Файл: Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие.pdf

На рис. 4-2 приведены характерные значения величии емкости и времени обращения для некоторых ЗУ, осно­ ванных на различных физических принципах.

Первые ОЗУ строились на магнитных барабанах, электронно-лучевых трубках, линиях задержки. Затем

Время ебращені/я, сек

Рис. 4-2. Характеристики ЗУ различных ти­ пов

/ — электрические линии; 2 — никелевые линии за­

для этой цели стали применяться ферритовые тороидаль­ ные сердечники, тонкие магнитные пленки и другие маг­ нитные элементы, туннельные диоды, интегральные схемы, криотронные элементы и др. Оперативные запоми­ нающие устройства высокопроизводительных вычисли­ тельных машин и систем должны иметь емкость в не­ сколько десятков тысяч слов и время обращения поряд­ ка единицы (и менее) микросекунд. Как видно из рис. 4-2, таким требованиям могут удовлетворить ЗУ на ферритовых сердечниках и ЗУ на тонких магнитных пленках.

В ряде случаев быстродействие ОЗУ оказывается не­ достаточным и в состав машины приходится включать

245

сверхоперативное ЗУ небольшой емкости (на несколько сотен слов) с временем обращения порядка десятков или сотен наносекунд. Такие СОЗУ могут выполняться на сердечниках, тонких пленках, полупроводниковых ин­ тегральных схемах. Быстродействие СОЗУ соответствует обычно скорости работы арифметических устройств и устройств управления процессором. Ячейки СОЗУ ис­ пользуются в качестве рабочих ячеек, индексных регист­ ров, для хранения часто используемых констант. СОЗУ выполняет роль согласующего звена между быстродей­ ствующими логическими устройствами процессора и бо­ лее медленным ОЗУ.

Современные вычислительные системы часто содер­ жат ряд специальных быстродействующих оперативных ЗУ: ЗУ каналов, ЗУ ключей защиты памяти, различные буферные ЗУ, обеспечивающие взаимодействие уст­ ройств вычислительной системы. При создании этих спе­ циальных ЗУ используются те же принципы, на которых строят основную оперативную и сверхоперативную па­ мяти.

4-2. Ф Е Р Р И Т О В Ы Е С Е Р Д Е Ч Н И К И КАК З А П О М И Н А Ю Щ И Е Э Л Е М Е Н Т Ы О З У

Большое влияние на развитие ЦВМ оказало появле­ ние в начале 50-х годов ОЗУ на тороидальных феррито­ вых сердечниках, которые по своим характеристикам на­ много превосходили существовавшие в то время ОЗУ других типов (на электронно-лучевых трубках, линиях за­ держки и др.). С тех пор в ЦВМ в качестве запоминаю­ щих элементов ОЗУ используются в основном магнитные сердечники. В течение почти 20 лет происходит непреры­ вное совершенствование материалов для ферритовых сердечников и технологии их изготовления. Это позволи­ ло значительно уменьшить размеры сердечников с целью повышения быстродействия ОЗУ при одновременном увеличении их емкости.

Применение сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса в качестве элементов для запоминания ин­ формации в двоичном коде основано на наличии у та­ ких сердечников двух устойчивых состояний остаточного намагничивания противоположного знака.

Примерный вид петли гистерезиса реального сердеч­ ника представлен на рис. 4-3. Состоянию, характеризую­

246

щемуся остаточной индукцией + ß r, можно приписать значение 1, а состоянию с индукцией —Вт— значение 0. Если сердечник пронизать входным проводом возбуж­ дения и выходным проводом считывания (рис. 4-3, а), то можно управлять магнит­

ределении его магнитного состояния. Для этого при операции считывания во вход­

ную обмотку подается импульс тока той же полярности, что и импульс записи нуля, создающий поле —Нт, кото­ рое устанавливает сердечник в состояние 0. Если перед этим сердечник находился в состоянии 1, то при считы­ вании величина индукции в сердечнике меняется от + ß r до —Вг и в обмотке считывания индуцируется э. д. с. («сигнал считывания I»). При считывании 9 в обмотке считывания сигнал мал, так как при этом магнитное со­ стояние сердечника изменяется незначительно.

Считывание сопровождается стиранием информации, записанной в сердечнике, так как при этой операции сер-

247

дечник всегда устанавливается в состояние 0. Поэтому, как упоминалось выше, предусматривается специаль­ ная операция регенерации, восстанавливающая инфор­ мацию в сердечнике после считывания.

