حافظه در حوزه های مغناطیسی استوانه ای قسمت 1. چگونه کار می کند

عکس از مجموعه نویسنده

1. تاریخچه

حافظه حباب یا حافظه استوانه ای دامنه مغناطیسی، یک حافظه غیر فرار است که در آزمایشگاه بل در سال 1967 توسط اندرو بابک توسعه یافت. مطالعات نشان داده‌اند که حوزه‌های مغناطیسی استوانه‌ای کوچک در لایه‌های نازک تک بلوری از فریت‌ها و گارنت‌ها زمانی تشکیل می‌شوند که یک میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی عمود بر سطح فیلم باشد. با تغییر میدان مغناطیسی می توان این حباب ها را جابجا کرد. چنین ویژگی هایی حباب های مغناطیسی را برای ساخت یک ذخیره بیت متوالی ایده آل می کند، مانند یک شیفت رجیستر، که در آن وجود یا عدم وجود یک حباب در یک موقعیت خاص، مقدار صفر یا یک بیت را نشان می دهد. قطر حباب یک دهم میکرون است و یک تراشه می تواند هزاران بیت داده را ذخیره کند. بنابراین، به عنوان مثال، در بهار سال 1977، تگزاس اینسترومنتز برای اولین بار تراشه ای با ظرفیت 92304 بیت را به بازار معرفی کرد. این حافظه غیرفرار است که آن را شبیه به نوار مغناطیسی یا دیسک می کند، اما به دلیل اینکه حالت جامد دارد و دارای قطعات متحرک نیست، قابل اعتمادتر از نوار یا دیسک است، نیازی به نگهداری ندارد و بسیار کوچکتر و سبک تر است. ، و می تواند در دستگاه های قابل حمل استفاده شود.

در ابتدا، اندرو بابک، مخترع حافظه حبابی، نسخه‌ای از حافظه «یک بعدی» را به شکل نخی پیشنهاد کرد که نوار نازکی از مواد فرومغناطیسی در اطراف آن پیچیده شده است. چنین حافظه‌ای به نام حافظه «تویستور» نامیده می‌شد و حتی به تولید انبوه نیز رسید، اما به زودی جایگزین نسخه «دو بعدی» شد.

تاریخچه ایجاد حافظه حبابی را می توانید در [1-3] بخوانید.

2. اصل عملیات

در اینجا از شما می خواهم که مرا ببخشید، من یک فیزیکدان نیستم، بنابراین ارائه بسیار تقریبی خواهد بود.

برخی از مواد (مانند گارنت گادولینیوم گالیوم) این خاصیت را دارند که فقط در یک جهت مغناطیسی شوند و اگر میدان مغناطیسی ثابتی در امتداد این محور اعمال شود، مانند شکل زیر، مناطق مغناطیسی شده چیزی شبیه حباب ایجاد می کنند. هر حباب فقط چند میکرون قطر دارد.

فرض کنید ما یک لایه نازک کریستالی به اندازه 0,001 اینچ از چنین ماده ای داریم که روی یک زیرلایه غیر مغناطیسی مانند شیشه قرار گرفته است.

همه چیز در مورد حباب های جادویی است. تصویر سمت چپ - میدان مغناطیسی وجود ندارد، تصویر سمت راست - میدان مغناطیسی عمود بر سطح فیلم است.

اگر بر روی سطح فیلمی از چنین ماده ای، الگویی از یک ماده مغناطیسی، به عنوان مثال، آلیاژ دائمی، یک آلیاژ آهن نیکل تشکیل شود، حباب ها به عناصر این الگو مغناطیسی می شوند. به طور معمول، الگوهایی به شکل عناصر T یا V شکل استفاده می شود.

