Foto da colección do autor
1. Historia
A memoria de burbulla, ou memoria de dominio magnético cilíndrico, é unha memoria non volátil desenvolvida nos Laboratorios Bell en 1967 por Andrew Bobeck. Os estudos demostraron que se forman pequenos dominios magnéticos cilíndricos en películas finas monocristais de ferritas e granates cando un campo magnético suficientemente forte se dirixe perpendicularmente á superficie da película. Ao cambiar o campo magnético, estas burbullas pódense mover. Tales propiedades fan que as burbullas magnéticas sexan idóneas para construír un almacenamento de bits en serie, como un rexistro de desprazamento, no que a presenza ou ausencia dunha burbulla nunha determinada posición indica un valor de cero ou un bit. A burbulla ten un diámetro de décimas de micras e un só chip pode almacenar miles de bits de datos. Así, por exemplo, na primavera de 1977, Texas Instruments introduciu por primeira vez no mercado un chip cunha capacidade de 92304 bits. Esta memoria non é volátil, polo que é semellante á cinta ou disco magnético, pero como é de estado sólido e non ten partes móbiles, é máis fiable que a cinta ou o disco, non require mantemento e é moito máis pequena e lixeira. pódese utilizar en dispositivos portátiles.
Inicialmente, o inventor da memoria de burbullas, Andrew Bobek, propuxo unha versión "unidimensional" da memoria, en forma de fío ao redor do cal se enrola unha fina tira de material ferromagnético. A tal memoria chamábase memoria "twistor", e mesmo produciuse en masa, pero pronto foi substituída pola versión "bidimensional".
Podes ler sobre a historia da creación da memoria de burbullas en [1-3].
2. Principio de funcionamento
Aquí vos pido que me perdoades, non son físico, polo que a presentación será moi aproximada.
Algúns materiais (como o granate de gadolinio galio) teñen a propiedade de magnetizarse nunha soa dirección, e se se aplica un campo magnético constante ao longo deste eixe, as rexións magnetizadas formarán algo así como burbullas, como se mostra na figura seguinte. Cada burbulla ten só unhas poucas micras de diámetro.
Supoñamos que temos unha fina película cristalina, da orde de 0,001 polgadas de tal material depositada nun substrato non magnético, como o vidro.
É todo sobre as burbullas máxicas. A imaxe da esquerda - non hai campo magnético, a imaxe da dereita - o campo magnético está dirixido perpendicularmente á superficie da película.
Se na superficie dunha película deste material se forma un patrón a partir dun material magnético, por exemplo, permalloy, unha aliaxe de ferro e níquel, entón as burbullas magnetizaranse cos elementos deste patrón. Normalmente, utilízanse patróns en forma de elementos en forma de T ou V.
Unha soa burbulla pode estar formada por un campo magnético de 100-200 oersteds, que se aplica perpendicularmente á película magnética e é creado por un imán permanente, e un campo magnético xiratorio formado por dúas bobinas nas direccións XY, permítelle moverse. os dominios da burbulla dunha "illa" magnética a outra, como se mostra na imaxe. Despois dun cambio de catro veces na dirección do campo magnético, o dominio moverase dunha illa a outra.
Todo isto permítenos considerar o dispositivo CMD como un rexistro de desprazamento. Se formamos burbullas nun extremo do rexistro e as detectamos no outro, entón podemos soplar un determinado patrón de burbullas arredor e usar o sistema como dispositivo de memoria, lendo e escribindo bits en determinados momentos.
A partir de aquí seguen as vantaxes e inconvenientes da memoria CMD: a vantaxe é a independencia enerxética (sempre que se aplique un campo perpendicular creado por imáns permanentes, as burbullas non desaparecerán por ningún lado e non se moverán das súas posicións), e a desvantaxe é un longo tempo de acceso, porque para acceder a un bit arbitrario, cómpre desprazar todo o rexistro de desprazamento ata a posición desexada, e canto máis tempo sexa, máis ciclos requirirá.
O patrón de elementos magnéticos na película magnética CMD.
A creación dun dominio magnético chámase en inglés "nucleación", e consiste no feito de que se aplica ao devanado unha corrente de varios centos de miliamperios durante un tempo duns 100 ns, e créase un campo magnético que é perpendicular ao película e oposto ao campo dun imán permanente. Isto crea unha "burbulla" magnética: un dominio magnético cilíndrico na película. O proceso, desafortunadamente, depende moito da temperatura, é posible que unha operación de escritura falle sen que se forme unha burbulla ou que se formen varias burbullas.
Utilízanse varias técnicas para ler os datos dunha película.
Unha forma, lectura non destrutiva, é detectar o campo magnético débil do dominio cilíndrico mediante un sensor magnetoresistivo.
