זיכרון על תחומים מגנטיים גליליים. חלק 1. איך זה עובד

תמונה מאוסף המחבר

1. הסיפור

זיכרון בועות, או זיכרון תחום מגנטי גלילי, הוא זיכרון לא נדיף שפותח במעבדות בל ב-1967 על ידי אנדרו בובק. מחקרים הראו שתחומים מגנטיים גליליים קטנים נוצרים בסרטים דקים חד-גבישיים של פריטים ונופך כאשר שדה מגנטי חזק מספיק מופנה בניצב לפני השטח של הסרט. על ידי שינוי השדה המגנטי, ניתן להזיז את הבועות הללו. מאפיינים כאלה הופכים את הבועות המגנטיות לאידיאליות לבניית מאגר סיביות עוקבות, כמו אוגר משמרת, שבו נוכחות או היעדרה של בועה במיקום מסוים מציינת ערך אפס או סיביות אחת. הקוטר של הבועה היא עשיריות המיקרון, ושבב בודד יכול לאחסן אלפי סיביות של נתונים. כך, למשל, באביב 1977, הציגה טקסס אינסטרומנטס לראשונה שבב עם קיבולת של 92304 סיביות לשוק. זיכרון זה אינו נדיף, מה שהופך אותו לדומה לסרט מגנטי או דיסק, אך מכיוון שהוא במצב מוצק ואינו מכיל חלקים נעים, הוא אמין יותר מקלטת או דיסק, אינו דורש תחזוקה, והוא הרבה יותר קטן וקל. , וניתן להשתמש בה במכשירים ניידים.

בתחילה הציע ממציא זיכרון הבועות, אנדרו בובק, גרסה "חד-ממדית" של זיכרון, בצורת חוט שסביבו מלופפת רצועה דקה של חומר פרומגנטי. זיכרון כזה נקרא זיכרון "טוויסטור", ואף יוצר בהמוניו, אך עד מהרה הוחלפה על ידי הגרסה ה"דו-מימדית".

אתה יכול לקרוא על ההיסטוריה של יצירת זיכרון הבועה ב [1-3].

2. עקרון הפעולה

כאן אני מבקש ממך לסלוח לי, אני לא פיזיקאי, אז המצגת תהיה מאוד משוערת.

לחומרים מסוימים (כגון נופך גדוליניום גליום) יש את התכונה להיות ממוגנטת בכיוון אחד בלבד, ואם מופעל שדה מגנטי קבוע לאורך הציר הזה, האזורים הממוגנטים יווצרו משהו כמו בועות, כפי שמוצג באיור למטה. כל בועה בקוטר של כמה מיקרונים בלבד.

נניח שיש לנו סרט גבישי דק, בסדר גודל של 0,001 אינץ', של חומר כזה המופקד על מצע לא מגנטי, כגון זכוכית.

הכל עניין של בועות הקסם. התמונה משמאל - אין שדה מגנטי, התמונה מימין - השדה המגנטי מכוון בניצב למשטח הסרט.

אם על פני השטח של סרט של חומר כזה נוצרת דפוס מחומר מגנטי, למשל, פרמלוי, סגסוגת ברזל ניקל, אז הבועות יתמגנטו לאלמנטים של דפוס זה. בדרך כלל, נעשה שימוש בדפוסים בצורה של אלמנטים בצורת T או בצורת V.

בועה בודדת יכולה להיווצר על ידי שדה מגנטי של 100-200 אוסטרד, המופעל בניצב לסרט המגנטי ונוצר על ידי מגנט קבוע, ושדה מגנטי מסתובב שנוצר על ידי שני סלילים בכיווני XY, מאפשר לנוע תחומי הבועות מ"אי" מגנטי אחד למשנהו, כמו זה שמוצג באיור. לאחר שינוי פי ארבעה בכיוון השדה המגנטי, התחום יעבור מאי אחד למשנהו.

כל זה מאפשר לנו להתייחס למכשיר CMD כאוגר משמרות. אם ניצור בועות בקצה אחד של הרגיסטר ונזהה אותן בקצה השני, אז נוכל לפוצץ תבנית מסוימת של בועות מסביב ולהשתמש במערכת כהתקן זיכרון, לקרוא ולכתוב ביטים בזמנים מסוימים.

