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1. Die Geschichte
Der Blasenspeicher oder zylindrische magnetische Domänenspeicher ist ein nichtflüchtiger Speicher, der 1967 von Andrew Bobeck in den Bell Labs entwickelt wurde. Studien haben gezeigt, dass sich in einkristallinen dünnen Filmen aus Ferriten und Granaten kleine zylindrische magnetische Domänen bilden, wenn ein ausreichend starkes Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche des Films gerichtet ist. Durch Veränderung des Magnetfeldes können diese Blasen bewegt werden. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich magnetische Blasen ideal für den Aufbau serieller Bitspeicher, beispielsweise eines Schieberegisters, bei dem das Vorhandensein oder Fehlen einer Blase an einer bestimmten Position einen Null- oder Ein-Bit-Wert anzeigt. Die Blase hat einen Durchmesser von Zehntel Mikrometern und ein einzelner Chip kann Tausende von Datenbits speichern. So brachte Texas Instruments beispielsweise im Frühjahr 1977 erstmals einen Chip mit einer Kapazität von 92304 Bit auf den Markt. Dieser Speicher ist nichtflüchtig und ähnelt damit einem Magnetband oder einer Magnetplatte. Da es sich jedoch um einen Festkörperspeicher handelt und keine beweglichen Teile aufweist, ist er zuverlässiger als ein Band oder eine Festplatte, erfordert keine Wartung und ist viel kleiner und leichter. , und kann in tragbaren Geräten verwendet werden.
Ursprünglich schlug der Erfinder des Blasengedächtnisses, Andrew Bobek, eine „eindimensionale“ Version des Gedächtnisses in Form eines Fadens vor, um den ein dünner Streifen aus ferromagnetischem Material gewickelt ist. Ein solcher Speicher wurde „Twistor“-Speicher genannt und sogar in Massenproduktion hergestellt, aber bald von der „zweidimensionalen“ Version abgelöst.
Über die Entstehungsgeschichte des Blasengedächtnisses können Sie in [1-3] nachlesen.
2. Funktionsprinzip
Hier bitte ich Sie um Verzeihung, ich bin kein Physiker, daher wird die Darstellung sehr ungefähr sein.
Einige Materialien (z. B. Gadolinium-Gallium-Granat) haben die Eigenschaft, nur in einer Richtung magnetisiert zu werden. Wenn entlang dieser Achse ein konstantes Magnetfeld angelegt wird, bilden die magnetisierten Bereiche so etwas wie Blasen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Jede Blase hat nur einen Durchmesser von wenigen Mikrometern.
Nehmen wir an, wir haben einen dünnen, etwa 0,001 Zoll dicken, kristallinen Film aus einem solchen Material, der auf einem nichtmagnetischen Substrat, beispielsweise Glas, abgeschieden ist.
Es dreht sich alles um die magischen Blasen. Das Bild links – es gibt kein Magnetfeld, das Bild rechts – das Magnetfeld ist senkrecht zur Filmoberfläche gerichtet.
Wenn auf der Oberfläche eines Films aus einem solchen Material ein Muster aus einem magnetischen Material, beispielsweise Permalloy, einer Eisen-Nickel-Legierung, gebildet wird, werden die Blasen an den Elementen dieses Musters magnetisiert. Typischerweise werden Muster in Form von T- oder V-förmigen Elementen verwendet.
Eine einzelne Blase kann durch ein Magnetfeld von 100–200 Oersted gebildet werden, das senkrecht zum Magnetfilm angelegt wird und von einem Permanentmagneten erzeugt wird, und ein rotierendes Magnetfeld, das von zwei Spulen in XY-Richtung gebildet wird, ermöglicht die Bewegung die Blasendomänen von einer magnetischen „Insel“ zur anderen, wie in der Abbildung dargestellt. Nach einer vierfachen Richtungsänderung des Magnetfeldes wandert die Domäne von einer Insel zur nächsten.
All dies ermöglicht es uns, das CMD-Gerät als Schieberegister zu betrachten. Wenn wir an einem Ende des Registers Blasen bilden und diese am anderen Ende erkennen, können wir ein bestimmtes Blasenmuster herumblasen und das System als Speichergerät verwenden, das zu bestimmten Zeiten Bits liest und schreibt.
