Foto autori kogust
1. Ajalugu
Mullmälu ehk silindriline magnetdomeeni mälu on püsimälu, mille töötas Bell Labsis 1967. aastal välja Andrew Bobeck. Uuringud on näidanud, et ferriitide ja granaatide ühekristallilistes õhukestes kiledes tekivad väikesed silindrilised magnetdomeenid, kui piisavalt tugev magnetväli on suunatud kile pinnaga risti. Magnetvälja muutmisega saab neid mullikesi liigutada. Sellised omadused muudavad magnetmullid ideaalseks jadabittide salvestamiseks, nagu nihkeregister, milles mulli olemasolu või puudumine teatud asukohas näitab nulli või ühte bitti. Mull on kümnendiku mikroni läbimõõduga ja üks kiip suudab salvestada tuhandeid bitte andmeid. Näiteks 1977. aasta kevadel tõi Texas Instruments esmakordselt turule 92304-bitise kiibi. See mälu on püsiv, muutes selle sarnaseks magnetlindi või kettaga, kuid kuna see on tahkis ja sellel pole liikuvaid osi, on see usaldusväärsem kui lint või ketas, ei vaja hooldust ning on palju väiksem ja kergem. saab kasutada kaasaskantavates seadmetes.
Esialgu pakkus mullmälu leiutaja Andrew Bobek välja mälu "ühemõõtmelise" versiooni niidi kujul, mille ümber on keritud õhuke ferromagnetilise materjali riba. Sellist mälu nimetati "keerdmäluks" ja seda toodeti isegi masstoodanguna, kuid peagi asendati see "kahemõõtmelise" versiooniga.
Mullimälu loomise ajaloost saab lugeda [1-3].
2. Tööpõhimõte
Siin ma palun teil mulle andeks anda, ma ei ole füüsik, seega on esitlus väga ligikaudne.
Mõnel materjalil (näiteks gadoliiniumi galliumgranaat) on omadus magnetiseerida ainult ühes suunas ja kui sellel teljel rakendatakse pidevat magnetvälja, moodustavad magnetiseeritud piirkonnad midagi mullilaadset, nagu on näidatud alloleval joonisel. Iga mulli läbimõõt on vaid paar mikronit.
Oletame, et meil on sellisest materjalist õhuke, suurusjärgus 0,001 tolline kristalne kile, mis on ladestunud mittemagnetilisele aluspinnale, näiteks klaasile.
See kõik on seotud maagiliste mullidega. Vasakpoolne pilt - magnetväli puudub, parempoolne pilt - magnetväli on suunatud filmi pinnaga risti.
Kui sellisest materjalist kile pinnale moodustatakse muster magnetmaterjalist, näiteks permalloy, raua-nikli sulamist, magnetiseeritakse mullid selle mustri elementidele. Tavaliselt kasutatakse mustreid T- või V-kujuliste elementide kujul.
Ühe mulli saab moodustada 100-200 oerstedi suurune magnetväli, mis kantakse magnetkile suhtes risti ja tekib püsimagneti abil ning pöörlev magnetväli, mille moodustavad kaks mähist XY suundades, võimaldab liikuda. mullide domeenid ühelt magnetiliselt "saarelt" teisele, nagu on näidatud joonisel. Pärast magnetvälja suuna neljakordset muutumist liigub domeen ühelt saarelt teisele.
Kõik see võimaldab meil käsitleda CMD-seadet nihkeregistrina. Kui moodustame registri ühes otsas mullid ja tuvastame need teises, siis saame teatud mullide mustri ümber puhuda ja kasutada süsteemi mäluseadmena, mis loeb ja kirjutab teatud aegadel bitte.
Siit lähtuvad CMD-mälu eelised ja puudused: plussiks on energiasõltumatus (seni kuni püsimagnetite tekitatud ristiväli on rakendatud, ei kao mullid kuhugi ega liigu oma positsioonilt) ning miinuseks on pikk juurdepääsuaeg, sest suvalisele bitile juurdepääsuks peate kerima kogu nihkeregistri soovitud asendisse ja mida pikem see on, seda rohkem tsükleid see nõuab.
