Ảnh sưu tầm của tác giả
1. Lịch sử
Bộ nhớ bong bóng, hay bộ nhớ miền từ hình trụ, là bộ nhớ cố định được phát triển tại Bell Labs vào năm 1967 bởi Andrew Bobeck. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các miền từ hình trụ nhỏ hình thành trong các màng mỏng đơn tinh thể làm từ ferrit và ngọc hồng lựu khi một từ trường đủ mạnh hướng vuông góc với bề mặt màng. Bằng cách thay đổi từ trường, những bong bóng này có thể di chuyển được. Những đặc tính này làm cho bong bóng từ trở nên lý tưởng để xây dựng kho lưu trữ bit tuần tự, giống như thanh ghi dịch, trong đó sự hiện diện hay vắng mặt của bong bóng ở một vị trí nhất định có nghĩa là giá trị của bit bằng 1977 hoặc một. Đường kính của bong bóng là một phần mười micron; một con chip có thể lưu trữ hàng nghìn bit dữ liệu. Ví dụ, vào mùa xuân năm 92304, Texas Instruments lần đầu tiên giới thiệu ra thị trường một con chip có dung lượng XNUMX bit. Bộ nhớ này không ổn định, tương tự như băng từ hoặc đĩa, nhưng vì ở trạng thái rắn và không có bộ phận chuyển động nên nó đáng tin cậy hơn băng hoặc đĩa, không cần bảo trì, nhỏ hơn và nhẹ hơn nhiều. , và có thể được sử dụng trong các thiết bị di động.
Nhà phát minh ban đầu của bộ nhớ bong bóng, Andrew Bobek, đã đề xuất một phiên bản bộ nhớ “một chiều”, ở dạng một sợi dây trên đó quấn một dải vật liệu sắt từ mỏng. Loại bộ nhớ này được gọi là "xoắn" và thậm chí còn được sản xuất hàng loạt nhưng nhanh chóng bị thay thế bởi phiên bản "hai chiều".
Bạn có thể tự làm quen với lịch sử hình thành bộ nhớ bong bóng trong [1-3].
2. Nguyên lý hoạt động
Ở đây tôi xin bạn thứ lỗi cho tôi, tôi không phải là nhà vật lý nên cách trình bày sẽ rất gần đúng.
Một số vật liệu (chẳng hạn như gadolinium gallium garnet) có xu hướng bị từ hóa chỉ theo một hướng và nếu một từ trường không đổi được đặt dọc theo trục đó, các vùng bị từ hóa sẽ tạo thành thứ gì đó giống như bong bóng, như thể hiện trong hình bên dưới. Mỗi bong bóng có đường kính chỉ vài micron.
Giả sử chúng ta có một màng tinh thể mỏng, khoảng 0,001 inch, làm bằng vật liệu như vậy, lắng đọng trên một chất nền không có từ tính, ví dụ như thủy tinh.
Đó là tất cả về bong bóng ma thuật. Hình bên trái - không có từ trường, hình bên phải - từ trường có hướng vuông góc với bề mặt màng.
Nếu một mẫu được hình thành trên bề mặt màng của vật liệu như vậy từ vật liệu từ tính, ví dụ, permalloy, hợp kim sắt-niken, thì các bong bóng sẽ bị từ hóa bởi các phần tử của mẫu này. Thông thường, các mẫu hình chữ T hoặc hình chữ V được sử dụng.
Một bong bóng duy nhất có thể được hình thành bởi một từ trường 100-200 oersted, được đặt vuông góc với màng từ và được tạo ra bởi một nam châm vĩnh cửu, và từ trường quay được hình thành bởi hai cuộn dây theo hướng XY cho phép các miền bong bóng di chuyển từ “đảo” từ tính này đến “đảo” từ tính khác, như thể hiện trong hình. Sau khi thay đổi hướng của từ trường bốn lần, miền sẽ di chuyển từ hòn đảo này sang hòn đảo lân cận.
Tất cả điều này cho phép chúng ta coi thiết bị DMD như một thanh ghi thay đổi. Nếu chúng ta tạo ra các bong bóng ở một đầu của thanh ghi và phát hiện chúng ở đầu kia, chúng ta có thể quay một mẫu bong bóng nhất định xung quanh và sử dụng hệ thống làm thiết bị lưu trữ, đọc và ghi các bit vào những thời điểm cụ thể.
Điều này dẫn đến những ưu điểm và nhược điểm của bộ nhớ trên MD kỹ thuật số: ưu điểm là không biến đổi (miễn là trường vuông góc được tạo bởi nam châm vĩnh cửu được áp vào, các bong bóng sẽ không biến mất hoặc di chuyển khỏi vị trí của chúng), và nhược điểm là mất nhiều thời gian. thời gian truy cập, bởi vì Để truy cập một bit tùy ý, bạn cần cuộn toàn bộ thanh ghi thay đổi đến vị trí mong muốn và thời gian càng dài thì càng cần nhiều chu kỳ.
