Память линии задержки - Delay line memory

Память компьютера типы
Общее
Летучий
баран
Исторический
Энергонезависимая
ПЗУ
NVRAM
Ранняя стадия NVRAM
Магнитный
Оптический
В развитии
Исторический

Память линии задержки это форма память компьютера, теперь устаревший, который использовался на некоторых из самых ранних цифровой компьютеры. Как и многие современные формы памяти электронного компьютера, память линии задержки была обновляемая память, но в отличие от современных оперативная память, память линии задержки была последовательный доступ.

Аналоговая линия задержки технология использовалась с 1920-х годов для задержки распространения аналоговых сигналов. Когда линия задержки используется как запоминающее устройство, усилитель мощности и формирователь импульсов подключены между выходом линии задержки и входом. Эти устройства рециркулируют сигналы с выхода обратно во вход, создавая петлю, которая поддерживает сигнал, пока подается питание. Формирователь гарантирует, что импульсы остаются правильно сформированными, устраняя любую деградацию из-за потерь в среде.

Емкость памяти определяется путем деления времени, необходимого для передачи одного бита, на время, необходимое для передачи данных через линию задержки. Ранние системы памяти линии задержки имели емкость в несколько тысяч биты, время рециркуляции измеряется в микросекунды. Чтобы прочитать или записать конкретный бит, хранящийся в такой памяти, необходимо дождаться, пока этот бит перейдет через линию задержки в электронику. Задержка чтения или записи любого конкретного бита не превышает времени рециркуляции.

Использование линии задержки для памяти компьютера было изобретено Дж. Преспер Эккерт в середине 1940-х годов для использования в таких компьютерах, как EDVAC и UNIVAC I. Эккерт и Джон Мочли подал заявку на патент на систему памяти линии задержки 31 октября 1947 года; патент был выдан в 1953 г.[1] В этом патенте основное внимание уделялось ртутным линиям задержки, но также обсуждались линии задержки, сделанные из гирлянды катушек индуктивности и конденсаторов, магнитострикционные линии задержки и линии задержки, построенные с использованием вращающиеся диски для передачи данных в считывающую головку в одной точке по окружности от записывающей головки в другом месте по окружности.

Генезис в радаре

Основная концепция линии задержки возникла во время Второй мировой войны. радар исследования, как система сокращения беспорядок от отражений от земли и других «неподвижных» объектов.

Радиолокационная система состоит в основном из антенны, передатчика, приемника и дисплей. Антенна подключена к передатчику, который перед повторным отключением излучает короткий импульс радиоэнергии. Затем антенна подключается к приемнику, который усиливает любые отраженные сигналы и отправляет их на дисплей. Объекты, находящиеся дальше от радара, отражаются позже, чем те, что находятся ближе к радару, что на дисплее визуально обозначается как «пятно», которое можно измерить по шкале.

Неподвижные объекты на фиксированном расстоянии от антенны всегда возвращают сигнал с такой же задержкой. Это будет отображаться как фиксированная точка на дисплее, что затрудняет обнаружение других целей в этом районе. Ранние радары просто направляли свои лучи от земли, чтобы избежать большей части этого "беспорядка". Это была не идеальная ситуация; это требовало тщательного прицеливания, что было трудно для небольших мобильных радаров, и не устраняло другие источники отражений, похожих на помехи, от таких объектов, как выступающие холмы, а в худшем случае позволяло низколетящим самолетам противника буквально летать «под радаром».

Чтобы отфильтровать статические объекты, сравнивались два импульса и удалялись возвратные сигналы с одинаковым временем задержки. Для этого сигнал, отправляемый от приемника на дисплей, был разделен на две части: один путь вел прямо к дисплею, а второй - к блоку задержки. Задержка была тщательно настроена так, чтобы быть кратной времени между импульсами, иличастота следования импульсов ". Это привело к тому, что задержанный сигнал от более раннего импульса покидал блок задержки в то же время, когда от антенны был получен сигнал от нового импульса. Один из сигналов был электрически инвертирован, обычно один из задержки, а два Затем сигналы были объединены и отправлены на дисплей.Любой сигнал, который был в том же месте, был аннулирован инвертированным сигналом от предыдущего импульса, оставляя на дисплее только движущиеся объекты.

