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6.3 只读存储器 (ROM)

6.3 只读存储器 (ROM). 6.3.1 掩膜式只读存储器 (MROM) MROM 的内容是由生产厂家按用户要求在芯片的生产过程中写入的，写入后不能修改。 MROM 采用二次光刻掩膜工艺制成，首先要制作一个掩膜板，然后通过掩膜板曝光，在硅片上刻出图形。制作掩膜板工艺较复杂，生产周期长，因此生产第一片 MROM 的费用很大，而复制同样的 ROM 就很便宜了，所以适合于大批量生产，不适用于科学研究。 MROM 有双极型、 MOS 型等几种电路形式。.

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6.3 只读存储器 (ROM)

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  1. 6.3 只读存储器(ROM) 6.3.1 掩膜式只读存储器(MROM) MROM的内容是由生产厂家按用户要求在芯片的生产过程中写入的，写入后不能修改。MROM采用二次光刻掩膜工艺制成，首先要制作一个掩膜板，然后通过掩膜板曝光，在硅片上刻出图形。制作掩膜板工艺较复杂，生产周期长，因此生产第一片MROM的费用很大，而复制同样的ROM就很便宜了，所以适合于大批量生产，不适用于科学研究。MROM有双极型、MOS型等几种电路形式。

  2. 图6.12是一个简单的44位MOS管ROM，采用单译码结构，两位地址线A1、A0译码后可有四种状态，输出4条选择线，分别选中4个单元，每个单元有4位输出。在此矩阵中，行和列的交点处有的连有管子，表示存储“0”信息；有的没有管子，表示存储“1”信息。若地址线A1A0＝00，则选中0号单元，即字线0为高电平，若有管子与其相连(如位线2和0)，其相应的MOS管导通，位线输出为0，而位线1和3没有管子与字线相连，则输出为1。因此，单元0输出为1010。对于图中矩阵，各单元内容如表6.1所示。

  3. 图6.12 掩膜式ROM示意图

  4. 单元 D3 D2 D1 D0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 位 2 0 1 0 1 3 0 1 1 0 表6.1 掩膜式ROM的内容

  5. 6.3.2 可编程只读存储器(PROM) 可编程只读存储器出厂时各单元内容全为0，用户可用专门的PROM写入器将信息写入，这种写入是破坏性的，即某个存储位一旦写入1，就不能再变为0，因此对这种存储器只能进行一次编程。根据写入原理PROM可分为两类：结破坏型和熔丝型。图6.13是熔丝型PROM的一个存储元示意图。 图6.13 PROM存储电路示意图

  6. 基本存储电路由1个三极管和1根熔丝组成，可存储一位信息。出厂时，每一根熔丝都与位线相连，存储的都是“0”信息。如果用户在使用前根据程序的需要，利用编程写入器对选中的基本存储电路通以2050 mA的电流，将熔丝烧断，则该存储元将存储信息“1”。由于熔丝烧断后无法再接通，因而PROM只能一次编程。编程后不能再修改。

  7. 写入时，按给定地址译码后，选通字线，根据要写入信息的不同，在位线上加不同的电位，若Di位要写“0”，则对应位线Di悬空(或接较大电阻)而使流经被选中基本存储电路的电流很小，不足以烧断熔丝，该位仍保持“0”状态；若要写“1”，则位线Di加负电位(2 V)，瞬间通过被选基本存储电路的电流很大，致使熔丝烧断，即改写为“1”。在正常只读状态工作时，加到字线上的是比较低的脉冲电位，但足以开通存储元中的晶体管。这样，被选中单元的信息就一并读出了。是“0”，则对应位线有电流；是“1”，则对应位线无电流。在只读状态，工作电流将很小，不会造成熔丝烧断，即不会破坏原存信息。

  8. 6.3.3 可擦除、可再编程的只读存储器 PROM虽然可供用户进行一次编程，但仍有局限性。为了便于研究工作，实验各种ROM程序方案，可擦除、可再编程ROM在实际中得到了广泛应用。这种存储器利用编程器写入信息，此后便可作为只读存储器来使用。 目前，根据擦除芯片内已有信息的方法不同，可擦除、可再编程ROM可分为两种类型：紫外线擦除PROM(简称EPROM)和电擦除PROM(简称EEPROM或E2PROM)。