Mô hình các phần tử từ tính trên màng từ tính CD.
Việc tạo ra một miền từ tính được gọi là "tạo mầm" trong tiếng Anh và bao gồm việc đặt một dòng điện vài trăm miliampe vào cuộn dây trong thời gian khoảng 100 ns và tạo ra một từ trường vuông góc với màng và ngược chiều với trường của nam châm vĩnh cửu. Điều này tạo ra một “bong bóng” từ tính – một miền từ tính hình trụ trong màng. Thật không may, quá trình này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ; thao tác ghi có thể thất bại nếu không có bong bóng hình thành hoặc một số bong bóng có thể hình thành.
Một số kỹ thuật được sử dụng để đọc dữ liệu từ phim.
Một phương pháp, đọc không phá hủy, là phát hiện từ trường yếu của miền hình trụ bằng cảm biến từ điện trở.
Phương pháp thứ hai là đọc phá hoại. Bong bóng được chuyển đến một rãnh phát hiện/tạo đặc biệt, trong đó bong bóng bị phá hủy bằng cách từ hóa vật liệu theo hướng thuận. Nếu vật liệu được từ hóa theo hướng ngược lại, nghĩa là có bong bóng, điều này sẽ gây ra nhiều dòng điện hơn trong cuộn dây và điều này được phát hiện bởi mạch điện tử. Sau đó, bong bóng phải được tạo lại trên một bản ghi đặc biệt.
Tuy nhiên, nếu bộ nhớ được tổ chức thành một mảng liên tục thì nó sẽ có hai nhược điểm lớn. Thứ nhất, thời gian truy cập sẽ rất lâu. Thứ hai, một khiếm khuyết duy nhất trong dây chuyền sẽ dẫn đến toàn bộ thiết bị không thể hoạt động được. Do đó, chúng sắp xếp bộ nhớ theo dạng một rãnh chính và nhiều rãnh phụ, như minh họa trong hình.
Bộ nhớ bong bóng với một bản nhạc liên tục
Bộ nhớ bong bóng với các bản nhạc chính/phụ
Cấu hình bộ nhớ này không chỉ cho phép giảm đáng kể thời gian truy cập mà còn có thể tạo ra các thiết bị bộ nhớ chứa một số bản nhạc bị lỗi nhất định. Bộ điều khiển bộ nhớ phải tính đến chúng và bỏ qua chúng trong quá trình đọc/ghi.
Hình ảnh dưới đây cho thấy mặt cắt ngang của "chip" bộ nhớ bong bóng.
Bạn cũng có thể đọc về nguyên lý hoạt động của bộ nhớ bong bóng trong [4, 5].
KHAI THÁC. Intel 3
Intel 7110 - mô-đun bộ nhớ bong bóng, MBM (bộ nhớ bong bóng từ tính) có dung lượng 1 MB (1048576 bit). Chính anh ta là người được miêu tả trên KDPV. 1 megabit là dung lượng lưu trữ dữ liệu người dùng, tính cả các track dư thừa thì tổng dung lượng là 1310720 bit. Thiết bị chứa 320 rãnh (vòng) hình vòng lặp với dung lượng 4096 bit mỗi rãnh, nhưng chỉ có 256 bit trong số đó được sử dụng cho dữ liệu người dùng, phần còn lại dùng để dự trữ thay thế các rãnh “bị hỏng” và để lưu trữ mã sửa lỗi dư thừa. Thiết bị này có kiến trúc “vòng lặp chính-vòng lặp phụ”. Thông tin về các bản nhạc đang hoạt động được chứa trong một vòng lặp bootstrap riêng biệt. Trên KDPV, bạn có thể thấy mã thập lục phân được in trực tiếp trên mô-đun. Đây là bản đồ của các rãnh “bị hỏng”, 80 chữ số thập lục phân biểu thị 320 rãnh dữ liệu, các rãnh đang hoạt động được biểu thị bằng bit XNUMX, các chữ số không hoạt động được biểu thị bằng bit XNUMX.
Bạn có thể đọc tài liệu gốc của mô-đun trong [7].
Thiết bị có vỏ với bố trí chốt hai hàng và được gắn mà không cần hàn (vào ổ cắm).