Для этой цели было изобретено несколько различных типов систем задержки, с одним общим принципом, что информация хранилась. акустически в среде. Массачусетский технологический институт экспериментировал с рядом систем, включая стекло, кварц, сталь и свинец. Японцы развернули систему, состоящую из кварцевого элемента с порошковым стеклянным покрытием, уменьшающим поверхностные волны это мешало правильному приему. В Лаборатория военно-морских исследований США использовались стальные стержни, завернутые в спираль, но это было полезно только для низких частот ниже 1 МГц. Raytheon использовал магниевый сплав, первоначально разработанный для изготовления колоколов.[2]

Первая практическая система очистки от помех, основанная на этой концепции, была разработана Дж. Преспер Эккерт на Пенсильванский университет с Школа электротехники Мура. В его решении использовалась колонка Меркурий с пьезокристалл преобразователи (комбинация динамика и микрофона) с обоих концов. Сигналы от усилителя радара подавались на пьезоэлектрический датчик на одном конце трубки, что заставляло преобразователь пульсировать и генерировать небольшую волну в ртути. Волна быстро перемещалась к дальнему концу трубки, где она считывалась другим пьезоэлектрическим преобразователем, инвертировалась и отправлялась на дисплей. Требовалась тщательная механическая установка, чтобы гарантировать, что время задержки соответствует времени между импульсами используемого радара.

Все эти системы подходили для преобразования в компьютерную память. Ключевым моментом было переработать сигналы в системе памяти, чтобы они не исчезли после прохождения задержки. Это было относительно легко организовать с помощью простой электроники.

Акустические линии задержки

Меркурий память о UNIVAC I (1951)

Линии задержки ртути

После войны Эккерт обратил свое внимание на разработку компьютеров, которая в то время вызывала некоторый интерес. Одной из проблем практических разработок было отсутствие подходящего запоминающего устройства, и работа Эккерта над радиолокационными задержками дала ему большое преимущество перед другими исследователями в этом отношении.

Для компьютерного приложения время все еще было критичным, но по другой причине. Обычные компьютеры имеют естественное «время цикла», необходимое для завершения операции, начало и конец которого обычно состоят из чтения или записи памяти. Таким образом, линии задержки должны были быть синхронизированы таким образом, чтобы импульсы приходили на приемник, когда компьютер был готов их прочитать. Обычно многие импульсы будут «в полете» из-за задержки, и компьютер будет считать импульсы, сравнивая их с главными часами, чтобы найти конкретный бит, который он искал.

Схема линии задержки Меркурия, используемой в Компьютер SEAC

Меркурий был использован, потому что его акустический импеданс близок к кристаллам пьезоэлектрического кварца; это минимизировало потерю энергии и эхо, когда сигнал передавался от кристалла к среде и обратно. Высота скорость звука в ртути (1450 м / с) означало, что время, необходимое для ожидания прихода импульса на приемный конец, было меньше, чем это было бы с более медленной средой, такой как воздух (343,2 м / с), но это также означало что общее количество импульсов, которые можно сохранить в любом столбце ртути разумного размера, было ограничено. Другие технические недостатки ртути включают ее вес, стоимость и токсичность. Более того, чтобы акустические импедансы соответствовали как можно точнее, ртуть должна была поддерживаться при постоянной температуре. Система нагревала ртуть до однородной температуры выше комнатной, равной 40 ° C (104 ° F), что делало обслуживание трубок горячим и неудобным. (Алан Тьюринг предложил использовать Джин в качестве среды задержки ультразвука, утверждая, что она обладает необходимыми акустическими свойствами.[3])

Чтобы поддерживать «чистый» сигнал внутри трубки, потребовалось немало инженерных решений. Большие преобразователи использовались для создания очень плотного «луча» звука, который не касался бы стенок трубки, и нужно было позаботиться о том, чтобы исключить отражения от дальнего конца трубок. Затем плотность луча потребовала значительной настройки, чтобы убедиться, что два пьезоэлектрических элемента направлены прямо друг на друга. Поскольку скорость звука меняется с температурой, трубки нагревали в больших печах, чтобы поддерживать точную температуру. Другие системы[уточнить ] вместо этого отрегулировал тактовую частоту компьютера в соответствии с температурой окружающей среды для достижения того же эффекта.

