一文讲透 ROM 演进史：从“只读“到“可擦写快闪“，五代技术一次讲清

一文讲透 ROM 演进史从只读到可擦写快闪五代技术一次讲清系列微机原理与存储器系列第 3 篇ROM 演进史篇摘要本文梳理 ROM 从掩膜 ROM、PROM、EPROM、EEPROM 到 Flash 的五代技术演进脉络逐代讲清工作原理、优缺点与替代关系并用对比表总结写入方式、擦除方式、寿命、成本与典型应用。关键词ROM、掩膜 ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash、NOR Flash、NAND Flash、非易失性存储器。1. 开篇ROM 的本质——非易失性从只读到可擦写的演进逻辑核心结论ROM 的共同本质是非易失性——断电后数据不丢失整个 ROM 家族的演进本质是沿着写一次 → 可擦写 → 可电擦写 → 大容量快闪这条轴线不断提升灵活性与容量。ROMRead-Only Memory只读存储器的根本特性是非易失性数据在制造或编程后固化保存断电依然留存。这和上一篇文章讲的 RAM掉电丢失形成鲜明对比。但只读并不意味着永远不能写。整个 ROM 家族的技术演进其实是一条从不可写到可擦写的解放之路[[1]][[2]]掩膜 ROM出厂写死 ↓ 用户能写吗→ 提供一次写入机会 PROM熔丝写一次 ↓ 想改怎么办→ 提供擦除能力 EPROM紫外线擦除可重写 ↓ 擦除太麻烦→ 改成电擦除 EEPROM电擦除字节级 ↓ 容量不够/成本高→ 块级擦除、更高密度 Flash扇区擦除高速大容量正如业界总结的ROM 技术从不可编程的掩膜 ROM 发展到可擦写的 EPROM、EEPROM 和 Flash体现的是稳定性与灵活性的平衡[[3]]。2. 初代掩膜 ROMMask ROM核心结论掩膜 ROM 在工厂制造时就把数据写入用户完全不能更改优点是成本极低、集成度高缺点是毫无灵活性只适合大批量量产。2.1 原理出厂即固化掩膜 ROM 由生产厂家用掩膜工艺在制造时写入信息用户无法更改[[4]]。它的数据在制造阶段通过掩膜版永久固化进芯片[[5]][[6]]。2.2 特点维度表现写入方式制造时由厂家固化[[7]]可更改性完全不可更改[[8]][[9]]成本集成度高、成本低[[10]]速度读取速度快[[11]]适用场景大批量生产的产品[[12]]优点成本最低、速度最快[[13]]、集成度高[[14]]。缺点灵活性最差一旦制造就无法改变改一次版就要重新流片。3. 第二代PROM可编程只读存储器核心结论PROM 出厂是空白的用户可用专用编程器一次性写入它第一次把写入权力交给了用户但只能用一次不可擦除。3.1 原理熔丝结构一次编程PROM 芯片出厂前未写入信息用户使用时可根据要求通过专用编程器自行写入即编程[[15]]。它的内部采用熔丝结构编程时通过烧断熔丝来记录数据一旦编程完成后内容不能再更改[[16]][[17]][[18]]。3.2 特点维度表现写入方式用户用编程器一次性写入[[19]]可更改性只能写一次不可擦除[[20]][[21]]成本适中[[22]]速度较快[[23]]优点用户可自行编程比掩膜 ROM 灵活适合小批量定制。缺点一次性写入写错即作废不可修改[[24]][[25]]。4. 第三代EPROM可擦除可编程 ROM核心结论EPROM 用浮栅晶体管存储数据可通过紫外线整片擦除后重新编程它实现了可重复编程但擦除麻烦、需专用设备且以陶瓷封装加石英窗口为显著特征。4.1 原理浮栅晶体管 紫外线擦除EPROM 是严格意义上的 MOS 器件内部采用浮栅晶体管存储电荷[[26]]。它的特点是用户可电编程写入但要擦除数据必须用紫外线照射若干分钟[[27]][[28]]紫外线把浮栅上的电荷放掉从而实现整片擦除[[29]]。写入时则需要高电压[[30]]。4.2 典型特征陶瓷封装 石英窗口EPROM 最直观的识别特征就是芯片表面有石英窗口正是为了透过紫外线照射擦除存储内容[[31]][[32]]。擦除后可以通过编程器再次写入新的数据[[33]]。4.3 特点维度表现写入方式用户用编程器多次写入[[34]]擦除方式紫外线照射需数分钟整片擦除[[35]][[36]][[37]]编程次数可重复编程支持百次以上[[38]]典型外观陶瓷封装 石英窗口[[39]][[40]]优点可重复擦写、重复编程成本较低曾非常普遍使用[[41]][[42]]。缺点擦除麻烦紫外线几分钟[[43]]、需专用编程器与擦除设备[[44]][[45]]、只能整片擦除。5. 第四代EEPROM电可擦除可编程 ROM核心结论EEPROM也叫 E²PROM把擦除从紫外线升级为电信号支持在线、字节级擦写无需脱机也不用紫外线寿命比 EPROM 更长适合参数类数据存储。5.1 原理电擦除字节级EEPROM 通过电信号擦除可在毫秒级完成擦除[[46]]支持按字节进行删除和重写[[47]][[48]][[49]]。它可以在在线状态下无需脱机直接写入更新的数据使用比 EPROM 方便得多[[50]]。5.2 特点维度表现写入方式在线电写入[[51]]擦除方式电擦除[[52]]字节级[[53]]擦除时间毫秒级[[54]]擦写寿命万次以上[[55]]应用参数存储[[56]]优点在线擦写、无需紫外线、操作方便[[57]]、支持字节级修改[[58]]。