La memoria de sólo lectura ( ROM ) es un tipo de memoria no volátil utilizada en computadoras y otros dispositivos electrónicos . Los datos almacenados en la ROM no se pueden modificar electrónicamente después de la fabricación del dispositivo de memoria . La memoria de solo lectura es útil para almacenar software que rara vez se modifica durante la vida útil del sistema, también conocida como firmware . Las aplicaciones de software (como los videojuegos ) para dispositivos programables se pueden distribuir como cartuchos enchufables que contienen ROM .
Estrictamente hablando, la memoria de solo lectura se refiere a la memoria que está cableada, como una matriz de diodos o un circuito integrado (IC) ROM de máscara, que no se puede cambiar electrónicamente [a] después de la fabricación. Aunque los circuitos discretos se pueden alterar en principio, mediante la adición de cables de bodge y/o la eliminación o reemplazo de componentes, los circuitos integrados no pueden. La corrección de errores o actualizaciones del software requieren la fabricación de nuevos dispositivos y el reemplazo del dispositivo instalado.
La memoria semiconductora ROM de puerta flotante en forma de memoria de sólo lectura programable y borrable (EPROM), memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM) y memoria flash se puede borrar y reprogramar. Pero, por lo general, esto sólo se puede hacer a velocidades relativamente lentas, puede requerir equipo especial para lograrlo y, por lo general, solo es posible una cierta cantidad de veces. [1]
El término "ROM" se utiliza a veces para referirse a un dispositivo ROM que contiene software específico o un archivo con software que se almacenará en un dispositivo ROM grabable. Por ejemplo, los usuarios que modifican o reemplazan el sistema operativo Android describen los archivos que contienen un sistema operativo modificado o de reemplazo como " ROM personalizadas " según el tipo de almacenamiento en el que solía escribirse el archivo, y pueden distinguir entre ROM (donde se almacenan el software y los datos). almacenados, generalmente memoria Flash) y RAM.
IBM utilizó almacenamiento de solo lectura por condensador (CROS) y almacenamiento de solo lectura por transformador (TROS) para almacenar microcódigo para los modelos más pequeños System/360 , el 360/85 y los dos modelos iniciales System/370 ( 370/155 y 370/ 165 ). En algunos modelos también había un almacén de control grabable (WCS) para diagnóstico adicional y soporte de emulación. La computadora de guía Apollo utilizaba memoria de núcleo de cuerda , programada pasando cables a través de núcleos magnéticos.
El tipo más simple de ROM de estado sólido es tan antiguo como la propia tecnología de semiconductores . Las puertas lógicas combinacionales se pueden unir manualmente para asignar una entrada de dirección de n bits a valores arbitrarios de salida de datos de m bits (una tabla de consulta ). Con la invención del circuito integrado surgió la máscara ROM . La ROM de máscara consta de una cuadrícula de líneas de palabras (la entrada de dirección) y líneas de bits (la salida de datos), unidas selectivamente con interruptores de transistores , y puede representar una tabla de búsqueda arbitraria con un diseño físico regular y un retraso de propagación predecible . Mask ROM se programa con fotomáscaras en fotolitografía durante la fabricación de semiconductores . La máscara define características o estructuras físicas que se eliminarán o agregarán en los chips ROM, y la presencia o ausencia de estas características representará un bit 1 o 0, según el diseño de la ROM. [2] Por lo tanto, por diseño, cualquier intento de cambiar electrónicamente los datos fracasará, ya que los datos se definen por la presencia o ausencia de características o estructuras físicas que no se pueden cambiar electrónicamente. Para cada programa de software, incluso para las revisiones del mismo programa, se debe cambiar toda la máscara, lo que puede resultar costoso.
