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1. História
Memória de bolha, ou memória de domínio magnético cilíndrico, é uma memória não volátil desenvolvida no Bell Labs em 1967 por Andrew Bobeck. Estudos mostraram que pequenos domínios magnéticos cilíndricos são formados em filmes finos de cristal único de ferritas e granadas quando um campo magnético suficientemente forte é direcionado perpendicularmente à superfície do filme. Ao alterar o campo magnético, essas bolhas podem ser movidas. Tais propriedades tornam as bolhas magnéticas ideais para a construção de armazenamento serial de bits, como um registrador de deslocamento, no qual a presença ou ausência de uma bolha em uma determinada posição indica um valor zero ou um bit. A bolha tem décimos de mícron de diâmetro e um único chip pode armazenar milhares de bits de dados. Assim, por exemplo, na primavera de 1977, a Texas Instruments introduziu pela primeira vez no mercado um chip com capacidade de 92304 bits. Essa memória não é volátil, o que a torna semelhante a uma fita magnética ou disco, mas por ser de estado sólido e não ter partes móveis, é mais confiável que fita ou disco, não requer manutenção e é muito menor e mais leve. , e pode ser usado em dispositivos portáteis.
Inicialmente, o inventor da memória de bolhas, Andrew Bobek, propôs uma versão "unidimensional" da memória, na forma de um fio em torno do qual uma fina tira de material ferromagnético é enrolada. Essa memória foi chamada de memória "twistor" e foi até produzida em massa, mas logo foi substituída pela versão "bidimensional".
Você pode ler sobre a história da criação da memória de bolhas em [1-3].
2. Princípio de funcionamento
Aqui peço que me perdoem, não sou físico, então a apresentação será bem aproximada.
Alguns materiais (como gadolínio gálio granada) têm a propriedade de serem magnetizados em apenas uma direção, e se um campo magnético constante for aplicado ao longo deste eixo, as regiões magnetizadas irão formar algo como bolhas, como mostra a figura abaixo. Cada bolha tem apenas alguns mícrons de diâmetro.
Suponha que tenhamos um filme cristalino fino, da ordem de 0,001 polegada, de tal material depositado em um substrato não magnético, como o vidro.
É tudo sobre as bolhas mágicas. A imagem à esquerda - não há campo magnético, a imagem à direita - o campo magnético é direcionado perpendicularmente à superfície do filme.
Se na superfície de um filme de tal material um padrão for formado a partir de um material magnético, por exemplo, permalloy, uma liga de ferro-níquel, as bolhas serão magnetizadas para os elementos desse padrão. Normalmente, são usados padrões na forma de elementos em forma de T ou em forma de V.
Uma única bolha pode ser formada por um campo magnético de 100-200 oersteds, que é aplicado perpendicularmente ao filme magnético e é criado por um ímã permanente, e um campo magnético rotativo formado por duas bobinas nas direções XY, permite mover os domínios-bolha de uma "ilha" magnética para outra, como esta mostrada na figura. Após uma mudança de quatro vezes na direção do campo magnético, o domínio se moverá de uma ilha para a outra.
Tudo isso nos permite considerar o dispositivo CMD como um registrador de deslocamento. Se formarmos bolhas em uma extremidade do registrador e as detectarmos na outra, podemos soprar um certo padrão de bolhas e usar o sistema como um dispositivo de memória, lendo e escrevendo bits em determinados momentos.
A partir daqui, seguem as vantagens e desvantagens da memória CMD: a vantagem é a independência energética (desde que seja aplicado um campo perpendicular criado por ímãs permanentes, as bolhas não desaparecerão em nenhum lugar e não se moverão de suas posições) e a desvantagem é um longo tempo de acesso, porque para acessar um bit arbitrário, você precisa rolar todo o registrador de deslocamento até a posição desejada e, quanto mais longo, mais ciclos serão necessários.
O padrão de elementos magnéticos no filme magnético CMD.
A criação de um domínio magnético é chamada em inglês de "nucleação" e consiste no fato de que uma corrente de várias centenas de miliamperes é aplicada ao enrolamento por um tempo de cerca de 100 ns e é criado um campo magnético perpendicular ao filme e oposto ao campo de um ímã permanente. Isso cria uma "bolha" magnética - um domínio magnético cilíndrico no filme. O processo, infelizmente, é altamente dependente da temperatura, é possível que uma operação de gravação falhe sem que uma bolha seja formada ou que várias bolhas se formem.
Várias técnicas são usadas para ler dados de um filme.
Uma maneira, leitura não destrutiva, é detectar o campo magnético fraco do domínio cilíndrico usando um sensor magnetorresistivo.
A segunda maneira é a leitura destrutiva. A bolha é levada para uma pista especial de geração/detecção, onde a bolha é destruída pela magnetização direta do material. Se o material fosse magnetizado inversamente, ou seja, uma bolha estivesse presente, isso causaria mais corrente na bobina e isso seria detectado pelo circuito eletrônico. Depois disso, a bolha deve ser gerada novamente em uma faixa de gravação especial.
