Постоянное запоминающее устройство ( ПЗУ ) — это тип энергонезависимой памяти , используемой в компьютерах и других электронных устройствах . Данные, хранящиеся в ПЗУ, не могут быть изменены электронным способом после изготовления запоминающего устройства . Постоянная память полезна для хранения программного обеспечения , которое редко меняется в течение срока службы системы, также известного как встроенное ПО . Программные приложения (например, видеоигры ) для программируемых устройств могут распространяться в виде сменных картриджей, содержащих ПЗУ .
Строго говоря, постоянное запоминающее устройство относится к жестко зашитой памяти, такой как диодная матрица или интегральная схема ПЗУ с маской , которую нельзя изменить электронным способом [a] после изготовления. Хотя дискретные схемы в принципе можно изменить путем добавления проводов и/или удаления или замены компонентов, микросхемы этого сделать нельзя. Исправление ошибок или обновление программного обеспечения требуют изготовления новых устройств и замены установленного устройства.
Полупроводниковая память ПЗУ с плавающим затвором в виде стираемого программируемого постоянного запоминающего устройства (EPROM), электрически стираемого программируемого постоянного запоминающего устройства (EEPROM) 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 обычно это возможно только определенное количество раз. [1]
Термин «ПЗУ» иногда используется для обозначения устройства ПЗУ, содержащего определенное программное обеспечение, или файла с программным обеспечением, который должен храниться в записываемом устройстве ПЗУ. Например, пользователи, модифицирующие или заменяющие операционную систему Android, описывают файлы, содержащие модифицированную или заменяющую операционную систему, как « пользовательские ПЗУ » по типу хранилища, в которое файл был записан, и они могут различать ПЗУ (где программное обеспечение и данные хранится, обычно во флэш-памяти) и оперативной памяти.
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 также имелось записываемое хранилище управления (WCS) для дополнительной диагностики и поддержки эмуляции. Компьютер управления Аполлоном использовал память сердечника каната , программируемую путем пропускания проводов через магнитные сердечники.
Простейший тип твердотельного ПЗУ так же стар, как сама полупроводниковая технология. Комбинационные логические элементы можно объединить вручную, чтобы сопоставить ввод n -битного адреса с произвольными значениями вывода m -битных данных ( справочная таблица ). С изобретением интегральной схемы появилась маска ПЗУ . ПЗУ маски состоит из сетки строк слов (вход адреса) и строк битов (выход данных), выборочно соединенных транзисторными ключами, и может представлять собой произвольную справочную таблицу с регулярной физической структурой и предсказуемой задержкой распространения . ПЗУ масок программируется с помощью фотомасок при фотолитографии при производстве полупроводников . Маска определяет физические функции или структуры, которые будут удалены или добавлены в микросхемы ПЗУ, а наличие или отсутствие этих функций будет обозначаться битом 1 или 0, в зависимости от конструкции ПЗУ. [2] Таким образом, любые попытки электронного изменения данных потерпят неудачу, поскольку данные определяются наличием или отсутствием физических особенностей или структур, которые не могут быть изменены электронным способом. Для каждой программы, даже для версий одной и той же программы, необходимо изменить всю маску, что может быть дорогостоящим.
В ПЗУ маски данные физически закодированы в схеме, поэтому их можно запрограммировать только во время изготовления. Это приводит к ряду серьезных недостатков:
Последующие разработки устранили эти недостатки. Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), изобретенное Вэнь Цин Чоу в 1956 году, [3] [4] позволяло пользователям программировать его содержимое ровно один раз, физически изменяя его структуру с применением высоковольтных импульсов. Это решило проблемы 1 и 2, описанные выше, поскольку компания может просто заказать большую партию новых чипов PROM и запрограммировать их с желаемым содержимым по усмотрению своих разработчиков.
Появление полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET), изобретенного в Bell Labs в 1959 году, [5] позволило практическое использование транзисторов металл-оксид-полупроводник (МОП) в качестве запоминающих элементов в полупроводниковой памяти . функция, ранее выполнявшаяся магнитными сердечниками в памяти компьютера . [6] В 1967 году Давон Кан и Саймон Сзе из Bell Labs предложили использовать плавающий затвор полупроводникового МОП -устройства в качестве ячейки перепрограммируемого ПЗУ, что привело к тому, что Дов Фроман из Intel изобрел стираемую программируемую постоянную память ( EPROM) в 1971 году. [7] Изобретение EPROM в 1971 году по существу решило проблему 3, поскольку EPROM (в отличие от PROM) можно неоднократно сбрасывать в незапрограммированное состояние под воздействием сильного ультрафиолетового света.
Электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM), разработанное Ясуо Таруи, Ютакой Хаяси и Киёко Нагой в Электротехнической лаборатории в 1972 году, [8] во многом помогло решить проблему 4, поскольку EEPROM можно запрограммировать на месте , если содержащее устройство предоставляет средства для получения содержимого программы из внешнего источника (например, персонального компьютера через последовательный кабель ). Флэш-память , изобретенная Фудзио Масуокой в компании Toshiba в начале 1980-х годов и коммерциализированная в конце 1980-х годов, представляет собой форму EEPROM, которая очень эффективно использует площадь чипа и может стираться и перепрограммироваться 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». [9] [10]
Все эти технологии повысили гибкость ПЗУ, но при значительной стоимости чипа, так что в больших количествах ПЗУ с маской останется экономичным выбором в течение многих лет. (Снижение стоимости перепрограммируемых устройств почти уничтожило рынок ПЗУ с маской к 2000 году.) Технологии перезаписи были задуманы как замена ПЗУ с маской.
Самая последняя разработка — флэш-память NAND , также изобретенная в Toshiba. Его разработчики явно отошли от прошлой практики, прямо заявив, что «цель NAND-флэш-памяти — заменить жесткие диски » [11] , а не традиционное использование ПЗУ в качестве энергонезависимой первичной памяти . По состоянию на 2021 год [update]NAND почти полностью достигла этой цели, предлагая более высокую пропускную способность, чем жесткие диски, меньшую задержку, более высокую устойчивость к физическим ударам, чрезвычайную миниатюризацию (например, в виде USB-накопителей и крошечных карт памяти microSD ) и многое другое. меньшее энергопотребление.
Многие компьютеры с хранимыми программами используют энергонезависимую память (то есть память, которая сохраняет свои данные при отключении питания) для хранения исходной программы, которая запускается при включении компьютера или иным образом начинает выполнение (процесс, известный [ b ] как начальная загрузка , часто сокращенно называемая « загрузка » или «загрузка»). Аналогично, каждому нетривиальному компьютеру необходима некоторая форма изменяемой памяти для записи изменений в его состоянии во время выполнения.
Виды постоянной памяти использовались в качестве энергонезависимого хранилища программ в большинстве ранних компьютеров с хранимыми программами, таких как ENIAC после 1948 года . (До этого это не был компьютер с хранимой программой, поскольку каждую программу приходилось вручную подключать к машине, что могло занять от нескольких дней до недель.) Постоянное запоминающее устройство было проще реализовать, поскольку для него требовался только механизм для чтения сохраненных значений, и не менять их на месте, и поэтому их можно реализовать с помощью очень грубых электромеханических устройств (см. исторические примеры ниже). С появлением интегральных схем в 1960-х годах как ПЗУ, так и его изменяемый аналог статическая 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 ( содержащая 5-20 транзисторов) для сохранения ее содержимого, в то время как ячейка ПЗУ может состоять из отсутствия (логического 0) или наличие (логической 1) одного транзистора, соединяющего битовую линию со словной линией. [12] Следовательно, ПЗУ может быть реализовано с более низкой стоимостью за бит , чем ОЗУ, в течение многих лет.
Большинство домашних компьютеров 1980-х годов хранили интерпретатор BASIC или операционную систему в ПЗУ, поскольку другие формы энергонезависимого хранилища, такие как магнитные диски, были слишком дорогими. Например, Commodore 64 имел 64 КБ ОЗУ и 20 КБ ПЗУ, содержащих интерпретатор BASIC и операционную систему KERNAL . Более поздние домашние или офисные компьютеры, такие как IBM PC XT , часто включали в себя магнитные диски и больший объем оперативной памяти, что позволяло им загружать свои операционные системы с диска в ОЗУ, при этом в ПЗУ оставалось лишь минимальное ядро инициализации оборудования и загрузчик (известный как BIOS на IBM-совместимых компьютерах ). Такое расположение позволило создать более сложную и легко обновляемую операционную систему.
В современных ПК «ПЗУ» используется для хранения базовой прошивки для начальной загрузки процессора, а также различных прошивок, необходимых для внутреннего управления автономными устройствами, такими как графические карты , жесткие диски , твердотельные накопители , приводы оптических дисков и т . д. TFT-экраны и т. д. в системе. Сегодня многие из этих «только для чтения» памяти – особенно BIOS / UEFI – часто заменяются EEPROM или флэш-памятью (см. ниже), чтобы обеспечить возможность перепрограммирования на месте в случае возникновения необходимости обновления прошивки. Однако простые и зрелые подсистемы (например, клавиатура или некоторые коммуникационные контроллеры в интегральных схемах на основной плате) могут использовать ПЗУ маски или OTP (одноразовое программирование).