En la ROM de máscara, los datos están codificados físicamente en el circuito, por lo que solo se pueden programar durante la fabricación. Esto conlleva una serie de graves desventajas:
Los acontecimientos posteriores han abordado estas deficiencias. La memoria programable de sólo lectura (PROM), inventada por Wen Tsing Chow en 1956, [3] [4] permitía a los usuarios programar su contenido exactamente una vez alterando físicamente su estructura con la aplicación de pulsos de alto voltaje. Esto solucionó los problemas 1 y 2 anteriores, ya que una empresa puede simplemente pedir un gran lote de chips PROM nuevos y programarlos con el contenido deseado según la conveniencia de sus diseñadores.
La llegada del transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), inventado en los laboratorios Bell en 1959, [5] permitió el uso práctico de transistores semiconductores de óxido metálico (MOS) como elementos de almacenamiento de celdas de memoria en memorias semiconductoras . una función que anteriormente cumplían los núcleos magnéticos en la memoria de la computadora . [6] En 1967, Dawon Kahng y Simon Sze de Bell Labs propusieron que la puerta flotante de un dispositivo semiconductor MOS podría usarse para la celda de una ROM reprogramable, lo que llevó a Dov Frohman de Intel a inventar una memoria de solo lectura programable y borrable ( EPROM) en 1971. [7] La invención de la EPROM en 1971 resolvió esencialmente el problema 3, ya que la EPROM (a diferencia de la PROM) se puede restablecer repetidamente a su estado no programado mediante la exposición a una fuerte luz ultravioleta.
La memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM), desarrollada por Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Naga en el Laboratorio Electrotécnico en 1972, [8] contribuyó en gran medida a resolver el problema 4, ya que una EEPROM se puede programar en el lugar si el dispositivo contenedor proporciona un medio para recibir el contenido del programa desde una fuente externa (por ejemplo, una computadora personal a través de un cable serie ). La memoria flash , inventada por Fujio Masuoka en Toshiba a principios de los años 1980 y comercializada a finales de los años 1980, es una forma de EEPROM que hace un uso muy eficiente del área del chip y puede borrarse y reprogramarse miles de veces sin sufrir daños. Permite borrar y programar solo una parte específica del dispositivo, en lugar de todo el dispositivo. Esto se puede hacer a alta velocidad, de ahí el nombre "flash". [9] [10]
Todas estas tecnologías mejoraron la flexibilidad de la ROM, pero a un costo por chip significativo, de modo que en grandes cantidades la ROM enmascarada seguiría siendo una opción económica durante muchos años. (La disminución del costo de los dispositivos reprogramables casi había eliminado el mercado de ROM enmascarada para el año 2000). Las tecnologías regrabables se imaginaron como reemplazos para la ROM enmascarada.
El desarrollo más reciente es la memoria flash NAND , también inventada en Toshiba. Sus diseñadores rompieron explícitamente con la práctica anterior, afirmando claramente que "el objetivo de la memoria flash NAND es reemplazar los discos duros ", [11] en lugar del uso tradicional de ROM como una forma de almacenamiento primario no volátil . A partir de 2021 [update], NAND ha logrado casi por completo este objetivo al ofrecer un rendimiento superior al de los discos duros, menor latencia, mayor tolerancia a los golpes físicos, miniaturización extrema (en forma de unidades flash USB y pequeñas tarjetas de memoria microSD , por ejemplo) y mucho más. menor consumo de energía.
Muchas computadoras con programas almacenados utilizan una forma de almacenamiento no volátil (es decir, almacenamiento que retiene sus datos cuando se corta la energía) para almacenar el programa inicial que se ejecuta cuando la computadora se enciende o comienza su ejecución (un proceso conocido [ b ] como bootstrapping , a menudo abreviado como " booting " o "booting up"). Del mismo modo, toda computadora no trivial necesita algún tipo de memoria mutable para registrar los cambios en su estado mientras se ejecuta.
