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Memoria de sólo lectura

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Memoria de sólo lectura, generalmente conocido por sus siglas ROM, es una clase de medios de almacenamiento utilizados en computadoras y otros dispositivos electrónicos. En su sentido más estricto, ROM se refiere a la memoria fabricada por semiconductores que contiene datos almacenados permanentemente en ella, sin posibilidad de modificaciones futuras. Este es el tipo más antiguo de ROM de estado sólido y se conoce como máscara de ROM.

Los tipos más modernos de ROM, como PROM (memoria de solo lectura programable), EPROM (memoria de solo lectura programable borrable) y EEPROM (memoria de solo lectura programable borrable eléctricamente) pueden reprogramarse, con o sin borrado de versiones anteriores datos. Todavía se describen como "memoria de solo lectura" porque el proceso de reprogramación es generalmente infrecuente, relativamente lento y, a menudo, no permite la escritura de acceso aleatorio en ubicaciones de memoria individuales. A pesar de la simplicidad de la ROM de máscara, las economías de escala y la capacidad de programación de campo a menudo hacen que las tecnologías reprogramables sean más flexibles y económicas, por lo que la ROM de máscara rara vez se usa en nuevos productos.

Los medios ROM se utilizan principalmente para distribuir firmware, es decir, software estrechamente relacionado con hardware específico y es poco probable que requiera actualizaciones frecuentes.

Historia

El tipo más simple de ROM de estado sólido es tan antiguo como la tecnología de semiconductores. Las puertas lógicas combinacionales se pueden unir manualmente para asignar norte-poco dirección entrada en valores arbitrarios de metro-poco datos salida (una tabla de consulta). Con la invención del circuito integrado vino la máscara ROM. La ROM de máscara consiste en una cuadrícula de líneas de palabras (la entrada de dirección) y líneas de bits (la salida de datos), unidas selectivamente con interruptores de transistor, y puede representar una tabla de búsqueda arbitraria con un diseño físico regular y un retraso de propagación predecible.

En la ROM de máscara, los datos se codifican físicamente en el circuito, por lo que solo se pueden programar durante la fabricación. Esto lleva a una serie de desventajas serias:

  1. Solo es económico comprar ROM de máscara en grandes cantidades, ya que los usuarios deben contratar a una fundición para producir un diseño personalizado.
  2. El tiempo de respuesta entre completar el diseño de una ROM de máscara y recibir el producto terminado es largo, por la misma razón.
  3. Mask ROM no es práctico para el trabajo de I + D, ya que los diseñadores con frecuencia necesitan modificar el contenido de la memoria a medida que perfeccionan un diseño.
  4. Si un producto se envía con una ROM de máscara defectuosa, la única forma de repararlo es recuperar el producto y reemplazar físicamente la ROM.

Desarrollos posteriores han abordado estas deficiencias. PROM, inventado en 1956, permitió a los usuarios programar su contenido exactamente una vez al alterar físicamente su estructura con la aplicación de pulsos de alto voltaje. Esto soluciona los problemas 1 y 2 anteriores, ya que una compañía puede simplemente ordenar un gran lote de chips PROM nuevos y programarlos con los contenidos deseados a conveniencia de sus diseñadores. La invención de 1971 de EPROM esencialmente resolvió el problema 3, ya que EPROM (a diferencia de PROM) se puede restablecer repetidamente a su estado no programado por exposición a luz ultravioleta fuerte. La EEPROM, inventada en 1983, contribuyó en gran medida a resolver el problema 4, ya que una EEPROM se puede programar en el lugar si el dispositivo que contiene proporciona un medio para recibir el contenido del programa desde una fuente externa (por ejemplo, una computadora personal a través de un cable serial) . La memoria flash, inventada en Toshiba a mediados de la década de 1980 y comercializada a principios de la década de 1990, es una forma de EEPROM que hace un uso muy eficiente del área del chip y puede borrarse y reprogramarse miles de veces sin daños.

Todas estas tecnologías mejoraron la flexibilidad de la ROM, pero a un costo significativo por chip, de modo que en grandes cantidades la ROM de máscara seguiría siendo una opción económica durante muchos años. (La disminución del costo de los dispositivos reprogramables casi había eliminado el mercado de la ROM de máscara para el año 2000). Además, a pesar del hecho de que las nuevas tecnologías eran cada vez menos "de solo lectura", la mayoría se concibió solo como un reemplazo para el uso tradicional de la ROM de máscara .