Cấu trúc của mô-đun được hiển thị trong hình:
Mảng bộ nhớ được chia thành hai “nửa phần”, mỗi phần được chia thành hai “bộ tứ”, mỗi phần tư có 80 rãnh phụ. Mô-đun này chứa một tấm vật liệu từ tính nằm bên trong hai cuộn dây trực giao tạo ra từ trường quay. Để làm điều này, các tín hiệu dòng điện hình tam giác được cung cấp cho cuộn dây, dịch chuyển 90 độ so với nhau. Một tập hợp các tấm và cuộn dây được đặt giữa các nam châm vĩnh cửu và được đặt trong một tấm chắn từ, giúp đóng từ thông do nam châm vĩnh cửu tạo ra và bảo vệ thiết bị khỏi từ trường bên ngoài. Tấm nghiêng 2,5 độ, tạo ra một trường dịch chuyển nhỏ dọc theo độ nghiêng. Trường này không đáng kể so với trường của cuộn dây và không cản trở chuyển động của bong bóng khi thiết bị hoạt động mà di chuyển bong bóng đến các vị trí cố định so với các phần tử permalloy khi tắt thiết bị. Thành phần vuông góc mạnh mẽ của nam châm vĩnh cửu hỗ trợ sự tồn tại của miền từ tính bong bóng.
Mô-đun chứa các nút sau:
- Những bài hát đáng nhớ Trực tiếp các dấu vết của phần tử permalloy giữ và định hướng các bong bóng.
- Trình tạo bản sao. Phục vụ cho việc nhân lên của túi, thường xuyên có mặt tại nơi sinh sản.
- Theo dõi đầu vào và các nút trao đổi. Các bong bóng được tạo sẽ di chuyển dọc theo rãnh đầu vào. Bong bóng được chuyển đến một trong 80 đường đua nô lệ.
- Nút theo dõi đầu ra và sao chép. Bong bóng được loại bỏ khỏi các rãnh dữ liệu mà không phá hủy chúng. Bong bóng được chia thành hai phần và một trong số chúng được gửi đến bản nhạc đầu ra.
- Máy dò. Các bong bóng từ rãnh đầu ra đi vào máy dò từ điện trở.
- Đường khởi động. Track khởi động chứa thông tin về các track dữ liệu đang hoạt động và không hoạt động.
Dưới đây chúng ta sẽ xem xét các nút này chi tiết hơn. Bạn cũng có thể đọc mô tả về các nút này trong [6].
Tạo bong bóng
Để tạo ra bong bóng, ngay đầu rãnh đầu vào có một dây dẫn được uốn thành một vòng nhỏ. Một xung dòng điện được cung cấp cho nó, tạo ra một từ trường trong một khu vực rất nhỏ mạnh hơn trường của nam châm vĩnh cửu. Xung tạo ra một bong bóng tại thời điểm này, bong bóng này tồn tại vĩnh viễn, được hỗ trợ bởi từ trường không đổi và lưu thông dọc theo phần tử permalloy dưới tác động của từ trường quay. Nếu chúng ta cần ghi một đơn vị vào bộ nhớ, chúng ta sẽ áp một xung ngắn vào vòng dẫn và kết quả là hai bong bóng được sinh ra (trong hình được biểu thị là Hạt chia bong bóng). Một trong những bong bóng lao vào một trường quay dọc theo rãnh permalloy, bong bóng thứ hai vẫn giữ nguyên vị trí và nhanh chóng lấy lại kích thước ban đầu. Sau đó, nó di chuyển đến một trong các rãnh nô lệ và đổi vị trí với bong bóng lưu thông trong đó. Đến lượt nó, nó đi đến cuối rãnh đầu vào và biến mất.
Trao đổi bong bóng
Trao đổi bong bóng xảy ra khi một xung dòng điện hình chữ nhật được đặt vào dây dẫn tương ứng. Trong trường hợp này, bong bóng không chia thành hai phần.
Đọc dữ liệu
Dữ liệu được gửi đến rãnh đầu ra bằng cách sao chép nó và tiếp tục lưu chuyển trong rãnh đó sau khi được đọc. Vì vậy, thiết bị này thực hiện phương pháp đọc không phá hủy. Để tái tạo, bong bóng được dẫn hướng dưới một phần tử permalloy kéo dài, dưới đó nó sẽ giãn ra. Ngoài ra còn có một dây dẫn hình vòng ở phía trên; nếu một xung điện được đưa vào vòng dây, bong bóng sẽ tách thành hai phần. Xung dòng điện bao gồm một phần dòng điện cao ngắn để chia bong bóng thành hai phần và một phần dài hơn có dòng điện thấp hơn để hướng bong bóng đến rãnh đầu ra.