یک حباب منفرد می تواند توسط یک میدان مغناطیسی 100-200 oersted تشکیل شود که عمود بر لایه مغناطیسی اعمال می شود و توسط یک آهنربای دائمی ایجاد می شود و یک میدان مغناطیسی چرخشی که توسط دو سیم پیچ در جهت XY تشکیل شده است، به شما امکان می دهد حرکت کنید. حوزه های حباب از یک "جزیره" مغناطیسی به دیگری، مانند این که در تصویر نشان داده شده است. پس از یک تغییر چهار برابری در جهت میدان مغناطیسی، دامنه از یک جزیره به جزیره دیگر منتقل می شود.

همه اینها به ما این امکان را می دهد که دستگاه CMD را به عنوان یک شیفت رجیستر در نظر بگیریم. اگر در یک انتهای رجیستر حباب‌هایی تشکیل دهیم و در سر دیگر آن‌ها را شناسایی کنیم، می‌توانیم الگوی خاصی از حباب‌ها را در اطراف منفجر کنیم و از سیستم به عنوان یک دستگاه حافظه استفاده کنیم و بیت‌ها را در زمان‌های خاصی بخوانیم و بنویسیم.

از اینجا مزایا و معایب حافظه CMD را دنبال کنید: مزیت آن استقلال انرژی است (تا زمانی که میدان عمودی ایجاد شده توسط آهنرباهای دائمی اعمال شود، حباب ها در هیچ کجا ناپدید نمی شوند و از موقعیت خود حرکت نمی کنند) و عیب آن زمان دسترسی طولانی، زیرا برای دسترسی به یک بیت دلخواه، باید کل رجیستر شیفت را به موقعیت مورد نظر پیمایش کنید، و هر چه طولانی تر باشد، به چرخه های بیشتری نیاز دارد.

الگوی عناصر مغناطیسی روی فیلم مغناطیسی CMD.

ایجاد یک دامنه مغناطیسی در زبان انگلیسی "nucleation" نامیده می شود و به این معنی است که جریانی به اندازه صد میلی آمپر به سیم پیچ برای مدت زمان حدود 100 نانو ثانیه اعمال می شود و میدان مغناطیسی عمود بر سیم پیچ ایجاد می شود. فیلم و در مقابل میدان آهنربای دائمی. این یک "حباب" مغناطیسی ایجاد می کند - یک حوزه مغناطیسی استوانه ای در فیلم. این فرآیند، متأسفانه، به شدت به دما وابسته است، ممکن است یک عملیات نوشتن بدون تشکیل حباب با شکست مواجه شود، یا چندین حباب تشکیل شود.

چندین تکنیک برای خواندن داده ها از یک فیلم استفاده می شود.

یک راه، خواندن غیر مخرب، تشخیص میدان مغناطیسی ضعیف حوزه استوانه ای با استفاده از یک سنسور مغناطیسی مقاومتی است.

راه دوم خواندن مخرب است. حباب به یک مسیر تولید/تشخیص ویژه هدایت می‌شود، جایی که حباب با مغناطش جلویی مواد از بین می‌رود. اگر ماده مغناطیسی معکوس شود، یعنی حباب وجود داشته باشد، جریان بیشتری در سیم پیچ ایجاد می شود و این توسط مدار الکترونیکی تشخیص داده می شود. پس از آن، حباب باید دوباره در یک مسیر ضبط خاص تولید شود.


با این حال، اگر حافظه به صورت یک آرایه پیوسته سازماندهی شود، دو اشکال بزرگ خواهد داشت. اول، زمان دسترسی بسیار طولانی خواهد بود. ثانیاً، یک نقص واحد در زنجیره منجر به عدم کارکرد کامل کل دستگاه می شود. بنابراین، همانطور که در شکل نشان داده شده است، حافظه ای را به شکل یک مسیر اصلی و بسیاری از مسیرهای فرعی سازماندهی می کنند.

حافظه حبابی با یک مسیر پیوسته

حافظه حباب دار با آهنگ های master/slave

چنین پیکربندی حافظه نه تنها زمان دسترسی را تا حد زیادی کاهش می دهد، بلکه امکان تولید دستگاه های حافظه حاوی تعداد معینی از آهنگ های معیوب را نیز فراهم می کند. کنترل کننده حافظه باید آنها را در حین عملیات خواندن / نوشتن در نظر گرفته و دور بزند.

