Fotografie din colecția autorului
1. Istorie
Memoria cu bule, sau memoria de domeniu magnetică cilindrică, este o memorie nevolatilă dezvoltată la Bell Labs în 1967 de Andrew Bobeck. Cercetările au arătat că mici domenii magnetice cilindrice se formează în pelicule subțiri monocristaline de ferite și granate atunci când un câmp magnetic suficient de puternic este direcționat perpendicular pe suprafața filmului. Prin schimbarea câmpului magnetic, aceste bule pot fi mutate. Aceste proprietăți fac bulele magnetice ideale pentru construirea unui depozit secvenţial de biți, cum ar fi un registru de deplasare, în care prezența sau absența unei bule la o anumită poziție înseamnă că valoarea bitului este zero sau unu. Diametrul bulei este de zecimi de micron; un cip poate stoca mii de biți de date. De exemplu, în primăvara anului 1977, Texas Instruments a introdus pentru prima dată pe piață un cip cu o capacitate de 92304 biți. Această memorie este nevolatilă, ceea ce o face similară cu banda magnetică sau cu discul, dar pentru că este solidă și nu are părți mobile, este mai fiabilă decât banda sau discul, nu necesită întreținere și este mult mai mică și mai ușoară. , și poate fi folosit în dispozitive portabile.
Inventatorul inițial al memoriei cu bule, Andrew Bobek, a propus o versiune „unidimensională” a memoriei, sub forma unui fir pe care este înfășurată o bandă subțire de material feromagnetic. Acest tip de memorie a fost numit „twistor” și a fost chiar produsă în masă, dar a fost în curând înlocuită de versiunea „bidimensională”.
Vă puteți familiariza cu istoria creării memoriei bule în [1-3].
2. Principiul de funcționare
Aici vă rog să mă iertați, nu sunt fizician, așa că prezentarea va fi foarte aproximativă.
Unele materiale (cum ar fi granatul gadoliniu galiu) tind să fie magnetizate într-o singură direcție, iar dacă se aplică un câmp magnetic constant de-a lungul acelei axe, zonele magnetizate vor forma ceva asemănător cu bule, așa cum se arată în figura de mai jos. Fiecare bulă are doar câțiva microni în diametru.
Пусть мы имеем тонкую, порядка 0,001 дюйма, кристаллическую плёнку из такого материала, нанесённую на немагнитную, например, стеклянную, подложку.
Всё дело в волшебных пузырьках. Картинка слева — магнитное поле отсутствует, картинка справа — магнитное поле направлено перпендикулярно поверхности плёнки.
Dacă se formează un model pe suprafața unui film dintr-un astfel de material dintr-un material magnetic, de exemplu, permalloy, un aliaj fier-nichel, atunci bulele vor fi magnetizate la elementele acestui model. În mod obișnuit, sunt utilizate modele în formă de T sau în formă de V.
O singură bulă poate fi formată dintr-un câmp magnetic de 100-200 oersted, care este aplicat perpendicular pe filmul magnetic și creat de un magnet permanent, iar un câmp magnetic rotativ format din două bobine în direcțiile XY permite mișcarea domeniilor bulelor. de la o „insulă” magnetică la alta, așa cum se arată în figură. După schimbarea direcției câmpului magnetic de patru ori, domeniul se va muta de la o insulă pe cea vecină.
Toate acestea ne permit să considerăm dispozitivul DMD ca un registru de deplasare. Dacă generăm bule la un capăt al registrului și le detectăm la celălalt, putem învârti un anumit tipar de bule și folosim sistemul ca dispozitiv de stocare, citind și scriind biți la anumite momente.
Acest lucru duce la avantajele și dezavantajele memoriei pe un MD digital: avantajul este nevolatil (atâta timp cât se aplică un câmp perpendicular creat de magneți permanenți, bulele nu vor dispărea sau se vor muta din pozițiile lor), iar dezavantajul este un lung timpul de acces, deoarece Pentru a accesa un bit arbitrar, trebuie să defilați întregul registru de deplasare la poziția dorită și, cu cât este mai lung, cu atât va necesita mai multe cicluri.
Model de elemente magnetice pe CD film magnetic.
Crearea unui domeniu magnetic se numește „nucleare” în engleză și constă în aplicarea unui curent de câteva sute de miliamperi înfășurării pentru un timp de aproximativ 100 ns și crearea unui câmp magnetic perpendicular pe film și opus câmpului de magnetul permanent. Acest lucru creează o „bulă” magnetică - un domeniu magnetic cilindric în film. Procesul, din păcate, depinde foarte mult de temperatură; operațiunea de scriere poate eșua fără formarea unei bule sau se pot forma mai multe bule.
Se folosesc mai multe tehnici pentru a citi datele din film.
Один способ, неразрушающее чтение, заключается в детектировании слабого магнитного поля цилиндрического домена с помощью магниторезистивного сенсора.
A doua metodă este lectura distructivă. Bula este transferată pe o pistă specială de generare/detecție, în care bula este distrusă prin magnetizarea materialului în direcția înainte. Dacă materialul a fost magnetizat în direcția opusă, adică a fost prezentă o bulă, acest lucru va provoca mai mult curent în bobină și acest lucru este detectat de circuitul electronic. După aceasta, bula trebuie generată din nou pe o pistă de înregistrare specială.