A segunda forma é a lectura destrutiva. A burbulla lévase a unha pista especial de xeración/detección, onde a burbulla é destruída pola magnetización cara adiante do material. Se o material fose magnetizado inversamente, é dicir, houbese unha burbulla presente, isto provocaría máis corrente na bobina e isto sería detectado polo circuíto electrónico. Despois diso, a burbulla debe ser xerada de novo nunha pista de gravación especial.
Non obstante, se a memoria está organizada como unha matriz contigua, terá dous grandes inconvenientes. En primeiro lugar, o tempo de acceso será moi longo. En segundo lugar, un único defecto na cadea levará á completa inoperancia de todo o dispositivo. Polo tanto, fan unha memoria organizada en forma dunha pista principal, e moitas pistas subordinadas, como se mostra na figura.
Memoria de burbullas cunha pista continua
Memoria de burbullas con pistas mestre/escravo
Tal configuración de memoria permite non só reducir moito o tempo de acceso, senón que tamén permite a produción de dispositivos de memoria que conteñan un certo número de pistas defectuosas. O controlador de memoria debe telos en conta e evitalos durante as operacións de lectura/escritura.
A figura seguinte mostra unha sección transversal dun "chip" de memoria de burbulla.
Tamén podes ler sobre o principio da memoria de burbullas en [4, 5].
3 Intel 7110
Intel 7110 - módulo de memoria de burbulla, MBM (memoria de burbulla magnética) cunha capacidade de 1 MB (1048576 bits). É el quen aparece representado no KDPV. 1 megabit é a capacidade para almacenar datos do usuario, tendo en conta as pistas redundantes, a capacidade total é de 1310720 bits. O dispositivo contén 320 pistas en bucle (bucles) cunha capacidade de 4096 bits cada unha, pero só 256 delas úsanse para os datos do usuario, o resto é unha reserva para substituír pistas "rotas" e para almacenar códigos de corrección de erros redundantes. O dispositivo ten unha gran arquitectura de bucle de pista menor. A información sobre as pistas activas está contida nunha pista de arranque separada (bucle de arranque). No KDPV, podes ver o código hexadecimal impreso xusto no módulo. Este é o mapa de pistas "rotas", 80 díxitos hexadecimais representan 320 pistas de datos, as activas represéntanse cun só bit, as inactivas por cero.
Podes ler a documentación orixinal do módulo en [7].
O dispositivo ten unha caixa cunha disposición de pinos de dobre fila e está montado sen soldar (nun enchufe).
A estrutura do módulo móstrase na figura:
A matriz de memoria divídese en dúas "medias seccións" (medias seccións), cada unha das cales está dividida en dous "cuartos" (quads), cada cuarto ten 80 pistas escravas. O módulo contén unha placa con material magnético situada no interior de dous enrolamentos ortogonais que crean un campo magnético xiratorio. Para iso, aplícanse aos enrolamentos sinais de corrente de forma triangular, desprazados 90 graos entre si. O conxunto da placa e os enrolamentos colócase entre os imáns permanentes e colócase nun escudo magnético que pecha o fluxo magnético xerado polos imáns permanentes e protexe o dispositivo de campos magnéticos externos. A placa colócase nunha pendente de 2,5 graos, o que crea un pequeno campo de desprazamento ao longo da pendente. Este campo é insignificante en comparación co campo das bobinas e non interfire co movemento das burbullas durante o funcionamento do dispositivo, pero cambia as burbullas a posicións fixas en relación aos elementos de aleación permanente cando o dispositivo está apagado. O forte compoñente perpendicular dos imáns permanentes admite a existencia de dominios magnéticos de burbullas.
O módulo contén os seguintes nodos:
- Pistas de memoria. Directamente esas pistas de elementos de permalloy que suxeitan e guían as burbullas.
- xerador de replicación. Serve para a replicación da burbulla, que está constantemente presente no lugar de xeración.
- Seguimento de entrada e nodos de intercambio. As burbullas xeradas móvense ao longo da pista de entrada. As burbullas móvense a unha das 80 pistas escravas.
- Pista de saída e nodo de replicación. As burbullas réstanse das pistas de datos sen destruílas. A burbulla divídese en dúas partes e unha delas vai á pista de saída.
- Detector. As burbullas da pista de saída entran no detector magnetoresistivo.
- Cargando pista. A pista de inicio contén información sobre as pistas de datos activas e inactivas.
A continuación veremos estes nodos con máis detalle. Tamén pode ler a descrición destes nodos en [6].
xeración de burbullas
Para xerar unha burbulla, ao comezo da pista de entrada hai un condutor dobrado en forma de pequeno bucle. Aplícaselle un pulso de corrente, que crea un campo magnético nunha área moi pequena máis forte que o campo dos imáns permanentes. O impulso crea unha burbulla neste punto, que permanece permanentemente mantida por un campo magnético constante e circula ao longo do elemento de aleación permanente baixo a acción dun campo magnético xiratorio. Se necesitamos escribir unha unidade na memoria, aplicamos un pequeno pulso ao bucle condutor e, como resultado, nacen dúas burbullas (indicadas como semente dividida na figura). Unha das burbullas é precipitada polo campo xiratorio ao longo da pista de permalloy, a segunda permanece no seu lugar e adquire rapidamente o seu tamaño orixinal. Despois móvese a unha das pistas de escravos e intercambia lugares coa burbulla que circula por ela. Á súa vez, chega ao final da pista de entrada e desaparece.
intercambio de burbullas
O intercambio de burbullas ocorre cando se aplica un pulso de corrente rectangular ao condutor correspondente. Neste caso, a burbulla non se divide en dúas partes.
