صورة من مجموعة المؤلف
1. القصة
ذاكرة الفقاعة ، أو ذاكرة المجال المغناطيسي الأسطوانية ، هي ذاكرة غير متطايرة تم تطويرها في Bell Labs في عام 1967 بواسطة Andrew Bobeck. أظهرت الدراسات أن المجالات المغناطيسية الأسطوانية الصغيرة تتشكل في أغشية رقيقة أحادية البلورة من الفريت والعقيق عندما يتم توجيه مجال مغناطيسي قوي بشكل كافٍ بشكل عمودي على سطح الفيلم. عن طريق تغيير المجال المغناطيسي ، يمكن تحريك هذه الفقاعات. تجعل هذه الخصائص الفقاعات المغناطيسية مثالية لبناء تخزين بت تسلسلي ، مثل سجل التحول ، حيث يشير وجود أو عدم وجود فقاعة في موضع معين إلى صفر أو قيمة بت واحد. يبلغ قطر الفقاعة أعشار ميكرون ، ويمكن لشريحة واحدة تخزين آلاف البتات من البيانات. لذلك ، على سبيل المثال ، في ربيع عام 1977 ، قدمت شركة Texas Instruments لأول مرة شريحة بسعة 92304 بت إلى السوق. هذه الذاكرة غير متطايرة ، مما يجعلها تشبه الشريط المغناطيسي أو القرص ، ولكن نظرًا لكونها صلبة ولا تحتوي على أجزاء متحركة ، فهي أكثر موثوقية من الشريط أو القرص ، ولا تتطلب أي صيانة ، وهي أصغر حجمًا وأخف وزنًا. يمكن استخدامها في الأجهزة المحمولة.
في البداية ، اقترح مخترع ذاكرة الفقاعة ، أندرو بوبيك ، نسخة "أحادية البعد" من الذاكرة ، على شكل خيط يلتف حوله شريط رفيع من مادة مغناطيسية حديدية. سميت هذه الذاكرة بذاكرة "التويستور" ، وقد تم إنتاجها بكميات كبيرة ، ولكن سرعان ما حلت محلها النسخة "ثنائية الأبعاد".
يمكنك أن تقرأ عن تاريخ تكوين ذاكرة الفقاعة في [1-3].
2. مبدأ التشغيل
هنا أطلب منك أن تسامحني ، فأنا لست فيزيائيًا ، لذا سيكون العرض التقريبي تقريبيًا للغاية.
بعض المواد (مثل عقيق الجادولينيوم الغاليوم) لها خاصية الممغنطة في اتجاه واحد فقط ، وإذا تم تطبيق مجال مغناطيسي ثابت على طول هذا المحور ، فإن المناطق الممغنطة ستشكل شيئًا مثل الفقاعات ، كما هو موضح في الشكل أدناه. يبلغ قطر كل فقاعة بضعة ميكرونات فقط.
لنفترض أن لدينا غشاء بلوري رقيق ، بترتيب 0,001 بوصة ، من مادة كهذه ترسب على ركيزة غير مغناطيسية ، مثل الزجاج.
كل شيء عن الفقاعات السحرية. الصورة على اليسار - لا يوجد مجال مغناطيسي ، الصورة على اليمين - المجال المغناطيسي موجه بشكل عمودي على سطح الفيلم.
إذا تم تشكيل نمط على سطح فيلم من هذه المادة من مادة مغناطيسية ، على سبيل المثال ، بيرمالوي ، سبيكة من الحديد والنيكل ، فسيتم جذب الفقاعات إلى عناصر هذا النمط. عادة ، يتم استخدام الأنماط على شكل عناصر على شكل حرف T أو على شكل V.
