ROM：计算机界最没节操的仔！

ROM是现代电子设备中不可或缺的一部分，从咱们的智能手机、电脑，到家里的微波炉、洗衣机，甚至是汽车里的控制系统，都离不开ROM
不过，ROM也是个毫无节操的仔，它早已不再是那个“只读不写”的个性少年。

一、什么是ROM？

ROM是英文“Read-Only Memory”的缩写，叫“只读存储器”。与RAM不同的是，ROM中的信息即使在断电的情况下也不会消失，因此常用于存放系统启动所需的BIOS代码、固件程序以及一些关键配置参数。

二、ROM的基本工作原理

2.1 内部结构

ROM主要由地址译码器和存储单元体组成。

(1)地址译码器：负责将来自CPU的地址信号转换为对应的行/列选通信号，以便准确访问目标单元。
(2)存储单元体：主要是由存储单元构成的存储阵列，由大量排列整齐的晶体管构成，每个晶体管代表一位二进制信息。它们按照行列分布，形成二维表格状布局。
如下图，字线与位线的交叉点即为存储单元。每个存储单元可以存储 1 位二进制数。交叉处的圆点表示存储 “1”，无圆点表示存储 “0”。

当某字线被选中时，相应存储单元数据就从位线 $D_3$ ~ $D_0$输出。比如选中字线$W_3$，与位线的交点分别是1、0、1、1，因此输出的就是1011。
每个存储单元的结构分为：二级管、TTL、MOS。

此外，ROM还有一个“输出缓冲区”，用于暂存读出的数据，等待CPU取走。同时起到隔离作用，防止外界干扰影响正常工作。

2.2 数据读取过程

当CPU发出读请求时，ROM会依次执行以下步骤：

1. 地址总线上传输的目标地址被送入地址译码器；
2. 经过译码处理后生成相应的行/列选通信号；
3. 存储阵列中对应的单元被激活，其所保存的状态通过内部连线传递给输出缓冲区；
4. 最终，经由数据总线返回给CPU。

三、ROM的历史沿革

ROM的发展史，可谓是一场基因突变史，随着技术的进步，ROM变得越来越不纯粹，越来越没有节操。

3.1 掩膜ROM

掩膜ROM（Mask ROM）是ROM界的“老祖宗”。客户提供掩模版，芯片制造商根据掩模版进行制造。它的数据是在芯片制造过程中写入的，一旦制造完成，数据就无法更改。这种ROM的优点是成本低、可靠性高，非常适合用于存储那些不会改变的数据，比如计算机的BIOS（基本输入输出系统）。
在掩模ROM中，存储单元通过固定连接（如熔丝或二极管）来实现数据的存储。这个名字听起来很玄乎，具体操作可以这样简单理解，就是在制造过程中，通过特定的工艺烧断某些位置的导线（这个叫“熔断熔丝”），或者将二极管连接成特定的电路，以此来编码二进制数据。把导线都熔断了，数据肯定无法更改了。
掩膜ROM可以说是ROM的纯真年代，因为只有它，一旦出手，至死不渝。
这才是真正的只读存储器。

3.2 可编程ROM（PROM）

与掩膜ROM不同，可编程ROM（Programmable ROM，简称PROM）不是在制造过程中写入数据，出厂时所有位均为空白状态。在卖给用户后，由用户写入数据。这样，用户就可以根据自己的意愿写入个性化的数据，比如可以写上爱某某妹子一万年。
PROM允许用户在芯片制造完成后，通过特定的编程设备将数据写入到芯片内部。不过它只允许写入一次，一旦编程完成，数据就不能再被修改。
从本质上说，PROM也是只读的，它只是写入时机与掩膜ROM不同，但也是一旦写入，就不可更改。这就像给你张白纸，你可以在上面随便画，但一旦落笔，就再也擦不掉、改不了。
PROM的编程过程通常是通过高压编程来实现的。写入数据时，需要用个专门的编程设备连接到PROM芯片上，然后通过施加高压来改变芯片内部存储单元的状态，从而写入数据。一旦数据写入完成，PROM就变成了和掩膜ROM一样的只读存储器，数据无法再被修改或删除。

3.3 可擦除可编程ROM（EPROM）

这哥们可以说是ROM家族彻头彻尾的“叛途”，它就是毁灭ROM信仰的那个人。
从此以后，ROM变得不再只读（Read Only）,而是可以改写数据。
虽然它不再是真正的ROM，却还在顶着ROM的名头。就像一个真正的男人成了太监，却还说自己是纯爷们。
可擦除可编程ROM（Erasable Programmable ROM，简称EPROM）允许用户在需要时擦除芯片内部的数据，并重新写入新的数据。这就像我们有了一块神奇的橡皮擦，可以反复擦掉纸上的笔迹，然后再重新写。
这块神奇的橡皮擦叫紫外线。用户需要将EPROM芯片从设备上取下，然后放到紫外线擦除器中照射一段时间。在紫外线的作用下，芯片内部存储单元的状态会发生改变，从而实现数据的擦除。擦除完成后，用户就可以像编程PROM一样，将新的数据写入到EPROM芯片中。
虽然EPROM相比PROM有了更大的灵活性和可重用性，但它的擦除过程相对繁琐。每次擦除都需要将芯片从设备上取下，并放到紫外线擦除器中照射。这不仅费时费力，而且如果操作不当，还可能导致芯片损坏或数据丢失。因此，在使用EPROM时，咱们也需要格外小心。

3.4 电可擦除可编程ROM（EEPROM）

电可擦除可编程ROM（Electrically Erasable Programmable ROM，简称EEPROM）的出现，可以说是ROM界的一次“智能革命”。与EPROM不同，EEPROM允许用户通过电信号来擦除和重新写入数据，而无需将芯片从设备上取下，也用不着紫外线。
EEPROM的擦写过程通常是通过隧道效应或热电子注入等物理机制来实现的。在擦写过程中，用户只需向芯片发送特定的电信号，就可以改变芯片内部存储单元的状态，从而实现数据的擦除和写入。由于擦写过程是通过电信号来实现的，所以EEPROM的擦写速度通常比EPROM更快，而且操作也更简便。
此外，EEPROM还具有较高的可靠性和耐用性。它的擦写次数通常可以达到数十万次甚至更多，远远超过了PROM和EPROM。因此，EEPROM被广泛应用于需要频繁擦写数据的场合，比如智能卡、电子标签等。

3.5 Flash ROM

Flash ROM就更厉害了，可以说是ROM界的一颗“超级明星”。它不仅结合了EEPROM的所有优点，还具有更高的存储密度和更低的成本。这使得Flash ROM成为现代电子设备中最常用的存储介质之一。
Flash ROM的擦写过程与EEPROM类似，都是通过电信号来实现的。但不同的是，Flash ROM在擦写数据时是以块为单位进行的，而不是像EEPROM那样以字节为单位。这使得Flash ROM的擦写速度更快，而且更适合用于存储大量数据。
此外，Flash ROM还具有较长的数据保持时间。即使在没有电源供电的情况下，Flash ROM中的数据也能保持很长时间不丢失。这使得Flash ROM成为存储系统程序、用户数据等重要信息的理想选择，广泛应用于存储设备、数码相机、智能手机等领域。