ПЗУ и последующие технологии, такие как флэш-память, широко распространены во встроенных системах . Они есть во всем: от промышленных роботов до бытовой техники и бытовой электроники ( MP3-плееры , приставки и т. д.), все из которых предназначены для выполнения определенных функций, но основаны на микропроцессорах общего назначения . Поскольку программное обеспечение обычно тесно связано с аппаратным обеспечением, в таких устройствах редко требуются изменения программы (у которых обычно отсутствуют жесткие диски по причинам стоимости, размера или энергопотребления). По состоянию на 2008 год большинство продуктов используют Flash, а не маскирующее ПЗУ, и многие предоставляют некоторые средства для подключения к ПК для обновления прошивки ; например, цифровой аудиоплеер может быть обновлен для поддержки нового формата файлов . Некоторые любители воспользовались этой гибкостью, чтобы перепрограммировать потребительские товары для новых целей; например, проекты iPodLinux и OpenWrt позволили пользователям запускать полнофункциональные дистрибутивы Linux на своих MP3-плеерах и беспроводных маршрутизаторах соответственно.
ПЗУ также полезно для двоичного хранения криптографических данных, поскольку затрудняет их замену, что может быть желательно для повышения информационной безопасности .
Поскольку ПЗУ (по крайней мере, в форме жесткой маски) не может быть изменено, оно подходит только для хранения данных, которые, как ожидается, не потребуют модификации в течение всего срока службы устройства. С этой целью во многих компьютерах ПЗУ используется для хранения справочных таблиц для оценки математических и логических функций (например, устройство с плавающей запятой может табулировать синусоидальную функцию , чтобы облегчить более быстрые вычисления). Это было особенно эффективно, когда процессоры были медленными, а ПЗУ было дешевым по сравнению с ОЗУ.
Примечательно, что видеоадаптеры первых персональных компьютеров хранили в ПЗУ таблицы растровых символов шрифта. Обычно это означало, что шрифт текстового дисплея нельзя было изменить в интерактивном режиме. Так было и с адаптерами CGA , и с MDA , доступными в составе IBM PC XT.
Использование ПЗУ для хранения таких небольших объемов данных практически полностью исчезло в современных компьютерах общего назначения. Однако NAND Flash взяла на себя новую роль носителя для массового или вторичного хранения файлов.
ПЗУ маски — это постоянное запоминающее устройство, содержимое которого программируется производителем интегральной схемы (а не пользователем). Желаемое содержимое памяти предоставляется заказчиком производителю устройства. Нужные данные преобразуются в пользовательский слой Photomask /mask для окончательной металлизации межсоединений на чипе памяти (отсюда и название).
ПЗУ маски можно создать несколькими способами, каждый из которых направлен на изменение электрического отклика транзистора при обращении к нему в сети, например:
Транзисторы ПЗУ маски могут быть расположены в конфигурации NOR или NAND и могут достигать одного из наименьших возможных размеров ячеек, поскольку каждый бит представлен только одним транзистором. NAND предлагает более высокую плотность хранения, чем NOR. Конфигурации ИЛИ также возможны, но по сравнению с NOR они подключают транзисторы только к V cc вместо V ss . [13] ПЗУ с маской раньше были самыми дешевыми и простейшими устройствами полупроводниковой памяти, имеющими только один металлический слой и один слой поликремния, что делало их типом полупроводниковой памяти с самым высоким выходом производства [2] (наибольшее количество рабочих устройств на один производственный цикл).
Обычной практикой является использование перезаписываемой энергонезависимой памяти , такой как UV- EPROM или EEPROM , на этапе разработки проекта и переключение на ПЗУ с маской после завершения разработки кода. Например, микроконтроллеры Atmel выпускаются как в формате EEPROM, так и в формате ПЗУ маски.
Главным преимуществом маски ПЗУ является ее стоимость. ПЗУ маски было более компактным, чем любой другой вид полупроводниковой памяти . Поскольку стоимость интегральной схемы сильно зависит от ее размера, ПЗУ с маской значительно дешевле любого другого вида полупроводниковой памяти.
Однако единовременные затраты на маскирование высоки, и от проектирования до этапа производства продукта требуется длительный период времени. Ошибки проектирования обходятся дорого: если обнаружена ошибка в данных или коде, ПЗУ маски бесполезно и его необходимо заменить, чтобы изменить код или данные. [14]
По состоянию на 2003 год [update]большую часть таких чипов ПЗУ с маской производят четыре компании: Samsung Electronics , NEC Corporation , Oki Electric Industry и Macronix . [15] [ нужно обновить ]
Некоторые интегральные схемы содержат только ПЗУ маски. Другие интегральные схемы содержат ПЗУ маски, а также множество других устройств. В частности, многие микропроцессоры имеют ПЗУ маски для хранения микрокода . Некоторые микроконтроллеры имеют ПЗУ маски для хранения загрузчика или всей прошивки .
Классические микросхемы ПЗУ с программированием по маске представляют собой интегральные схемы, которые физически кодируют данные, подлежащие хранению, поэтому невозможно изменить их содержимое после изготовления.