شکل زیر مقطعی از "تراشه" حافظه حبابی را نشان می دهد.

شما همچنین می توانید در مورد اصل حافظه حبابی در [4، 5] بخوانید.

3 اینتل 7110

Intel 7110 - ماژول حافظه حبابی، MBM (حباب مغناطیسی حافظه) با ظرفیت 1 مگابایت (1048576 بیت). این اوست که در KDPV به تصویر کشیده شده است. 1 مگابیت ظرفیت ذخیره سازی داده های کاربر است، با در نظر گرفتن آهنگ های اضافی، ظرفیت کل 1310720 بیت است. این دستگاه شامل 320 مسیر (حلقه) حلقه دار با ظرفیت هر کدام 4096 بیت است، اما تنها 256 مورد از آنها برای داده های کاربر استفاده می شود، بقیه ذخیره ای برای جایگزینی مسیرهای "شکسته" و برای ذخیره کد تصحیح خطا اضافی است. این دستگاه دارای معماری حلقه اصلی مسیر-فرعی است. اطلاعات مربوط به آهنگ های فعال در یک مسیر بوت جداگانه (حلقه راه انداز) موجود است. در KDPV، می‌توانید کد هگزادسیمال را که درست روی ماژول چاپ شده است ببینید. این نقشه مسیرهای "شکسته" است، 80 رقم هگزا دسیمال 320 مسیر داده را نشان می دهد، ارقام فعال با یک بیت و ارقام غیرفعال با صفر نشان داده می شوند.

می توانید مستندات اصلی ماژول را در [7] بخوانید.

دستگاه دارای کیف با آرایش پین دو ردیفه و بدون لحیم کاری (در سوکت) نصب می شود.

ساختار ماژول در شکل نشان داده شده است:

آرایه حافظه به دو "نیم بخش" (نیم بخش) تقسیم می شود که هر یک از آنها به دو "چهارم" (چهارگانه) تقسیم می شود که هر ربع دارای 80 آهنگ برده است. این ماژول حاوی صفحه ای با مواد مغناطیسی است که در داخل دو سیم پیچ متعامد قرار دارد که یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند. برای انجام این کار، سیگنال های فعلی به شکل مثلثی، که 90 درجه نسبت به یکدیگر جابجا شده اند، به سیم پیچ ها اعمال می شود. مجموعه صفحه و سیم پیچ ها بین آهنرباهای دائمی قرار می گیرد و در یک سپر مغناطیسی قرار می گیرد که شار مغناطیسی تولید شده توسط آهنرباهای دائمی را می بندد و دستگاه را از میدان های مغناطیسی خارجی محافظت می کند. صفحه در شیب 2,5 درجه قرار می گیرد که یک میدان جابجایی کوچک در امتداد شیب ایجاد می کند. این میدان در مقایسه با میدان سیم پیچ ها ناچیز است و در حرکت حباب ها در حین کار دستگاه تداخلی ایجاد نمی کند، اما هنگام خاموش شدن دستگاه، حباب ها را به موقعیت های ثابتی نسبت به عناصر پرمالوی منتقل می کند. جزء قوی عمودی آهنرباهای دائمی وجود حوزه های مغناطیسی حباب را پشتیبانی می کند.