Cu toate acestea, dacă memoria este organizată ca o singură matrice continuă, atunci va avea două mari dezavantaje. În primul rând, timpul de acces va fi foarte lung. În al doilea rând, un singur defect al lanțului va duce la inoperabilitatea completă a întregului dispozitiv. Prin urmare, ei fac memoria organizată sub forma unei piese principale și a mai multor piste slave, așa cum se arată în figură.
Memorie cu bule cu o singură pistă continuă
Memorie cu bule cu piese master/slave
Această configurație de memorie permite nu numai reducerea semnificativă a timpului de acces, dar face și posibilă producerea de dispozitive de memorie care conțin un anumit număr de piste defecte. Controlerul de memorie trebuie să le țină cont și să le ocolească în timpul operațiunilor de citire/scriere.
Imaginea de mai jos arată o secțiune transversală a unui „cip” de memorie cu bule.
De asemenea, puteți citi despre principiul de funcționare al memoriei cu bule în [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - modul de memorie cu bule, MBM (memorie cu bule magnetice) cu o capacitate de 1 MB (1048576 biți). El este cel care este reprezentat pe KDPV. 1 megabit este capacitatea de stocare a datelor utilizatorului; luând în considerare pistele redundante, capacitatea totală este de 1310720 biți. Dispozitivul conține 320 de piste în formă de buclă (bucle) cu o capacitate de 4096 de biți fiecare, dar doar 256 dintre ele sunt utilizate pentru datele utilizatorului, restul este o rezervă pentru înlocuirea pistelor „rupte” și pentru stocarea codului redundant de corectare a erorilor. Dispozitivul are o arhitectură „buclă majoră-pistă minoră”. Informațiile despre melodiile active sunt conținute într-o buclă bootstrap separată. Pe KDPV puteți vedea codul hexazecimal imprimat direct pe modul. Aceasta este o hartă a pistelor „rupte”, 80 de cifre hexazecimale reprezintă 320 de piste de date, cele active sunt reprezentate de un bit, cele inactive sunt reprezentate de un bit zero.
Puteți citi documentația originală pentru modul în [7].
Устройство имеет корпус с двухрядным расположением выводов и монтируется без пайки (в сокет).
Structura modulului este prezentată în figură:
Matricea de memorie este împărțită în două „jumătăți de secțiuni”, fiecare dintre ele împărțită în două „quad-uri”, fiecare sfert având 80 de piste slave. Modulul conține o placă cu material magnetic situată în interiorul a două înfășurări ortogonale care creează un câmp magnetic rotativ. Pentru a face acest lucru, semnalele de curent în formă triunghiulară sunt furnizate înfășurărilor, deplasate cu 90 de grade unul față de celălalt. Un ansamblu de placă și înfășurări este plasat între magneții permanenți și plasat într-un scut magnetic, care închide fluxul magnetic creat de magneții permanenți și protejează dispozitivul de câmpurile magnetice externe. Placa este înclinată la 2,5 grade, ceea ce creează un mic câmp de deplasare de-a lungul înclinării. Acest câmp este neglijabil în comparație cu câmpul bobinelor și nu interferează cu mișcarea bulelor atunci când dispozitivul funcționează, ci mută bulele în poziții fixe față de elementele din permalloy atunci când dispozitivul este oprit. Componenta perpendiculară puternică a magneților permanenți susține existența domeniilor magnetice cu bule.
Modulul conține următoarele noduri:
- Запоминающие треки. Непосредственно те треки из пермаллоевых элементов, которые удерживают и направляют пузырьки.
- Генератор репликации. Служит для репликации пузырька, который постоянно присутствует в месте генерации.
- Noduri de intrare și de schimb. Bulele generate se deplasează de-a lungul pistei de intrare. Bulele sunt mutate pe una dintre cele 80 de piste slave.
- Pista de ieșire și nod de replicare. Bulele sunt scăzute din pistele de date fără a le distruge. Balonul este împărțit în două părți, iar una dintre ele este trimisă pe pista de ieșire.
- Detector. Bulele de pe pista de ieșire intră în detectorul magnetorezistiv.
- Pista de pornire. Track-ul de pornire conține informații despre pistele de date active și inactive.
Ниже мы рассмотрим эти узлы более подробно. Также вы можете ознакомится с описанием этих узлов в [6].
Generarea de bule
Pentru a genera balonul, la începutul pistei de intrare există un conductor îndoit într-o buclă mică. Ii este furnizat un impuls de curent, care creează un câmp magnetic într-o zonă foarte mică, mai puternică decât câmpul magneților permanenți. Pulsul creează în acest punct o bulă, care rămâne permanent, susținută de un câmp magnetic constant, și circulă de-a lungul elementului permalloy sub influența unui câmp magnetic rotativ. Dacă trebuie să scriem o unitate în memorie, aplicăm un impuls scurt buclei conducătoare și, ca rezultat, se nasc două bule (în figura indicată ca Bubble split seed). Una dintre bule se repezi într-un câmp rotativ de-a lungul pistei de permalloy, a doua rămâne pe loc și capătă rapid dimensiunea inițială. Apoi se mută pe una dintre pistele slave și schimbă locurile cu bula care circulă în ea. Acesta, la rândul său, ajunge la sfârșitul pistei de intrare și dispare.
