Computerhardware: ROM
ROM
[Bearbeiten]ROM ist die Abkürzung für „Read Only Memory“ (Nur-Lese-Speicher, der auch als Festwertspeicher bezeichnet wird). Die Daten im ROM können im normalen Betrieb nicht geändert werden und sind gegen Fehlbedienungen, Programmabstürze und Attacken durch Computerschädlinge immun. Außerdem verliert das ROM die Daten nicht einmal dann, wenn der Strom abgeschaltet wird. Wegen dieser nützlichen Eigenschaft hat jeder Computer einen ROM-Baustein, in dem das Startprogramm gespeichert ist, mit dem die Arbeit nach dem Einschalten beginnt. Beim PC wird dieses Startprogramm als BIOS bezeichnet. Weitere ROM-Chips stecken in Grafikkarte, Festplatte, DVD-Brenner, Drucker und vielen anderen Komponenten.
Je nach ROM-Typ sind die Möglichkeiten unterschiedlich, die Daten in den ROM erstmals hineinzuschreiben. Darüber hinaus hat es sich für viele Verwendungen als nützlich erwiesen, die Daten in ROM-Bausteinen nachträglich ändern zu können. Um auch etwas ältere PCs mit neu entwickelten Computerkomponenten bestücken zu können, ist manchmal eine Ergänzung oder Korrektur des Programms im EPROM notwendig. Diese Anpassung nennt man ein „Update“. Es wurden mehrere Arten von ROM-Bausteinen entwickelt: PROM, EPROM, EEPROM, EAPROM, Flash-ROM und andere, die sich außer im Preis darin unterscheiden, wie aufwändig eine Veränderung der gespeicherten „unveränderlichen“ Daten ist. Am bekanntesten sind die Flash-ROM, die beispielsweise in USB-Memory-Sticks und Speicherkarten verwendet werden.
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 große Stückzahlen benötigt und Updates sind mit Sicherheit ausgeschlossen, weil das Produkt kurzlebig oder dessen Weiterentwicklung nicht sinnvoll ist (z. B. Steuerungen für Waschmaschinen).
Maskenprogrammierte ROM sind für Computerkomponenten (BIOS) nicht geeignet, weil die Hersteller ständig die Programme verbessern.
Wie kommen die Daten erstmals in den ROM-Speicher?
[Bearbeiten]Bei der Entwicklung und Weiterentwicklung der ROM-Technologie wurde großer Wert darauf gelegt, die Daten schneller und einfacher in den Chip hinein- und herausbringen zu können. Anfangs musste der Chip noch ausgebaut und minutenlang „spezialbehandelt“ werden, heute geschieht das in Mikrosekunden.
PROM
[Bearbeiten]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. Der Rohling wird zum Beschreiben in ein sogenanntes Programmiergerät gesteckt. Durch Anlegen einer hohen Spannung werden ausgewählte Leiterzüge geradezu „weggebrannt“, wenn im betreffenden Bit eine Null gespeichert werden soll. Den Vorgang nennt man „ROM brennen“. Im Ergebnis ist der Speicherchip „programmiert“. Man kann übrigens den Chip etappenweise brennen: Zuerst einen Adressbereich, dann den nächsten Bereich.
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EPROM
[Bearbeiten]EPROM ist die Abkürzung von „erasable PROM”, man kann also diesen Speicher löschen und erneut beschreiben. Wie erfolgt das Löschen? 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. Leider muss der Chip zum Löschen und Beschreiben ausgebaut werden.
Der linke der abgebildeten Chips ist 15 x 40 mm groß und wurde etwa 1980 hergestellt. Man kann in den Chip hineinsehen.
Das Verfahren, die Kontaktflächen eines Chips mit den „Beinchen“ zu verbinden, ist das „Bonden“. Der Bonddraht besteht aus hochreinem Gold oder Aluminium und ist etwa 20 Mikrometer „dick“. Auf dem Bild sehen Sie die feinen Bonddrähte eines EPROMs, mit denen die Speichermatrix angeschlossen ist.
- Vor- und Nachteile
- 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.
EEPROM und EAPROM
[Bearbeiten]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.
Der Unterschied zwischen EEPROM/EAPROM und RAM
[Bearbeiten]Warum bezeichnet man einen EEPROM-Baustein als ROM, obwohl man ihn doch beschreiben kann, fast so wie RAM?
- Der wichtigste Unterschied: Wenn der Strom weg ist, verliert RAM die gespeicherten Daten, ROM nicht.
- 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.
- 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 mindestens 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.
Flash
[Bearbeiten]Flash-Speicher sind weiterentwickelte EEPROMs. Flash bedeutet „Blitz“, denn das Lesen und Schreiben dauert nur noch Mikrosekunden. Deren Geschwindigkeit ist erheblich schneller als Festplatten und erheblich langsamer als RAM.