ماژول شامل گره های زیر است:

1. آهنگ های حافظه مستقیماً آن آهنگ‌هایی از عناصر دائمی که حباب‌ها را نگه می‌دارند و هدایت می‌کنند.
2. مولد تکثیر برای تکثیر حباب، که به طور مداوم در محل تولید وجود دارد، خدمت می کند.
3. مسیر ورودی و گره های مبادله. حباب های تولید شده در امتداد مسیر ورودی حرکت می کنند. حباب ها به یکی از 80 مسیر برده منتقل می شوند.
4. مسیر خروجی و گره تکرار. حباب ها بدون از بین بردن آنها از مسیرهای داده کسر می شوند. حباب به دو قسمت تقسیم می شود و یکی از آنها به مسیر خروجی می رود.
5. آشکارساز. حباب ها از مسیر خروجی وارد آشکارساز مغناطیسی مقاومت می شوند.
6. در حال بارگیری آهنگ مسیر بوت حاوی اطلاعاتی در مورد آهنگ های داده فعال و غیرفعال است.

در زیر به این گره ها با جزئیات بیشتری نگاه خواهیم کرد. همچنین می توانید توضیحات این گره ها را در [6] بخوانید.

تولید حباب

برای تولید حباب، در همان ابتدای مسیر ورودی، هادی به شکل یک حلقه کوچک خم شده است. یک پالس جریان به آن اعمال می شود که میدان مغناطیسی در ناحیه بسیار کوچکی قوی تر از میدان آهنرباهای دائمی ایجاد می کند. ضربه در این نقطه حباب ایجاد می کند که به طور دائم توسط یک میدان مغناطیسی ثابت حفظ می شود و در امتداد عنصر دائمی تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی در حال چرخش به گردش در می آید. در صورت نیاز به نوشتن یک واحد در حافظه، یک پالس کوتاه به حلقه رسانا اعمال می کنیم و در نتیجه دو حباب ایجاد می شود (که در شکل به صورت Bubble split seed نشان داده شده است). یکی از حباب ها توسط میدان دوار در امتداد مسیر پرمالوی به سرعت حرکت می کند، حباب دوم در جای خود باقی می ماند و به سرعت اندازه اصلی خود را به دست می آورد. سپس به یکی از مسیرهای برده حرکت می‌کند و مکان‌هایش را با حبابی که در آن در گردش است عوض می‌کند. به نوبه خود به انتهای مسیر ورودی می رسد و ناپدید می شود.

بورس حباب

تبادل حباب زمانی اتفاق می افتد که یک پالس جریان مستطیلی به هادی مربوطه اعمال شود. در این حالت حباب به دو قسمت تقسیم نمی شود.

خواندن داده ها

داده ها با تکرار به مسیر خروجی ارسال می شوند و پس از خواندن در مسیر خود به گردش خود ادامه می دهند. بنابراین، این دستگاه یک روش غیر مخرب خواندن را اجرا می کند. برای تکثیر، حباب زیر یک عنصر آلیاژی دراز هدایت می شود که زیر آن کشیده می شود. در بالا نیز یک هادی به شکل حلقه وجود دارد، اگر پالس جریان به حلقه اعمال شود، حباب به دو قسمت تقسیم می شود. پالس جریان شامل یک بخش کوتاه جریان بالا برای تقسیم حباب به دو قسمت و یک بخش طولانی تر از جریان پایین تر برای هدایت حباب به مسیر خروجی است.

در انتهای مسیر خروجی، آشکارساز حباب، یک پل مغناطیسی مقاوم ساخته شده از عناصر دائمی آلیاژی است که یک مدار طولانی را تشکیل می دهد. هنگامی که یک حباب مغناطیسی زیر یک عنصر پرمالیاژ می افتد، مقاومت آن تغییر می کند و اختلاف پتانسیل چند میلی ولتی در خروجی پل ظاهر می شود. شکل عناصر permalloy به گونه ای انتخاب می شود که حباب در امتداد آنها حرکت می کند ، در انتها به لاستیک مخصوص "گارد" برخورد می کند و ناپدید می شود.

افزونگی

این دستگاه شامل 320 آهنگ است که هر کدام 4096 بیت دارند. از این تعداد، 272 فعال، 48 یدکی، غیرفعال هستند.