El desarrollo más reciente es el flash NAND, también inventado por Toshiba. Sus diseñadores rompieron explícitamente con la práctica anterior, afirmando que "el objetivo de NAND Flash es reemplazar los discos duros".1 en lugar del uso tradicional de ROM como una forma de almacenamiento primario no volátil. A partir de 2007, NAND ha logrado parcialmente este objetivo al ofrecer un rendimiento comparable a los discos duros, una mayor tolerancia al choque físico, una miniaturización extrema (en forma de unidades flash USB y pequeñas tarjetas de memoria microSD, por ejemplo) y un consumo de energía mucho menor.

Tipos de ROM

La primera EPROM, una Intel 1702, con los enlaces de matriz y cable claramente visibles a través de la ventana de borrado.

Basado en semiconductores

Clásico ROM programada por máscara Los chips son circuitos integrados que codifican físicamente los datos que se almacenarán y, por lo tanto, es imposible cambiar su contenido después de la fabricación. Otros tipos de memoria de estado sólido no volátil permiten cierto grado de modificación:

  • Memoria de sólo lectura programable (PROM), o ROM programable de una sola vez (OTP), se puede escribir o programado a través de un dispositivo especial llamado Programador PROM. Típicamente, este dispositivo usa altos voltajes para destruir permanentemente o crear enlaces internos (fusibles o antifusibles) dentro del chip. En consecuencia, una PROM solo se puede programar una vez.
  • Memoria de solo lectura programable y borrable (EPROM) puede borrarse al exponerse a luz ultravioleta fuerte (generalmente durante 10 minutos o más), luego reescribirse con un proceso que nuevamente requiere la aplicación de un voltaje más alto de lo habitual. La exposición repetida a la luz UV eventualmente desgastará una EPROM, pero el resistencia de la mayoría de los chips EPROM supera los 1000 ciclos de borrado y reprogramación. Los paquetes de chips EPROM a menudo se pueden identificar por la "ventana" de cuarzo prominente que permite la entrada de luz UV. Después de la programación, la ventana generalmente se cubre con una etiqueta para evitar el borrado accidental. Algunos chips EPROM se borran de fábrica antes de empaquetarse, y no incluyen ventanas; estos son efectivamente PROM.
  • Eléctricamente programable y borrable memoria de sólo lectura (EEPROM) se basa en una estructura semiconductora similar a la EPROM, pero permite todo su contenido (o seleccionado bancos) para que se borren eléctricamente y luego se reescriban eléctricamente, de modo que no sea necesario retirarlos de la computadora (o cámara, reproductor de MP3, etc.). Escritura o brillante una EEPROM es mucho más lenta (milisegundos por bit) que leer desde una ROM o escribir en una RAM (nanosegundos en ambos casos).
    • Memoria de solo lectura alterable eléctricamente (EAROM) es un tipo de EEPROM que se puede modificar un bit a la vez. Escribir es un proceso muy lento y nuevamente requiere un voltaje más alto (generalmente alrededor de 12 V) que el que se usa para el acceso de lectura. Los EAROM están destinados a aplicaciones que requieren reescritura infrecuente y solo parcial. EAROM puede usarse como almacenamiento no volátil para la información crítica de configuración del sistema; En muchas aplicaciones, EAROM ha sido reemplazado por la RAM CMOS suministrada por la red eléctrica y respaldada con una batería de litio.
    • Memoria flash (o simplemente destello) es un tipo moderno de EEPROM inventado en 1984. La memoria flash se puede borrar y reescribir más rápido que la EEPROM normal, y los diseños más nuevos presentan una resistencia muy alta (superior a 1,000,000 ciclos). El flash NAND moderno hace un uso eficiente del área del chip de silicio, lo que da como resultado circuitos integrados individuales con una capacidad de hasta 16 GB (a partir de 2007); Esta característica, junto con su resistencia y durabilidad física, ha permitido que el flash NAND reemplace al magnético en algunas aplicaciones (como las unidades flash USB). La memoria flash a veces se llama ROM flash o flash EEPROM cuando se usa como reemplazo de los tipos de ROM más antiguos, pero no en aplicaciones que aprovechan su capacidad para modificarse rápida y frecuentemente.

Al aplicar la protección contra escritura, algunos tipos de ROM reprogramables pueden convertirse temporalmente en memoria de solo lectura.

