Mälu silindrilistel magnetdomeenidel. Osa 1. Tööpõhimõte

Autorilt foto

1. Ajalugu

Puhverdisk, ehk magnetiliste mullide mälu, on energiat sõltumatu mälu, mille on välja töötanud Bell Labs 1967. aastal Andrew Bobecki (Andrew Bobeck) poolt. Uuringud on näidanud, et väikesed silindrilised magnetilised domeenid tekivad monokristalsetes õhukestes ferriitide ja granaatide kiledes, kui piisavalt tugev magnetväli suunatakse risti filmi pinnale. Muutades magnetvälja, on võimalik neid mune liigutada. Sellised omadused teevad magnetilised mullid ideaalseks vahendiks bitijadude järjestikku säilitamiseks, sarnaselt nihkur registrile, kus mulli olemasolu või puudumine kindlas positsioonis tähendab bitti väärtust 0 või 1. Mulli läbimõõt on kümnesi mikrooni, üks kiip võib salvestada tuhandeid bite. Näiteks 1977. aasta kevadel esitles Texas Instruments esmakordselt turule 92304 bitti mahutavat kiipi. See mälu on sõltumatu energiast, mis muudab selle sarnaseks magnetlintide või ketastega, kuid kuna see on tahkis ja ei sisalda liikuvate osi, on see usaldusväärsem kui lint või ketas ning ei vaja hooldust, samuti on selle mõõtmed ja kaal palju väiksemad ning seda saab kasutada kaasaskantavates seadmetes.

Esialgu pakkus puhvermälu leiutaja Andrew Bobek välja "ühe mõõtme" mälulahenduse, mis nägi välja nagu niit, millele oli keritud õhuke ferromagnetmaterjali ribake. Sellist mälu nimetati "twistormälu" ja seda toodeti isegi seeriatootmisena, kuid peagi asendas selle "kahemõõtmeline" versioon.

Saate tutvuda puhvermälu loomise ajalooga [1-3].

2. Tööpõhimõte

Palun lubage mul vabandada, ma ei ole füüsik, seega on esitlus üsna pealiskaudne.

Mõned materjalid (nt gadolinium-galliumnitraat) omavad omadust magnetiseeruda ainult ühes suunas. Kui selle telje suunas rakendada pidevat magnetvälja, siis magnetiseeritud alad moodustavad midagi nagu mullid, nagu on kujutatud alloleval joonisel. Iga mull on vaid mõne mikroni läbimõõduga.

Oletame, et meil on õhuke, umbes 0,001 tolli paksune, kristalliline kile sellisest materjalist, mis on kantud mitte-magnetilisele, näiteks klaasist, alusele.

Kõik on kinni maagilistes mullides. Vasakul pildil — magnetvälja ei ole, paremal pildil — magnetväli on suunatud vertikaalselt kile pinnale.

Kui sellise materjali pinnale luua magnetmaterjalist muster, näiteks permalloya või raua-nikkel sulamist, siis mullid magnetiseeritakse selle mustri elementide külge. Tüüpiliselt kasutatakse mustreid T- või V-kujuliste elementidena.

Üksik mulli võib moodustada magnetvälja 100-200 erstedi, mis on suunatud risti magnetkile suunas ja mille tekitab alalisvoolu magnet. Pöörlev magnetväli, mille moodustavad kaks rullikut XY suunades, võimaldab mullide-domeenide liigutamist ühe magnetilise 'saare' juurest teise, nagu joonisel näidatud. Pärast neljakordset magnetvälja suuna vahetust liigub domeen ühest saarest naaber saarele.

Kogu see võimaldab vaadata CMD-seadet kui nihkesõret. Kui me loome mullid ühe otsa registris ja tuvastame need teises, siis saame saata teatud mullide mustri ringi ja kasutada süsteemi nagu mäluseadet, lugedes ja kirjutades bitte kindlatel aegadel.