Lectura de datos
Os datos envíanse á pista de saída por replicación e continúan circulando pola súa pista despois de ser lidos. Así, este dispositivo implementa un método de lectura non destrutivo. Para replicarse, a burbulla é guiada baixo un elemento de permalloy alongado, baixo o cal se estira. Arriba tamén hai un condutor en forma de bucle, se se aplica un pulso de corrente ó bucle, a burbulla dividirase en dúas partes. O pulso de corrente consiste nunha sección curta con alta corrente para dividir a burbulla en dúas partes, e unha sección máis longa con menos corrente para dirixir a burbulla á pista de saída.
Ao final da pista de saída atópase o detector de burbullas, unha ponte magnetoresistiva feita de elementos de aleación permanente que forman un longo circuíto. Cando unha burbulla magnética cae baixo un elemento de aleación permanente, a súa resistencia cambia e aparece unha diferenza de potencial de varios milivoltios na saída da ponte. A forma dos elementos de permalloy elíxese para que a burbulla se mova ao longo deles, ao final choca cun pneumático especial de "garda" e desaparece.
Redundancia
O dispositivo contén 320 pistas, cada unha con 4096 bits. Deles, 272 están activos, 48 son de reserva, inactivos.
Pista de arranque (Boot Loop)
O dispositivo contén 320 pistas de datos, das cales 256 están destinadas a almacenar datos do usuario, o resto pode estar defectuoso ou pode servir de recambio para substituír as defectuosas. Unha pista adicional contén información sobre o uso de pistas de datos, 12 bits por pista. Cando o sistema está acendido, debe ser inicializado. Durante o proceso de inicialización, o controlador debe ler a pista de arranque e escribir información dela nun rexistro especial do chip de formato / sensor de corrente. Entón, o controlador usará só pistas activas, e as inactivas ignoraranse e non se escribirán.
Data Warehouse - Estrutura
Desde o punto de vista do usuario, os datos almacénanse en 2048 páxinas de 512 bits cada unha. En cada metade do dispositivo gárdanse 256 bytes de datos, 14 bits de código de corrección de erros e 2 bits non utilizados.
Corrección de erros
A detección e corrección de erros pódese realizar mediante un chip sensor actual, que contén un descodificador de código de 14 bits que corrixe un único erro de ata 5 bits (erro de ráfaga) en cada bloque de 270 bits (incluíndo o propio código). O código engádese ao final de cada bloque de 256 bits. O código de corrección pódese usar ou non, a petición do usuario, a verificación do código pódese activar ou desactivar no controlador. Se non se utiliza ningún código, pódense usar todos os 270 bits para os datos do usuario.
Tempo de acceso
O campo magnético xira a unha frecuencia de 50 kHz. O tempo medio de acceso ao primeiro bit da primeira páxina é de 41 ms, o que é a metade do tempo que se tarda en completar un ciclo completo pola pista máis o tempo que se tarda en pasar pola pista de saída.
As 320 pistas activas e de reserva divídense en catro partes de 80 pistas cada unha. Esta organización reduce o tempo de acceso. Os cuartos diríxense por parellas: cada par de cuartos contén bits pares e impares da palabra, respectivamente. O dispositivo contén catro pistas de entrada con catro burbullas iniciais e catro pistas de saída. As pistas de saída usan dous detectores, están organizadas de tal xeito que dúas burbullas de dúas pistas nunca golpean un detector ao mesmo tempo. Así, os catro fluxos de burbulla son multiplexados e convértense en fluxos de dous bits e almacénanse nos rexistros do chip sensor actual. Alí, os contidos dos rexistros son de novo multiplexados e enviados ao controlador a través da interface serie.
Na segunda parte do artigo, analizaremos os circuítos do controlador de memoria de burbulla.
4. Referencias
O autor atopou nos recunchos máis escuros da rede e gardou para ti moita información técnica útil sobre a memoria do CMD, o seu historial e outros aspectos relacionados:
1. - Dous recordos do enxeñeiro Bobek
2. - Dous recordos do enxeñeiro Bobek (parte 2)
3. - Memoria burbulla
4. Adaptación da memoria de burbulla magnética nun entorno estándar de microordenadores
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. - Manual de compoñentes da memoria. Intel 1983.
7. 7110 Memoria burbulla de 1 megabit
Fonte: www.habr.com