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1. Histoire
La mémoire à bulles, ou mémoire à domaine magnétique cylindrique, est une mémoire non volatile développée aux Bell Labs en 1967 par Andrew Bobeck. Des études ont montré que de petits domaines magnétiques cylindriques se forment dans des films minces monocristallins de ferrites et de grenats lorsqu'un champ magnétique suffisamment puissant est dirigé perpendiculairement à la surface du film. En modifiant le champ magnétique, ces bulles peuvent être déplacées. De telles propriétés rendent les bulles magnétiques idéales pour construire une mémoire séquentielle de bits, comme un registre à décalage, dans lequel la présence ou l'absence d'une bulle à une certaine position indique une valeur de zéro ou d'un bit. La bulle mesure des dixièmes de micron de diamètre et une seule puce peut stocker des milliers de bits de données. Ainsi, par exemple, au printemps 1977, Texas Instruments a introduit pour la première fois sur le marché une puce d'une capacité de 92304 bits. Cette mémoire est non volatile, ce qui la rend similaire à une bande magnétique ou à un disque, mais comme elle est à l'état solide et ne contient aucune pièce mobile, elle est plus fiable que la bande ou le disque, ne nécessite aucun entretien et est beaucoup plus petite et plus légère. , et peut être utilisé dans des appareils portables.
Initialement, l'inventeur de la mémoire à bulles, Andrew Bobek, a proposé une version "unidimensionnelle" de la mémoire, sous la forme d'un fil autour duquel est enroulée une fine bande de matériau ferromagnétique. Une telle mémoire s'appelait mémoire "twistor", et était même produite en série, mais fut bientôt remplacée par la version "bidimensionnelle".
Vous pouvez lire l'historique de la création de la mémoire à bulles dans [1-3].
2. Principe de fonctionnement
Ici je vous demande de m'excuser, je ne suis pas physicien, donc la présentation sera très approximative.
Certains matériaux (comme le grenat gadolinium gallium) ont la propriété d'être magnétisés dans une seule direction, et si un champ magnétique constant est appliqué le long de cet axe, les régions magnétisées formeront quelque chose comme des bulles, comme le montre la figure ci-dessous. Chaque bulle ne mesure que quelques microns de diamètre.
Supposons que nous ayons un film cristallin mince, de l'ordre de 0,001 pouce, d'un tel matériau déposé sur un substrat non magnétique, tel que du verre.
Tout tourne autour des bulles magiques. L'image de gauche - il n'y a pas de champ magnétique, l'image de droite - le champ magnétique est dirigé perpendiculairement à la surface du film.
Si à la surface d'un film d'un tel matériau un motif est formé à partir d'un matériau magnétique, par exemple du permalloy, un alliage fer-nickel, alors les bulles seront aimantées aux éléments de ce motif. Typiquement, des motifs sous la forme d'éléments en forme de T ou de V sont utilisés.
Une seule bulle peut être formée par un champ magnétique de 100-200 oersteds, qui est appliqué perpendiculairement au film magnétique et est créé par un aimant permanent, et un champ magnétique rotatif formé par deux bobines dans les directions XY, vous permet de vous déplacer les domaines de bulles d'une "île" magnétique à une autre, comme cela est montré sur la figure. Après un quadruple changement de direction du champ magnétique, le domaine se déplacera d'une île à l'autre.
Tout cela nous permet de considérer le dispositif CMD comme un registre à décalage. Si nous formons des bulles à une extrémité du registre et les détectons à l'autre, nous pouvons souffler un certain motif de bulles et utiliser le système comme un dispositif de mémoire, lisant et écrivant des bits à certains moments.
De là découlent les avantages et les inconvénients de la mémoire CMD : l'avantage est l'indépendance énergétique (tant qu'un champ perpendiculaire créé par des aimants permanents est appliqué, les bulles ne disparaîtront nulle part et ne bougeront pas de leurs positions), et l'inconvénient est un temps d'accès long, car pour accéder à un bit arbitraire, vous devez faire défiler tout le registre à décalage jusqu'à la position souhaitée, et plus il est long, plus cela nécessitera de cycles.