يمكن تشكيل فقاعة واحدة بواسطة مجال مغناطيسي من 100-200 درجة ، يتم تطبيقه بشكل عمودي على الفيلم المغناطيسي ويتم إنشاؤه بواسطة مغناطيس دائم ، ويسمح لك المجال المغناطيسي الدوار المكون من ملفين في اتجاهات XY بالتحرك مجالات الفقاعة من "جزيرة" مغناطيسية إلى أخرى ، كما هو موضح في الشكل. بعد تغيير أربعة أضعاف في اتجاه المجال المغناطيسي ، سينتقل المجال من جزيرة إلى أخرى.
كل هذا يتيح لنا اعتبار جهاز CMD بمثابة سجل تحول. إذا شكلنا فقاعات في أحد طرفي السجل واكتشفناها في الطرف الآخر ، فيمكننا حينئذٍ تفجير نمط معين من الفقاعات حولها واستخدام النظام كجهاز ذاكرة ، وقراءة وتسجيل البتات في أوقات معينة.
من هنا ، اتبع مزايا وعيوب ذاكرة CMD: الميزة هي استقلال الطاقة (طالما يتم تطبيق مجال عمودي تم إنشاؤه بواسطة مغناطيس دائم ، فلن تختفي الفقاعات في أي مكان ولن تتحرك من مواقعها) ، والعيب هو وقت الوصول الطويل ، لأن للوصول إلى بت تعسفي ، تحتاج إلى التمرير في سجل التحول بالكامل إلى الموضع المطلوب ، وكلما طالت المدة ، زادت الدورات التي يتطلبها ذلك.
نمط العناصر المغناطيسية على الفيلم المغناطيسي CMD.
يُطلق على إنشاء مجال مغناطيسي في اللغة الإنجليزية "التنوي" ، ويتكون من حقيقة أن تيارًا من عدة مئات من المللي أمبير يتم تطبيقه على الملف لمدة حوالي 100 نانوثانية ، ويتم إنشاء مجال مغناطيسي عمودي على فيلم وعكس مجال المغناطيس الدائم. هذا يخلق "فقاعة" مغناطيسية - مجال مغناطيسي أسطواني في الفيلم. لسوء الحظ ، تعتمد العملية بشكل كبير على درجة الحرارة ، فمن الممكن أن تفشل عملية الكتابة دون تكوين فقاعة ، أو تتشكل فقاعات متعددة.
يتم استخدام العديد من التقنيات لقراءة البيانات من الفيلم.
إحدى الطرق ، القراءة غير المدمرة ، هي اكتشاف المجال المغناطيسي الضعيف للمجال الأسطواني باستخدام مستشعر مقاوم للمغناطيسية.
الطريقة الثانية هي القراءة المدمرة. يتم توجيه الفقاعة إلى مسار جيل / كشف خاص ، حيث يتم تدمير الفقاعة عن طريق مغنطة المادة إلى الأمام. إذا كانت المادة ممغنطة عكسيًا ، أي كانت الفقاعة موجودة ، فسيؤدي ذلك إلى مزيد من التيار في الملف وسيتم اكتشاف ذلك بواسطة الدوائر الإلكترونية. بعد ذلك ، يجب إعادة إنشاء الفقاعة على مسار تسجيل خاص.
ومع ذلك ، إذا تم تنظيم الذاكرة كمصفوفة واحدة متجاورة ، فسيكون لها عيبان كبيران. أولاً ، سيكون وقت الوصول طويلاً جدًا. ثانيًا ، سيؤدي وجود عيب واحد في السلسلة إلى عدم تشغيل الجهاز بالكامل. لذلك ، فإنهم يصنعون ذاكرة منظمة على شكل مسار رئيسي واحد ، والعديد من المسارات التابعة ، كما هو موضح في الشكل.
ذاكرة الفقاعة مع مسار واحد مستمر
ذاكرة الفقاعة مع مسارات السيد / الرقيق
لا يسمح تكوين الذاكرة هذا بتقليل وقت الوصول بشكل كبير فحسب ، بل يسمح أيضًا بإنتاج أجهزة ذاكرة تحتوي على عدد معين من المسارات المعيبة. يجب أن تأخذها وحدة التحكم في الذاكرة في الاعتبار وتجاوزها أثناء عمليات القراءة / الكتابة.