Sealt tulenevad CMD mälu eelised ja puudused: eeliseks on energia sõltumatus (niikauaks, kui on rakendatud risti väli, mida loovad püsiv magnetid, ei kao mullid kuhugi ja ei liigu oma positsioonidelt), miinuseks on suur ligipääsuaeg, kuna juhuslikult valitud bitti ligipääsemiseks tuleb kogu nihkesõre viia vajalikku positsiooni, ja mida pikem see on, seda rohkem tsükleid selleks on vajalik.

CMD magnetvööndite muster magnetfilmil.

Magnetilise domeeni loomist nimetatakse inglise keeles „nucleation”, ja see hõlmab seda, et mähisele rakendatakse voolu mitusada milliamprit umbes 100 ns jooksul, luues magnetvälja, mis on perpendikulaarne kilele ja vastupidine fikseeritud magneti väljadele. Selle käigus tekib magnetiline „mull” — silindriline magnetiline domeen kiles. Kahjuks sõltub protsess tugevalt temperatuurist, mille tõttu võib salvestamisprotsess ebaõnnestuda, millega mull ei moodustu, või tekib mitmeid methode.

Andmete lugemiseks kilest kasutatakse mitmeid tehnikaid.

Üks meetod, mittepurustav lugemine, seisneb silindrilise domeeni nõrga magnetvälja tuvastamises magnetoresistiivse anduri abil.

Teine meetod on hävitav lugemine. Mull suunatakse spetsiaalsesse genereerimise/kavandamise rajasse, kus mull hävitatakse, magnetiseerides materjali otse suunas. Kui materjal on magnetiseeritud vastupidises suunas, st mull oli kohal, tekitab see suurema voolu spiraalis, ja seda tuvastab elektrooniline skeem. Pärast seda peab mull olema genereeritud uuesti spetsiaalses salvestusrajatises.


Kuid kui mälu on korraldatud ühe pideva massiivina, on sellel kaks suurt puudust. Esiteks, ligipääsu aeg on väga pikk. Teiseks, ainuüksi defekt ahelas toob kaasa kogu seadme mittetöötamise. Seetõttu korraldatakse mälu ühe peamise rajana ja paljusid alamrajasi, nagu joonisel näidatud.

Mullimälu ühe pideva rajaga

Mullimälu peamise/alamrajadega

Selline mälu konfiguratsioon mitte ainult ei vähenda juurdepääsu aega, vaid võimaldab ka toota mäluseadmeid, mis sisaldavad teatud arvu defektseid rajatisi. Mälu kontroller peab neid arvesse võtma ja lugemise / kirjutamise operatsioonide käigus vältima.

Alloleval joonisel on näidatud „kiibi” lõikepilt, mis esindab mullimälu.

Samuti saate lugeda mullimälu tööpõhimõttest [4, 5].

3. Intel 7110

Intel 7110 — mälumoodul, MBM (magnetpuhv mälu) 1 MB (1048576 bitti) mahuga. Just see on kujutatud KDPV-l. 1 megabit on mahutavus kasutajaandmete salvestamiseks, arvestades üleliigsete radadega, on kogamahutavus 1310720 bitti. Seade sisaldab 320 silmuslikku rada (loops), mille mahutavus on 4096 bitti igaühel, kuid kasutajaandmete jaoks kasutatakse neist ainult 256, ülejäänu on varu „rikete” radade asendamiseks ja üleliigse veaparanduse koodi salvestamiseks. Seade omab arhitektuuri „peamine rada-alam-rada” (major track-minor loop). Teave aktiivsete radade kohta salvestatakse eraldi käivitusraja (bootstrap loop) sisse. KDPV-l saate näha kuhexadecimal koodi, mis on otse moodulis trükitud. See on „rikete” radade kaart, 80 kuhexadecimal numbrit esindavad 320 andmerada, aktiivsed on esitatud üksteisega bitina, mitteaktiivsed nullina.

Saate tutvuda mooduli originaaldokumendiga [7].

Seade omab kahe rea väljundite paigutusega korpust ja monteeritakse ilma jootmisega (soketisse).