Otras tecnologias

Existen otros tipos de memoria no volátil que no se basan en la tecnología IC de estado sólido, que incluyen:

  • Medios de almacenamiento óptico, tales como CD-ROM que es de solo lectura (análogo a la ROM enmascarada). CD-R es Write Once Read Many (análogo a PROM), mientras que CD-RW admite ciclos de borrado y reescritura (análogo a EEPROM); ambos están diseñados para compatibilidad con versiones anteriores con CD-ROM.

Ejemplos historicos

Transformador matriz ROM (TROS), de IBM System 360/20.
  • ROM de matriz de diodos, utilizada en pequeñas cantidades en muchas computadoras en la década de 1960, así como calculadoras de escritorio electrónicas y codificadores de teclado para terminales. Esta ROM se programó instalando diodos semiconductores discretos en ubicaciones seleccionadas entre una matriz de rastros de línea de palabras y trazas de línea de bits en una placa de circuito impreso.
  • ROM de matriz de resistencia, condensador o transformador, utilizada en muchas computadoras hasta la década de 1970. Al igual que la ROM de matriz de diodos, se programó colocando componentes en ubicaciones seleccionadas entre una matriz de líneas de palabras y líneas de bits. Las tablas de funciones de ENIAC eran ROM de matriz de resistencia, programadas mediante la configuración manual de interruptores rotativos. Varios modelos del Sistema IBM / 360 y dispositivos periféricos complejos almacenaron su microcódigo en cualquier condensador (llamado BCROS para siequilibrado doapacitor REad Osolo Storage en 360/50 y 360/65 o CCROS para doard doapacitor REad Osolo Storage en el 360/30) o transformador (llamado TROS para Transformer REad Osolo Storage en la ROM de matriz 360/20, 360/40 y otras).
  • Cuerda central, una forma de tecnología ROM de matriz transformadora utilizada donde el tamaño y / o peso eran críticos. Esto se usó en las computadoras de la nave espacial Apollo de la NASA / MIT, las computadoras PDP-8 de DEC y otros lugares. Este tipo de ROM se programó a mano tejiendo "cables de línea de palabras" dentro o fuera de los núcleos de transformadores de ferrita.
  • La máscara de caracteres de metal perforada ("plantilla") en los tubos de rayos catódicos de Charactron, que se usaba como ROM para dar forma a un amplio haz de electrones para formar una forma de personaje seleccionada en la pantalla, ya sea para mostrar o un haz de electrones escaneado para formar una forma de personaje seleccionada como una superposición en una señal de video.
  • Diversos dispositivos mecánicos utilizados en los primeros equipos informáticos. Una placa de metal mecanizada sirvió como ROM en las impresoras matriciales en los punzones de teclas IBM 026 e IBM 029.

Velocidad de ROM

Velocidad de lectura

Aunque la velocidad relativa de RAM vs. ROM ha variado con el tiempo, a partir de 2007 los chips de RAM grandes se pueden leer más rápido que la mayoría de las ROM. Por esta razón (y para lograr un acceso uniforme), el contenido de ROM a veces se copia a la RAM o se "sombrea" antes de su primer uso, y posteriormente se lee desde la RAM.

Velocidad de escritura

Para aquellos tipos de ROM que pueden modificarse eléctricamente, la velocidad de escritura es siempre mucho más lenta que la velocidad de lectura, y puede requerir un voltaje inusualmente alto, el movimiento de los enchufes de puente para aplicar señales de habilitación de escritura y códigos especiales de comando de bloqueo / desbloqueo. NAND Flash moderno alcanza las velocidades de escritura más altas de cualquier tecnología ROM regrabable, con velocidades de hasta 15 MiB / s (o 70 ns / bit), al permitir (de hecho, requerir) que grandes bloques de celdas de memoria se escriban simultáneamente.

Resistencia y retención de datos.

Debido a que se escriben forzando electrones a través de una capa de aislamiento eléctrico a una puerta de transistor flotante, las ROM regrabables pueden soportar solo un número limitado de ciclos de escritura y borrado antes de que el aislamiento se dañe permanentemente. En los primeros EAROM, esto podría ocurrir después de tan solo 1,000 ciclos de escritura, mientras que en la EEPROM Flash moderna resistencia puede exceder 1,000,000, pero de ninguna manera es infinito. Esta resistencia limitada, así como el mayor costo por bit, significa que es poco probable que el almacenamiento basado en flash suplante completamente las unidades de disco magnético en el futuro cercano.