EDSAC, вторая полная шкала сохраненная программа цифровой компьютер, начал работу с 256 35-битным слова памяти, хранящейся в 16 линиях задержки, каждая по 560 бит (слова в линии задержки состояли из 36 импульсов, один импульс использовался как пробел между последовательными числами).[4] Позднее память была расширена до 512 слов за счет добавления второго набора из 16 линий задержки. в UNIVAC I емкость отдельной линии задержки была меньше, в каждом столбце хранилось 120 биты (хотя термин «бит» в то время не был популярным), требуя семи больших блоков памяти с 18 столбцами в каждой для создания хранилища на 1000 слов. В сочетании с их схемой поддержки и усилители, подсистема памяти сформировала свой собственный комната. Среднее время доступа было около 222 микросекунды, который был значительно быстрее механических систем, используемых на более ранних компьютерах.

CSIRAC, завершенная в ноябре 1949 года, также использовала память линии задержки.

Некоторые устройства памяти с ртутной линией задержки издают слышимые звуки, которые были описаны как похожие на бормотание человеческого голоса. Это свойство породило жаргонный термин "бубенчик" для этих устройств.

Магнитострикционные линии задержки

Линия задержки торсионной проволоки

Использовалась более поздняя версия линии задержки металлические провода в качестве носителя информации. Преобразователи были построены с применением магнитострикционный эффект; небольшие кусочки магнитострикционного материала, обычно никель, были прикреплены к обеим сторонам конца провода внутри электромагнита. Когда биты из компьютера попадают в магниты, никель сжимается или расширяется (в зависимости от полярности) и скручивает конец провода. Результирующая крутильная волна будет двигаться по проводу так же, как звуковая волна по ртутному столбу. Провода были стальные.

В отличие от волны сжатия, используемой в более ранних устройствах, крутильный волны значительно более устойчивы к проблемам, вызванным механическими дефектами, настолько, что провода могут быть намотаны в свободную катушку и прикреплены к плате. Благодаря их способности быть намотанными, проводные системы могли быть построены настолько «длинными», насколько это необходимо, и имели тенденцию хранить значительно больше данных на единицу; 1к единицы были типичными на доске размером всего 1 фут квадрат. Конечно, это также означало, что время, необходимое для поиска определенного бита, было несколько больше, поскольку он проходил через провод, и время доступа порядка 500 микросекунд было типичным.

Сохранение линии задержки 100 микросекунд

Память линии задержки была намного дешевле и надежнее на бит, чем шлепки сделано из трубы, и все же намного быстрее, чем фиксирующее реле. Он использовался вплоть до конца 1960-х годов, особенно на коммерческих машинах, таких как ЛЕВ I, Телефонная станция Highgate Wood, разные Ферранти машины и IBM 2848 Управление дисплеем. Память линии задержки также использовалась для видеопамяти в ранних терминалах, где одна линия задержки обычно сохраняла 4 строки символов. (4 строки x 40 символов в строке x 6 бит на символ = 960 бит в одной линии задержки). Они также очень успешно использовались в нескольких моделях ранних настольных компьютеров. электронный калькулятор, в том числе Фриден ЕС-130 (1964 г.) и ЕС-132, Olivetti Programma 101 рабочий стол программируемый калькулятор представленный в 1965 году, и Litton Монро Эпик 2000 и 3000 программируемые калькуляторы 1967 г.

Пьезоэлектрические линии задержки

Ультразвуковой аналоговая линия задержки из PAL цветной телевизор; задерживает цветовой сигнал на 64 мкс
Производитель: VEB ELFEMA Mittweida (ГДР ) в 1980 г.