Le motif des éléments magnétiques sur le film magnétique CMD.
La création d'un domaine magnétique est appelée en anglais « nucléation », et consiste en ce qu'un courant de plusieurs centaines de milliampères est appliqué au bobinage pendant une durée d'environ 100 ns, et il se crée un champ magnétique perpendiculaire au film et opposé au champ d'un aimant permanent. Cela crée une "bulle" magnétique - un domaine magnétique cylindrique dans le film. Le processus, malheureusement, dépend fortement de la température, il est possible qu'une opération d'écriture échoue sans qu'une bulle se forme, ou que plusieurs bulles se forment.
Plusieurs techniques sont utilisées pour lire les données d'un film.
Un moyen, de lecture non destructive, consiste à détecter le faible champ magnétique du domaine cylindrique à l'aide d'un capteur magnétorésistif.
La deuxième voie est la lecture destructive. La bulle est dirigée vers une piste de génération/détection spéciale, où la bulle est détruite par magnétisation directe du matériau. Si le matériau était magnétisé en sens inverse, c'est-à-dire qu'une bulle était présente, cela provoquerait plus de courant dans la bobine et cela serait détecté par les circuits électroniques. Après cela, la bulle doit être régénérée sur une piste d'enregistrement spéciale.
Cependant, si la mémoire est organisée en un seul tableau contigu, elle aura deux gros inconvénients. Tout d'abord, le temps d'accès sera très long. Deuxièmement, un seul défaut dans la chaîne entraînera l'inopérabilité complète de l'ensemble de l'appareil. Par conséquent, ils constituent une mémoire organisée sous la forme d'une piste principale et de plusieurs pistes subordonnées, comme indiqué sur la figure.
Mémoire à bulles avec une piste continue
Mémoire à bulles avec pistes maître/esclave
Une telle configuration mémoire permet non seulement de réduire fortement le temps d'accès, mais permet également la réalisation de dispositifs mémoire contenant un certain nombre de pistes défectueuses. Le contrôleur mémoire doit en tenir compte et les contourner lors des opérations de lecture/écriture.
La figure ci-dessous montre une coupe transversale d'une "puce" de mémoire à bulles.
Vous pouvez également lire sur le principe de la mémoire à bulles dans [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - module de mémoire à bulles, MBM (mémoire à bulles magnétiques) d'une capacité de 1 Mo (1048576 bits). C'est lui qui est représenté sur le KDPV. 1 mégabit est la capacité de stockage des données utilisateur, compte tenu des pistes redondantes, la capacité totale est de 1310720 bits. L'appareil contient 320 pistes en boucle (boucles) d'une capacité de 4096 bits chacune, mais seulement 256 d'entre elles sont utilisées pour les données utilisateur, le reste est une réserve pour remplacer les pistes «cassées» et pour stocker le code de correction d'erreur redondant. Le dispositif a une architecture piste majeure-boucle mineure. Les informations sur les pistes actives sont contenues dans une piste de démarrage séparée (boucle de démarrage). Sur le KDPV, vous pouvez voir le code hexadécimal imprimé directement sur le module. C'est la carte des pistes "cassées", 80 chiffres hexadécimaux représentent 320 pistes de données, les pistes actives sont représentées par un seul bit, les inactives par zéro.
Vous pouvez lire la documentation originale du module dans [7].
L'appareil a un boîtier avec une disposition à double rangée de broches et est monté sans soudure (dans une prise).