El período de tiempo durante el cual una ROM permanece legible con precisión no está limitada por el ciclo de escritura. los retención de datos de EPROM, EAROM, EEPROM y Flash mayo estar limitado por la fuga de carga de las puertas flotantes de los transistores de la celda de memoria. La fuga se exacerba a altas temperaturas o en ambientes de alta radiación. La ROM enmascarada y la PROM con fusible / antifusible no sufren este efecto, ya que su retención de datos depende de la permanencia física más que eléctrica del circuito integrado (aunque fusible de nuevo crecimiento alguna vez fue un problema en algunos sistemas).

Imágenes ROM

El contenido de los chips ROM en los cartuchos de la consola de videojuegos se puede extraer con un software especial o dispositivos de hardware. Los archivos de volcado de memoria resultantes se conocen como Imágenes ROM, y se puede utilizar para producir cartuchos duplicados o en emuladores de consola. El término se originó cuando la mayoría de los juegos de consola se distribuyeron en cartuchos que contenían chips ROM, pero logró un uso tan extendido que todavía se aplica a imágenes de juegos más nuevos distribuidos en CD-ROM u otros medios ópticos.

Las imágenes ROM de juegos comerciales generalmente contienen software con derechos de autor. La copia y distribución no autorizadas de software protegido por derechos de autor suele ser una violación de las leyes de derechos de autor (en algunas jurisdicciones, la duplicación de los cartuchos ROM con fines de copia de seguridad puede considerarse un uso justo). Sin embargo, hay una comunidad próspera dedicada a la distribución y comercialización ilegal de dicho software. En tales círculos, el término "imágenes de ROM" a veces se acorta simplemente a "ROM" o a veces se cambia a "romz" para resaltar la conexión con "warez".

Aplicaciones

Uso de ROM para el almacenamiento de programas.

Cada computadora de programa almacenado requiere algún tipo de almacenamiento no volátil para almacenar el programa inicial que se ejecuta cuando la computadora se enciende o comienza su ejecución (un proceso conocido como bootstrapping, a menudo abreviado como "arranque" o "arranque"). Del mismo modo, cada computadora no trivial requiere alguna forma de memoria mutable para registrar los cambios en su estado a medida que se ejecuta.

Las formas de memoria de solo lectura se emplearon como almacenamiento no volátil para los programas en la mayoría de las primeras computadoras de programas almacenados, como ENIAC después de 1948 (hasta entonces no era una computadora de programas almacenados ya que cada programa tenía que conectarse manualmente a la máquina , lo que podría llevar días o semanas). La memoria de solo lectura fue más sencilla de implementar, ya que solo requería un mecanismo para leer los valores almacenados, y no cambiarlos en el lugar, y por lo tanto podría implementarse con dispositivos electromecánicos muy crudos (ver ejemplos históricos anteriores). Con la llegada de los circuitos integrados en la década de 1960, tanto la ROM como su RAM estática homóloga mutable se implementaron como conjuntos de transistores en chips de silicio; sin embargo, una celda de memoria ROM podría implementarse utilizando menos transistores que una celda de memoria SRAM, ya que esta última requiere un pestillo (que comprende 5-20 transistores) para retener su contenido, mientras que una celda ROM podría consistir en la ausencia (0 lógico) o presencia (1 lógico) de un solo transistor que conecta una línea de bits a una línea de palabras.2 En consecuencia, la ROM podría implementarse a un costo por bit más bajo que la RAM durante muchos años.

La mayoría de las computadoras domésticas de la década de 1980 almacenaban un intérprete o sistema operativo BASIC en ROM, ya que otras formas de almacenamiento no volátil, como las unidades de disco magnético, eran demasiado caras. Por ejemplo, el Commodore 64 incluía 64 KiB de RAM y 20 KiB de ROM contenía un intérprete BÁSICO y el "KERNAL" (sic) de su sistema operativo. Las computadoras domésticas o de oficina posteriores, como la IBM PC XT, a menudo incluían unidades de disco magnético y grandes cantidades de RAM, lo que les permitía cargar sus sistemas operativos desde el disco a la RAM, con solo un núcleo de inicialización de hardware mínimo y un gestor de arranque en ROM (conocido como el BIOS en computadoras compatibles con IBM). Esta disposición permitió un sistema operativo más complejo y fácilmente actualizable.