מכאן עוקבים אחר היתרונות והחסרונות של זיכרון CMD: היתרון הוא עצמאות אנרגטית (כל עוד מופעל שדה ניצב שנוצר על ידי מגנטים קבועים, הבועות לא ייעלמו לשום מקום ולא יזוזו ממקומן), והחיסרון הוא זמן גישה ארוך, כי כדי לגשת לסיבית שרירותית, עליך לגלול את כל אוגר המשמרות למיקום הרצוי, וככל שהוא ארוך יותר, כך זה ידרוש יותר מחזורים.

תבנית האלמנטים המגנטיים על הסרט המגנטי CMD.

יצירת תחום מגנטי נקראת באנגלית "nucleation", והיא מורכבת מכך שזרם של כמה מאות מיליאמפר מופעל על הפיתול למשך זמן של כ-100 ns, ונוצר שדה מגנטי הניצב ל- סרט ומנוגד לשדה של מגנט קבוע. כך נוצרת "בועה" מגנטית - תחום מגנטי גלילי בסרט. התהליך, למרבה הצער, תלוי מאוד בטמפרטורה, ייתכן שפעולת כתיבה תיכשל מבלי שתיווצר בועה, או שייווצרו בועות מרובות.

מספר טכניקות משמשות לקריאת נתונים מסרט.

דרך אחת, קריאה לא הרסנית, היא לזהות את השדה המגנטי החלש של התחום הגלילי באמצעות חיישן מגנטוריסטי.

הדרך השנייה היא קריאה הרסנית. הבועה מועברת למסלול ייצור/זיהוי מיוחד, שבו הבועה מושמדת על ידי מגנטיזציה קדימה של החומר. אם החומר היה ממוגנט לאחור, כלומר הייתה קיימת בועה, הדבר יגרום ליותר זרם בסליל וזה יתגלה על ידי המעגל האלקטרוני. לאחר מכן, יש ליצור מחדש את הבועה ברצועת הקלטה מיוחדת.


עם זאת, אם הזיכרון מאורגן כמערך אחד רציף, אז יהיו לו שני חסרונות גדולים. ראשית, זמן הגישה יהיה ארוך מאוד. שנית, פגם בודד בשרשרת יוביל לחוסר הפעלה מוחלט של המכשיר כולו. לכן, הם יוצרים זיכרון מאורגן בצורה של מסלול ראשי אחד, ומסלולים כפופים רבים, כפי שמוצג באיור.

זיכרון בועות עם רצועה אחת רציפה

זיכרון בועות עם רצועות מאסטר/עבדים

תצורת זיכרון כזו מאפשרת לא רק להפחית במידה ניכרת את זמן הגישה, אלא גם מאפשרת ייצור של התקני זיכרון המכילים מספר מסוים של מסלולים פגומים. בקר הזיכרון חייב לקחת אותם בחשבון ולעקוף אותם במהלך פעולות קריאה/כתיבה.

האיור שלהלן מציג חתך של "שבב" זיכרון בועה.

אתה יכול גם לקרוא על העיקרון של זיכרון בועות ב-[4, 5].

3. אינטל 7110

Intel 7110 - מודול זיכרון בועות, MBM (זיכרון בועה מגנטית) בקיבולת 1 MB (1048576 סיביות). זה הוא שמתואר ב-KDPV. 1 מגה-ביט הוא הקיבולת לאחסון נתוני משתמש, תוך התחשבות במסלולים מיותרים, הקיבולת הכוללת היא 1310720 סיביות. המכשיר מכיל 320 מסלולים (לולאות) עם קיבולת של 4096 סיביות כל אחד, אך רק 256 מהם משמשים לנתוני משתמש, השאר מהווה רזרבה להחלפת מסלולים "שבורים" ולאחסון קוד תיקון שגיאות מיותר. למכשיר יש ארכיטקטורת לולאה מרכזית של מסלול-מינורי. מידע על מסלולים פעילים כלול במסלול אתחול נפרד (לולאת אתחול). ב-KDPV, אתה יכול לראות את הקוד ההקסדצימלי מודפס ישירות על המודול. זוהי המפה של מסלולים "שבורים", 80 ספרות הקסדצימליות מייצגות 320 מסלולי נתונים, מסלולים פעילים מיוצגים על ידי סיביות בודדות, ספרות לא פעילות באפס.

אתה יכול לקרוא את התיעוד המקורי של המודול ב-[7].

למכשיר נרתיק עם סידור פינים כפול שורות והוא מותקן ללא הלחמה (בשקע).