Ở cuối đường dẫn đầu ra là một máy dò bong bóng, một cầu nối từ điện trở được làm bằng các phần tử permalloy tạo thành một mạch dài. Khi một bong bóng từ tính rơi xuống dưới một phần tử permalloy, điện trở của nó sẽ thay đổi và xuất hiện một hiệu điện thế vài milivolt ở đầu ra của cầu. Hình dạng của các phần tử permalloy được chọn sao cho bong bóng di chuyển dọc theo chúng, cuối cùng nó chạm vào một chiếc lốp “an ninh” đặc biệt và biến mất.
Dư
Thiết bị chứa 320 rãnh, mỗi rãnh 4096 bit. Trong số này, 272 chiếc đang hoạt động, 48 chiếc dự bị, không hoạt động.
Vòng lặp khởi động
Thiết bị chứa 320 rãnh dữ liệu, trong đó 256 rãnh được dùng để lưu trữ dữ liệu người dùng, phần còn lại có thể bị lỗi hoặc có thể dùng làm phụ tùng để thay thế những dữ liệu bị lỗi. Một rãnh bổ sung chứa thông tin về việc sử dụng các rãnh dữ liệu, 12 bit cho mỗi rãnh. Khi cấp nguồn cho hệ thống, nó phải được khởi tạo. Trong quá trình khởi tạo, bộ điều khiển phải đọc rãnh khởi động và ghi thông tin từ nó vào một thanh ghi đặc biệt của chip định dạng/cảm biến dòng điện. Sau đó, bộ điều khiển sẽ chỉ sử dụng các bản nhạc đang hoạt động và những bản nhạc không hoạt động sẽ bị bỏ qua và sẽ không có bản ghi nào được thực hiện đối với chúng.
Kho dữ liệu - Cấu trúc
Theo quan điểm của người dùng, dữ liệu được lưu trữ trong 2048 trang, mỗi trang 512 bit. 256 byte dữ liệu, 14 bit mã sửa lỗi và 2 bit không sử dụng được lưu trữ trong mỗi nửa thiết bị.
Sửa lỗi
Việc phát hiện và sửa lỗi có thể được thực hiện bởi một chip cảm biến hiện tại, chứa bộ giải mã mã 14 bit để sửa một lỗi có độ dài tối đa 5 bit (lỗi cụm) trong mỗi khối 270 bit (bao gồm cả chính mã đó). Mã được thêm vào cuối mỗi khối 256 bit. Mã sửa có thể được sử dụng hoặc không sử dụng, theo ý muốn của người dùng, việc kiểm tra mã có thể được bật hoặc tắt trong bộ điều khiển. Nếu không sử dụng mã, tất cả 270 bit có thể được sử dụng cho dữ liệu người dùng.
Thời gian truy cập
Từ trường quay với tần số 50 kHz. Thời gian truy cập trung bình tới bit đầu tiên của trang đầu tiên là 41 ms, bằng một nửa thời gian cần thiết để hoàn thành một vòng lặp đầy đủ qua bản nhạc cộng với thời gian cần thiết để hoàn thành bản nhạc đầu ra.
320 rãnh hoạt động và dự phòng được chia thành bốn phần, mỗi phần có 80 rãnh. Tổ chức này làm giảm thời gian truy cập. Các phần tư được đánh địa chỉ theo cặp: mỗi cặp phần tư lần lượt chứa các bit chẵn và lẻ của từ. Thiết bị chứa bốn rãnh đầu vào với bốn bong bóng ban đầu và bốn rãnh đầu ra. Các rãnh đầu ra sử dụng hai máy dò, chúng được tổ chức sao cho một máy dò không bao giờ nhận được hai bong bóng từ hai rãnh cùng một lúc. Do đó, bốn luồng bong bóng được ghép kênh và chuyển đổi thành hai luồng bit và được lưu trong các thanh ghi của chip cảm biến hiện tại. Ở đó, nội dung của các thanh ghi lại được ghép kênh và gửi đến bộ điều khiển thông qua giao diện nối tiếp.
Trong phần thứ hai của bài viết, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn về mạch điện của bộ điều khiển bộ nhớ bong bóng.
4. Tài liệu tham khảo
Tác giả đã tìm thấy trong những góc tối nhất của mạng và lưu lại cho bạn rất nhiều thông tin kỹ thuật hữu ích về bộ nhớ trên DMD, lịch sử của nó và các khía cạnh liên quan khác:
1. – Hai kỷ niệm của kỹ sư Bobek
2. — Hai kỷ niệm của kỹ sư Bobek (phần 2)
3. - Bộ nhớ bong bóng
4. Điều chỉnh bộ nhớ bong bóng từ tính trong môi trường máy vi tính tiêu chuẩn
5. - Bộ nhớ bong bóng TIB 0203 của Texas Instruments
6. - Sổ tay thành phần bộ nhớ. Intel 1983.
7. Bộ nhớ bong bóng 7110 1 Megabit
Nguồn: www.habr.com