Speichertechnologien wie EPROM und EEPROM sind in der Evolution digitaler Systeme gefragt. Bei beiden handelt es sich um nichtflüchtige Speichertypen, die so konzipiert sind, dass Informationen auch dann beibehalten werden, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, aber sie unterscheiden sich erheblich in der Art und Weise, wie sie Daten speichern, löschen und aktualisieren. Das Verständnis dieser Unterschiede ist für jeden erforderlich, der mit eingebetteten Systemen arbeitet. In diesem Artikel wird erläutert, wie EPROM und EEPROM funktionieren, ihre Funktionen verglichen und ihre Vorteile, Grenzen und Anwendungen untersucht.
Was ist EEPROM?
EEPROM steht für Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory. Es handelt sich um eine Art nichtflüchtigen Speicher, d. h. er behält gespeicherte Informationen auch dann bei, wenn das Gerät ausgeschaltet ist.
Der Hauptvorteil von EEPROM ist seine Fähigkeit, elektrisch umprogrammiert zu werden. Daten können mit kontrollierten Spannungssignalen direkt auf der Leiterplatte gelöscht und neu geschrieben werden, so dass der Chip nicht physisch entfernt werden muss. Im Gegensatz zu früheren ROM-Typen, die eine vollständige Löschung erforderten, unterstützt EEPROM die Löschung auf Byte-Ebene, sodass bestimmte Bytes aktualisiert werden können, ohne den Rest des Speichers zu stören.
Dadurch eignet sich EEPROM hervorragend für die Speicherung kleiner, aber wichtiger Daten wie Konfigurationseinstellungen, Kalibrierungswerte oder Firmware-Parameter, die während des Lebenszyklus eines Systems möglicherweise mehrmals geändert werden müssen.
Was ist EPROM?
EPROM steht für Erasable Programmable Read-Only Memory. Wie EEPROM handelt es sich um einen nichtflüchtigen Speicher, was bedeutet, dass die gespeicherten Daten auch bei ausgeschaltetem Strom intakt bleiben. Es verwendet jedoch eine andere Löschmethode als bei elektrisch löschbaren Typen.
Ein EPROM-Chip ist mit einem Quarzglasfenster ausgestattet, das das Silizium im Inneren freilegt. Bei Einwirkung von ultraviolettem (UV) Licht wird die in den Speicherzellen gespeicherte Ladung entladen, wodurch die Daten effektiv gelöscht werden. Dieser Vorgang dauert in der Regel 15–20 Minuten UV-Exposition. Um Daten zu aktualisieren oder neu zu schreiben, muss der Chip zunächst aus der Schaltung entfernt, unter UV-Licht gelöscht und dann in eine speziell programmierte Anlage mit relativ hohen Programmierspannungen (12–24 V) gesteckt werden. Nach dem Löschen kehren alle Speicherzellen in ihren ursprünglichen Zustand zurück, und neue Daten können geschrieben werden.
EPROM vs. EEPROM: Vergleich der Eigenschaften
| Aspekt | EPROM | EEPROM |
|---|---|---|
| Löschmethode | UV-Licht durch Quarzfenster | Elektrische Spannungsimpulse |
| Neuprogrammierung | Demontage + externer Programmierer erforderlich | In-Circuit, kein Ausbau erforderlich |
| Granularität | Gesamter Chip auf einmal gelöscht | Löschen auf Byte-Ebene möglich |
| Vorratsdatenspeicherung | 10–20 Jahre | 10+ Jahre |
| Benutzerfreundlichkeit | Langsame, externe Hardware erforderlich | Schneller, einfacher, ohne zusätzliches Gerät |
Interne Struktur und Funktionsweise von EPROM & EEPROM
Sowohl EPROM als auch EEPROM basieren auf MOSFET-Transistoren mit floating-gate, die ein isoliertes Gate verwenden, um Elektronen einzufangen oder freizusetzen. Das Vorhandensein oder Fehlen von gespeicherter Ladung bestimmt, ob eine Speicherzelle eine logische "0" oder "1" darstellt.
• EPROM: Die Programmierung wird durch Anlegen einer hohen Spannung erreicht, die Elektronen durch Hot-Carrier-Injektion in das Floating-Gate drückt. Einmal gefangen, verbleiben diese Elektronen jahrelang, wodurch die Daten nicht flüchtig sind. Um den Speicher zu löschen, wird der Chip ultraviolettem (UV) Licht ausgesetzt, das die Energie liefert, die benötigt wird, um die eingeschlossenen Elektronen durch das Quarzfenster freizusetzen. Dadurch werden alle Zellen gleichzeitig zurückgesetzt.
