只读存储器

只读存储器（ROM, Read-Only Memory，台湾译唯读记忆体） 是一种 非易失性存储器（NVM），即使断电后也能保持数据。ROM 在制造时已经写入数据，通常用于存储计算机固件、BIOS、嵌入式系统的启动代码等。

只读存储器与随机存储器（RAM）一起构成主存。与RAM不同，ROM在掉电时不会丢失所存储的数据，并非易失性（volatile）存储器。

只读存储器非常适合那些在生命周期中几乎不会被更改的软件，例如电脑和手机的操作系统、CPU和GPU的程序等，这种装配了重要软件的只读存储器也可叫作“固件”。此外，游戏机等可编程设备的软件也可以通过包含只读存储器的卡带进行分发。ROM除了指代自己，上述的固件也可被称为ROM；另外，ROM还可以指闪存，尽管后者除了“唯读”之外也能够“删除”体内资料。

严格来讲，只读存储器指直接硬连接在计算机上的存储器，可擦可编程只读存储器（EPROM）、电可擦可编程只读存储器（EEPROM）形式的半导体存储器可以被擦除和重新编程，但过程通常较慢，而且需要专门的设备，还只能擦写一定的次数。

虽然传统 ROM 不能修改数据，但现代技术发展出了多种可擦写的 ROM 类型，如 EEPROM 和 Flash Memory，使其更加灵活。

2. ROM（只读存储器）的工作原理

ROM（Read-Only Memory， 只读存储器）是一种非易失性存储器（NVM），即使在断电后仍能保持数据。其工作原理基于半导体存储技术，通过固定电路结构或可编程存储单元来存储数据。

2.1. ROM 的基本结构

ROM 主要由以下几个部分组成：

1. 存储单元阵列：由多个存储单元（晶体管或浮栅晶体管）组成，每个单元存储 1 位数据（0 或 1）。
2. 地址解码器：用于接收输入地址信号，并选择对应的存储单元进行读取。
3. 读出电路：将存储单元中的数据转换为输出信号，传输到外部设备。

2.2. ROM 的存储与读取过程

2.2.1 数据存储方式

ROM 存储数据的方式根据其类型不同而有所区别：

• Mask ROM：数据在制造时通过掩模工艺固定在电路中，无法更改。
• PROM：通过熔断电路中的导线（保险丝）形成固定数据，一次性编程。
• EPROM/EEPROM/Flash ROM：使用浮栅晶体管存储数据，通过电子方式擦除和重写。

2.2.2 数据读取过程

ROM 的读取过程如下：

1. 地址输入：CPU 发送一个地址信号到 ROM，表示要读取的存储单元位置。
2. 地址解码：地址解码器将输入地址转换成对应的存储单元行列信号。
3. 数据检索：存储单元提供存储的数据（0 或 1）。
4. 数据输出：数据通过输出缓冲器传送到数据总线，供 CPU 或其他设备使用。

2.3. 不同类型 ROM 的工作原理

2.3.1 Mask ROM（掩模 ROM）

• 采用半导体掩模工艺，在制造时就预先写入数据，无法修改。
• 其存储单元由固定的晶体管连接或断开，代表 0 和 1。
• 读取时，电路通过选择已连接的晶体管获取存储数据。

2.3.2 PROM（可编程 ROM）

• 由用户使用高电压（通常为 12V~20V）进行一次性编程。
• 通过熔断特定的保险丝形成 0 或 1。
• 不可擦除和修改，一旦写入即永久存储。

2.3.3 EPROM（紫外线可擦除 ROM）

• 存储单元使用浮栅晶体管，通过电子注入方式编程。
• 需要使用**紫外线（UV）**照射一定时间（约 20~30 分钟）来擦除数据，使所有存储单元恢复到 1 状态。
• 重新编程时，需要使用特定的编程器施加高电压。

2.3.4 EEPROM（电可擦除 ROM）

• 采用浮栅晶体管存储数据，与 EPROM 相似，但可以用电信号擦除和重写，无需紫外线。
• 读写速度比 EPROM 快，但比 Flash ROM 慢。
• 擦除方式是按字节（Byte）进行，寿命通常为 10 万 ~ 100 万次。

2.3.5 Flash ROM（闪存）

• 采用改进型 EEPROM 技术，使用浮栅晶体管存储数据。
• 读取数据时，由地址解码器选择存储单元并输出数据。
• 擦除数据时：
  • NOR Flash 按字节擦除（适合存储程序）。
  • NAND Flash 按块（Block）擦除（适合存储大容量数据，如 SSD、U 盘）。
• 读写速度远高于 EEPROM，并且寿命可达百万次。