מבנה המודול מוצג באיור:

מערך הזיכרון מחולק לשני "חצי קטעים" (חצי קטעים), שכל אחד מהם מחולק לשני "רבעים" (quads), לכל רבע יש 80 מסלולי עבדים. המודול מכיל לוח עם חומר מגנטי הממוקם בתוך שתי פיתולים אורתוגונליים היוצרים שדה מגנטי מסתובב. לשם כך, אותות זרם בעלי צורה משולשת, הנעורים ב-90 מעלות זה לזה, מוחלים על הפיתולים. את מכלול הפלטה והפיתולים מניחים בין המגנטים הקבועים וממוקמים במגן מגנטי שסוגר את השטף המגנטי הנוצר מהמגנטים הקבועים ומגן על המכשיר משדות מגנטיים חיצוניים. הצלחת מונחת בשיפוע של 2,5 מעלות, מה שיוצר שדה תזוזה קטן לאורך המדרון. שדה זה זניח בהשוואה לשדה הסלילים, ואינו מפריע לתנועת הבועות בזמן פעולת המכשיר, אלא מעביר את הבועות למצבים קבועים ביחס ליסודות הפרמלוי כאשר המכשיר כבוי. המרכיב הניצב החזק של מגנטים קבועים תומך בקיומם של תחומים מגנטיים של בועות.

המודול מכיל את הצמתים הבאים:

1. רצועות זיכרון. ישירות אלה מסלולים של אלמנטים פרמלוי שמחזיקים ומנחים את הבועות.
2. מחולל שכפול. משמש לשכפול הבועה, הנוכחת כל הזמן במקום הדור.
3. מסלול קלט וצמתי החלפה. הבועות שנוצרו נעות לאורך מסלול הקלט. בועות מועברות לאחת מ-80 מסלולי עבדים.
4. מסלול פלט וצומת שכפול. בועות מופחתות ממסלולי נתונים מבלי להרוס אותן. הבועה מתפצלת לשני חלקים, ואחד מהם עובר למסלול הפלט.
5. גַלַאִי. בועות ממסלול הפלט נכנסות לגלאי המגנוטוריסטי.
6. טוען מסלול. מסלול האתחול מכיל מידע על מסלולי נתונים פעילים ולא פעילים.

להלן נסתכל על הצמתים הללו ביתר פירוט. אתה יכול גם לקרוא את התיאור של צמתים אלה ב-[6].

יצירת בועות

כדי ליצור בועה, ממש בתחילת מסלול הקלט יש מוליך כפוף בצורה של לולאה זעירה. מופעל עליו דופק זרם היוצר שדה מגנטי בשטח קטן מאוד החזק יותר מהשדה של מגנטים קבועים. הדחף יוצר בועה בנקודה זו, הנשארת מתוחזקת לצמיתות על ידי שדה מגנטי קבוע ומסתובבת לאורך אלמנט הפרמאללוי תחת פעולת שדה מגנטי מסתובב. אם אנחנו צריכים לכתוב יחידה לזיכרון, נפעיל פולס קצר על לולאת ההולכה, וכתוצאה מכך נולדות שתי בועות (מסומנות כ-Bubble split seed באיור). אחת הבועות מוזזת על ידי השדה המסתובב לאורך מסלול הפרמלוי, השנייה נשארת במקומה ורוכשת במהירות את גודלה המקורי. לאחר מכן הוא עובר לאחד ממסלולי העבדים, ומחליף מקומות עם הבועה שמסתובבת בו. זה, בתורו, מגיע לסוף מסלול הקלט ונעלם.

חילופי בועות

החלפת בועות מתרחשת כאשר דופק זרם מלבני מופעל על המוליך המתאים. במקרה זה, הבועה אינה מתפצלת לשני חלקים.

קריאת נתונים

הנתונים נשלחים למסלול הפלט על ידי שכפולם, וממשיכים להסתובב במסלולו לאחר הקריאה. לפיכך, מכשיר זה מיישם שיטת קריאה לא הרסנית. לשכפול, הבועה מונחית מתחת לאלמנט פרמלוי מוארך, שמתחתיו היא נמתחת. יש גם מוליך בצורת לולאה למעלה; אם מופעל דופק זרם על הלולאה, הבועה תתפצל לשני חלקים. הדופק הנוכחי מורכב מקטע קצר של זרם גבוה לפיצול הבועה לשני חלקים, ומקטע ארוך יותר של זרם נמוך יותר כדי לכוון את הבועה למסלול הפלט.