• EEPROM: Anstelle von UV-Licht setzt EEPROM auf Fowler-Nordheim-Tunneling, einen Quantentunneleffekt, der es Elektronen ermöglicht, sich unter kontrollierten elektrischen Feldern in das Floating-Gate hinein oder aus ihm heraus zu bewegen. Dieser Mechanismus unterstützt das elektrische Löschen direkt auf der Leiterplatte und ermöglicht selektive Aktualisierungen auf Byte-Ebene und eine schnellere Neuprogrammierung, ohne den Chip physisch zu entfernen.
Vor- und Nachteile von EEPROM und EPROM
| Ausrichtung | EEPROM | EPROM |
|---|---|---|
| Vorteile | • Unterstützt In-Circuit-Programmierung (kein Entfernen erforderlich) • Löschen auf Byte-Ebene für selektive Updates • Erhältlich in serieller (I²C, SPI) und paralleler Version • Hohe Lebensdauer (\~1 Million Schreib-/Löschzyklen) • Zuverlässige Datenspeicherung (10–20 Jahre) | •Nichtflüchtig mit langer Datenspeicherung (10–20 Jahre) • Wiederverwendbar, im Gegensatz zu einmaligen PROMs • Kostengünstig in der Blütezeit • Geeignet für frühes Prototyping und Entwicklung |
| Nachteile | •Teurer als EPROM • Eingeschränkte Lebensdauer im Vergleich zu modernem Flash• Schreibvorgänge langsamer als Lesevorgänge • In der Regel geringere Kapazität als Flash | •Nur Full-Chip-Löschung (keine selektive Bearbeitung) • Erfordert UV-Licht und Quarzfenster zum Löschen • Langsame Löschzeit (15–20 Minuten) • Erfordert externes Hochspannungsprogrammiergerät • Anfällig für versehentliche UV-Belichtung |
Anwendungen von EPROM und EEPROM in der Elektronik
EPROM
• Firmware-Speicherung in frühen Mikrocontrollern: Bietet eine zuverlässige Möglichkeit zum Speichern von Embedded-Code, bevor EEPROM und Flash zum Standard wurden.
• Programmspeicher in PCs und Taschenrechnern: Wird häufig zum Speichern von Systemsoftware und Logikprogrammen verwendet.
• Digitale Instrumente: Zu finden in Oszilloskopen, Testgeräten und Messgeräten, die eine stabile Programmspeicherung erfordern.
• Prototyping- und Schulungskits: Beliebt in Bildungs- und Entwicklungsumgebungen, da Daten zu Testzwecken mehrmals gelöscht und neu geschrieben werden können.
EEPROM
• BIOS/UEFI-Speicher in Computern: Enthält wichtige Anweisungen zum Systemstart und kann ohne Austausch der Hardware aktualisiert werden.
• Sensorkalibrierungsdaten: Werden in Automobil- und Industriesystemen verwendet, um fein abgestimmte Kalibrierungswerte zu speichern, die gelegentlich aktualisiert werden müssen.
• Telekommunikationsgeräte: Ermöglicht die Neukonfiguration von Modems, Routern und Basisstationen vor Ort, ohne dass der Chip ausgetauscht werden muss.
• Smartcards und RFID-Tags: Bietet sicheren, nichtflüchtigen Speicher für Authentifizierung, Identitätsmanagement und Transaktionsdaten.
Medizinische Geräte: Speichert patientenspezifische Parameter und Konfigurationsdaten in Instrumenten wie Glukosemonitoren oder Herzschrittmachern.