Schimb de bule
Обмен пузырьками происходит, когда в соответствующий проводник подаётся импульс тока прямоугольной формы. При этом не происходит разделения пузырька на две части.
Citirea datelor
Datele sunt trimise către pista de ieșire prin replicare și continuă să circule în pista sa după ce au fost citite. Astfel, acest dispozitiv implementează o metodă de citire nedistructivă. Pentru replicare, bula este ghidată sub un element permalloy alungit, sub care se întinde. Există, de asemenea, un conductor în formă de buclă deasupra; dacă se aplică un impuls de curent buclei, bula se va împărți în două părți. Impulsul de curent constă dintr-o secțiune scurtă de curent mare pentru a împărți bula în două părți și o secțiune mai lungă de curent mai scăzut pentru a direcționa bula către pista de ieșire.
La capătul pistei de ieșire se află un detector de bule, o punte magnetorezistivă realizată din elemente permaloy care formează un circuit lung. Când o bulă magnetică cade sub un element permalloy, rezistența sa se schimbă și o diferență de potențial de câțiva milivolți apare la ieșirea podului. Forma elementelor din permalloy este aleasă astfel încât bula să se miște de-a lungul lor, la final lovește o anvelopă specială „de securitate” și dispare.
Redundanţă
Dispozitivul conține 320 de piste, fiecare 4096 de biți. Dintre aceștia, 272 sunt activi, 48 sunt de rezervă, inactivi.
Bucla de pornire
Dispozitivul conține 320 de piste de date, dintre care 256 sunt destinate stocării datelor utilizatorului, restul pot fi defecte sau pot servi drept piese de schimb pentru a le înlocui pe cele defecte. O pistă suplimentară conține informații despre utilizarea pistelor de date, 12 biți pe pistă. Când sistemul este alimentat, acesta trebuie inițializat. În timpul procesului de inițializare, controlerul trebuie să citească pista de pornire și să scrie informații din aceasta într-un registru special al cipului de format/senzor de curent. Apoi controlerul va folosi doar piese active, iar cele inactive vor fi ignorate și nu le va fi făcută nicio înregistrare.
Depozitul de date - Structură
Din punctul de vedere al utilizatorului, datele sunt stocate în 2048 de pagini a câte 512 biți fiecare. 256 de octeți de date, 14 biți de cod de corectare a erorilor și 2 biți neutilizați sunt stocați în fiecare jumătate a dispozitivului.
Corectarea erorii
Detectarea și corectarea erorilor pot fi efectuate de un cip cu senzor de curent, care conține un decodor de cod de 14 biți care corectează o singură eroare de până la 5 biți lungime (eroare de explozie) în fiecare bloc de 270 de biți (inclusiv codul în sine). Codul este atașat la sfârșitul fiecărui bloc de 256 de biți. Codul de corectare poate fi folosit sau nu, la cererea utilizatorului, verificarea codului poate fi activată sau dezactivată în controler. Dacă nu este utilizat niciun cod, toți cei 270 de biți pot fi utilizați pentru datele utilizatorului.
Timpul de acces
Câmpul magnetic se rotește la o frecvență de 50 kHz. Timpul mediu de acces la primul bit al primei pagini este de 41 ms, adică jumătate din timpul necesar pentru a finaliza o buclă completă prin pistă plus timpul necesar pentru a finaliza pista de ieșire.
320 de piese active și de rezervă sunt împărțite în patru părți a câte 80 de piese fiecare. Această organizare reduce timpul de acces. Sferturile sunt adresate în perechi: fiecare pereche de sferturi conține biții pari și, respectiv, impari ai cuvântului. Dispozitivul conține patru piste de intrare cu patru bule inițiale și patru piste de ieșire. Piesele de ieșire folosesc doi detectoare, acestea sunt organizate în așa fel încât un detector nu primește niciodată două bule de la două piste în același timp. Astfel, cele patru fluxuri de bule sunt multiplexate și convertite în fluxuri de doi biți și stocate în registrele cipului senzorului de curent. Acolo, conținutul registrelor este din nou multiplexat și trimis controlerului prin interfața serială.
Во второй части статьи мы более подробно рассмотрим схемотехнику контроллера пузырьковой памяти.
4. Referințe
Автор нашёл в самых тёмных уголках сети и сохранил для вас в массу полезной технической информации по памяти на ЦМД, её истории и прочим связанным аспектам:
1. — Două amintiri ale inginerului Bobek
2. — Două amintiri ale inginerului Bobek (partea 2)
3. — Memorie cu bule
4. Adaptarea memoriei cu bule magnetice într-un mediu standard de microcalculator
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. - Manualul componentelor memoriei. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit Bubble Memorie
Sursa: www.habr.com