Mooduli struktuur on näidatud joonisel:

Mälu on jagatud kaheks "poolseksiooniks" (half sections), millest igaüks jaguneb omakorda kaheks "kvadrandiks" (quads), kus iga kvadrand sisaldab 80 alamrada. Moodul sisaldab magnetmaterjaliga plaati, mis asub kahe ortogonaalse mähise vahel, luues pöörleva magnetvälja. Selleks kantakse mähistele kolmnurkse kujuga voolutähed, mis on teineteisest nihutatud 90 kraadi. Plaadi ja mähiste kogumik on paigutatud püsivate magnetite vahele ning asetatud magnetekraanile, mis sulgeb püsivate magnetite poolt genereeritud magnetvoo ja kaitseb seadet välistest magnetväljadest. Plaat on paigutatud 2,5 kraadi nurga all, mis loob väikese nihke, mis on suunatud nurga suunas. See väli on tühine võrreldes mähiste väljadega ning ei takista mullide liikumist seadme toimimise ajal, kuid nihutab mullid püsivatesse positsioonidesse seoses permalloy elementidega, kui seade on välja lülitatud. Tugev püsiv magnetite perpendicular komponent toetab mullide magnetiliste domeenide olemasolu.

Modul sisaldab järgmisi sõlmi:

1. Mälu rajad. Just need rajad, mis on valmistatud permaalloogilistest elementidest, hoiavad ja suunavad õhumulle.
2. Replikatsiooni generaator. Kasutatakse õhumulli replikatsiooniks, mis on pidevalt kohal genereerimise kohas.
3. Sise rada ja vahetussõlmed. Genereeritud õhumullid liiguvad piki sise rada. Õhumullid liiguvad ühte 80 alamrajast.
4. Väljund rada ja replikatsioonisõlm. Mullid loetakse andmeradadest välja ilma nende purustamiseta. Mull jaguneb kaheks osaks, millest üks suunatakse väljund rajale.
5. Detektor. Väljund rajalt pärit mullid sisenevad magnetoresistatiivsetesse detektoritesse.
6. Laadimisrada. Laadimisrada sisaldab teavet aktiivsete ja mitteaktiivsete andmeradade kohta.

Allpool käsitleme neid sõlmi põhjalikumalt. Samuti saate tutvuda nende sõlmede kirjeldustega [6].

Mulli genereerimine

Puhvli genereerimiseks on sisendraja alguses juhtmestik, mis on painutatud väiksesse silmusesse. Sellele antakse vooluimpulss, mis loob väga väikses piirkonnas magnetvälja, mis on tugevam kui alaliste magnetite väli. Impulss genereerib selles kohas puhvli, mis püsib pidevalt, toetudes alalisele magnetväljale, ja tsirkuleerib permalloe elemendi mööda pöörleva magnetvälja mõjul. Kui me peame salvestama ühe ühiku mälu, anname juhtivasse silmusesse lühikese impulsi, mille tulemusena sünnib kaks puhvlit (joonisel tähistatud kui Bubble split seed). Üks puhvlist suundub pöörleva välja mööda permalloe rada, teine jääb paigale ja omandab kiiresti algse suuruse. Siis liigub see ühe alaraja juurde ja vahetab kohta seal cirkuleeriva puhvli külge. See omakorda jõuab sisendraja lõpuni ja kaob.

Puhvlite vahetus

Mullikeste vahetus toimub, kui mähisega antakse impulss voolu ruudukujulise signaaliga. Sel juhul ei toimu mullide eraldamist kaheks osaks.

Andmete lugemine

Andmed suunatakse väljundradadele nende kopeerimise teel ja jätkavad oma ringlust pärast lugemist. Sellega on seadmesse rakendatud mittetoksiline lugemisviis. Replikatsiooniks suunatakse mull pikendatud permalloy elemendi alla, mille all see venib. Ülalpool on ka silmusekujuline juht, ja kui silmusesse antakse voolu impulss, jaguneb mull kaheks osaks. Voolu impulss koosneb lühikesest osast, millel on suur voolutugevus, et jagada mull kaheks osaks, ja pikemast osast, millel on väiksem voolutugevus, et suunata mull väljundrajale.

