Программируемое запоминающее устройство¶
Программируемое запоминающее устройство (ПЗУ) — это вид запоминающих устройств (ЗУ) в компьютерах и электронных устройствах, содержимое которого записывается однократно (или в ограниченном числе циклов) и в дальнейшем используется только для чтения данных. В отличие от оперативной памяти (ОЗУ), ПЗУ сохраняет информацию при отключении питания, что делает его основным носителем начального программного кода — например, прошивки BIOS или UEFI персонального компьютера.
¶История
Первые ПЗУ появились в 1960-х годах вместе с развитием полупроводниковой техники. Ранние реализации использовали матрицы диодов или плавких предохранителей (fusible link ROM), где запись выполнялась перегоранием микроскопических перемычек. Такие ПЗУ называли однократно программируемыми (OTP ROM) — записать их можно было только один раз, после чего содержимое фиксировалось навсегда.
В 1970-х годах获得了 широкое распространение ПЗУ на основе памяти с ультрафиолетовым стиранием (UVEPROM, или просто EPROM). В них записанные данные можно было стереть, воздействуя ультрафиолетовым излучением через специальное кварцевое окно на корпусе микросхемы, а затем записать заново. Позже появилась технология EEPROM, где стирание выполняется электрическим импульсом без необходимости извлечения микросхемы из устройства.
¶Классификация
По способу записи и стирания ПЗУ делятся на несколько основных типов:
| Тип | Способ записи | Стирание | Повторное использование |
|---|---|---|---|
| Mask ROM | На этапе изготовления микросхемы | Невозможно | Нет |
| PROM (однократно программируемое) | Плавкие перемычки, электрический пробой | Невозможно | Нет |
| EPROM | Электрический импульс | Ультрафиолетом | Да, ограниченное число раз |
| EEPROM | Электрический импульс | Электрическим сигналом | Да, до 10⁶–10⁸ циклов |
| Flash-память | Электрический импульс | Электрическим сигналом, блоками | Да, до 10⁵–10⁶ циклов |
Mask ROM — самая ранняя и простая разновидность: данные «зашиваются» в кристалл на заводе на этапе фотолитографии. Такие ПЗУ дёшвы при массовом производстве, но любое изменение содержимого требует изготовления новой партии микросхем.
PROM (Programmable ROM) содержит матрицу предохранительных перемычек, которые перегорают при подаче программирующего импульса. Использовались преимущественно в 1970-е годы.
EPROM требует для стирания ультрафиолетового облучения (обычно волновой длины 253,7 нм) в течение 10–20 минут. Микросхема имеет характерное кварцевое окно в корпусе. Для перепрограммирования микросхема извлекается из устройства и устанавливается в специальный программатор.
EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) позволяет выполнять запись и стирание электрическим сигналом, обычно по одному байту за раз. Скорость записи относительно невысока, поэтому EEPROM применяется для хранения небольших объёмов конфигурационных данных.
Flash-память — наиболее распространённый в начале XXI века тип ПЗУ. Разработана в Toshiba в 1984 году. Отличается от EEPROM блоковой (секторной) организацией стирания, что позволяет записывать данные значительно быстрее. По архитектуре делится на NOR-Flash (слово-ориентированная, быстрое чтение, используется для исполнения кода) и NAND-Flash (блок-ориентированная, высокая плотность, применяется в SSD, USB-флешках, картах памяти).
¶Принцип работы
Физической основой большинства ПЗУ является плавящийся транзистор (floating-gate MOSFET). В таком транзисторе есть изолированный «плавающий» затвор, на который электрическим импульсом вводятся электроны. Заряженный затвор изменяет пороговое напряжение транзистора, что фиксируется как логическая «1» или «0». При стирании электроны выводятся из плавающего затвора под действием сильного электрического поля (в EEPROM и Flash) или ультрафиолетового излучения (в EPROM).
¶Применение
Основные области использования ПЗУ:
- Прошивки микроконтроллеров и BIOS/UEFI — начальный код, который процессор выполняет при включении устройства.
- Встраиваемые системы — прошивки бытовой электроники, автомобильных блоков управления, промышленных контроллеров.
- Игровые картриджи — классические картриджи для приставок содержали ПЗУ с программой игры.
- Криптографические модули — хранение ключей и защищённых данных.
- Сертифицированное оборудование — ПЗУ с фиксированным содержимым применяется там, где недопустимо изменение программного кода.
В современных персональных компьютерах роль ПЗУ выполняет SPI-Flash чип, хранящий прошивку UEFI. В смартфонах и планшетах прошивка системы и загрузчик размещаются в NAND-Flash памяти, работающей в режиме ПЗУ для основной части данных.
¶Ограничения
Главный недостаток ПЗУ — ограниченный ресурс перезаписи. Для EEPROM это обычно 10⁶–10⁸ циклов, для NOR-Flash — 10⁵–10⁶, для NAND-Flash — 10³–10⁵ циклов на блок. Поэтому в устройствах с интенсивной записью (логирование, временные файлы) ПЗУ не используется — там применяют ОЗУ или специализированные SSD-контроллеры с выравниванием износа (wear leveling).
Источники:
- Барковский В. С., Зверев В. И. «Цифровая техника. Схемотехника и архитектура компьютеров»
- Паттерсон Д., Хеннесси Дж. «Архитектура компьютера. Планирование и организация аппаратных средств»
- Таненбаум Э. «Архитектура компьютера»
- Данные производителей: Micron Technology, Samsung Semiconductor, Winbond Electronics