Computerhardware: ROM: mehr

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[Bearbeiten] Wie kommen die Daten erstmals in den ROM-Speicher?

Bei der Entwicklung und Weiterentwicklung der ROM-Technologie wurde großer Wert darauf gelegt, die Daten schneller einfacher in den Chip hinein- und herausbringen zu können. Anfangs musste der Chip noch ausgebaut und minutenlang „spezialbehandelt“ werden, heute geschieht das in Mikrosekunden.

[Bearbeiten] ROM

Wenn der Schaltkreishersteller die Daten bei der Herstellung gewissermaßen in den Chip „hineinätzt”, nennt man das ROM „maskenprogrammiert”. Die Kosten für Entwicklung und Fertigungsvorbereitung sind gewaltig, aber bei einer anschließenden Massenfertigung ist der Stückpreis gering. Dieses Verfahren lohnt sich unter zwei Bedingungen:

• Es werden sehr großen Stückzahlen benötigt
• Updates sind mit Sicherheit ausgeschlossen, weil das Produkt kurzlebig ist oder weil eine Weiterentwicklung der Elektronik nicht sinnvoll ist (z. B. Steuerungen für Waschmaschinen).

[Bearbeiten] PROM

Um auch bei kleineren Stückzahlen die Daten preiswert in das ROM hineinzubekommen, wurden PROM entwickelt. PROM ist ein „programmierbarer“ ROM. Im Auslieferungszustand sind alle Bits gleich „1“ gesetzt. Durch Anlegen einer hohen Spannung werden ausgewählte Leiterzüge geradezu „weggebrannt“, je nachdem ob im betreffenden Bit eine Null oder Eins gespeichert werden soll. Den Vorgang nennt man „ROM brennen“. Im Ergebnis ist der Chip „programmiert“. Man kann übrigens den Chip etappenweise brennen: Zuerst einen Adressbereich, dann den nächsten Bereich.

Ein weiteres Verfahren nutzt einen quantenmechanischen Effekt, den Tunneleffekt. Pro Bit gibt es eine hervorragend isolierte Elektrode, welche elektrisch aufgeladen wird - oder auch nicht. Die Isolierung ist so gut, dass eine einmal eingebrachte Ladung jahrelang erhalten bleibt. Ein in der Nähe dieser isolierten Elektrode vorbeiführender Leiter lässt nur dann einen Strom fließen, wenn die Elektrode geladen ist.

Der Rohling wird zum Beschreiben in ein sogenanntes Programmiergerät gesteckt. In einen leeren Chip wird durch kurzzeitiges Anlegen einer hohen Spannung bei den gewünschten Bits die Isolierschicht „durchschlagen“ und die Speicherzelle aufgeladen. Im Ergebnis ist der Chip „programmiert“.

EPROM mit Quarzglasfenster

Chip eines 256k EPROM mit Aluminium-Bonddrähten. Der Bereich der Speicherzellen erscheint grau, da die Vergrößerung nicht ausreicht.

[Bearbeiten] EPROM

Ultraviolettlicht ist sehr energiereich. Wenn man einen PROM mit einem Fenster aus Quarzglas versieht (normales Glas lässt keine UV-Strahlung durch) und einige Wochen in die Sonne legt, schlagen die Photonen die Ladung aus den Speicherzellen heraus. Nun hat man nur selten einige Wochen Zeit. EPROM-Löschgeräte erzeugen ein derart intensives UV-Licht, dass der Speicherchip in einigen Minuten gelöscht ist. Anschließend ist der EPROM wie neu und kann erneut beschrieben werden, viele Male. Ein solcher Chip heißt EPROM, „Erasable PROM”, ein löschbarer PROM.

Der abgebildete Chip ist 15 x 40 mm groß und wurde etwa 1980 hergestellt. Man kann man in den Chip hineinsehen.

• Umständlich: Der Chip muss zum Löschen und Programmieren ausgebaut werden.
• Unpraktisch: Der Chip kann zwar in Etappen beschrieben werden, aber das Löschen von Teilbereichen geht nicht. Es wird stets der gesamte Inhalt gelöscht.
• Teuer: Der luftdichte Einbau eines Quarzglasfensters ist recht aufwändig.

[Bearbeiten] EEPROM und EAPROM

EEPROM ist ein „Electrically Erasable PROM” (elektrisch löschbarer PROM). Die alte Information wird nicht durch UV-Bestrahlung, sondern elektrisch gelöscht, und der EEPROM muss zum Löschen und erneutem Beschreiben nicht ausgebaut werden. Weil die aggressive UV-Strahlung entfällt, halten diese Chips mehr als 10.000 Schreibvorgänge aus. Aber das Schreiben erfolgt relativ langsam, verglichen mit der CPU-Geschwindigkeit.

EAPROM ist „Electrically Alterable PROM” (elektrisch veränderbarer PROM): Speicherzellen können – je nach Bausteindesign – in Gruppen oder auch einzeln geändert werden. EAPROM wird auf Hauptplatinen für den Baustein verwendet, in dem das BIOS gespeichert ist.

[Bearbeiten] Flash

Flash-Speicher sind der vorläufige Höhepunkt der Entwicklung. Flash bedeutet „Blitz“, denn das Lesen und Schreiben dauert nur noch Mikrosekunden. Deren Geschwindigkeit ist erheblich schneller als Festplatten und erheblich langsamer als RAM.

[Bearbeiten] Der Unterschied zwischen EEPROM/EAPROM und RAM

Warum bezeichnet man einen EEPROM-Baustein als ROM, obwohl man ihn doch beschreiben kann, fast so wie RAM?

1. Der wichtigste Unterschied: Wenn der Strom weg ist, verliert RAM die gespeicherten Daten, ROM nicht.
2. ROM ist wesentlich langsamer als RAM. Das Lesen dauert 100 bis 200 Nanosekunden, während es beim RAM nur etwa 7 ns sind. Beim Schreiben ist der Unterschied noch größer. Das Beschreiben eines EEPROM dauert einige Millisekunden pro Byte, also einige Minuten für den gesamten Baustein. Das Beschreiben zählt deshalb nicht zu den normalen Betriebsarten. Flash-Rom ist schneller, aber beim Beschreiben immer noch langsamer als beim Lesen.
3. Die Lebensdauer ist begrenzt. Lesen kann man sie beliebig oft, aber das Beschreiben ist nur begrenzt möglich. Die für das BIOS verwendeten Speicher kann man einige tausend mal beschreiben, den Flash-ROM der USB-Sticks immerhin etwa 100.000 mal, Tendenz steigend. Das scheint viel zu sein. Niemand schafft es, den Stick so oft zu beschreiben und zu einem anderen Computer zu tragen. Für die Verwendung als Arbeitsspeicher ist das jedoch zu wenig, denn eine CPU, die zwei Milliarden Befehle pro Sekunde ausführt, könnte einzelne Speicherbereiche Millionen mal pro Sekunde mit Zwischenergebnissen beschreiben.