缺点按字节擦写成本高[[59]]、写入/擦除速度相对慢[[60]]、寿命有限万次级[[61]]。正是按字节擦除这一点使得 EEPROM 成本高、难满足大容量需求为 Flash 的登场埋下伏笔[[62]]。6. 第五代Flash ROM快闪存储器核心结论Flash 是 EEPROM 的升级版把擦除单位从字节改为扇区/块密度更高、成本更低按架构分为随机读取的 NOR 与高密度顺序访问的 NAND 两大支流。6.1 Flash 与 EEPROM 的核心区别Flash 可理解为EEPROM 的升级版升级的关键在于擦除数据时不再以字节为单位而是以区块sector/block为单位从而让电路更精简、数据密度更高、成本更低[[63]]。由于现代存储单元都很大按字节擦除成本高且不实用Flash 已取代按字节擦除的 EEPROM 成为主流[[64]][[65]]。EEPROM按字节擦除 → 成本高、密度低 Flash 按扇区/块擦除 → 密度高、成本低、主流选择6.2 NOR Flash随机读取适合存代码NOR Flash 特征SRAM 式接口有足够地址引脚可随机访问每一字节[[66]][[67]]支持芯片内执行XIP可直接在 NOR 上运行代码[[68]][[69]][[70]]NOR 擦除以 64-128KB 的大块进行擦除一个操作约 5 秒[[71]]读取速度比 NAND 稍快密度多在 1-16MB 市场[[72]][[73]]可靠性高、无坏块问题[[74]]但工艺复杂、价格贵[[75]][[76]]主要厂商Intel、AMD 等[[77]]。典型应用代码存储、系统启动等重要信息[[78]][[79]][[80]]。小容量用 NOR因为读取快常用来存操作系统和启动代码[[81]]。6.3 NAND Flash高密度适合存数据NAND Flash 特征单元尺寸约为 NOR 的一半同样的晶圆可提供更高容量、价格更低[[82]]采用串行结构多个单元串联在一条位线上不支持随机访问[[83]]读/写以 512 字节的块或页进行[[84]][[85]]擦除以 8-32KB 的块进行约 4ms远快于 NOR[[86]]写入速度快0.6µs/字节 vs NOR 10µs/字节[[87]]容易出现坏块需要纠错和坏块管理[[88]][[89]]主要厂商Samsung、Toshiba[[90]]。典型应用U 盘、存储卡、MP3、手机等大容量数据存储[[91]][[92]]。NAND 无法像 NOR 那样直接运行程序通常需一片小的 NOR 启动[[93]][[94]]。6.4 NOR 与 NAND 一览对比维度NOR FlashNAND Flash容量较小1-16MB 为主[[95]][[96]]较大512Mb-16Gb[[97]]访问方式随机访问[[98]]顺序/块访问[[99]][[100]]读取速度快可 XIP 运行代码[[101]][[102]]较快24MB/s SLC[[103]]写入速度慢10µs/字节快0.6µs/字节[[104]]擦除速度慢5s快4ms[[105]][[106]]擦写寿命10万次1万次[[107]]坏块无坏块需坏块管理[[108]][[109]]价格贵-70美元/GB便宜-0.7美元/GB[[110]]典型应用代码存储、启动[[111]][[112]]U盘、存储卡、数码存储[[113]][[114]]历史注记Intel 于1988 年率先开发出 NOR flash 技术改变了 EPROM 和 EEPROM 一统天下的局面紧接着1989 年东芝发表 NAND flash 结构强调降低成本、提高性能[[115]]。7. 附ROM 家族演进对比表类型写入方式擦除方式擦除单位可更改性成本典型应用掩膜 ROM制造时固化不可擦除—不可改最低大批量量产产品[[116]]PROM用户编程器一次写入[[117]]不可擦除—写一次[[118]]适中[[119]]小批量定制EPROM编程器多次写入紫外线整片擦除[[120]]整片可重复较低[[121]]早期固件、程序固化[[122]]EEPROM在线电写入[[123]]电擦除字节可重复高[[124]]参数存储[[125]]FlashNOR电写入电擦除[[126]]扇区/块[[127]]可重复较高代码存储、启动[[128]][[129]]FlashNAND电写入电擦除块[[130]]可重复最低U盘、大容量数据存储[[131]]8. 结尾总结 下一篇预告ROM 的演进是**非易失性存储器沿着越写越容易、越擦越方便、容量越做越大、成本越做越低**方向前行的历程掩膜 ROM出厂写死成本最低[[132]]PROM用户写一次不可改[[133]]EPROM紫外线可擦可重写[[134]][[135]]但擦除麻烦EEPROM电擦除、字节级[[136]][[137]]方便但贵Flash扇区/块擦除NOR 存代码、NAND 存数据[[138]]成为绝对主流[[139]]。下一篇预告《ROM 芯片实战篇》——认识常见 ROM/EPROM/EEPROM/Flash 芯片型号与引脚学会从型号读出容量与组织掌握它们在电路中的连接与编程方法。系列闭环第 1 篇RAM 基础原理篇第 2 篇RAM 芯片实战篇第 3 篇ROM 演进史篇本文第 4 篇ROM 芯片实战篇下一篇第 5 篇存储器扩展与地址译码实战等