Daraus ergeben sich die Vor- und Nachteile des CMD-Speichers: Der Vorteil ist die Energieunabhängigkeit (solange ein durch Permanentmagnete erzeugtes senkrechtes Feld angelegt wird, verschwinden die Blasen nirgendwo und bewegen sich nicht von ihrer Position), und der Nachteil ist a lange Zugriffszeit, weil Um auf ein beliebiges Bit zuzugreifen, müssen Sie das gesamte Schieberegister an die gewünschte Position scrollen. Je länger es dauert, desto mehr Zyklen sind erforderlich.
Das Muster magnetischer Elemente auf dem CMD-Magnetfilm.
Die Entstehung einer magnetischen Domäne wird im Englischen „Nukleation“ genannt und besteht darin, dass für eine Zeit von etwa 100 ns ein Strom von mehreren hundert Milliampere an die Wicklung angelegt wird und ein Magnetfeld entsteht, das senkrecht zur Domäne steht Film und entgegengesetzt zum Feld eines Permanentmagneten. Dadurch entsteht eine magnetische „Blase“ – eine zylindrische magnetische Domäne im Film. Der Vorgang ist leider stark temperaturabhängig. Es ist möglich, dass ein Schreibvorgang fehlschlägt, ohne dass sich eine Blase bildet, oder dass sich mehrere Blasen bilden.
Zum Auslesen von Daten aus einem Film werden verschiedene Techniken verwendet.
Eine Möglichkeit des zerstörungsfreien Lesens besteht darin, das schwache Magnetfeld der zylindrischen Domäne mithilfe eines magnetoresistiven Sensors zu erfassen.
Der zweite Weg ist destruktives Lesen. Die Blase wird zu einer speziellen Erzeugungs-/Erkennungsstrecke geführt, wo die Blase durch Vorwärtsmagnetisierung des Materials zerstört wird. Wenn das Material umgekehrt magnetisiert wäre, also eine Blase vorhanden wäre, würde dies zu mehr Strom in der Spule führen und dies würde von der elektronischen Schaltung erkannt. Danach muss die Blase auf einer speziellen Aufnahmespur neu generiert werden.
Wenn der Speicher jedoch als ein zusammenhängendes Array organisiert ist, hat dies zwei große Nachteile. Erstens wird die Zugriffszeit sehr lang sein. Zweitens führt ein einzelner Defekt in der Kette zur vollständigen Funktionsunfähigkeit des gesamten Geräts. Daher bilden sie einen Speicher, der in Form einer Hauptspur und vieler untergeordneter Spuren organisiert ist, wie in der Abbildung gezeigt.
Blasenspeicher mit einer durchgehenden Spur
Blasenspeicher mit Master/Slave-Spuren
Eine solche Speicherkonfiguration ermöglicht nicht nur eine erhebliche Verkürzung der Zugriffszeit, sondern ermöglicht auch die Herstellung von Speichergeräten, die eine bestimmte Anzahl fehlerhafter Spuren enthalten. Der Speichercontroller muss diese berücksichtigen und bei Lese-/Schreibvorgängen umgehen.
Die folgende Abbildung zeigt einen Querschnitt eines Blasenspeicher-„Chips“.
Über das Prinzip des Blasengedächtnisses können Sie auch in [4, 5] lesen.
3. Intel 7110
Intel 7110 – Blasenspeichermodul, MBM (Magnetic-Bubble-Speicher) mit einer Kapazität von 1 MB (1048576 Bit). Er ist es, der auf dem KDPV abgebildet ist. 1 Megabit ist die Kapazität zur Speicherung von Nutzdaten, unter Berücksichtigung redundanter Spuren beträgt die Gesamtkapazität 1310720 Bit. Das Gerät enthält 320 Schleifenspuren (Loops) mit einer Kapazität von jeweils 4096 Bit, von denen jedoch nur 256 für Benutzerdaten verwendet werden, der Rest ist eine Reserve zum Ersetzen „defekter“ Spuren und zum Speichern redundanter Fehlerkorrekturcodes. Das Gerät verfügt über eine Hauptspur-Minor-Loop-Architektur. Informationen zu aktiven Tracks sind in einem separaten Boot-Track (Bootstrap-Loop) enthalten. Beim KDPV können Sie den direkt auf dem Modul aufgedruckten Hexadezimalcode sehen. Dies ist die Karte der „kaputten“ Spuren, 80 hexadezimale Ziffern repräsentieren 320 Datenspuren, aktive Spuren werden durch ein einzelnes Bit dargestellt, inaktive durch Null.
Die Originaldokumentation zum Modul finden Sie in [7].
Das Gerät verfügt über ein Gehäuse mit zweireihiger Stiftanordnung und wird ohne Löten (in einer Buchse) montiert.