Magnetelementide muster CMD magnetkilel.
Magnetdomeeni loomist nimetatakse inglise keeles "nucleation" ja see seisneb selles, et mähisele rakendatakse umbes 100 ns aja jooksul mitmesaja milliampi vool ja luuakse magnetväli, mis on risti. kile ja vastupidine püsimagneti väljale. Nii tekib filmis magnetiline "mull" – silindriline magnetdomeen. Kahjuks sõltub protsess suuresti temperatuurist, on võimalik, et kirjutamisoperatsioon nurjub ilma mulli moodustumata või võib tekkida mitu mulli.
Filmilt andmete lugemiseks kasutatakse mitmeid tehnikaid.
Üks võimalus, mittepurustav lugemine, on magnetresistiivse anduri abil tuvastada silindrilise domeeni nõrk magnetväli.
Teine võimalus on hävitav lugemine. Mull suunatakse spetsiaalsele genereerimis-/tuvastusrajale, kus mull hävitatakse materjali edasisuunas magnetiseerimisega. Kui materjal oleks pöördmagnetiseeritud, st mull oleks olemas, põhjustaks see mähises rohkem voolu ja elektroonikalülitused tuvastaksid selle. Pärast seda tuleb mull spetsiaalsel salvestusrajal uuesti genereerida.
Kui aga mälu on korraldatud ühe külgneva massiivina, on sellel kaks suurt puudust. Esiteks on juurdepääsuaeg väga pikk. Teiseks põhjustab üks ahela defekt kogu seadme täielikku töövõimetust. Seetõttu moodustavad nad mälu, mis on organiseeritud ühe põhiraja ja paljude alluvate radade kujul, nagu on näidatud joonisel.
Mullimälu ühe pideva rajaga
Mullimälu koos ülem-/alluvradadega
Selline mälukonfiguratsioon võimaldab mitte ainult juurdepääsuaega oluliselt vähendada, vaid võimaldab ka toota mäluseadmeid, mis sisaldavad teatud arvu defektseid lugusid. Mälukontroller peab neid lugemis-/kirjutustoimingute ajal arvesse võtma ja neist mööda minema.
Alloleval joonisel on kujutatud mullmälu "kiibi" ristlõige.
Mullmälu põhimõtte kohta saate lugeda ka [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - mullmälumoodul, MBM (magnet-mull-mälu) mahuga 1 MB (1048576 bitti). Just teda on KDPV-l kujutatud. 1 megabit on kasutajaandmete salvestamise võimsus, võttes arvesse üleliigseid lugusid, on kogumaht 1310720 bitti. Seade sisaldab 320 silmusrada (silmust) mahuga 4096 bitti, kuid ainult 256 neist kasutatakse kasutajaandmete jaoks, ülejäänu on reserv "katkiste" radade asendamiseks ja üleliigse veaparanduskoodi salvestamiseks. Seadmel on suur rööbastee-minoorse ahela arhitektuur. Teave aktiivsete radade kohta sisaldub eraldi alglaadimisrajas (bootstrap loop). KDPV-s näete kuueteistkümnendkoodi prindituna otse moodulile. See on "katkiste" radade kaart, 80 kuueteistkümnendnumbrit tähistavad 320 andmerada, aktiivsed on esindatud ühe bitiga, mitteaktiivsed nulliga.
Mooduli originaaldokumentatsiooni saate lugeda jaotisest [7].
Seadmel on kaherealise tihvtide paigutusega korpus ja see on monteeritud ilma jootmiseta (pesasse).