Также возможно записать содержимое лазерного ПЗУ, используя лазер для изменения электрических свойств только некоторых диодов в ПЗУ, или используя лазер для разрезания только некоторых поликремниевых связей вместо использования маски. [16] [17] [13]
Применяя защиту от записи , некоторые типы перепрограммируемых ПЗУ могут временно стать памятью только для чтения.
Существуют и другие типы энергонезависимой памяти, не основанные на технологии твердотельных микросхем, в том числе:
Хотя относительная скорость ОЗУ и ПЗУ менялась с течением времени, по состоянию на 2007 год [update]большие чипы ОЗУ могут считываться быстрее, чем большинство ПЗУ. По этой причине (и для обеспечения единообразного доступа) содержимое ПЗУ иногда копируется в ОЗУ или затеняется перед его первым использованием, а затем считывается из ОЗУ.
Для тех типов ПЗУ, которые можно электрически модифицировать, скорость записи традиционно была намного медленнее, чем скорость чтения, и для этого может потребоваться необычно высокое напряжение, перемещение перемычек для подачи сигналов разрешения записи и специальные коды команд блокировки/разблокировки. Современную флэш-память NAND можно использовать для достижения самой высокой скорости записи среди всех технологий перезаписываемых ПЗУ: скорость SSD достигает 10 ГБ / с . Это стало возможным благодаря увеличению инвестиций как в потребительские, так и в корпоративные твердотельные накопители и флэш-память для мобильных устройств более высокого класса. На техническом уровне выигрыш был достигнут за счет увеличения параллелизма как в конструкции контроллера, так и в хранилище, использовании больших кэшей чтения/записи DRAM и внедрении ячеек памяти, которые могут хранить более одного бита (DLC, TLC и MLC). Последний подход более подвержен сбоям, но это в значительной степени смягчается за счет избыточного выделения ресурсов (включение резервной емкости в продукт, который виден только контроллеру накопителя) и более сложных алгоритмов чтения/записи в микропрограммном обеспечении накопителя.
.jpg/1280px-4Mbit_EPROM_Texas_Instruments_TMS27C040_(1).jpg)
Поскольку они записываются путем пропускания электронов через слой электрической изоляции на плавающий затвор транзистора , перезаписываемые ПЗУ могут выдерживать только ограниченное количество циклов записи и стирания, прежде чем изоляция будет необратимо повреждена. В самых ранних EPROM это могло произойти всего лишь после 1000 циклов записи, тогда как в современных Flash EEPROM срок службы может превышать 1 000 000. Ограниченный срок службы, а также более высокая стоимость бита означают, что флэш-память вряд ли полностью вытеснит магнитные диски в ближайшем будущем. [ нужна цитата ]
Промежуток времени, в течение которого ПЗУ остается точно читаемым, не ограничивается цикличностью записи. Сохранение данных в EPROM, EAROM, EEPROM и Flash может быть ограничено по времени из-за утечки заряда из плавающих затворов транзисторов ячеек памяти. EEPROM раннего поколения, в середине 1980-х годов, обычно предусматривал срок хранения данных 5 или 6 лет. Обзор EEPROM, предлагаемых в 2020 году, показывает, что производители ссылаются на 100-летнее сохранение данных. Неблагоприятные условия окружающей среды сокращают время удерживания (утечка ускоряется из-за высоких температур или радиации ). Замаскированное ПЗУ и ПЗУ с предохранителем/антифьюзом не страдают от этого эффекта, поскольку их сохранение данных зависит от физической, а не от электрической долговечности интегральной схемы, хотя повторный рост предохранителей когда-то был проблемой в некоторых системах. [20]
Содержимое микросхем ПЗУ можно извлечь с помощью специальных аппаратных устройств и соответствующего управляющего программного обеспечения. Эта практика распространена, например, при чтении содержимого старых картриджей для игровых консолей . Другим примером является создание резервных копий ПЗУ встроенного ПО/ОС со старых компьютеров или других устройств - в целях архивирования, как и во многих случаях, оригинальные чипы представляют собой ПЗУ и, следовательно, существует риск превышения срока годности их полезных данных.
Получаемые в результате файлы дампа памяти известны как образы ПЗУ или сокращенно ПЗУ , и могут использоваться для создания дубликатов ПЗУ - например, для производства новых картриджей или в виде цифровых файлов для игры в эмуляторах консоли . Термин « образ ПЗУ» возник, когда большинство консольных игр распространялось на картриджах, содержащих микросхемы ПЗУ, но получил настолько широкое распространение, что до сих пор применяется к образам новых игр, распространяемых на компакт-дисках или других оптических носителях.
Образы ПЗУ коммерческих игр, прошивок 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 торговлей таким программным обеспечением в целях сохранения/распространения.