La structure du module est illustrée dans la figure :
La matrice mémoire est divisée en deux "demi-sections" (demi-sections), chacune étant divisée en deux "quartiers" (quads), chaque quart comportant 80 pistes esclaves. Le module contient une plaque avec un matériau magnétique situé à l'intérieur de deux enroulements orthogonaux qui créent un champ magnétique rotatif. Pour ce faire, des signaux de courant de forme triangulaire, décalés de 90 degrés les uns par rapport aux autres, sont appliqués aux enroulements. L'ensemble plaque et bobinages est placé entre les aimants permanents et placé dans un blindage magnétique qui ferme le flux magnétique généré par les aimants permanents et protège le dispositif des champs magnétiques extérieurs. La plaque est placée à une pente de 2,5 degrés, ce qui crée un petit champ de déplacement le long de la pente. Ce champ est négligeable par rapport au champ des bobines, et n'interfère pas avec le mouvement des bulles pendant le fonctionnement du dispositif, mais déplace les bulles vers des positions fixes par rapport aux éléments en permalloy lorsque le dispositif est éteint. La forte composante perpendiculaire des aimants permanents soutient l'existence de domaines magnétiques à bulles.
Le module contient les nœuds suivants :
- Pistes de mémoire. Directement ces traces d'éléments en permalloy qui retiennent et guident les bulles.
- générateur de réplication. Sert à la réplication de la bulle, qui est constamment présente sur le lieu de génération.
- Piste d'entrée et nœuds d'échange. Les bulles générées se déplacent le long de la piste d'entrée. Les bulles sont déplacées vers l'une des 80 pistes esclaves.
- Piste de sortie et nœud de réplication. Les bulles sont soustraites des pistes de données sans les détruire. La bulle se divise en deux parties, et l'une d'elles va à la piste de sortie.
- Détecteur. Les bulles de la piste de sortie entrent dans le détecteur magnétorésistif.
- Piste de chargement. La piste de démarrage contient des informations sur les pistes de données actives et inactives.
Ci-dessous, nous examinerons ces nœuds plus en détail. Vous pouvez également lire la description de ces nœuds dans [6].
génération de bulles
Pour générer une bulle, au tout début de la piste d'entrée se trouve un conducteur courbé en forme de petite boucle. Une impulsion de courant lui est appliquée, ce qui crée un champ magnétique dans une très petite zone plus fort que le champ des aimants permanents. L'impulsion crée une bulle à cet endroit, qui reste en permanence entretenue par un champ magnétique constant et circule le long de l'élément en permalloy sous l'action d'un champ magnétique tournant. Si nous devons écrire une unité dans la mémoire, nous appliquons une courte impulsion à la boucle conductrice et, par conséquent, deux bulles naissent (indiquées par Bubble split seed sur la figure). L'une des bulles est précipitée par le champ tournant le long de la piste en permalloy, la seconde reste en place et acquiert rapidement sa taille d'origine. Il se déplace ensuite vers l'une des pistes esclaves, et échange de place avec la bulle qui y circule. Il atteint à son tour la fin de la piste d'entrée et disparaît.
échange de bulles
L'échange de bulles se produit lorsqu'une impulsion de courant rectangulaire est appliquée au conducteur correspondant. Dans ce cas, la bulle ne se divise pas en deux parties.
Lecture des données
Les données sont envoyées sur la piste de sortie par réplication, et continuent à circuler dans sa piste après avoir été lues. Ainsi, ce dispositif met en oeuvre un procédé de lecture non destructif. Pour répliquer, la bulle est dirigée sous un élément allongé en permalloy, sous lequel elle est étirée. Au-dessus se trouve également un conducteur en forme de boucle, si une impulsion de courant est appliquée à la boucle, la bulle sera divisée en deux parties. L'impulsion de courant consiste en une courte section de courant élevé pour diviser la bulle en deux et une section plus longue de courant plus faible pour diriger la bulle vers la voie de sortie.
