只读存储器：定义与应用

1.固定ROM

只读存储器（ROM）所存储的内容一般是固定不变的，正常工作时只能读数，不能写入，并且在断电后不丢失其中存储的内容，故称只读存储器。ROM主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成，其结构框图如图7－1所示。

图7－1　ROM结构框图

每个信息单元中固定存放着由若干位组成的二进制数码（称为字）。为了读取不同信息单元中所存储的字，将各单元编上代码（称为地址）。在输入不同地址时，就能在存储器的输出端读出相应的字，即地址的输入代码与字的输出数码有固定的对应关系。在图7－1中，地址器有n个输入端，经地址译码器译码之后有2n个输出信息，每个输出信息对应一个信息单元，而每个单元存放一个字，共有2n个字（W0、W1、…、W2n－1称为字线）。每个字有m位，每位对应从D0、D1、…、Dm－1输出（称为位线）。简单地说，每输入一个n位的地址码，存储器就输出一个m位的二进制数。可见，此存储器的容量是2n×m（字线×位线）。

ROM中的存储体可以由二极管、三极管和MOS管来实现。图7－2所示为二极管ROM电路。W0、W1、W2、W3是字线，D0、D1、D2、D3是位线。当地址码A1 A0＝00时，译码输出使字线W0为高电平，与其相连的二极管都导通，把高电平1送到位线上，于是D3、D0端得到高电平1；W0和D1、D2之间没有接二极管，同时字线W1、W2、W3都是低电平，与它们相连的二极管都不导通，故D1、D2端是低电平0。这样，在D3 D2 D1 D0端读到一个字1001，它就是该矩阵第一行的输出。当地址码A1 A0＝01时，字线W1为高电平，在位线输出端D3 D2 D1 D0读到字0111，对应矩阵第二行的字输出。同理分析地址码A1 A0为10和11时，输岀端将读到矩阵第三、第四行的字输出分别为1110、0101。任何时候，地址译码器的输出决定了只有一条字线是高电平，所以在ROM的输出端，只会读到唯一对应的一个字。由此可以看出，在对应的存储单元内存入的是1还是0，是由接入或不接入相应的二极管来决定的。为了更清楚地表述读字的方法可用图7－3表示。

图7－2　二极管ROM电路

图7－3　字的读出方法

为了便于表达和设计，通常将图7－2简化，如图7－4所示，ROM中的地址译码器形成了输入变量的最小项，即实现了逻辑变量的与运算；ROM中的存储矩阵实现了最小项的或运算，即形成了各个逻辑函数；图7－4中水平线与垂直线相交点上的小圆点代表着两线之间接有一个二极管，即存在有一个存储单元。

由以上可知，用ROM实现逻辑函数时，需列出真值表或最小项表达式，然后画出ROM的符号矩阵。根据用户提供的符号矩阵，厂家便可生产所需的ROM。

图7－4　4×4 ROM阵列图(www.xing528.com)

2.可编程只读存储器

固定ROM在出厂前已经写好了内容，使用时只能根据需要选用某一电路，限制了用户的灵活性。可编程只读存储器（PROM）封装出厂前，存储单元中的内容全为1（或全为0），用户在使用时可以根据需要，将某些单元的内容改为0（或改为1），此过程称为编程。图7－5所示为PROM的可编程存储单元，图中的二极管位于字线与位线之间，二极管前端串有熔丝，在没有编程前，存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是连通的，即每个单元存储的都是1。用户使用时，只需按自己的需要，借助一定的编程工具，将某些存储单元上的熔丝用大电流烧断，该单元存储的内容就变为0。熔丝烧断后不能再接上，故PROM只能进行一次编程。可改写的ROM则克服了这一缺点。

3.可擦可编程ROM

PROM虽然可以编程，但只能编程一次。而可擦可编程ROM（EPROM）克服了PROM的缺点，当所存数据需要更新时，可以用特定的方法擦除并重写。最早出现的是用紫外线照射擦除的EPROM，它的存储矩阵单元使用浮置栅雪崩注入MOS管或叠栅注入MOS管。

图7－6所示为浮置栅MOS管的结构。不难看出，浮置栅MOS管（简称FAMOS管）基本上是一个P沟道增强型MOS管，所不同的仅仅是栅极被SiO2绝缘层隔离，呈浮置状态，故称浮置栅。当浮置栅带负电荷时，N型衬底表面感应出P型沟道，FAMOS管处于导通状态，源极－漏极间的电阻很小，可看成短路。若浮置栅上不带有电荷，则FAMOS管截止，源极－漏极间可视为开路。因此，由图7－7可见，当浮置栅带负电荷时，FAMOS管导通，存储MOS管源极接地，也就是说该存储单元有MOS管。反之，浮置栅不带电荷，FAMOS管截止，存储MOS管不接地，相当于该存储单元没有接MOS管。可见，根据浮置栅是否带有负电荷便可区分出所存信息是0还是1。

图7－5　PROM的可编程存储单元

图7－6　浮置栅MOS管的结构

图7－7　EPROM存储单元

浮置栅EPROM出厂时，所有存储单元的FAMOS管浮置栅都不带电荷，FAMOS管处于截止状态。写入信息时，在对应单元的漏极与衬底之间加足够高的反向电压，使漏极与衬底之间的PN结产生击穿，雪崩击穿产生的高能电子堆积在浮置栅上，使FAMOS管导通。当去掉外加反向电压后，由于浮置栅上的电子没有放电回路能长期保存下来，在25℃的环境温度下，70%以上的电荷能保存10年以上。如果用紫外线照射FAMOS管1～30 min浮置栅上积累的电子形成光电流而泄放，使导电沟道消失，FAMOS管又恢复为截止状态。为便于擦除，芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。

4.电可擦可编程ROM（E2 PROM）

电可擦可编程ROM（E2 PROM）是一种可用电气方法在线擦除和编程的只读存储器。其存储单元采用了浮栅隧道氧化层MOS管。它既有RAM在联机操作中可读可改写的特点，又具有非易失性存储器ROM在掉电后仍然能保持所存储数据的优点。写入的数据在常温下至少可以保存十年，擦除／写入次数为1万～10万次。由此可见，这种存储器无论是擦除还是写入的速度均较EPROM快，且操作更加简单方便。