Se emplearon formas de memoria de sólo lectura como almacenamiento no volátil para programas en la mayoría de las primeras computadoras con programas almacenados, como ENIAC después de 1948 . (Hasta entonces no era una computadora con programas almacenados, ya que cada programa tenía que conectarse manualmente a la máquina, lo que podía llevar días o semanas). La memoria de solo lectura era más sencilla de implementar ya que solo necesitaba un mecanismo para leer los valores almacenados. y no cambiarlos in situ, por lo que podría implementarse con dispositivos electromecánicos muy toscos (ver ejemplos históricos a continuación). Con la llegada de los circuitos integrados en la década de 1960, tanto la ROM como su contraparte mutable RAM estática se implementaron como conjuntos de transistores en chips de silicio; sin embargo, una celda de memoria ROM podría implementarse usando menos transistores que una celda de memoria SRAM, ya que esta última necesita un pestillo (que comprende de 5 a 20 transistores) para retener su contenido, mientras que una celda de ROM podría consistir en la ausencia (0 lógico) o Presencia (1 lógico) de un transistor que conecta una línea de bits a una línea de palabras. [12] 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 BÁSICO o un sistema operativo en ROM, ya que otras formas de almacenamiento no volátil, como las unidades de disco magnético, eran demasiado costosas. Por ejemplo, el Commodore 64 incluía 64 KB de RAM y 20 KB de ROM que contenían un intérprete BÁSICO y el sistema operativo KERNAL . Las computadoras domésticas o de oficina posteriores, como la IBM PC XT , a menudo incluían unidades de disco magnético y mayores cantidades de RAM, lo que les permitía cargar sus sistemas operativos desde el disco a la RAM, con sólo un mínimo núcleo de inicialización de hardware y un gestor de arranque en la ROM (conocido como BIOS en computadoras compatibles con IBM ). Esta disposición permitió un sistema operativo más complejo y fácilmente actualizable.
En las PC modernas, la "ROM" se utiliza para almacenar el firmware de arranque básico para el procesador, así como los diversos firmware necesarios para controlar internamente dispositivos autónomos como tarjetas gráficas , unidades de disco duro , unidades de estado sólido , unidades de disco óptico . Pantallas TFT , etc., en el sistema. Hoy en día, muchas de estas memorias de "sólo lectura", especialmente BIOS / UEFI , a menudo se reemplazan con EEPROM o memoria Flash (ver más abajo), para permitir la reprogramación en el lugar en caso de que surja la necesidad de una actualización del 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 (programable una sola vez).
La ROM y las tecnologías sucesoras, como la flash, prevalecen en los sistemas integrados . Se encuentran en todo, desde robots industriales hasta electrodomésticos y electrónica de consumo ( reproductores MP3 , decodificadores , etc.), todos los cuales están diseñados para funciones específicas, pero se basan en microprocesadores de uso general . Dado que el software suele estar estrechamente acoplado al hardware, rara vez se necesitan cambios de programa en dichos dispositivos (que normalmente carecen de discos duros por razones de costo, tamaño o consumo de energía). A partir de 2008, la mayoría de los productos utilizan Flash en lugar de ROM enmascarada, y muchos proporcionan algunos medios para conectarse a una PC para actualizaciones de firmware ; por ejemplo, es posible que se actualice un reproductor de audio digital para que admita un nuevo formato de archivo . Algunos aficionados han aprovechado esta flexibilidad para reprogramar productos de consumo para nuevos fines; por ejemplo, los proyectos iPodLinux y OpenWrt han permitido a los usuarios ejecutar distribuciones de Linux con todas las funciones en sus reproductores MP3 y enrutadores inalámbricos, respectivamente.
La ROM también es útil para el almacenamiento binario de datos criptográficos , ya que dificulta su reemplazo, lo que puede ser deseable para mejorar la seguridad de la información .
Dado que la ROM (al menos en forma de máscara cableada) no se puede modificar, solo es adecuada para almacenar datos que no se espera que necesiten modificaciones durante la vida útil del dispositivo. Con ese fin, la ROM se ha utilizado en muchas computadoras para almacenar tablas de consulta para la evaluación de funciones matemáticas y lógicas (por ejemplo, una unidad de punto flotante podría tabular la función seno para facilitar un 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 fuentes en mapas de bits en ROM. Por lo general, esto significaba que la fuente de visualización del 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, NAND Flash ha asumido un nuevo papel como medio de almacenamiento masivo o almacenamiento secundario de archivos.
