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【计算机组成原理】ROM分类详解｜掩膜ROM、PROM、EPROM、E²PROM、NOR/NAND闪存

前言

在存储器体系里，RAM是易失性存储器，断电数据丢失；而ROM属于非易失性存储器，断电之后数据可以长久保存。很多同学容易混淆各类ROM的特点、擦写方式、使用场景，这是计组第三章存储系统高频考点。
本文完全对照课本内容，梳理ROM的分类、原理、特性、NOR闪存与NAND闪存对比，附带考点总结。

一、只读存储器ROM概述

半导体只读存储器（ROM）最大特点：非易失性，断电数据不丢失。
用途：存放固件、引导加载程序、系统启动程序，还有长期不变的参数。

“只读”是早期的说法，现代ROM大多可以在线更新，但是更新操作和RAM写操作完全不一样：
RAM写操作速度快；ROM擦写时间很长，擦写次数有限，不能像内存一样频繁写入。
ROM更新本质不是简单“写”，而是擦除+编程两步。

ROM大类划分

1. 掩膜ROM（Mask ROM）
2. PROM（一次性可编程ROM，OTP-ROM）
3. EPROM（紫外线擦除PROM，UV-EPROM）
4. E2PROM（电可擦除PROM，EEPROM）
5. Flash闪存（NOR Flash、NAND Flash）

二、各类ROM详细介绍

1. 掩膜ROM

出厂时，厂家根据用户提供的代码，在生产芯片的时候直接把信息固化到芯片内部。
✅ 特点：

• 一旦生产完成，内容无法修改
• 成本低，适合大批量生产、程序固定不变的场景
  ❌ 缺点：不能后期修改内容
  适用：大批量、功能固定的设备固件。

2. PROM（OTP-ROM，一次性可编程ROM）

OTP = One Time Programmable，只能烧写一次。
出厂的时候芯片内部是空的，用户可以用编程器写入一次程序；写入完成之后，再也不能修改。
适合小批量试制，程序确定之后不需要改动。

3. EPROM（UV-EPROM，紫外线擦除ROM）

可以多次编程。
芯片上方有石英窗口，用紫外线照射窗口几分钟到十几分钟，整片内容全部擦除，之后再重新编程写入。
✅ 特点：可以反复擦写编程
❌ 缺点：擦除麻烦，需要拆芯片、紫外线照射，不能在线擦除。

4. E2PROM（EEPROM，电可擦除PROM）

用电信号擦除，不需要紫外线、不需要拆芯片，可以在线擦写。
✅ 特点：

• 可以单字节擦除、单字节写入，粒度很小
• 擦写次数大概100万次左右
• 接口简单，很多单片机自带E2PROM
  ❌ 缺点：容量一般不大
  用途：保存配置参数、密码、校准信息。现在很多被串行E2PROM（SEEPROM）替代，支持IIC、SPI等串行总线。

5. Flash 闪存（重点！考试必考）

闪存同样属于可在线擦除、非易失性ROM。
擦除速度远快于EPROM、E2PROM，但是闪存擦除有一个硬性规则：擦除是以块/扇区为单位，不能单字节擦除。
闪存分为两大主流：NOR闪存、NAND闪存。

5.1 NOR闪存（线性闪存）

最早由Intel、AMD推出。
✅ 核心特点：

• 随机访问，和SRAM一样，可以直接在上面运行代码（片上执行XIP）
• 读速度快，独立数据线、地址线，接口和SRAM接近
• 擦除、编程速度偏慢，区块尺寸大
  ✅ 适用场景：存放启动程序、BIOS、监控程序，单片机启动固件。

课本例子S29AL016J就是典型NOR Flash，支持命令序列、区块擦除、整片擦除，还有RY/BY#引脚判断芯片是否空闲，支持data polling轮询判断编程/擦除是否完成。

5.2 NAND闪存（非线性闪存）

最早由三星、东芝推出。
✅ 核心特点：

• 不能随机访问，不能直接运行程序
• 按页读取，按块擦除
• 存储密度极高、成本很低、容量很大
• 数据线、地址线复用同一组总线
  ✅ 适用场景：大容量存储，U盘、固态硬盘SSD、存储卡、手机存储。

NAND的可擦除次数一般高于NOR，适合大量数据存储。

三、NOR Flash 工作补充（课本S29AL016J例子）

S29AL016J是16Mbit的NOR闪存，两种工作模式：字模式（1M×16bit）、字节模式（2M×8bit）。
关键引脚：

• A19~A0：地址线
• DQ15~DQ0：数据线
• CE#：片选
• OE#：输出允许
• WE#：写使能
• RESET#：复位
• BYTE#：字节/字模式选择
• WP#：写保护
• RY/BY#：就绪/忙信号，用来判断芯片是否完成擦写操作

重要操作规则：

1. 上电复位后默认只读模式，读操作和普通ROM一致
2. 擦除、编程不能直接写，必须发送命令序列（比如芯片擦除、区块擦除、编程都有固定命令字）
3. 擦写不是立刻完成，CPU需要查询状态：
   • 方式1：读取RY/BY#引脚电平
   • 方式2：Data Polling（轮询DQ7），循环读取DQ7判断操作是否结束
4. 编程之前必须先擦除，闪存只能把1写成0，擦除才可以把0恢复成1

四、各类存储器对比表

五、高频考点总结（背诵版）

1. ROM共性：非易失性，断电数据保留；RAM是易失性，断电丢失。
2. 掩膜ROM：出厂固化，不可修改；PROM一次性烧写；UV-EPROM紫外线整片擦除；E2PROM电擦除、按字节擦写。
3. Flash闪存：属于ROM，非易失；擦除按块（扇区），不能单字节擦除。
4. NOR Flash：可以随机读、直接执行代码（XIP），适合存启动固件；NAND Flash：密度高、容量大，不能直接运行代码，适合U盘、SSD。
5. Flash更新流程：发送命令 → 擦除区块 → 编程写入；编程前必须擦除。
6. 区分：E2PROM可以字节擦写；Flash最小擦除单元是扇区/块。
7. Flash速度：读快，擦写慢；速度远低于SRAM、DRAM，所以不能替代内存RAM。

六、小结

ROM家族从早期不可修改的掩膜ROM，发展到一次性PROM、紫外线擦除EPROM、电擦除E2PROM，再到现在广泛使用的Flash闪存。
NOR闪存主打直接运行程序，用来做启动固件；NAND闪存主打大容量低成本，做数据存储。
闪存虽然可以在线编程，但是擦写机制和RAM完全不同，写入速度慢、擦写次数有限，属于ROM，不能替代主存DRAM。