בקצה מסלול הפלט נמצא גלאי הבועות, גשר מגנוטוריסטי העשוי מאלמנטים פרמאלוי היוצרים מעגל ארוך. כאשר בועה מגנטית נופלת מתחת לאלמנט פרמאלוי, ההתנגדות שלה משתנה, והפרש פוטנציאל של מספר מילי-וולט מופיע במוצא הגשר. צורת אלמנטי הפרמלוי נבחרה כך שהבועה נעה לאורכם, בקצה היא פוגעת בצמיג "שומר" מיוחד ונעלמת.

יתירות

המכשיר מכיל 320 רצועות, כל אחת עם 4096 סיביות. מתוכם, 272 פעילים, 48 רזרביים, לא פעילים.

מסלול אתחול (לולאת אתחול)

המכשיר מכיל 320 מסלולי נתונים, מתוכם 256 מיועדים לאחסון נתוני משתמש, השאר עשויים להיות פגומים או עשויים לשמש כחלפים להחלפת פגומים. מסלול אחד נוסף מכיל מידע על השימוש במסלולי נתונים, 12 סיביות למסלול. כאשר המערכת מופעלת, יש לאתחל אותה. במהלך תהליך האתחול, על הבקר לקרוא את מסלול האתחול ולכתוב ממנו מידע לאגר מיוחד של שבב העיצוב / חיישן הזרם. אז הבקר ישתמש רק במסלולים פעילים, ואלה שאינם פעילים יתעלמו ולא ייכתבו אליהם.

מחסן נתונים - מבנה

מנקודת מבטו של המשתמש, הנתונים מאוחסנים ב-2048 עמודים של 512 סיביות כל אחד. 256 בתים של נתונים, 14 סיביות של קוד תיקון שגיאות ו-2 ביטים שאינם בשימוש מאוחסנים בכל חצי של המכשיר.

תיקון שגיאות

זיהוי ותיקון שגיאות יכול להתבצע על ידי שבב חיישן זרם, המכיל מפענח קוד 14 סיביות המתקן שגיאה בודדת באורך של עד 5 סיביות (שגיאת פרץ) בכל בלוק של 270 סיביות (כולל הקוד עצמו). הקוד מצורף לסוף כל בלוק של 256 סיביות. ניתן להשתמש בקוד התיקון או לא להשתמש בו, לבקשת המשתמש ניתן להפעיל או לכבות את אימות הקוד בבקר. אם לא נעשה שימוש בקוד, ניתן להשתמש בכל 270 הסיביות לנתוני משתמש.

זמן גישה

השדה המגנטי מסתובב בתדר של 50 קילו-הרץ. זמן הגישה הממוצע לסיביות הראשון של העמוד הראשון הוא 41 אלפיות השנייה, שזה מחצית מהזמן שלוקח להשלים מחזור שלם במסלול פלוס הזמן שלוקח לעבור במסלול הפלט.

320 המסלולים הפעילים והרזרביים מחולקים לארבעה חלקים של 80 מסלולים כל אחד. ארגון זה מקצר את זמן הגישה. מתייחסים לרבעים בזוגות: כל זוג רבעים מכיל חלקים זוגיים ואי-זוגיים של המילה, בהתאמה. המכשיר מכיל ארבע רצועות קלט עם ארבע בועות ראשוניות, וארבע מסלולי פלט. מסלולי הפלט משתמשים בשני גלאים, הם מאורגנים בצורה כזו ששתי בועות משני מסלולים לעולם לא פוגעות בגלאי אחד בו-זמנית. לפיכך, ארבעת זרמי הבועות מרובים ומומרים לשני זרמי סיביות ומאוחסנים ברגיסטרים של שבב החיישן הנוכחי. שם, תוכן הרגיסטרים שוב מרובה ונשלח לבקר באמצעות הממשק הטורי.

בחלק השני של המאמר, נסקור מקרוב את המעגלים של בקר זיכרון הבועות.

4. הפניות

המחבר מצא בפינות האפלות ביותר של הרשת וחסך עבורך מידע טכני רב שימושי על זיכרון ב-CMD, ההיסטוריה שלו והיבטים קשורים אחרים:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ — שני זיכרונות של המהנדס בובק
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - שני זיכרונות של המהנדס בובק (חלק 2)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory - זיכרון בועה
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn התאמה של זיכרון בועות מגנטיות בסביבת מיקרו-מחשב סטנדרטית
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa - מדריך רכיבי זיכרון. אינטל 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii זיכרון בועות 7110 1 מגה-ביט

מקור: www.habr.com