  9. 1．EPROM和E2PROM简介 初期的EPROM元件用的是浮栅雪崩注入MOS，记为FAMOS。它的集成度低，用户使用不方便，速度慢，因此很快被性能和结构更好的叠栅注入MOS即SIMOS取代。 SIMOS管结构如图6.14(a)所示。它属于NMOS，与普通NMOS不同的是有两个栅极，一个是控制栅CG，另一个是浮栅FG。FG在CG的下面，被SiO2所包围，与四周绝缘。单个SIMOS管构成一个EPROM存储元件，如图6.14(b)所示。

  10. 与CG连接的线W称为字线，读出和编程时作选址用。漏极与位线D相连接，读出或编程时输出、输入信息。源极接VSS(接地)。当FG上没有电子驻留时，CG开启电压为正常值Vcc，若W线上加高电平，源、漏间也加高电平，SIMOS形成沟道并导通，称此状态为“1”。当FG上有电子驻留，CG开启电压升高超过Vcc，这时若W线加高电平，源、漏间仍加高电平，SIMOS不导通，称此状态为“0”。人们就是利用SIMOS管FG上有无电子驻留来存储信息的。因FG上电子被绝缘材料包围，不获得足够能量很难跑掉，所以可以长期保存信息，即使断电也不丢失。

  11. 图6.14 SIMOS型EPROM (a)  SIMOS管结构；(b)  SIMOS EPROM元件电路

  12. SIMOS EPROM芯片出厂时FG上是没有电子的，即都是“1”信息。对它编程，就是在CG和漏极都加高电压，向某些元件的FG注入一定数量的电子，把它们写为“0”。EPROM封装方法与一般集成电路不同，需要有一个能通过紫外线的石英窗口。擦除时，将芯片放入擦除器的小盒中，用紫外灯照射约20分钟，若读出各单元内容均为FFH，说明原信息已被全部擦除，恢复到出厂状态。写好信息的EPROM为了防止因光线长期照射而引起的信息破坏，常用遮光胶纸贴于石英窗口上。

  13. EPROM的擦除是对整个芯片进行的，不能只擦除个别单元或个别位，擦除时间较长，且擦写均需离线操作，使用起来不方便，因此，能够在线擦写的E2PROM芯片近年来得到广泛应用。

  14. E2PROM是一种采用金属—氮—氧化硅(MNOS)工艺生产的可擦除可再编程的只读存储器。擦除时只需加高压对指定单元产生电流，形成“电子隧道”，将该单元信息擦除，其他未通电流的单元内容保持不变。E2PROM具有对单个存储单元在线擦除与编程的能力，而且芯片封装简单，对硬件线路没有特殊要求，操作简便，信息存储时间长，因此，E2PROM给需要经常修改程序和参数的应用领域带来了极大的方便。但与EPROM相比，E2PROM具有集成度低、存取速度较慢、完成程序在线改写需要较复杂的设备等缺点。

  15. 2．Intel 2716 EPROM芯片 EPROM芯片有多种型号，常用的有2716(2K8)、2732(4K8)、2764(8K8)、27128(16K8)、27256(32K8)等。 1) 2716的内部结构和外部引脚 2716 EPROM芯片采用NMOS工艺制造，双列直插式24引脚封装。其引脚、逻辑符号及内部结构如图6.15所示。 A0～A10：11条地址输入线。其中7条用于行译码，4条用于列译码。 O0～O7：8位数据线。编程写入时是输入线，正常读出时是输出线。

  16. CS：片选信号。当CS＝0时，允许2716读出。 PD/PGM：待机/编程控制信号，输入。 VPP：编程电源。在编程写入时，VPP＝+25 V；正常读出时，VPP＝+5 V。 VCC：工作电源，为+5 V。

  17. 图6.15 Intel 2716的引脚、逻辑符号及内部结构 (a) 引脚；(b) 逻辑符号；(c) 内部结构

  18. 引脚 方式 PD/PGM 数据总线状态 读出 0 0 +5 输出 未选中 × 1 +5 高阻 VPP/V 待机 1 × +5 高阻 编程输入 宽52 ms的正脉冲 1 +25 输入 校验编程内容 0 0 +25 输出 禁止编程 0 1 +25 高阻 2) 2716的工作方式 表6.2 2716的工作方式