PROM vs. EPROM vs. EEPROM
| Merkmal | PROM | EPROM | EEPROM |
|---|---|---|---|
| Programmierung | Einmalig: Die Daten werden bei der Erstprogrammierung dauerhaft geschrieben. | Wiederbeschreibbar mit UV-Licht: Erfordert Entfernen und Neuprogrammieren mit Hochspannung. | Elektrisch wiederbeschreibbar: Unterstützt die Umprogrammierung direkt auf der Leiterplatte. |
| Löschung | Nicht möglich: Einmal geschriebene Daten können nicht mehr geändert oder entfernt werden. | Chipweite Löschung: Der gesamte Speicher muss unter UV-Belichtung durch ein Quarzfenster gelöscht werden. | Selektives Löschen: Kann je nach Bedarf auf Byte-Ebene oder auf dem gesamten Chip gelöscht werden. |
| Wiederverwendbarkeit | Nein: Kann nach der Programmierung nicht wiederverwendet werden. | Ja: Mehrfach gelöscht und neu geschrieben (aber eingeschränkt). | Ja: Hohe Flexibilität mit häufigen Updates. |
| Ausdauer | 1 Zyklus (einmal schreiben). | Etwa 100–1.000 Zyklen, bevor das Gerät verschleißt. | Etwa 1.000.000 Zyklen, viel mehr als EPROM. |
| In-Circuit-Einsatz | Nein: Muss vor der Installation programmiert werden. | Nein: Muss für UV-Löschung und Neuprogrammierung entfernt werden. | Ja: Unterstützt In-Circuit-Updates und ist damit ideal für moderne Systeme. |
| Kosten | Niedrig: Sehr günstig pro Bit. | Mittel: Teurer als PROM, aber in seiner Ära erschwinglich. | Höher pro Bit: Teurer als PROM/EPROM, bietet aber eine überlegene Flexibilität. |
EPROM vs. EEPROM vs. Flash-Speicher
| Merkmal | EPROM | EEPROM | Flash-Speicher |
|---|---|---|---|
| Löschmethode | UV-Licht durch Quarzfenster | Elektrisch, Byte-Ebene | Elektrisch, Block-/Seitenebene |
| Programmierung | Erfordert Ausbau + Hochspannungsprogrammierer | In-Circuit, elektrische Neuprogrammierung | In-Circuit, elektrische Neuprogrammierung |
| Wiederverwendbarkeit | Ja, aber langsam und unbequem | Ja, häufige Updates möglich | Ja, optimiert für groß angelegte Umschreibungen |
| Ausdauer | \~100–1.000 Zyklen | \~1.000.000 Zyklen | \~10.000–100.000 Zyklen (abhängig vom Typ) |
| Geschwindigkeit | Sehr langsam (UV-Löschung: 15–20 min) | Moderat (langsamere Schreibvorgänge als Lesevorgänge) | Schnell (Blockoperationen, höherer Durchsatz) |
| Kapazität | Klein (Bereich KB–MB) | Klein bis mittel (KB-MB-Bereich) | Sehr hoch (MB–TB-Bereich) |
| Kosten pro Bit | Moderat (historisch) | Höher | Niedrig (Massenspeicherstandard) |
| Typische Verwendung | Legacy-Systeme, Prototyping, Bildung | BIOS, Kalibrierungsdaten, sichere Geräte | USB-Laufwerke, SSDs, SD-Karten, Smartphones, Mikrocontroller |
Schlussfolgerung
EPROM und EEPROM waren Meilensteine in der Speichertechnologie und dienten jeweils als Brücke zu fortschrittlicheren Speicherlösungen wie Flash. EPROM bot zu seiner Zeit eine praktische Möglichkeit, Geräte neu zu programmieren, während EEPROM eine größere Flexibilität mit In-Circuit- und selektiven Updates einführte. Auch heute noch ist EEPROM für die Speicherung kleiner, aber kritischer Daten relevant, während Flash den großen Speicherbedarf dominiert. Durch den Vergleich dieser Speichertypen erhalten Sie ein klares Bild davon, wie sich die Technologie weiterentwickelt hat und warum das EEPROM immer noch seinen Platz in der modernen Elektronik findet.
Häufig gestellte Fragen [FAQ]
Warum ist EEPROM besser als EPROM?
EEPROM ist besser, weil es eine elektrische Neuprogrammierung in der Schaltung ermöglicht, das Löschen auf Byte-Ebene unterstützt und die Notwendigkeit von UV-Licht oder Chipentfernung überflüssig macht. Damit ist es flexibler und komfortabler als EPROM.
Ist Flash-Speicher dasselbe wie EEPROM?
Nein. Der Flash-Speicher basiert auf der EEPROM-Technologie, ist aber für eine hohe Dichte und das Löschen auf Block-/Seitenebene optimiert. EEPROM ermöglicht das Löschen auf Byte-Ebene, während Flash schneller und billiger pro Bit ist, was es ideal für die Massenspeicherung macht.
Wie lange können EEPROM und EPROM Daten speichern?
Beide können Daten in der Regel 10–20 Jahre lang speichern, obwohl die Lebensdauer von EPROM auf ~100–1.000 Zyklen begrenzt ist, während EEPROM bis zu ~1.000.000 Zyklen halten kann.
Warum braucht EPROM ein Quarzfenster?
Das Quarzfenster lässt UV-Licht in den Chip eindringen, um gespeicherte Ladungen aus dem Floating Gate zu löschen. Ohne dieses transparente Fenster wäre eine Löschung nicht möglich.
Wo wird EEPROM heute noch eingesetzt?
EEPROM wird häufig in BIOS/UEFI-Firmware, Sensorkalibrierung, RFID-Tags, Smartcards, medizinischen Geräten und Industrieanlagen verwendet, bei denen selektive Updates erforderlich sind.