Au bout de la piste de sortie se trouve le Bubble Detector, un pont magnétorésistif constitué d'éléments en permalloy formant un long circuit. Lorsqu'une bulle magnétique tombe sous un élément en permalloy, sa résistance change et une différence de potentiel de plusieurs millivolts apparaît à la sortie du pont. La forme des éléments en permalloy est choisie de manière à ce que la bulle se déplace le long d'eux, à la fin elle heurte un pneu spécial «garde» et disparaît.
Redondance
L'appareil contient 320 pistes, chacune avec 4096 bits. Parmi ceux-ci, 272 sont actifs, 48 sont libres, inactifs.
Piste de démarrage (boucle de démarrage)
L'appareil contient 320 pistes de données, dont 256 sont destinées au stockage des données de l'utilisateur, les autres peuvent être défectueuses ou peuvent servir de pièces de rechange pour remplacer celles qui sont défectueuses. Une piste supplémentaire contient des informations sur l'utilisation des pistes de données, 12 bits par piste. Lorsque le système est mis sous tension, il doit être initialisé. Pendant le processus d'initialisation, le contrôleur doit lire la piste de démarrage et écrire des informations à partir de celle-ci dans un registre spécial de la puce de formatage / capteur de courant. Ensuite, le contrôleur n'utilisera que les pistes actives, et les pistes inactives seront ignorées et ne seront pas écrites.
Entrepôt de données - Structure
Du point de vue de l'utilisateur, les données sont stockées dans 2048 pages de 512 bits chacune. 256 octets de données, 14 bits de code de correction d'erreur et 2 bits inutilisés sont stockés dans chaque moitié de l'appareil.
Correction des erreurs
La détection et la correction des erreurs peuvent être effectuées par une puce de capteur de courant, qui contient un décodeur de code 14 bits qui corrige une seule erreur jusqu'à 5 bits de long (erreur en rafale) dans chaque bloc de 270 bits (y compris le code lui-même). Le code est ajouté à la fin de chaque bloc de 256 bits. Le code de correction peut être utilisé ou non, à la demande de l'utilisateur, la vérification du code peut être activée ou désactivée dans le contrôleur. Si aucun code n'est utilisé, tous les 270 bits peuvent être utilisés pour les données utilisateur.
Temps d'accès
Le champ magnétique tourne à une fréquence de 50 kHz. Le temps d'accès moyen au premier bit de la première page est de 41 ms, soit la moitié du temps nécessaire pour effectuer un cycle complet sur la piste plus le temps nécessaire pour parcourir la piste de sortie.
Les 320 pistes actives et de réserve sont divisées en quatre parties de 80 pistes chacune. Cette organisation réduit le temps d'accès. Les quarts sont adressés par paires : chaque paire de quarts contient respectivement des bits pairs et impairs du mot. L'appareil contient quatre pistes d'entrée avec quatre bulles initiales et quatre pistes de sortie. Les pistes de sortie utilisent deux détecteurs, elles sont organisées de manière à ce que deux bulles de deux pistes ne touchent jamais un détecteur en même temps. Ainsi, les quatre flux de bulles sont multiplexés et convertis en deux flux de bits et stockés dans les registres de la puce du capteur de courant. Là, le contenu des registres est à nouveau multiplexé et envoyé au contrôleur via l'interface série.
Dans la deuxième partie de l'article, nous examinerons de plus près les circuits du contrôleur de mémoire à bulles.
4. Références
L'auteur a trouvé dans les recoins les plus sombres du réseau et enregistré pour vous de nombreuses informations techniques utiles sur la mémoire du CMD, son historique et d'autres aspects connexes :
1. — Deux mémoires de l'ingénieur Bobek
2. - Deux mémoires de l'ingénieur Bobek (partie 2)
3. — Mémoire à bulles
4. Adaptation de la mémoire à bulles magnétiques dans un environnement micro-informatique standard
5. — Texas Instruments TIB 0203 Mémoire à bulles
6. — Manuel des composants de la mémoire. Intel 1983.
7. 7110 Mémoire à bulles de 1 mégabit
Source: habr.com