Mask ROM es una memoria de solo lectura cuyo contenido es programado por el fabricante del circuito integrado (y no por el usuario). El contenido de la memoria deseado lo proporciona el cliente al fabricante del dispositivo. Los datos deseados se convierten en una fotomáscara /capa de máscara personalizada para la metalización final de las interconexiones en el chip de memoria (de ahí el nombre).
La ROM de máscara se puede crear de varias maneras, todas las cuales tienen como objetivo cambiar la respuesta eléctrica de un transistor cuando se aborda en una red, como por ejemplo:
Los transistores ROM de máscara se pueden organizar en configuraciones NOR o NAND y pueden lograr uno de los tamaños de celda más pequeños posibles, ya que cada bit está representado por un solo transistor. NAND ofrece una mayor densidad de almacenamiento que NOR. Las configuraciones OR también son posibles, pero en comparación con NOR solo conecta transistores a V cc en lugar de V ss . [13] Las ROM de máscara solían ser las más económicas y son los dispositivos de memoria semiconductora más simples, con solo una capa de metal y una capa de polisilicio, lo que las convierte en el tipo de memoria semiconductor con mayor rendimiento de fabricación [2] (el mayor número de dispositivos de trabajo por ciclo de fabricación).
Es una práctica común utilizar memoria no volátil regrabable , como UV- EPROM o EEPROM , para la fase de desarrollo de un proyecto y cambiar a ROM enmascarada cuando el código se haya finalizado. Por ejemplo, los microcontroladores Atmel vienen en formatos EEPROM y ROM de máscara.
La principal ventaja de la ROM de máscara es su coste. Por bit, la ROM de máscara era más compacta que cualquier otro tipo de memoria semiconductora . Dado que el coste de un circuito integrado depende en gran medida de su tamaño, la ROM de máscara es significativamente más barata que cualquier otro tipo de memoria semiconductora.
Sin embargo, el costo único del enmascaramiento es alto y hay un largo tiempo de respuesta desde la fase de diseño hasta la del producto. Los errores de diseño son costosos: si se encuentra un error en los datos o el código, la ROM de la máscara es inútil y debe reemplazarse para poder cambiar el código o los datos. [14]
En 2003 [update], cuatro empresas producían la mayoría de estos chips ROM de máscara: Samsung Electronics , NEC Corporation , Oki Electric Industry y Macronix . [15] [ necesita actualización ]
Algunos circuitos integrados contienen sólo ROM de máscara. Otros circuitos integrados contienen ROM de máscara, así como una variedad de otros dispositivos. En particular, muchos microprocesadores tienen ROM de máscara para almacenar su microcódigo . Algunos microcontroladores tienen ROM de máscara para almacenar el gestor de arranque o todo su firmware .
Los chips ROM clásicos programados con máscara son circuitos integrados que codifican físicamente los datos que se almacenarán y, por lo tanto, es imposible cambiar su contenido después de la fabricación.
También es posible escribir el contenido de una ROM láser usando un láser para alterar las propiedades eléctricas de solo algunos diodos en la ROM, o usando un láser para cortar solo algunos enlaces de polisilicio, en lugar de usar una máscara. [16] [17] [13]
Al aplicar protección contra escritura , algunos tipos de ROM reprogramables pueden convertirse temporalmente en memoria de solo lectura.
Existen otros tipos de memoria no volátil que no se basan en tecnología IC de estado sólido, que incluyen:
Aunque la velocidad relativa de la RAM frente a la ROM ha variado con el tiempo, a partir de 2007 [update]los chips de RAM grandes se pueden leer más rápido que la mayoría de las ROM. Por esta razón (y para permitir un acceso uniforme), el contenido de la ROM a veces se copia a la RAM o se oculta antes de su primer uso y posteriormente se lee desde la RAM.