  19. (1) 读出方式：当CS＝0时，此方式可以将选中存储单元的内容读出。 (2) 未选中：当CS＝l时，不论PD/PGM的状态如何，2716均未被选中，数据线呈高阻态。 (3) 待机(备用)方式：当PD/PGM＝1时，2716处于待机方式。这种方式和未选中方式类似，但其功耗由525 mW下降到132 mW，下降了75%，所以又称为功率下降方式。这时数据线呈高阻态。

  20. (4) 编程方式：当VPP＝+25 V，CS＝l，并在PD/PGM端加上52 ms宽的正脉冲时，可以将数据线上的信息写入指定的地址单元。数据线为输入状态。 (5) 校验编程内容方式：此方式与读出方式基本相同，只是VPP＝+25V。在编程后，可将2716中的信息读出，与写入的内容进行比较，以验证写入内容是否正确。数据线为输出状态。 (6) 禁止编程方式：此方式禁止将数据总线上的信息写入2716。

  21. 型号 容量结构 最大读出时间/ns 制造工艺 需用电源/V 管脚数 2708 1K×8bit 350~450 NMOS 5，+12 24 2716 2K×8bit 300~450 NMOS +5 24 2732A 4K×8bit 200~450 NMOS +5 24 2764 8 K×8bit 200~450 HMOS +5 28 27128 16K×8bit 250~450 HMOS +5 28 27256 32K×8bit 200~450 HMOS +5 28 27512 64K×8bit 250~450 HMOS +5 28 27513 4×64K×8 bit 250~450 HMOS +5 28 表6.3 常用的EPROM芯片

  22. 3. Intel 2816 E2PROM芯片 Intel 2816是2 K8位的E2PROM芯片，有24条引脚，单一+5 V电源。其引脚配置见图6.16。 图6.16 Intel 2816的引脚

  23. 引脚 方式 CE OE VPP /V 数据线状态 读出 0 0 +4+6 输出 待机(备用) 1 × +4+6 高阻 字节擦除 0 1 +21 输入为全1 字节写入 0 1 +21 输入 整片擦除 0 +9+15 V +21 输入为全1 擦写禁止 1 × +4+22 高阻 表6.4 2816的工作方式

  24. (1) 读出方式。当CE=0，OE=0，并且VPP端加+4～+6 V电压时，2816处于正常的读工作方式，此时数据线为输出状态。 (2) 待机(备用)方式。当CE=1，OE为任意状态，且VPP端加+4～+6 V电压时，2816处于待机状态。与2716芯片一样，待机状态下芯片的功耗将下降。 (3) 字节擦除方式。当CE=0，OE=1，数据线(I/O0～I/O7)都加高电平且VPP加幅度为+2l V、宽度为9～15 ms的脉冲时，2816处于以字节为单位的擦除方式。

  25. (4) 整片擦除方式。当CE=0，数据线(I/O0～I/O7)都为高电平，OE端加+9～+15 V电压及VPP加21 V、9～15 ms的脉冲时，约经10 ms可擦除整片的内容。 (5) 字节写入方式。当CE=0，OE=1，VPP加幅度为+2l V、宽度为9～15 ms的脉冲时，来自数据线(I/O0～I/O7)的数据字节可写入2816的存储单元中。可见，字节写入和字节擦除方式实际是同一种操作，只是在字节擦除方式中，写入的信息为全“1”而已。 (6) 禁止方式。当CE=1，VPP为+4～+22 V时，不管OE是高电平还是低电平，2816都将进入禁止状态，其数据线(I/O0～I/O7)呈高阻态，内部存储单元与外界隔离。

  26. 型号 参数 2816 2816A 2817 2817A 2864A 取数时间/ns 250 200250 250 200250 250 读电压VPP/V 5 5 5 5 5 写/擦电压VPP/V 21 5 21 5 5 字节擦写时间/ms 10 9~15 10 10 10 写入时间/ms 10 9~15 10 10 10 封装 DIP24 DIP24 DIP28 DIP28 DIP28 表6.5 常用的E2PROM芯片

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