يوضح الشكل أدناه المقطع العرضي "لشريحة" ذاكرة الفقاعة.
يمكنك أيضًا أن تقرأ عن مبدأ ذاكرة الفقاعة في [4 ، 5].
3. إنتل 7110
Intel 7110 - وحدة ذاكرة الفقاعة ، MBM (ذاكرة الفقاعة المغناطيسية) بسعة 1 ميجابايت (1048576 بت). هو الذي يصور على KDPV. 1 ميغا بايت هي السعة لتخزين بيانات المستخدم ، مع الأخذ في الاعتبار المسارات الزائدة ، السعة الإجمالية هي 1310720 بت. يحتوي الجهاز على 320 مسارًا حلقيًا (حلقة) بسعة 4096 بت لكل منها ، ولكن يتم استخدام 256 منها فقط لبيانات المستخدم ، والباقي احتياطي لاستبدال المسارات "المكسورة" ولتخزين رمز تصحيح الخطأ الزائد. يحتوي الجهاز على بنية حلقة رئيسية ثانوية. توجد معلومات حول المسارات النشطة في مسار تمهيد منفصل (حلقة تمهيد التشغيل). على KDPV ، يمكنك رؤية الرمز السداسي العشري المطبوع مباشرة على الوحدة. هذه هي خريطة المسارات "المكسورة" ، 80 رقمًا سداسيًا يمثل 320 مسارًا للبيانات ، ويتم تمثيل المسارات النشطة بتة واحدة ، بينما تمثل المسارات غير النشطة بمقدار صفر.
يمكنك قراءة الوثائق الأصلية للوحدة في [7].
يحتوي الجهاز على علبة ذات صف مزدوج من المسامير ومثبتة بدون لحام (في مقبس).
يظهر هيكل الوحدة في الشكل:
صفيف الذاكرة مقسم إلى قسمين (أنصاف أقسام) ، كل قسم مقسم إلى "ربعين" (كواد) ، يحتوي كل ربع على 80 مسارًا تابعًا. تحتوي الوحدة على لوحة بها مادة مغناطيسية موجودة داخل ملفين متعامدين يخلقان مجالًا مغناطيسيًا دوارًا. للقيام بذلك ، يتم تطبيق الإشارات الحالية ذات الشكل المثلث ، والتي تم إزاحتها بمقدار 90 درجة بالنسبة لبعضها البعض ، على اللفات. يتم وضع تجميع اللوح والملفات بين المغناطيسات الدائمة ووضعها في درع مغناطيسي يغلق التدفق المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الدائم ويحمي الجهاز من المجالات المغناطيسية الخارجية. يتم وضع اللوحة على منحدر 2,5 درجة ، مما يخلق مجال إزاحة صغير على طول المنحدر. هذا المجال لا يكاد يذكر مقارنة بمجال الملفات ، ولا يتداخل مع حركة الفقاعات أثناء تشغيل الجهاز ، ولكنه ينقل الفقاعات إلى مواضع ثابتة بالنسبة لعناصر بيرمالوي عند إيقاف تشغيل الجهاز. يدعم المكون العمودي القوي للمغناطيس الدائم وجود المجالات المغناطيسية الفقاعية.
تحتوي الوحدة النمطية على العقد التالية:
- مسارات الذاكرة. مباشرة تلك المسارات من العناصر بيرمالوي التي تحمل وتوجه الفقاعات.
- مولد النسخ المتماثل. يعمل على تكرار الفقاعة الموجودة باستمرار في مكان التوليد.
- تتبع الإدخال وعقد الصرف. تتحرك الفقاعات المتولدة على طول مسار الإدخال. يتم نقل الفقاعات إلى واحد من 80 مسارًا للرقيق.