Para aquellos tipos de ROM que pueden modificarse eléctricamente, la velocidad de escritura ha sido tradicionalmente mucho más lenta que la velocidad de lectura, y puede necesitar un voltaje inusualmente alto, el movimiento de puentes para aplicar señales de habilitación de escritura y códigos de comando especiales de bloqueo/desbloqueo. La NAND Flash moderna se puede utilizar para lograr las velocidades de escritura más altas de cualquier tecnología ROM regrabable, con velocidades de hasta 10 GB / s en un SSD. Esto ha sido posible gracias al aumento de la inversión en unidades de estado sólido y productos de memoria flash, tanto para consumidores como para empresas, para dispositivos móviles de gama alta. A nivel técnico, los avances se han logrado aumentando el paralelismo tanto en el diseño del controlador como en el almacenamiento, el uso de grandes cachés de lectura/escritura DRAM y la implementación de celdas de memoria que pueden almacenar más de un bit (DLC, TLC y MLC). Este último enfoque es más propenso a fallas, pero esto se ha mitigado en gran medida mediante el aprovisionamiento excesivo (la inclusión de capacidad adicional en un producto que es visible sólo para el controlador de la unidad) y por algoritmos de lectura/escritura cada vez más sofisticados en el firmware de la unidad.
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Debido a que se escriben forzando electrones a través de una capa de aislamiento eléctrico hacia una puerta de transistor flotante , las ROM regrabables sólo pueden soportar un número limitado de ciclos de escritura y borrado antes de que el aislamiento se dañe permanentemente. En las primeras EPROM, esto podría ocurrir después de tan solo 1.000 ciclos de escritura, mientras que en las EEPROM Flash modernas la resistencia puede exceder 1.000.000. La resistencia limitada, así como el mayor costo por bit, significa que es poco probable que el almacenamiento basado en Flash sustituya por completo a las unidades de disco magnético en un futuro próximo. [ cita necesaria ]
El período de tiempo durante el cual una ROM permanece legible con precisión no está limitado por los ciclos de escritura. La retención de datos de EPROM, EAROM, EEPROM y Flash puede estar limitada en el tiempo por la fuga de carga de las puertas flotantes de los transistores de la celda de memoria. Las EEPROM de primera generación, a mediados de la década de 1980, generalmente citaban una retención de datos de 5 o 6 años. Una revisión de las EEPROM ofrecidas en el año 2020 muestra que los fabricantes citan una retención de datos de 100 años. Los entornos adversos reducirán el tiempo de retención (la fuga se acelera con las altas temperaturas o la radiación ). La ROM enmascarada y la PROM fusible/antifusible no sufren este efecto, ya que su retención de datos depende de la permanencia física más que eléctrica del circuito integrado, aunque el nuevo crecimiento de los fusibles alguna vez fue un problema en algunos sistemas. [20]
The contents of ROM chips can be extracted with special hardware devices and relevant controlling software. This practice is common for, as a main example, reading the contents of older video game console cartridges. Another example is making backups of firmware/OS ROMs from older computers or other devices - for archival purposes, as in many cases, the original chips are PROMs and thus at risk of exceeding their usable data lifetime.
The resultant memory dump files are known as ROM images or abbreviated ROMs, and can be used to produce duplicate ROMs - for example to produce new cartridges or as digital files for playing in console emulators. The term ROM image originated when most console games were distributed on cartridges containing ROM chips, but achieved such widespread usage that it is still applied to images of newer games distributed on CD-ROMs or other optical media.
ROM images of commercial games, firmware, etc. usually contain copyrighted software. The unauthorized copying and distribution of copyrighted software is a violation of copyright laws in many jurisdictions, although duplication for backup purposes may be considered fair use depending on location. In any case, there is a thriving community engaged in the distribution and trading of such software for preservation/sharing purposes.