Der Aufbau des Moduls ist in der Abbildung dargestellt:
Das Speicherarray ist in zwei „Halbabschnitte“ (Half Sections) unterteilt, von denen jeder in zwei „Viertel“ (Quads) unterteilt ist. Jedes Viertel verfügt über 80 Slave-Spuren. Das Modul enthält eine Platte mit magnetischem Material, die sich in zwei orthogonalen Wicklungen befindet, die ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Dazu werden an die Wicklungen um 90 Grad zueinander versetzte Stromsignale in Dreiecksform angelegt. Die Baugruppe aus Platte und Wicklungen wird zwischen den Permanentmagneten platziert und in einer magnetischen Abschirmung platziert, die den von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfluss abschließt und das Gerät vor externen Magnetfeldern abschirmt. Die Platte wird mit einer Neigung von 2,5 Grad platziert, wodurch ein kleines Verschiebungsfeld entlang der Neigung entsteht. Dieses Feld ist im Vergleich zum Feld der Spulen vernachlässigbar und stört die Bewegung der Blasen während des Betriebs des Geräts nicht, verschiebt die Blasen jedoch in feste Positionen relativ zu den Permalloy-Elementen, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Die starke senkrechte Komponente von Permanentmagneten unterstützt die Existenz von Blasenmagnetdomänen.
Das Modul enthält die folgenden Knoten:
- Erinnerungsspuren. Direkt die Spuren von Permalloy-Elementen, die die Blasen halten und leiten.
- Replikationsgenerator. Dient der Replikation der Blase, die ständig am Entstehungsort vorhanden ist.
- Eingabegleise und Austauschknoten. Die erzeugten Blasen bewegen sich entlang der Eingabespur. Blasen werden auf eine von 80 Slave-Spuren verschoben.
- Ausgabespur und Replikationsknoten. Blasen werden von Datenspuren abgezogen, ohne diese zu zerstören. Die Blase teilt sich in zwei Teile und einer davon gelangt auf die Ausgangsspur.
- Detektor. Blasen aus der Ausgangsspur gelangen in den magnetoresistiven Detektor.
- Track wird geladen. Der Boot-Track enthält Informationen über aktive und inaktive Datentracks.
Im Folgenden werden wir uns diese Knoten genauer ansehen. Die Beschreibung dieser Knoten können Sie auch in [6] lesen.
Blasenbildung
Um eine Blase zu erzeugen, wird ganz am Anfang der Eingangsspur ein Leiter in Form einer winzigen Schleife gebogen. An ihn wird ein Stromimpuls angelegt, der in einem sehr kleinen Bereich ein Magnetfeld erzeugt, das stärker ist als das Feld von Permanentmagneten. Durch den Impuls entsteht an dieser Stelle eine Blase, die durch ein konstantes Magnetfeld dauerhaft gehalten wird und unter der Wirkung eines rotierenden Magnetfelds entlang des Permalloy-Elements zirkuliert. Wenn wir eine Einheit in den Speicher schreiben müssen, legen wir einen kurzen Impuls an die Leiterschleife an, wodurch zwei Blasen entstehen (in der Abbildung als „Blase Split Seed“ gekennzeichnet). Eine der Blasen wird durch das rotierende Feld entlang der Permalloy-Bahn geschleudert, die zweite bleibt an Ort und Stelle und nimmt schnell wieder ihre ursprüngliche Größe an. Anschließend bewegt es sich zu einer der Nebenbahnen und tauscht mit der darin zirkulierenden Blase den Platz. Es wiederum erreicht das Ende der Eingabespur und verschwindet.
Blasenaustausch
Der Blasenaustausch erfolgt, wenn ein rechteckiger Stromimpuls an den entsprechenden Leiter angelegt wird. In diesem Fall zerfällt die Blase nicht in zwei Teile.
Lesen von Daten
Die Daten werden durch Replikation an die Ausgabespur gesendet und zirkulieren nach dem Lesen in dieser Spur weiter. Somit implementiert dieses Gerät eine zerstörungsfreie Lesemethode. Zur Replikation wird die Blase unter ein längliches Permalloy-Element geführt, unter dem sie gespannt wird. Darüber befindet sich auch ein Leiter in Form einer Schleife. Wenn ein Stromimpuls an die Schleife angelegt wird, wird die Blase in zwei Teile geteilt. Der Stromimpuls besteht aus einem kurzen Abschnitt mit hohem Strom, um die Blase in zwei Teile zu teilen, und einem längeren Abschnitt mit weniger Strom, um die Blase zur Austrittsspur zu leiten.