En las PC modernas, "ROM" (o Flash) se utiliza para almacenar el firmware básico de arranque para el procesador principal, así como los diversos firmware necesarios para controlar internamente dispositivos autónomos como tarjetas gráficas, discos duros, unidades de DVD y TFT pantallas, en el sistema. Hoy en día, muchas de estas memorias de "solo lectura", especialmente el BIOS, a menudo se reemplazan con memoria Flash (ver más abajo), para permitir la reprogramación in situ en caso de que surja la necesidad de una actualización de firmware. Sin embargo, los subsistemas simples y maduros (como el teclado o algunos controladores de comunicación en los circuitos integrados de la placa principal, por ejemplo) pueden emplear ROM de máscara u OTP (una vez programable).

Las tecnologías ROM y sucesoras como Flash son frecuentes en los sistemas integrados. Esto gobierna todo, desde robots industriales hasta electrodomésticos y productos electrónicos de consumo (reproductores MP3, decodificadores, etc.), todos diseñados para funciones específicas, pero basados ​​en microprocesadores de uso general en la mayoría de los casos. Con el software generalmente acoplado estrechamente al hardware, rara vez se necesitan cambios de programa en dichos dispositivos (que generalmente carecen de dispositivos como discos duros por razones de costo, tamaño y / o consumo de energía). A partir de 2008, la mayoría de los productos utilizan Flash en lugar de ROM de máscara, y muchos proporcionan algunos medios para conectarse a una PC para actualizaciones de firmware; un reproductor de audio digital podría actualizarse para admitir un nuevo formato de archivo, por ejemplo. Algunos aficionados han aprovechado esta flexibilidad para reprogramar productos de consumo para nuevos propósitos; Por ejemplo, los proyectos iPodLinux y OpenWRT han permitido a los usuarios ejecutar distribuciones Linux completas en sus reproductores MP3 y enrutadores inalámbricos, respectivamente.

La ROM también es útil para el almacenamiento binario de datos criptográficos, ya que los hace difíciles de reemplazar, lo que puede ser deseable para mejorar la seguridad de la información.

Uso de ROM para almacenamiento de datos.

Dado que la ROM (al menos en forma de máscara cableada) no se puede modificar, en realidad solo es adecuada para almacenar datos que no se espera que necesiten modificación durante la vida útil del dispositivo. Con ese fin, la ROM se ha utilizado en muchas computadoras para almacenar tablas de búsqueda para la evaluación de funciones matemáticas y lógicas (por ejemplo, una unidad de punto flotante podría tabular la función seno para facilitar el cálculo más rápido). Esto fue especialmente efectivo cuando las CPU eran lentas y la ROM era barata en comparación con la RAM.

En particular, los adaptadores de pantalla de las primeras computadoras personales almacenaban tablas de caracteres de fuente de mapa de bits en ROM. Esto generalmente significaba que la fuente de visualización de texto no se podía cambiar de forma interactiva. Este fue el caso de los adaptadores CGA y MDA disponibles con IBM PC XT.

El uso de ROM para almacenar cantidades tan pequeñas de datos ha desaparecido casi por completo en las computadoras modernas de uso general. Sin embargo, Flash ROM ha asumido un nuevo papel como medio para el almacenamiento masivo o el almacenamiento secundario de archivos.

Ver también

Notas

  1. ↑ Inoue, A. y D. Wong. Abril de 2003. Guía de diseño de aplicaciones Flash NAND, página 6. Consultado el 23 de enero de 2009.
  2. ^ Millman, Jacob y Arvin Grabel. 1988. Microelectrónica2da ed. Capítulos sobre "Circuitos digitales combinatorios" y "Circuitos digitales secuenciales". Nueva York: McGraw-Hill. ISBN 007100596X.

Referencias

  • Jacob, Bruce, Spencer Ng y David Wang. 2007 Sistemas de memoria: caché, DRAM, disco. San Francisco, CA: Morgan Kaufmann. ISBN 978-0123797513
  • Millman, Jacob y Arvin Grabel. 1988. Microelectrónica2da ed. Nueva York: McGraw-Hill. ISBN 007100596X
  • White, Ron. 2008 Cómo funcionan las computadoras, Novena ed. Indianápolis, IN: Que Pub. ISBN 978-0789736130
  • Joven Roger. 2002. Cómo funcionan las computadoras: procesador y memoria principal. Bloomington, IN: 1er Libros. ISBN 1403325820

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