图 16.2.2 是一个说明 ROM 结构和工作原理的电路， ROM 矩阵的存储单元是由 N 沟道增强型 MOS 管构成的， MOS管采用了简化画法。它具有2位地址输入码，即： V DD 、W 、W ； 4条字线W0、 W V 1 2 3 有4位数据输出，即4条位 D 1 线D0、D1、D2、D3； D0 1 共16 个存储单元。 W0 W1 W2 W3 1 D
16.2 只读存储器ROM
16.2.1 ROM的结构和工作原理
16.2.2 ROM的分类 16.2.3 ROM的应用
16.2.1 ROM的结构和工作原理
ROM的电路结构主要包括三部分：地址译码器，存储矩 阵，输出缓冲器。如图16.2.1所示 。 图中地址译码器有n个输入，它的输出W0、W1、……、 Wn-1共有N=2n个，称为字线(或称选择线)。字线是ROM矩 阵的输入，ROM矩阵有M条输出线，称为位线。 字线与位线的交点，即 0 是ROM矩阵的存储单元， 地 1 存储单元代表了ROM矩阵 址 输 的容量，所以ROM矩阵的 入 n -1 容量等于W×D。输出缓冲 器的作用有两个，一是能提 高存储器的带负载能力，二 是实现对输出状态的三态控 制，以便与系统的总线联接。