2.4. ROM 工作原理示意图

（以 Flash ROM 为例）

2.5. 总结

👉 结论

1. 传统 ROM（Mask ROM、PROM） 适用于固定数据存储，但无法修改，现已逐步被淘汰。
2. EEPROM 和 Flash ROM 取代了传统 ROM，广泛用于计算机、嵌入式设备、存储设备。
3. Flash ROM（NAND） 已成为SSD、U 盘、智能手机存储的主流存储介质，因其读写速度快、存储容量大。

 现代计算机和嵌入式系统普遍使用 Flash ROM 作为固件存储器，同时结合 RAM 作为运行时存储，以提高性能。

3. ROM 的分类

3.1)ROM

ROM（Read Only Memory）只读存储器，这种存储器（Memory）的内容任何情况下都不会改变，电脑与用户只能读取保存在这里的指令，和使用存储在ROM的资料，但不能变更或存入资料。ROM被存储在一个非易失性芯片上，也就是说，即使在关机之后记忆的内容仍可以被保存，所以这种存储器多用来存储特定功能的程序，如固件。ROM存储用来启动电脑的程序（如BIOS），电脑开机的时候BIOS提供一连串的指令对中央处理器（CPU）等组件进行初始化，在初始化过程中，BIOS程序初始化并检查RAM。

可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）其内部有行列式的熔丝，可依用户（厂商）的需要，利用电流将其烧断，以写入所需的资料及程序，熔丝一经烧断便无法再恢复，亦即资料无法再更改。

掩膜式只读存储器（masked ROM, MROM）[2]。

可抹除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）可利用高电压将资料编程写入，但抹除时需将线路曝光于紫外线下一段时间，资料始可被清空，再供重复使用。因此，在封装外壳上会预留一个石英玻璃所制的透明窗以便进行紫外线曝光。写入程序后通常会用贴纸遮盖透明窗，以防日久不慎曝光过量影响资料。

一次编程只读存储器（One Time Programmable Read Only Memory，OTPROM）内部所用的芯片与写入原理同EPROM，但是为了节省成本，封装上不设置透明窗，因此编程写入之后就不能再抹除改写。

电子抹除式可复写只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）之运作原理类似EPROM，但是抹除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透明窗。

闪存（Flash memory）的每一个记忆胞都具有一个“控制闸”与“浮动闸”，利用高电场改变浮动闸的临限电压即可进行编程动作。闪存主要分为NAND型与NOR型。现在NAND Flash常用于固态盘、U盘、存储卡等用途，NOR Flash则用于BIOS/UEFI ROM芯片等用途。

3.8) 各种ROM的对比

3.8.1）传统 ROM 类型

3.8.2）可擦写 ROM（现代 ROM 类型）

4. ROM（只读存储器）应用领域

只读存储器（ROM, Read-Only Memory）是一种非易失性存储器（NVM），在断电后仍能保持数据。ROM 主要用于存储固件、系统引导程序、嵌入式软件和长期数据。随着技术发展，EEPROM 和 Flash ROM（如 NAND、NOR）已成为主流，可在多种设备中灵活应用。ROM 被广泛应用于计算机、智能设备、汽车电子、工业自动化、医疗、航空航天等领域。随着技术发展，EEPROM、Flash ROM 逐渐取代传统 Mask ROM，并在 SSD、智能手机、IoT 设备中占据主导地位。未来，MRAM、ReRAM 等新兴 ROM 技术将在高性能计算、AI 计算、太空探索等领域发挥更大作用。

4.1. 计算机与 IT 设备

✅ 计算机 BIOS/UEFI

• 用途：存储计算机的基本输入输出系统（BIOS）或统一可扩展固件接口（UEFI）。
• ROM 类型：EEPROM 或 Flash ROM（可升级）。
• 作用：
  • 初始化硬件（如 CPU、内存、硬盘）
  • 引导操作系统
  • 提供基本 I/O 控制（如 USB、键盘、显卡支持）

✅ 显卡固件（VBIOS）

• 用途：存储 GPU 驱动程序，控制显卡的频率、电压、风扇速度等。
• ROM 类型：EEPROM 或 Flash ROM（可更新）。
• 作用：
  • 控制 GPU 启动和显示输出
  • 调整显卡性能和功耗管理

✅ 硬件 RAID 控制器

• 用途：存储 RAID 适配器的固件，管理磁盘阵列。
• ROM 类型：Flash ROM 或 EEPROM。
• 作用：
  • 控制磁盘阵列的读写策略
  • 提供故障恢复和热备份支持