- مسار الإخراج وعقدة النسخ المتماثل. يتم طرح الفقاعات من مسارات البيانات دون تدميرها. تنقسم الفقاعة إلى جزأين ، يذهب أحدهما إلى مسار الإخراج.
- كاشف. تدخل الفقاعات من مسار الإخراج إلى كاشف المقاومة المغناطيسية.
- تحميل المسار. يحتوي مسار التمهيد على معلومات حول مسارات البيانات النشطة وغير النشطة.
أدناه سنلقي نظرة على هذه العقد بمزيد من التفصيل. يمكنك أيضًا قراءة وصف هذه العقد في [6].
جيل الفقاعات
لتوليد فقاعة ، في بداية مسار الإدخال يوجد موصل عازم على شكل حلقة صغيرة. يتم تطبيق نبضة تيار عليه ، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا في منطقة صغيرة جدًا أقوى من مجال المغناطيس الدائم. يخلق الدافع فقاعة عند هذه النقطة ، والتي تظل محفوظة بشكل دائم بواسطة مجال مغناطيسي ثابت وتدور على طول عنصر بيرمالوي تحت تأثير مجال مغناطيسي دوار. إذا احتجنا إلى كتابة وحدة في الذاكرة ، فإننا نطبق نبضة قصيرة على الحلقة الموصلة ، ونتيجة لذلك ، تولد فقاعتان (يشار إليهما ببذور انقسام الفقاعات في الشكل). يتم دفع إحدى الفقاعات بواسطة الحقل الدوار على طول مسار بيرمالوي ، وتبقى الثانية في مكانها وتكتسب حجمها الأصلي بسرعة. ثم ينتقل إلى أحد مسارات الرقيق ، ويتبادل الأماكن بالفقاعة التي تدور فيه. ويصل بدوره إلى نهاية مسار الإدخال ويختفي.
تبادل الفقاعات
يحدث تبادل الفقاعات عندما يتم تطبيق نبضة تيار مستطيلة على الموصل المقابل. في هذه الحالة ، لا تنقسم الفقاعة إلى قسمين.
قراءة البيانات
يتم إرسال البيانات إلى مسار الإخراج عن طريق النسخ المتماثل ، وتستمر في تعميمها في مسارها بعد قراءتها. وبالتالي ، فإن هذا الجهاز يطبق طريقة غير إتلافية في القراءة. للتكرار ، يتم توجيه الفقاعة تحت عنصر بيرمالوي ممدود ، يتم تحته شدها. يوجد أعلاه أيضًا موصل على شكل حلقة ، إذا تم تطبيق نبضة تيار على الحلقة ، فسيتم تقسيم الفقاعة إلى قسمين. تتكون النبضات الحالية من قسم قصير بتيار مرتفع لتقسيم الفقاعة إلى جزأين ، وقسم أطول بتيار أقل لتوجيه الفقاعة إلى مسار الخروج.
في نهاية مسار الإخراج يوجد Bubble Detector ، وهو جسر مقاوم للمغناطيسية مصنوع من عناصر بيرمالوي تشكل دائرة طويلة. عندما تقع فقاعة مغناطيسية تحت عنصر بيرمالوي ، تتغير مقاومتها ، ويظهر فرق محتمل يبلغ عدة ملي فولت عند إخراج الجسر. يتم اختيار شكل عناصر بيرمالوي بحيث تتحرك الفقاعة على طولها ، وفي النهاية تصطدم بإطار "واقي" خاص وتختفي.
وفرة
يحتوي الجهاز على 320 مسارًا ، كل منها يحتوي على 4096 بت. من بين هؤلاء ، 272 نشطًا ، و 48 احتياطيًا ، وغير نشط.