Mooduli struktuur on näidatud joonisel:
Mälu massiiv on jagatud kaheks "poolsektsiooniks" (poolsektsiooniks), millest igaüks on jagatud kaheks "veerandiks" (quad), igal veerandil on 80 alamrada. Moodul sisaldab magnetmaterjaliga plaati, mis asetsevad kahe ortogonaalse mähise sees, mis loovad pöörleva magnetvälja. Selleks kantakse mähistele kolmnurkse kujuga voolusignaalid, mis on üksteise suhtes 90 kraadi võrra nihutatud. Plaadi ja mähiste koost asetatakse püsimagnetite vahele ja asetatakse magnetkilbi, mis sulgeb püsimagnetite tekitatud magnetvoo ja varjestab seadet väliste magnetväljade eest. Plaat asetatakse 2,5 kraadise kaldega, mis loob väikese nihkevälja piki kallet. See väli on mähiste väljaga võrreldes tühine ja ei sega mullide liikumist seadme töötamise ajal, vaid nihutab mullid permalloy elementide suhtes fikseeritud asendisse, kui seade on välja lülitatud. Püsimagnetite tugev perpendikulaarne komponent toetab mullmagnetdomeenide olemasolu.
Moodul sisaldab järgmisi sõlme:
- Mälurajad. Otse need permalloy elementide rajad, mis hoiavad ja juhivad mullid.
- replikatsiooni generaator. Kasutab mulli replikatsiooni, mis on pidevalt genereerimiskohas.
- Sisendrada ja vahetussõlmed. Loodud mullid liiguvad mööda sisendrada. Mullid teisaldatakse ühele 80 orjarajast.
- Väljundrada ja replikatsioonisõlm. Mullid lahutatakse andmeradadest neid hävitamata. Mull jaguneb kaheks osaks ja üks neist läheb väljundrajale.
- Detektor. Väljundraja mullid sisenevad magnetoresistiivsesse detektorisse.
- Raja laadimine. Alglaadimisrada sisaldab teavet aktiivsete ja mitteaktiivsete andmeradade kohta.
Allpool vaatleme neid sõlme üksikasjalikumalt. Nende sõlmede kirjeldust saate lugeda ka artiklist [6].
mullide genereerimine
Mulli tekitamiseks on sisendraja alguses pisikese silmuse kujul painutatud juht. Sellele rakendatakse vooluimpulss, mis tekitab magnetvälja väga väikesel alal, mis on tugevam kui püsimagnetite väli. Impulss tekitab selles punktis mulli, mida hoiab pidevalt konstantne magnetväli ja mis ringleb pöörleva magnetvälja toimel mööda permalloy elementi. Kui meil on vaja ühik mällu kirjutada, rakendame juhtivale ahelale lühikese impulsi ja selle tulemusena sünnib kaks mulli (joonisel tähistatud kui Bubble split seed). Ühe mulli tormab pöörlev väli mööda permalloy rada, teine jääb paigale ja omandab kiiresti oma esialgse suuruse. Seejärel liigub see ühele orjarajale ja vahetab kohti selles ringleva mulliga. See omakorda jõuab sisendraja lõppu ja kaob.
mullivahetus
Mullide vahetus toimub siis, kui vastavale juhile rakendatakse ristkülikukujulist vooluimpulssi. Sel juhul mull ei jagune kaheks osaks.
Andmete lugemine
Andmed saadetakse replikatsiooni teel väljundrajale ja pärast lugemist jätkavad need ringlemist oma rajal. Seega rakendab see seade mittepurustavat lugemismeetodit. Replitseerimiseks suunatakse mull pikliku permalloy elemendi alla, mille alla see venitatakse. Üleval on ka silmuse kujul olev juht, kui vooluimpulss on ahelale suunatud, jagatakse mull kaheks osaks. Vooluimpulss koosneb lühikesest suure voolu osast, et jagada mull kaheks, ja pikemast madalama voolu osast, mis suunab mulli väljumisrajale.