Am Ende der Ausgangsschiene befindet sich der Blasendetektor, eine magnetoresistive Brücke aus Permalloy-Elementen, die einen langen Stromkreis bilden. Wenn eine Magnetblase unter ein Permalloy-Element fällt, ändert sich ihr Widerstand und am Ausgang der Brücke entsteht eine Potentialdifferenz von mehreren Millivolt. Die Form der Permalloy-Elemente ist so gewählt, dass sich die Blase an ihnen entlang bewegt, am Ende auf einen speziellen „Schutz“-Reifen trifft und verschwindet.
Redundanz
Das Gerät enthält 320 Spuren mit jeweils 4096 Bit. Davon sind 272 aktiv, 48 sind inaktiv.
Boot Track (Boot-Schleife)
Das Gerät enthält 320 Datenspuren, von denen 256 zur Speicherung von Benutzerdaten dienen, der Rest kann fehlerhaft sein oder als Ersatz für fehlerhafte Spuren dienen. Eine zusätzliche Spur enthält Informationen über die Verwendung von Datenspuren, 12 Bit pro Spur. Wenn das System eingeschaltet ist, muss es initialisiert werden. Während des Initialisierungsprozesses muss der Controller die Boot-Spur lesen und Informationen daraus in ein spezielles Register des Formatierungschips/Stromsensors schreiben. Dann verwendet der Controller nur aktive Spuren und inaktive werden ignoriert und nicht beschrieben.
Data Warehouse – Struktur
Aus Benutzersicht werden die Daten in 2048 Seiten zu je 512 Bit gespeichert. In jeder Gerätehälfte werden 256 Byte Daten, 14 Bit Fehlerkorrekturcode und 2 ungenutzte Bits gespeichert.
Fehler Korrektur
Die Fehlererkennung und -korrektur kann durch einen Stromsensorchip erfolgen, der einen 14-Bit-Codedecoder enthält, der einen einzelnen bis zu 5 Bit langen Fehler (Burst-Fehler) in jedem Block von 270 Bit (einschließlich des Codes selbst) korrigiert. Der Code wird am Ende jedes 256-Bit-Blocks angehängt. Der Korrekturcode kann verwendet oder nicht verwendet werden. Auf Wunsch des Benutzers kann die Codeüberprüfung im Controller ein- oder ausgeschaltet werden. Wenn kein Code verwendet wird, können alle 270 Bits für Nutzdaten verwendet werden.
Zugriffszeit
Das Magnetfeld rotiert mit einer Frequenz von 50 kHz. Die durchschnittliche Zugriffszeit auf das erste Bit der ersten Seite beträgt 41 ms, was der Hälfte der Zeit entspricht, die für einen vollständigen Zyklus durch die Spur benötigt wird, plus der Zeit, die für das Durchlaufen der Ausgabespur benötigt wird.
Die 320 aktiven und Ersatzgleise sind in vier Teile zu je 80 Gleisen unterteilt. Diese Organisation reduziert die Zugriffszeit. Viertel werden paarweise adressiert: Jedes Viertelpaar enthält jeweils gerade und ungerade Bits des Wortes. Das Gerät enthält vier Eingangsspuren mit vier Anfangsblasen und vier Ausgangsspuren. Die Ausgabespuren verwenden zwei Detektoren. Sie sind so organisiert, dass niemals zwei Blasen von zwei Spuren gleichzeitig auf einen Detektor treffen. Somit werden die vier Blasenströme gemultiplext und in zwei Bitströme umgewandelt und in den Registern des aktuellen Sensorchips gespeichert. Dort werden die Inhalte der Register erneut gemultiplext und über die serielle Schnittstelle an den Controller gesendet.
Im zweiten Teil des Artikels werfen wir einen genaueren Blick auf die Schaltung des Bubble-Memory-Controllers.
4. Referenzen
Der Autor hat in den dunkelsten Ecken des Netzwerks viele nützliche technische Informationen zum CMD-Speicher, seiner Geschichte und anderen damit verbundenen Aspekten gefunden und für Sie gespeichert:
1. — Zwei Erinnerungen an Ingenieur Bobek
2. - Zwei Erinnerungen an Ingenieur Bobek (Teil 2)
3. — Blasengedächtnis
4. Anpassung des magnetischen Blasenspeichers in einer Standard-Mikrocomputerumgebung
5. — Texas Instruments TIB 0203 Blasenspeicher
6. – Handbuch zu Speicherkomponenten. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit-Blasenspeicher
Source: habr.com