مسار التمهيد (حلقة التمهيد)
يحتوي الجهاز على 320 مسارًا للبيانات ، منها 256 مسارًا مخصصًا لتخزين بيانات المستخدم ، وقد يكون الباقي معيبًا أو قد يكون بمثابة قطع غيار لاستبدال تلك المعيبة. يحتوي المسار الإضافي على معلومات حول استخدام مسارات البيانات ، 12 بت لكل مسار. عند تشغيل النظام ، يجب تهيئته. أثناء عملية التهيئة ، يجب على وحدة التحكم قراءة مسار التمهيد وكتابة المعلومات منه إلى سجل خاص لشريحة التنسيق / مستشعر التيار. بعد ذلك ، ستستخدم وحدة التحكم المسارات النشطة فقط ، وسيتم تجاهل المسارات غير النشطة ولن تتم الكتابة إليها.
مستودع البيانات - الهيكل
من وجهة نظر المستخدم ، يتم تخزين البيانات في 2048 صفحة من 512 بت لكل منها. يتم تخزين 256 بايت من البيانات و 14 بت من رمز تصحيح الخطأ و 2 بت غير مستخدمين في كل نصف من الجهاز.
تصحيح الاخطاء
يمكن إجراء اكتشاف الأخطاء وتصحيحها بواسطة شريحة مستشعر حالية ، والتي تحتوي على وحدة فك ترميز 14 بت التي تصحح خطأ فردي يصل طوله إلى 5 بتات (خطأ اندفاعي) في كل كتلة من 270 بت (بما في ذلك الشفرة نفسها). يتم إلحاق الرمز بنهاية كل كتلة 256 بت. يمكن استخدام رمز التصحيح أو عدم استخدامه ، بناءً على طلب المستخدم ، يمكن تشغيل التحقق من الرمز أو إيقاف تشغيله في وحدة التحكم. في حالة عدم استخدام أي رمز ، يمكن استخدام جميع البتات البالغ عددها 270 لبيانات المستخدم.
وقت الوصول
يدور المجال المغناطيسي بتردد 50 كيلو هرتز. متوسط وقت الوصول إلى الجزء الأول من الصفحة الأولى هو 41 مللي ثانية ، وهو نصف الوقت المستغرق لإكمال دورة كاملة عبر المسار بالإضافة إلى الوقت الذي يستغرقه المرور عبر مسار الإخراج.
320 مسارًا نشطًا وقطعًا مقسمة إلى أربعة أجزاء من 80 مسارًا لكل منها. هذه المنظمة تقلل من وقت الوصول. تتم معالجة الأرباع في أزواج: كل زوج من الأرباع يحتوي على أجزاء زوجية وفردية من الكلمة ، على التوالي. يحتوي الجهاز على أربعة مسارات إدخال مع أربع فقاعات أولية وأربعة مسارات إخراج. تستخدم مسارات الإخراج كاشفين ، يتم تنظيمهما بطريقة لا تصطدم فيها فقاعتان من مسارين بكاشف واحد في نفس الوقت. وبالتالي ، يتم مضاعفة تدفقات الفقاعات الأربعة وتحويلها إلى تدفقات بتات ثنائية وتخزينها في سجلات شريحة المستشعر الحالية. هناك ، يتم مضاعفة محتويات السجلات مرة أخرى وإرسالها إلى وحدة التحكم عبر الواجهة التسلسلية.
في الجزء الثاني من المقالة ، سنلقي نظرة فاحصة على دوائر وحدة تحكم ذاكرة الفقاعة.
4. المراجع
وجد المؤلف في أحلك أركان الشبكة ووفر لك الكثير من المعلومات التقنية المفيدة حول الذاكرة على CMD وتاريخها والجوانب الأخرى ذات الصلة:
1. - ذكريتان للمهندس بوبيك
2. - ذكريات للمهندس بوبيك (الجزء الثاني)
3. - ذاكرة الفقاعة
4. تكييف ذاكرة الفقاعة المغناطيسية في بيئة الحواسيب الصغيرة القياسية
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. - كتيب مكونات الذاكرة. إنتل 1983.
7. 7110 ذاكرة فقاعية 1 ميجابت
المصدر: www.habr.com