No entanto, se a memória for organizada como uma matriz contígua, haverá duas grandes desvantagens. Primeiro, o tempo de acesso será muito longo. Em segundo lugar, um único defeito na cadeia levará à inoperabilidade total de todo o dispositivo. Assim, eles formam uma memória organizada na forma de uma trilha principal, e muitas trilhas subordinadas, conforme mostra a figura.
Memória de bolha com uma faixa contínua
Memória Bubble com faixas master/slave
Essa configuração de memória permite não apenas reduzir bastante o tempo de acesso, mas também permite a produção de dispositivos de memória contendo um certo número de trilhas defeituosas. O controlador de memória deve levá-los em consideração e ignorá-los durante as operações de leitura/gravação.
A figura abaixo mostra uma seção transversal de um "chip" de memória de bolha.
Você também pode ler sobre o princípio da memória de bolhas em [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - módulo de memória de bolha, MBM (memória de bolha magnética) com capacidade de 1 MB (1048576 bits). É ele quem é retratado no KDPV. 1 megabit é a capacidade de armazenamento dos dados do usuário, levando em consideração trilhas redundantes, a capacidade total é de 1310720 bits. O dispositivo contém 320 faixas em loop (loops) com capacidade de 4096 bits cada, mas apenas 256 delas são usadas para dados do usuário, o restante é uma reserva para substituir faixas “quebradas” e para armazenar código redundante de correção de erros. O dispositivo tem uma arquitetura de circuito principal-secundário. As informações sobre as trilhas ativas estão contidas em uma trilha de inicialização separada (loop de inicialização). No KDPV, você pode ver o código hexadecimal impresso diretamente no módulo. Este é o mapa de trilhas “quebradas”, 80 dígitos hexadecimais representam 320 trilhas de dados, as ativas são representadas por um único bit, as inativas por zero.
Você pode ler a documentação original do módulo em [7].
O dispositivo possui uma caixa com arranjo de pinos de fileira dupla e é montado sem solda (em um soquete).
A estrutura do módulo é mostrada na figura:
A matriz de memória é dividida em duas "meias seções" (meias seções), cada uma das quais é dividida em dois "quartos" (quadrados), cada quarto possui 80 faixas secundárias. O módulo contém uma placa com material magnético localizada dentro de dois enrolamentos ortogonais que criam um campo magnético rotativo. Para fazer isso, os sinais de corrente de forma triangular, deslocados 90 graus um em relação ao outro, são aplicados aos enrolamentos. O conjunto da placa e enrolamentos é colocado entre os ímãs permanentes e colocado em uma blindagem magnética que fecha o fluxo magnético gerado pelos ímãs permanentes e blinda o dispositivo de campos magnéticos externos. A placa é colocada em uma inclinação de 2,5 graus, o que cria um pequeno campo de deslocamento ao longo da inclinação. Este campo é insignificante em comparação com o campo das bobinas e não interfere no movimento das bolhas durante a operação do dispositivo, mas desloca as bolhas para posições fixas em relação aos elementos de permalloy quando o dispositivo é desligado. O forte componente perpendicular dos ímãs permanentes suporta a existência de domínios magnéticos de bolhas.
O módulo contém os seguintes nós:
- Faixas de memória. Diretamente aquelas faixas de elementos permalloy que seguram e guiam as bolhas.
- gerador de replicação. Serve para a replicação da bolha, que está constantemente presente no local de geração.
- Faixa de entrada e nós de troca. As bolhas geradas se movem ao longo da trilha de entrada. As bolhas são movidas para uma das 80 faixas secundárias.
- Faixa de saída e nó de replicação. As bolhas são subtraídas das faixas de dados sem destruí-las. A bolha se divide em duas partes e uma delas vai para a faixa de saída.
- Detector. As bolhas da trilha de saída entram no detector magnetorresistivo.
- Carregando faixa. A trilha de inicialização contém informações sobre trilhas de dados ativas e inativas.
A seguir, veremos esses nós com mais detalhes. Você também pode ler a descrição desses nós em [6].
geração de bolhas
Para gerar uma bolha, logo no início da trilha de entrada há um condutor dobrado na forma de um pequeno loop. Um pulso de corrente é aplicado a ele, o que cria um campo magnético em uma área muito pequena, mais forte que o campo de ímãs permanentes. O impulso cria uma bolha neste ponto, que permanece permanentemente mantida por um campo magnético constante e circula ao longo do elemento permalloy sob a influência de um campo magnético rotativo. Se precisarmos escrever uma unidade na memória, aplicamos um pulso curto ao loop condutor e, como resultado, nascem duas bolhas (indicadas como Bubble split seed na figura). Uma das bolhas é lançada pelo campo rotativo ao longo da pista de permalloy, a segunda permanece no lugar e rapidamente adquire seu tamanho original. Em seguida, move-se para uma das pistas escravas, e troca de lugar com a bolha que nela circula. Ele, por sua vez, chega ao final da faixa de entrada e desaparece.
troca de bolhas
A troca de bolhas ocorre quando um pulso de corrente retangular é aplicado ao condutor correspondente. Nesse caso, a bolha não se divide em duas partes.