Raja lõpus asub mullidetektor, magnetoresistiivne sild, mis on valmistatud permalloy elementidest, mis moodustavad pika ahela. Kui magnetiline mull jõuab permalloy elemendi alla, muutub selle takistus ja silla väljundis tekib potentsiaalide erinevus mitmes millivolus. Permalloy elementide kuju on kohandatud nii, et mull liiguks mööda neid, jõudes lõpuks spetsiaalse „kaitse” bussini ja kaob.

Üksikasjalikkus

Seade sisaldab 320 rada, igaühe suurus on 4096 bitti. Nendest 272 on aktiivsed ja 48 varuvad, mitteaktiivsed.

Käivitusrada (Boot Loop)

Seade sisaldab 320 andurida, millest 256 on ette nähtud kasutajaandmete salvestamiseks, ülejäänud võivad olla defektsed või varu, et asendada vigaseid. Üks lisarida sisaldab teavet anduridade kasutamise kohta, 12 bitti iga andurida kohta. Kui süsteemile rakendatakse toide, peab see olema initsialiseeritud. Initsialiseerimise käigus peab kontroller lugema laadimisriba ja kirjutama teabe sellest spetsiaalsesse formaadimis/mõõturi registrisse. Seejärel kasutab kontroller ainult aktiivseid andureid ja inaktiivsed jäetakse tähelepanuta, ning neisse ei kirjutata.

Andmesalvestus — struktuur

Kasutaja vaatenurgast on andmed salvestatud 2048 leheküljel, igaüks 512 bitti. Iga seadme pool salvestab 256 bitti andmeid, 14 bitti vigade paranduskoodi ning 2 kasutamata bitti.

Vigade parandamine

Vea ja vigade parandamine toimub vooluanduri kiibi kaudu, mis sisaldab 14-bitist koodi dekooderit, mis parandab ühekordseid vigu kuni 5 biti (burst error) pikkuses igas 270-bitis blokeeringus (sealhulgas kood ise). Kood lisatakse iga 256-bitise blokeeringu lõppu. Paranduskoode saab kasutada või mitte, vastavalt kasutaja soovile; koodi kontrollimine võib olla sisse lülitatud või välja lülitatud kontrolleris. Kui koodi ei kasutata, võivad kõik 270 bitti olla kasutajateabe jaoks.

Juurdepääsu aeg

Magneetiline väli pöörleb sagedusel 50 kHz. Esimese bitini esimese lehe keskmine juurdepääsu aeg on 41 ms, mis on pool aega, mis on vajalik kogu tsükli sooritamiseks rajal, pluss aja jooksul, mis on vajalik väljalaske rajale minekuks.

320 aktiivset ja varu rada on jagatud neljaks osaks, millest igaühes on 80 radu. See korraldus vähendab pääsuaega. Neljandikud adresseeritakse paaridena: iga paar neljandikku sisaldab vastavalt paaris ja paaritut bitti sõnast. Seade sisaldab nelja sisenemisteed koos nelja algse mulliga ja nelja väljundrada. Väljundraad kasutavad kahte detektorit, mis on korraldatud nii, et ühe detektori alla ei satu samaaegselt kahest rajast kahte mulda. Seega neli mullijõudu multiplekseeritakse ja muudetakse kaheks bittide voolu ning salvestatakse vooluanduri kiibi registrites. Seal sisu registreid jälle multiplekseeritakse ja sekundaarses liideses jõuab kontrollerisse.

Artikli teises osas vaatame detailsemalt mullimälu kontrolleri skeemitööd.

4. Retsensioonide nimekiri

Autor leidis veidratest allikatest ja säilitas teie jaoks hulgaliselt kasulikku tehnilist teavet CMD mälu, selle ajaloo ja muude seotud aspektide kohta:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ — Inženýr Bobeki kaks mälumudelit
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ — Inženýr Bobeki kaks mälumudelit (osa 2)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory — Mullimälu
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Magneetpuhv mälu kohandamine standardses mikroarvutikeskkonnas
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf — Texas Instruments TIB 0203 Puhvri mälu
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa — Mälu koostisosade käsiraamat. Intel 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-megabaitine Puhvri mälu

Allikas: habr.com