Väljundraja lõpus on Bubble Detector, magnetoresistiivne sild, mis on valmistatud pika vooluringi moodustavatest permalloy elementidest. Kui magnetmull langeb permalloy elemendi alla, muutub selle takistus ja silla väljundis tekib mitme millivoldi potentsiaalide erinevus. Permalloy elementide kuju valitakse nii, et mull liigub neid mööda, lõpus põrkab vastu spetsiaalset “kaitse” rehvi ja kaob.
Koondamine
Seade sisaldab 320 rada, millest igaühel on 4096 bitti. Neist 272 on aktiivsed, 48 on varud, mitteaktiivsed.
Alglaadimisrada (boot Loop)
Seade sisaldab 320 andmerada, millest 256 on mõeldud kasutajaandmete salvestamiseks, ülejäänud võivad olla vigased või võivad olla vigaste asendamiseks varuosad. Üks lisarada sisaldab teavet andmeradade kasutamise kohta, 12 bitti raja kohta. Kui süsteem on sisse lülitatud, tuleb see lähtestada. Lähtestamisprotsessi ajal peab kontroller lugema alglaadimisrada ja kirjutama sellelt teabe vorminduskiibi / vooluanduri spetsiaalsesse registrisse. Seejärel kasutab kontroller ainult aktiivseid radu ja passiivseid lugusid ignoreeritakse ja neile ei kirjutata.
Andmeladu – struktuur
Kasutaja seisukohast on andmed salvestatud 2048 lehele, millest igaüks on 512 bitti. Seadme mõlemas pooles on salvestatud 256 baiti andmeid, 14 bitti veaparanduskoodi ja 2 kasutamata bitti.
Veaparandus
Vigade tuvastamist ja parandamist saab teostada praeguse andurikiibi abil, mis sisaldab 14-bitist koodidekoodrit, mis parandab igas 5-bitises plokis (kaasa arvatud kood ise) ühe kuni 270-bitise vea (purskeviga). Kood lisatakse iga 256-bitise ploki lõppu. Paranduskoodi saab kasutada või mitte kasutada, kasutaja soovil saab kontrolleris koodikontrolli sisse või välja lülitada. Kui koodi ei kasutata, saab kasutajaandmete jaoks kasutada kõiki 270 bitti.
Juurdepääsuaeg
Magnetväli pöörleb sagedusega 50 kHz. Keskmine juurdepääsuaeg esimese lehe esimesele bitile on 41 ms, mis on pool ajast, mis kulub kogu raja läbimiseks, millele lisandub väljundraja läbimiseks kuluv aeg.
320 aktiivset ja varurada on jagatud neljaks osaks, millest igaühes on 80 rada. See organisatsioon vähendab juurdepääsuaega. Neljandaid käsitletakse paarikaupa: iga veerandipaar sisaldab vastavalt sõna paaris- ja paarituid bitte. Seade sisaldab nelja sisendrada nelja algse mulliga ja nelja väljundrada. Väljundradadel kasutatakse kahte detektorit, need on korraldatud nii, et kaks mulli kahelt rajalt ei taba kunagi ühte detektorit korraga. Seega multipleksitakse neli mullivoogu ja teisendatakse kaheks bitivooks ning salvestatakse praeguse andurikiibi registritesse. Seal multipleksitakse uuesti registrite sisu ja saadetakse jadaliidese kaudu kontrollerile.
Artikli teises osas vaatleme lähemalt mullmälu kontrolleri skeemi.
4. Viited
Autor leidis võrgu kõige tumedamatest nurkadest ja salvestas teie jaoks palju kasulikku tehnilist teavet CMD mälu, selle ajaloo ja muude seotud aspektide kohta:
1. — Kaks mälestust insener Bobekist
2. - Kaks mälestust insener Bobekist (2. osa)
3. — Mullimälu
4. Magnetmullide mälu kohandamine standardses mikroarvutikeskkonnas
5. — Texas Instruments TIB 0203 mullimälu
6. — Mälukomponentide käsiraamat. Intel 1983.
7. 7110 1-megabitine mullmälu
Allikas: www.habr.com