只读存储器与闪存
ROM和Flash是非易失性存储器，断电后数据不丢失，用于存储固件和长期数据
什么是只读存储器？
你关掉电脑再开机，发现操作系统还在、文件还在——但 RAM 是断电就丢数据的，那这些信息存在哪？
答案是 ROM（Read-Only Memory，只读存储器） 和 Flash（闪存）。它们的特点正好和 RAM 相反：
RAM 是”工作台”——速度快但断电清空；ROM 是”保险柜”——速度慢但断电后数据还在。
这种”断电不丢”的特性叫非易失性（Non-Volatile）。
ROM 的发展史
Mask ROM（掩膜 ROM）
最早的 ROM，在芯片制造时直接把数据”刻”进去。就像印刷好的书——内容固定，无法更改。
- ✅ 批量生产成本极低
- ❌ 无法修改，改一个 bit 就要重新做芯片
PROM（可编程 ROM）
用户可以用专用设备”烧写”一次，之后就只读了。像一张空白光盘——刻了一次就不能改。
EPROM（可擦除 PROM）
用紫外线照射芯片上的石英窗口，可以擦除数据重新编程。像可擦写的白板——用特殊”橡皮”擦掉重写。
EEPROM（电可擦除 PROM）
用电信号擦除和重写，不需要紫外线。可以按字节修改，但速度慢。
Flash 闪存
Flash 闪存 是 EEPROM 的进化版——它也是电可擦除的，但只能按”块”（Block）擦除，不能按字节。优点是速度快、容量大、成本低。
你的手机、U 盘、固态硬盘（SSD）用的都是 Flash。
浮栅晶体管
Flash 的核心是一个浮栅晶体管——在普通晶体管的控制栅和沟道之间多了一层”浮栅”：
graph TD
subgraph FGT[浮栅晶体管]
CG[控制栅 Control Gate]
FG[浮栅 Floating Gate<br>⚠ 电荷陷阱]
OX1[氧化层]
OX2[氧化层]
S[源极 Source]
D[漏极 Drain]
CH[沟道 Channel]
end
CG --> OX1
OX1 --> FG
FG --> OX2
OX2 --> CH
CH --> S
CH --> D
- 写入：在高电压下，电子穿过氧化层注入浮栅
- 读取：浮栅中有电荷 → 晶体管导通阈值改变 → 检测到”0”
- 擦除：用反向高电压把电子拉出浮栅
浮栅就像一个小桶——有电子表示”0”，没电子表示”1”。氧化层是完美的绝缘体，电子被关在桶里，断电也跑不掉。这就是非易失性的奥秘。
NAND vs NOR Flash
Flash 有两种主流架构：
| 特性 | NOR Flash | NAND Flash |
|---|---|---|
| 读取速度 | 快（随机访问） | 较慢（只能按页读） |
| 写入速度 | 慢 | 快 |
| 容量 | 小（~512MB） | 大（~1TB） |
| 成本 | 高 | 低 |
| 典型用途 | 代码存储（BIOS） | 数据存储（U盘、SSD） |
graph LR
subgraph NOR[NOR Flash 架构]
direction TB
NOR_C[存储单元并联]
NOR_S[像 NOR 门一样连接]
NOR_U[用途：存代码<br>快速随机读取]
end
subgraph NAND[NAND Flash 架构]
direction TB
NAND_C[存储单元串联]
NAND_S[像 NAND 门一样连接]
NAND_U[用途：存数据<br>高密度低成本]
end
存储层次中的 ROM
在计算机的完整存储层次中，ROM/Flash 位于底部：
寄存器 → L1缓存 → L2缓存 → RAM → SSD/Flash → 机械硬盘
├── 速度最快 ────────── 速度最慢 →
└── 容量最小 ────────── 容量最大 ─┘
↑ 易失性（断电丢） ↑ ↑ 非易失性（断电不丢） ↑
ROM 的典型用途：
- BIOS/UEFI：计算机开机时第一个执行的程序，存储在主板上的 Flash 中
- 固件（Firmware）：路由器、手机、嵌入式设备的操作系统
- SSD：你的固态硬盘，本质上是 NAND Flash + 控制器芯片
- U 盘：便携式 NAND Flash
小结
ROM 和 Flash 为计算机提供了”断电不丢”的存储能力。从 Mask ROM 到 Flash 的发展史，就是存储技术不断追求”更大容量、更低成本、更快速度”的历史。Flash 中的浮栅晶体管是真正的创新——用一个”陷阱”困住电子，实现了非易失性。
至此，我们已经学完了硬件方向的全部基础存储技术：寄存器 → RAM → ROM/Flash。接下来，我们将把这些部件组合起来，构建完整的 CPU。