Обычно в процессе работы в составе запоминающе­ го устройства сердечники подвергаются воздействиям как полных возбуждающих полей Нт, так и меньших полей, называемых частичными. В зависимости от типа ОЗУ напряженность частичного поля может принимать

ние подается с полярностью тока считывания, то состо­ яние сердечника 1 меняется на состояние «разрушенной чтением единицы» (dVічт). Аналогично сердечник, нахо­

менных частичных возбуждениях считывания и записи состояния намагниченности сердечника будут характе­ ризоваться частными петлями гистерезиса. Разрушен­ ные состояния следует различать в соответствии с предисторией возбуждения.

Состояние «разрушенного чтением нуля» (dV,4т) получается после частичного возбуждения импульсами считывания сердечника, находившегося в состоянии dVzзп. После частичного возбуждения импульсами запи­ си сердечник, находившийся в состоянии d V ^ , перехо­ дит в состояние «разрушенной записью единицы» (öfE^n).

Время переключения сердечника из одного остаточ­ ного состояния намагничивания в другое определяется выражением

_ s w

н - н 0 ’

где т — время переключения, сек; Sw — константа пере­ ключения, э-сек; HQ— предельное поле обратимого движения стенок домена, э, Н — приложенное поле, э.

Величина Sw зависит от магнитной вязкости и вих­

248

ревых токов данного материала и определяется экспе­ риментально.

Приведенная формула справедлива для бесконечно тонкого сердечника. Для ферритового сердечника конеч­ ных размеров имеет место зависимость 1/т~ f ( H) , изоб­ раженная на рис. 4-4 (кривая 2). Кривые 1 и 3 показы-

венно для внутреннего и внешнего слоя сердечника. Переключение намагниченности сердечника под дей­

ствием прямоугольного импульса тока, создающего воз­ буждающее поле, превышающее коэрцитивную силу сер­ дечника Я с, приводит к возникновению на его выходной обмотке импульса напряжения колоколообразной фор­ мы (рис. 4-5), несимметричного относительно его макси­ мума. Асимметрия увеличивается при увеличении воз­ буждающего поля, причем максимум смещается к на­ чалу импульса. Амплитуда импульса выходного на­ пряжения пропорциональна превышению приложенного поля над коэрцитивной силой сердечника.

Параметры ферритового сердечника зависят также от изменений температуры материала. Температура сер­ дечника может меняться как вследствие изменений тем­ пературы окружающей среды, так и от саморазогрева сердечника при высокой частоте переключения. Наи­ большее влияние температура оказывает на коэрцитив­ ную силу сердечника, которая уменьшается с ростом температуры.

Чувствительность параметров сердечников к измене­ нию температуры характеризуется термостабильностью,

249

под которой обычно понимают степень относительного изменения параметров при изменении температуры ок­ ружающей среды. Температурный коэффициент коэрци­ тивной силы ТКНс принадлежит к основным парамет­ рам и обычно приводится в качестве характеристики термостабильности материала.

При создании оперативных ЗУ большой емкости не­ обходимо обеспечивать идентичность характеристик ферритовых сердечников, используемых в запоминаю­ щем массиве. Для этого ограничивают допуск на разброс геометрических размеров сердечников и их электричес­ ких характеристик. С этой целью разработаны различ­ ные способы испытаний сердечников, учитывающие условия их работы в реальных запоминающих устройст­ вах. Широкое распространение получил способ, который основан на измерении амплитуд и длительностей выход­ ных сигналов сердечников после разрушающих воздей­ ствий частичных возбуждений. Сигналами, подлежащи­ ми контролю, являются сигнал «неразрушенной» едини­ цы (иѴі) и сигнал «разрушенного» нуля (dVz). Кроме того, измеряются длительность сигнала (ts), время до­ стижения максимума (tp) сигнала иѴі и отношение ве­ личины частичного тока возбуждения / в, при котором начинается разрушение информации, к полному току Іт. Последняя характеристика называется также «им­ пульсной квадратностью». Длительность сигнала ^пред­ ставляет собой время, в течение которого сигнал иѴі превышает уровень, составляющий 10% амплитудного значения. Время tv измеряется от момента достижения сигналом иѴі на переднем фронте значения, составляю­ щего 10% максимального, до момента, соответствующе­ го максимуму этого сигнала (рис. 4-5).

Сигнал иѴ1 снимается с сердечника при переключе­ нии полным током считывания после записи в него 1 полным током записи. Сигнал dVz измеряется при воз­ буждении сердечника полным током считывания, кото­ рый подается после возбуждения сердечника полным током считывания и следующим за ним определенным числом частичных импульсов записи (Ір). При этом измеряются амплитудные значения сигналов. Последова­ тельность импульсов тока при контроле сердечников, позволяющая считывать с сердечника сигналы иѴ\ и dV.г, представлена на рис. 4-6. Проверка указанных вы­ ше параметров производится при определенных соотно­

250