ROMのしくみ

この記事では、さまざまなタイプのROMとそれぞれがどのように機能するかについて学習します。この記事は、次のようなコンピュータメモリを扱った一連の記事の1つです。

さまざまなタイプのROMを特定することから始めましょう。

コンテンツ

1. ROMタイプ
2. ROM at Work
3. ダンスパーティー
4. EPROM
5. EEPROMとフラッシュメモリ

5つの基本的なROMタイプがあります。

それぞれのタイプには固有の特性があり、この記事で学習しますが、これらはすべてタイプのメモリであり、2つの共通点があります。

これは、チップから電源を取り外してもデータが失われないことを意味します。

RAMと同様に、ROMチップ（図1）には列と行のグリッドが含まれています。しかし、列と行が交差する場所では、ROMチップはRAMチップとは根本的に異なります。 RAMはトランジスタを使用して各交差点でコンデンサへのアクセスをオンまたはオフにしますが、値が1の場合、ROMはダイオードを使用してラインを接続します。値が0の場合、ラインはまったく接続されません。

ダイオードは、通常、一方向にのみに電流を流すととしても知られている一定の閾値有するフォワードブレークオーバダイオードがそれを通過する前に必要とされるどのくらいの電流決定します。プロセッサやメモリチップなどのシリコンベースのアイテムでは、順方向ブレークオーバー電圧は約0.6ボルトです。ダイオードの独自の特性を利用することにより、ROMチップは、特定のセルに接続するために接地された選択された行を使用して、順方向ブレークオーバーを超える電荷を適切な列に送ることができます。そのセルにダイオードが存在する場合、電荷はグランドに伝導され、バイナリシステムでは、セルは「オン」（値1）として読み取られます。 ROMの優れた部分は、セルの値が0の場合、その交差点に列と行を接続するダイオードがないことです。したがって、列の料金は行に転送されません。

ご覧のとおり、ROMチップの動作方法では、チップの作成時に完全で完全なデータをプログラミングする必要があります。標準のROMチップを再プログラムまたは書き換えることはできません。正しくない場合、またはデータを更新する必要がある場合は、データを破棄して最初からやり直す必要があります。 ROMチップの元のテンプレートを作成することは、試行錯誤に満ちた骨の折れるプロセスであることがよくあります。しかし、ROMチップの利点は欠点を上回ります。テンプレートが完成すると、実際のチップのコストはそれぞれわずか数セントになります。それらは非常に少ない電力を使用し、非常に信頼性が高く、ほとんどの小型電子デバイスの場合、デバイスを制御するために必要なすべてのプログラミングが含まれています。良い例は、歌う魚のおもちゃの小さなチップです。このチップは、ほぼ指の爪のサイズで、ROM内の30秒のソングクリップと、モーターを音楽に同期させるための制御コードが含まれています。

ROMチップを完全にゼロから作成することは、時間と少量で非常に高価です。このため、主に、開発者はプログラマブル読み取り専用メモリ（PROM）と呼ばれるタイプのROMを作成しました。空のPROMチップは安価に購入でき、プログラマーと呼ばれる特別なツールを使用して誰でもコーディングできます。

PROMチップ（図2）には、通常のROMと同じように列と行のグリッドがあります。違いは、PROMチップの列と行のすべての交差点にそれらを接続するヒューズがあることです。カラムを介して送信された電荷は、セル内のヒューズを通過して、値1を示す接地された行になります。すべてのセルにヒューズがあるため、PROMチップの初期（ブランク）状態はすべて1です。セルの値を0に変更するには、プログラマーを使用して特定の量の電流をセルに送信します。より高い電圧は、ヒューズを焼き尽くすことによって列と行の間の接続を切断します。このプロセスは、PROMの書き込みとして知られています。

PROMは一度だけプログラムできます。それらはROMよりも壊れやすいです。静電気の衝撃により、PROMのヒューズが簡単に切れて、重要なビットが1から0に変わる可能性があります。ただし、空のPROMは安価であり、コストのかかるROM製造プロセスに取り組む前にROMのデータをプロトタイピングするのに最適です。