Lendo dados
Os dados são enviados para a trilha de saída por replicação, e continuam circulando em sua trilha após serem lidos. Assim, este dispositivo implementa um método não destrutivo de leitura. Para replicar, a bolha é guiada sob um elemento alongado de permalloy, sob o qual é esticada. Acima também há um condutor em forma de loop, se um pulso de corrente for aplicado ao loop, a bolha será dividida em duas partes. O pulso de corrente consiste em uma seção curta com alta corrente para dividir a bolha em duas partes e uma seção mais longa com menos corrente para direcionar a bolha para a trilha de saída.
No final da trilha de saída está o Bubble Detector, uma ponte magnetorresistiva feita de elementos permalloy formando um longo circuito. Quando uma bolha magnética cai sob um elemento de permalloy, sua resistência muda e uma diferença de potencial de vários milivolts aparece na saída da ponte. A forma dos elementos de permalloy é escolhida de forma que a bolha se mova ao longo deles, no final ela atinge um pneu especial de “guarda” e desaparece.
Redundância
O dispositivo contém 320 trilhas, cada uma com 4096 bits. Destes, 272 estão ativos, 48 estão sobressalentes, inativos.
Trilha de inicialização (Boot Loop)
O dispositivo contém 320 faixas de dados, das quais 256 são destinadas ao armazenamento de dados do usuário, o restante pode estar com defeito ou servir como sobressalente para substituir os defeituosos. Uma trilha adicional contém informações sobre o uso de trilhas de dados, 12 bits por trilha. Quando o sistema é ligado, ele deve ser inicializado. Durante o processo de inicialização, o controlador deve ler a trilha de inicialização e gravar as informações dela em um registro especial do chip de formatação / sensor de corrente. Em seguida, o controlador usará apenas faixas ativas e as inativas serão ignoradas e não serão gravadas.
Data Warehouse - Estrutura
Do ponto de vista do usuário, os dados são armazenados em 2048 páginas de 512 bits cada. 256 bytes de dados, 14 bits de código de correção de erros e 2 bits não utilizados são armazenados em cada metade do dispositivo.
Correção de erros
A detecção e correção de erros podem ser realizadas por um chip sensor de corrente, que contém um decodificador de código de 14 bits que corrige um único erro de até 5 bits (erro de rajada) em cada bloco de 270 bits (incluindo o próprio código). O código é anexado ao final de cada bloco de 256 bits. O código de correção pode ser usado ou não, a pedido do usuário, a verificação do código pode ser ligada ou desligada no controlador. Se nenhum código for usado, todos os 270 bits podem ser usados para dados do usuário.
Tempo de acesso
O campo magnético gira a uma frequência de 50 kHz. O tempo médio de acesso ao primeiro bit da primeira página é de 41 ms, que é metade do tempo necessário para completar um ciclo completo pela trilha mais o tempo necessário para percorrer a trilha de saída.
As 320 faixas ativas e sobressalentes são divididas em quatro partes de 80 faixas cada. Esta organização reduz o tempo de acesso. Os quartos são endereçados em pares: cada par de quartos contém bits pares e ímpares da palavra, respectivamente. O dispositivo contém quatro trilhas de entrada com quatro bolhas iniciais e quatro trilhas de saída. As trilhas de saída usam dois detectores, eles são organizados de forma que duas bolhas de duas trilhas nunca atinjam um detector ao mesmo tempo. Assim, os quatro fluxos de bolhas são multiplexados e convertidos em dois fluxos de bits e armazenados nos registradores do chip sensor de corrente. Lá, o conteúdo dos registradores é novamente multiplexado e enviado ao controlador via interface serial.
Na segunda parte do artigo, veremos mais de perto os circuitos do controlador de memória bolha.
4. Referências
O autor encontrou nos cantos mais escuros da rede e salvou para você muitas informações técnicas úteis sobre a memória do CMD, seu histórico e outros aspectos relacionados:
1. — Duas lembranças do engenheiro Bobek
2. - Duas memórias do engenheiro Bobek (parte 2)
3. - Memória de bolha
4. Adaptação da memória de bolha magnética em um ambiente de microcomputador padrão
5. - Memória de bolha Texas Instruments TIB 0203
6. — Manual de Componentes de Memória. Inteligência 1983.
7. 7110 Memória Bolha de 1 Megabit
Fonte: habr.com