Аналогичное решение для магнитострикционной системы заключалось в использовании линий задержки, полностью сделанных из пьезоматериала, обычно кварца. Ток, подаваемый на один конец кристалла, будет генерировать волну сжатия, которая будет течь на другой конец, где ее можно будет прочитать. Фактически, пьезоэлектрические задержки просто заменили ртуть и преобразователи обычной ртутной линии задержки на один блок, сочетающий и то, и другое. Однако эти решения были довольно редкими; Вырастить кристаллы необходимого качества в больших размерах было непросто, что ограничивало их небольшими размерами и, следовательно, небольшими объемами хранения данных.

Лучше и шире использовались пьезоэлектрические задержки в европейских телевизорах. Европейский PAL Стандарт цветного вещания сравнивает сигнал от двух последовательных строк изображения, чтобы избежать сдвига цвета из-за небольших фазовых сдвигов. Путем сравнения двух линий, одна из которых инвертирована, смещение усредняется, и результирующий сигнал более точно соответствует исходному сигналу даже при наличии помех. Чтобы сравнить две линии, пьезоэлектрический блок задержки, который задерживает сигнал на время, равное длительности каждой строки, 64 мкс, вставляется в один из двух сравниваемых трактов сигнала.[5] Чтобы обеспечить требуемую задержку в кристалле подходящего размера, блок задержки имеет такую ​​форму, чтобы многократно отражать сигнал через кристалл, тем самым значительно уменьшая требуемый размер кристалла и, таким образом, создавая небольшое устройство кубической формы.

Электрические линии задержки

Электрическая линия задержки (450 нс), состоящая из эмалированного медного провода, намотанного на металлическую трубку.

Электрические линии задержки используются для более коротких времен задержки (нс до нескольких мкс). Они состоят из длинной электрической линии или состоят из дискретных катушек индуктивности и конденсаторов, расположенных в цепочку. Чтобы сократить общую длину линии, ее можно намотать на металлическую трубку, чтобы получить больше емкости относительно земли, а также большую индуктивность из-за обмоток проводов, которые расположены близко друг к другу.

Другие примеры:

Другой способ создать время задержки - это реализовать линию задержки в Интегральная схема устройство хранения. Это можно сделать в цифровом виде или с помощью дискретно-аналогового метода. Аналог использует ковшовые бригады или устройства с зарядовой связью (CCD), которые ступенчато переносят накопленный электрический заряд от одного конца к другому. И цифровой, и аналоговый методы имеют полосу пропускания, ограниченную на верхнем конце половиной тактовой частоты, которая определяет шаги транспортировки.

В современных компьютерах, работающих на гигагерцовых скоростях, миллиметровые различия в длине проводов в параллельной шине данных могут вызвать перекос битов данных, что может привести к повреждению данных или снижению производительности обработки. Это можно исправить, сделав все пути проводников одинаковой длины, задерживая время прибытия на более короткие расстояния за счет использования зигзагообразных трасс.

Кстати, способ немного увеличить время задержки состоит в том, чтобы обернуть обмотки лентой (в идеале - каптоном), а затем накрыть ее фольгой, подключив ее к земле через резистор, чтобы еще больше усилить эффект линии передачи. Такой подход также снижает помехи в соседних цепях.

Рекомендации

  1. ^ Патент США 2629827
  2. ^ J.P. Eckert, Jr., Обзор систем памяти цифровых компьютеров, Труды IRE, октябрь 1953 г.
  3. ^ Уилкс, Морис В. (январь 1968 г.). «Компьютеры тогда и сейчас». Журнал ACM. 15 (1): 1–7. Дои:10.1145/321439.321440.
  4. ^ Wilkes, M. V .; Ренвик, В. (июль 1948 г.). Лучшее качество, больший размер файла. «Ультразвуковой блок памяти» (PDF). Электронная инженерия. 20: 209–210.
  5. ^ Увидеть:
    • Бэкерс, Ф. Т. (1968) "Ультразвуковые линии задержки для системы цветного телевидения PAL", доктор философии. диссертация, Технический университет (Эйндховен, Нидерланды), стр. 7–8. Доступно в Интернете по адресу: Technische Universiteit (Эйндховен, Нидерланды)
    • Сторонники, F. Th. (1968) "Линия задержки для приемников цветного телевидения PAL", Технический обзор Philips, 29 : 243–251. Доступно в Интернете по адресу: Philips Corp.

внешняя ссылка