ROMおよびPROMの操作は、無駄なビジネスになる可能性があります。チップあたりのコストは安価ですが、時間の経過とともにコストが増加する可能性があります。消去可能なプログラム可能な読み取り専用メモリ（EPROM）は、この問題に対処します。 EPROMチップは何度も書き換えることができます。 EPROMを消去するには、特定の周波数の紫外線（UV）を放射する特別なツールが必要です。 EPROMは、使用するEPROMのタイプに応じて指定されたレベルの電圧を提供するEPROMプログラマーを使用して構成されます。

ここでも、列と行のグリッドがあります。 EPROMでは、各交差点のセルに2つのトランジスタがあります。 2つのトランジスタは薄い酸化物層によって互いに分離されています。トランジスタの1つはフローティングゲートと呼ばれ、もう1つは制御ゲートと呼ばれます。行（ワードライン）へのフローティングゲートの唯一のリンクは、コントロールゲートを経由します。このリンクが設定されている限り、セルの値は1です。値を0に変更するには、Fowler-Nordheimトンネリングと呼ばれる奇妙なプロセスが必要です。トンネリングは、フローティングゲート内の電子の配置を変更するために使用されます。フローティングゲートには、通常10〜13ボルトの電荷が印加されます。料金はコラムから来ます（ビットライン）、フローティングゲートに入り、地面に排出されます。

この電荷により、フローティングゲートトランジスタは電子銃のように機能します。励起された電子は、薄い酸化物層の反対側に押し出されてトラップされ、負の電荷を与えます。これらの負に帯電した電子は、コントロールゲートとフローティングゲートの間のバリアとして機能します。セルセンサーと呼ばれるデバイスは、フローティングゲートを通過する電荷のレベルを監視します。ゲートを通過するフローが電荷の50％を超える場合、値は1になります。通過する電荷が50％のしきい値を下回ると、値は0に変わります。空のEPROMには、すべてのゲートが完全に含まれています。開いて、各セルに1の値を与えます。

図3

EPROMを書き換えるには、最初にそれを消去する必要があります。それを消去するには、フローティングゲートをブロックしている負の電子を突破するのに十分なレベルのエネルギーを供給する必要があります。標準のEPROMでは、これは253.7の周波数のUV光で最もよく達成されます。この特定の周波数はほとんどのプラスチックやガラスに浸透しないため、各EPROMチップにはその上に石英ウィンドウがあります。 EPROMが正しく機能するには、消しゴムの光源に1〜2インチ以内で非常に接近している必要があります。

EPROM消しゴムは選択的ではなく、EPROM全体を消去します。EPROMをデバイスから取り外し、EPROM消しゴムのUV光の下に数分間置く必要があります。長時間放置されたEPROMは、過剰に消去される可能性があります。このような場合、EPROMのフローティングゲートは、電子をまったく保持できなくなるまで充電されます。

EPROMは、再利用性の点でPROMからの大きな一歩ですが、変更が必要になるたびにEPROMを取り外して再インストールするには、専用の機器と手間のかかるプロセスが必要です。また、EPROMに段階的に変更を加えることはできません。チップ全体を消去する必要があります。電気的に消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ（EEPROM）チップは、EPROMの最大の欠点を取り除きます。

EEPROMの場合：

UV光を使用する代わりに、各セルに局所的に電界を印加することで、EEPROMのセル内の電子を通常の状態に戻すことができます。これにより、EEPROMのターゲットセルが消去され、再書き込みが可能になります。EEPROMは一度に1バイトずつ変更されるため、用途は広いですが低速です。実際、EEPROMチップは、チップに保存されているデータをすばやく変更する多くの製品で使用するには遅すぎます。

メーカーは、フラッシュメモリでこの制限に対応しました。フラッシュメモリは、回路内配線を使用して、チップ全体またはチップのブロックと呼ばれる所定のセクションに電界を印加することによって消去するタイプのEEPROMです。フラッシュメモリは、一度に1バイトではなく、通常512バイトのサイズのデータ​​をチャンクで書き込むため、従来のEEPROMよりもはるかに高速に動作します。このタイプのROMとそのアプリケーションの詳細については、フラッシュメモリのしくみを参照してください。

ROMおよびその他のタイプのコンピュータメモリの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

関連記事

その他のすばらしいリンク