آهنگ بوت (حلقه بوت)

این دستگاه شامل 320 تراک داده است که 256 مورد آن برای ذخیره داده های کاربر در نظر گرفته شده است، بقیه ممکن است معیوب باشند یا ممکن است به عنوان قطعات یدکی برای جایگزینی موارد معیوب عمل کنند. یک آهنگ اضافی حاوی اطلاعاتی در مورد استفاده از مسیرهای داده، 12 بیت در هر آهنگ است. هنگامی که سیستم روشن می شود، باید مقداردهی اولیه شود. در طول فرآیند اولیه سازی، کنترل کننده باید مسیر بوت را بخواند و اطلاعات را از آن در یک رجیستر ویژه تراشه قالب بندی / حسگر جریان بنویسد. سپس کنترلر فقط از مسیرهای فعال استفاده می کند و موارد غیرفعال نادیده گرفته می شوند و روی آنها نوشته نمی شود.

انبار داده - ساختار

از دید کاربر، داده ها در 2048 صفحه 512 بیتی ذخیره می شوند. 256 بایت داده، 14 بیت کد تصحیح خطا و 2 بیت استفاده نشده در هر نیمه از دستگاه ذخیره می شود.

تصحیح خطا

تشخیص و تصحیح خطا را می توان توسط یک تراشه حسگر فعلی انجام داد که حاوی رمزگشای کد 14 بیتی است که یک خطا را تا 5 بیت طول (خطای انفجاری) در هر بلوک 270 بیتی (شامل خود کد) تصحیح می کند. کد به انتهای هر بلوک 256 بیتی اضافه می شود. کد تصحیح را می توان استفاده کرد یا استفاده نکرد، به درخواست کاربر، تأیید کد را می توان در کنترلر روشن یا خاموش کرد. در صورت عدم استفاده از کد، تمام 270 بیت می تواند برای داده های کاربر استفاده شود.

زمان دسترسی

میدان مغناطیسی با فرکانس 50 کیلوهرتز می چرخد. میانگین زمان دسترسی به بیت اول صفحه اول 41 میلی‌ثانیه است، که نصف زمانی است که طول می‌کشد تا یک چرخه کامل در مسیر به‌علاوه مدت زمانی که طول می‌کشد برای عبور از مسیر خروجی طی شود.

320 مسیر فعال و یدکی به چهار قسمت 80 تایی تقسیم شده است. این سازمان زمان دسترسی را کاهش می دهد. ربع ها به صورت جفت خطاب می شوند: هر جفت ربع به ترتیب حاوی بیت های زوج و فرد از کلمه است. این دستگاه شامل چهار مسیر ورودی با چهار حباب اولیه و چهار مسیر خروجی است. مسیرهای خروجی از دو آشکارساز استفاده می کنند، آنها به گونه ای سازماندهی شده اند که دو حباب از دو مسیر هرگز به طور همزمان به یک آشکارساز برخورد نمی کنند. بنابراین، چهار جریان حباب مالتی پلکس شده و به جریان دو بیتی تبدیل شده و در رجیسترهای تراشه حسگر فعلی ذخیره می‌شوند. در آنجا، محتویات رجیسترها دوباره مالتی پلکس شده و از طریق رابط سریال به کنترل کننده ارسال می شود.

در قسمت دوم مقاله نگاهی دقیق تر به مدار کنترلر حافظه حبابی خواهیم داشت.

4. مراجع

نویسنده در تاریک ترین گوشه های شبکه یافت و اطلاعات فنی مفید زیادی را در مورد حافظه در CMD، تاریخچه آن و سایر جنبه های مرتبط برای شما ذخیره کرد:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ - دو خاطره از مهندس بابک
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - دو خاطره از مهندس بابک (قسمت دوم)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory - حافظه حباب دار
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn انطباق حافظه حباب مغناطیسی در یک محیط میکروکامپیوتر استاندارد
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf - تگزاس اینسترومنتز TIB 0203 Bubble Memory
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa - کتابچه راهنمای اجزای حافظه. اینتل 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 حافظه حباب 1 مگابیت

منبع: www.habr.com