✅ 网络设备（路由器、交换机）

• 用途：存储操作系统（如 Cisco IOS、OpenWRT），负责设备启动和管理。
• ROM 类型：Flash ROM（支持更新）。
• 作用：
  • 运行网络管理协议（如 SNMP）
  • 维持网络连接和数据转发

4.2. 移动设备 & 消费电子

✅ 智能手机 & 平板

• 用途：
  • 存储 Android/iOS 操作系统（ROM 固件）
  • 运行应用程序和用户数据存储
• ROM 类型：eMMC、UFS（Flash ROM）。
• 作用：
  • 提供系统升级功能（OTA 更新）
  • 存储引导加载程序（Bootloader）

✅ 智能电视 & 机顶盒

• 用途：
  • 存储操作系统（如 Android TV、WebOS）
  • 运行应用（Netflix、YouTube）
• ROM 类型：NAND Flash（eMMC/UFS）。
• 作用：
  • 开机时加载系统
  • 提供软件更新支持

✅ 游戏机（PlayStation、Xbox、Nintendo）

• 用途：
  • 存储游戏机固件和操作系统
  • 存储游戏数据（如存档、DLC）
• ROM 类型：Mask ROM（老式卡带）→ Flash ROM（现代主机）。
• 作用：
  • 提供游戏加载和存储功能
  • 确保安全验证（防止盗版）

4.3. 工业 & 嵌入式系统

✅ 汽车电子（ECU, 电子控制单元）

• 用途：
  • 存储发动机控制单元（ECU）的固件
  • 车载信息娱乐系统（IVI）软件
• ROM 类型：EEPROM、NOR Flash。
• 作用：
  • 控制燃油喷射、刹车、变速箱
  • 记录车载诊断信息（OBD 数据）

✅ 智能家居 & 物联网（IoT）

• 用途：
  • 存储智能设备（智能门锁、智能灯、智能音箱）固件
  • 存储 Wi-Fi / Zigbee / BLE 协议栈
• ROM 类型：EEPROM、NOR Flash。
• 作用：
  • 启动设备并提供远程升级能力
  • 记录设备配置信息

✅ 工业自动化 & 机器人

• 用途：
  • 运行 PLC（可编程逻辑控制器）控制程序
  • 存储工厂自动化设备的配置文件
• ROM 类型：EEPROM、Flash。
• 作用：
  • 控制生产流水线
  • 保障设备安全运行

4.4. 医疗 & 科学设备

✅ 医疗设备（心脏起搏器、MRI、超声波仪）

• 用途：
  • 存储医疗设备操作系统
  • 记录病人数据（如心率、血压）
• ROM 类型：EEPROM、Flash（高可靠性）。
• 作用：
  • 确保设备 24/7 运行
  • 允许固件升级，提高安全性

✅ 生物科技（基因测序仪、电子显微镜）

• 用途：
  • 存储 DNA 数据、实验参数
• ROM 类型：ReRAM、Flash。
• 作用：
  • 保障高精度存储，避免数据损坏
  • 提供数据长期保存能力

4.5. 航空 & 国防

✅ 飞行控制系统（黑匣子、导航计算机）

• 用途：
  • 存储飞机关键数据，如飞行日志
  • 运行自动驾驶和导航程序
• ROM 类型：FeRAM、MRAM（高耐久）。
• 作用：
  • 确保数据在极端环境下不丢失
  • 提供紧急情况恢复能力

✅ 卫星 & 航天探测器

• 用途：
  • 存储航天器操作系统（如 NASA 火星探测器）
  • 记录科学实验数据
• ROM 类型：Radiation-Hardened EEPROM、MRAM。
• 作用：
  • 保障长期在太空运行
  • 低功耗、高耐久性存储

5. ROM 与 RAM 的区别

ROM（只读存储器）和 RAM（随机存取存储器）是计算机存储体系中的两种重要存储器，它们在存储方式、读写能力、断电后数据保留情况、应用场景等方面都有显著区别。

5.1） ROM 和 RAM 详细对比分析

（1）数据存储方式

• ROM 是 非易失性存储器，即使断电后数据仍然保留，主要用于存储系统固件和长期数据。
• RAM 是 易失性存储器，断电后数据丢失，主要存储 CPU 运行时需要的临时数据。

（2）读写特性

• 传统 ROM 只能读取数据，不能修改（除 EEPROM 和 Flash ROM 例外）。
• RAM 既能读取又能写入，但无法长期存储数据。

（3）存储速度

• ROM 读写速度较慢，特别是早期的 Mask ROM 和 EEPROM。
• RAM 速度远快于 ROM：
  • SRAM（静态 RAM）：高速（用于 CPU 缓存 L1/L2/L3）。
  • DRAM（动态 RAM）：比 SRAM 慢，但比 ROM 快（用于计算机主内存）。

（4）存储内容

• ROM 存储固件（Firmware），如：
  • 计算机 BIOS/UEFI
  • 路由器操作系统
  • 电视、手机固件
  • 游戏机卡带数据
• RAM 存储运行时数据，如：
  • 正在运行的操作系统
  • 开启的应用程序
  • 计算过程中需要的临时数据

（5）功耗

• ROM 低功耗（Flash、EEPROM 适用于低能耗设备）。
• RAM 功耗较高（DRAM 需要不断刷新数据）。

（6） ROM 与 RAM 的主要区别

6. 典型 ROM 和 RAM 类型

ROM（Read-Only Memory， 只读存储器）是一种非易失性存储器（NVM），即使在断电后仍能保持数据。根据其可编程性和擦除能力，ROM 可分为多种类型，包括Mask ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM 等。

6.1） 传统 ROM 类型

✅ 6.1.1 Mask ROM（掩模只读存储器）

• 特点：
  • 制造时数据已写入，无法修改。
  • 低成本、大规模生产适用。
  • 可靠性高，适用于长期使用的固件。
• 应用：
  • 旧式游戏卡带（如任天堂 FC/NES 游戏卡带）。
  • 早期计算机 BIOS 固件。
  • 工业设备、汽车控制器（存储固定程序）。

✅ 6.1.2 PROM（可编程只读存储器，Programmable ROM）

• 特点：
  • 用户可通过一次性写入方式编程（使用高电压熔断保险丝）。
  • 写入后不可擦除，数据永久存储。
• 应用：
  • 早期微控制器、固件存储。
  • 工业控制、仪器仪表程序。

6.2）可擦除 ROM

✅ 6.2.1 EPROM（紫外线可擦除可编程 ROM，Erasable Programmable ROM）

• 特点：
  • 可通过**紫外线（UV）**擦除后重新写入。
  • 芯片上有透明窗，可用于 UV 擦除。
  • 擦除过程较慢（通常需 20~30 分钟）。
• 应用：
  • 早期嵌入式系统（如 80 年代的计算机主板 BIOS）。
  • 工业控制设备、科研仪器。

✅6.2.2 EEPROM（电可擦除可编程 ROM，Electrically Erasable Programmable ROM）

• 特点：
  • 可用电信号擦除和重写，不需要紫外线。
  • 读写速度比 EPROM 快，但比 Flash ROM 慢。
  • 擦写寿命有限（通常 10 万~100 万次）。
• 应用：
  • 计算机 BIOS（早期 EEPROM 版本）。
  • 智能卡、信用卡（存储身份数据）。
  • 微控制器（如 ATMega328P 的 EEPROM）。

6.3） 现代 Flash ROM

✅ 6.3.1 Flash ROM（闪存）

• 特点：
  • EEPROM 的改进版，支持大容量数据存储。
  • 擦除和写入速度更快，存储密度更高。
  • 使用 NAND 或 NOR 存储单元。
• 应用：
  • NAND Flash：
    • SSD（固态硬盘）、U 盘、SD 卡。
    • 智能手机、嵌入式系统。
  • NOR Flash：
    • BIOS 存储（现代计算机）。
    • 嵌入式系统（如 STM32 微控制器存储代码）。

传统 ROM（Mask ROM、PROM）已逐步被淘汰，因其不可修改的特性不适用于现代需求。EEPROM 和 Flash ROM 取代了传统 ROM，广泛应用于计算机、存储设备和嵌入式系统。NAND Flash 已成为现代存储的主流，广泛用于 SSD、手机、U 盘、存储卡等。

7. 总结

• ROM 是一种非易失性存储器，即使断电也能保持数据。
• 传统 ROM（Mask ROM、PROM）无法修改，而现代 ROM（EEPROM、Flash）可以擦写。
• 主要用于计算机 BIOS、嵌入式系统、车载系统、游戏机、存储设备等领域。
• 相比 RAM，ROM 适用于长期存储，读取速度较慢，但数据不会丢失。

随着 Flash 存储的发展，传统 ROM 在许多应用中已被 Flash 替代，如 U 盘、SSD、eMMC 等。

Entires个相关

• 随机存储器
• 存储器
• 非易失性存储器
• RAM
• 闪存
• DRAM
• memory
• NVM
• ROM
• 铠侠