Память линии задержки

Память линии задержки - это уже устаревшая форма компьютерной памяти , которая использовалась на некоторых из первых цифровых компьютеров . Как и многие современные формы памяти электронного компьютера, память линии задержки была обновляемой памятью , но в отличие от современной памяти с произвольным доступом, память линии задержки была последовательной .

Технология аналоговых линий задержки использовалась с 1920-х годов для задержки распространения аналоговых сигналов. Когда линия задержки используется в качестве устройства памяти, усилитель и формирователь импульсов подключаются между выходом линии задержки и входом. Эти устройства рециркулируют сигналы с выхода обратно во вход, создавая петлю, которая поддерживает сигнал, пока подается питание. Формирователь гарантирует, что импульсы остаются правильно сформированными, устраняя любую деградацию из-за потерь в среде.

Емкость памяти определяется путем деления времени, необходимого для передачи одного бита, на время, необходимое для передачи данных через линию задержки. Ранние системы памяти с линией задержки имели емкость в несколько тысяч бит , а время рециркуляции измерялось микросекундами . Чтобы прочитать или записать конкретный бит, хранящийся в такой памяти, необходимо дождаться, пока этот бит перейдет через линию задержки в электронику. Задержка чтения или записи любого конкретного бита не превышает времени рециркуляции.

Использование линии задержки для компьютерной памяти была изобретена Дж Преспер Эккертом в середине 1940-х годов для использования в компьютерах , таких как EDVAC и UNIVAC I . 31 октября 1947 года Эккерт и Джон Мочли подали заявку на патент на систему запоминания линии задержки; патент был выдан в 1953 году. ^{[1] В} этом патенте основное внимание уделялось ртутным линиям задержки, но также обсуждались линии задержки, состоящие из цепочек катушек индуктивности и конденсаторов , магнитострикционные линии задержки и линии задержки, построенные с использованием вращающихся дисков для передачи данных в считывающую головку. в одной точке по окружности от пишущей головки в другом месте по окружности.

Генезис в радаре [ править ]

Основная концепция линии задержки возникла в ходе исследований радаров во время Второй мировой войны как система для уменьшения помех от отражений от земли и других «неподвижных» объектов.

Радиолокационная система состоит в основном из антенны, передатчика, приемника и дисплея . Антенна подключена к передатчику, который перед повторным отключением излучает короткий импульс радиоэнергии. Затем антенна подключается к приемнику, который усиливает любые отраженные сигналы и отправляет их на дисплей. Объекты, находящиеся дальше от радара, отражаются позже, чем те, что находятся ближе к радару, что на дисплее визуально обозначается как «пятно», которое можно измерить по шкале.

Неподвижные объекты на фиксированном расстоянии от антенны всегда возвращают сигнал с такой же задержкой. Это будет отображаться как фиксированная точка на дисплее, что затрудняет обнаружение других целей в этом районе. Ранние радары просто направляли свои лучи от земли, чтобы избежать большей части этого "беспорядка". Это была не идеальная ситуация; это требовало тщательного прицеливания, что было трудно для небольших мобильных радаров, и не устраняло другие источники отражений, похожих на помехи, от таких объектов, как выступающие холмы, а в худшем случае позволяло низколетящим самолетам противника буквально летать «под радаром».

Чтобы отфильтровать статические объекты, сравнивали два импульса и удаляли возвратные сигналы с одинаковым временем задержки. Для этого сигнал, отправляемый от приемника на дисплей, был разделен на две части: один путь вел прямо к дисплею, а второй - к блоку задержки. Задержка была тщательно настроена так, чтобы она была кратна времени между импульсами, или " частоте повторения импульсов.". Это привело к тому, что задержанный сигнал от более раннего импульса вышел из блока задержки в то же самое время, когда от антенны был получен сигнал от нового импульса. Один из сигналов был электрически инвертирован, обычно один из задержек, а два Затем сигналы были объединены и отправлены на дисплей.Любой сигнал, который был в том же месте, был аннулирован инвертированным сигналом от предыдущего импульса, оставляя на дисплее только движущиеся объекты.

Для этой цели было изобретено несколько различных типов систем задержки, с одним общим принципом, заключающимся в том, что информация хранится акустически в носителе. Массачусетский технологический институт экспериментировал с рядом систем, включая стекло, кварц, сталь и свинец. Японцы развернули систему, состоящую из кварцевого элемента с порошковым покрытием из стекла, которое уменьшало поверхностные волны , мешавшие правильному приему. Военно - морская исследовательская лаборатория США использовали стальные стержни , завернутые в спираль, но это было полезно только для низких частот до 1 МГц. Компания Raytheon использовала магниевый сплав, изначально разработанный для изготовления колоколов. ^[2]

Первая практическая система де-захламление на основе концепции была разработана Дж Преспер Эккерта на Пенсильванского университета «ы Мур школа электротехники . В его решении использовалась ртутная колонка с пьезокристаллическими преобразователями.(комбинация динамика и микрофона) с обоих концов. Сигналы от усилителя радара подавались на пьезоэлектрический датчик на одном конце трубки, что заставляло преобразователь пульсировать и генерировать небольшую волну в ртути. Волна быстро перемещалась к дальнему концу трубки, где она считывалась другим пьезоэлектрическим преобразователем, инвертировалась и отправлялась на дисплей. Требовалась тщательная механическая установка, чтобы гарантировать, что время задержки соответствует времени между импульсами используемого радара.

Все эти системы подходили для преобразования в компьютерную память. Ключевым моментом было переработать сигналы в системе памяти, чтобы они не исчезли после прохождения задержки. Это было относительно легко организовать с помощью простой электроники.

Линии акустической задержки [ править ]

Линии задержки Меркурия [ править ]

После войны Эккерт обратил свое внимание на разработку компьютеров, которая в то время вызывала некоторый интерес. Одной из проблем практических разработок было отсутствие подходящего запоминающего устройства, и работа Эккерта над радиолокационными задержками дала ему большое преимущество перед другими исследователями в этом отношении.

Для компьютерного приложения время все еще было критичным, но по другой причине. Обычные компьютеры имеют естественное «время цикла», необходимое для завершения операции, начало и конец которого обычно состоят из чтения или записи памяти. Таким образом, линии задержки должны были быть синхронизированы таким образом, чтобы импульсы приходили на приемник, когда компьютер был готов их прочитать. Обычно многие импульсы будут «в полете» из-за задержки, и компьютер будет считать импульсы, сравнивая их с главными часами, чтобы найти конкретный бит, который он искал.

Ртуть использовалась, потому что ее акустический импеданс близок к акустическому сопротивлению пьезоэлектрических кристаллов кварца; это минимизировало потерю энергии и эхо, когда сигнал передавался от кристалла к среде и обратно. Высокая скорость звукав ртути (1450 м / с) означало, что время, необходимое для ожидания прихода импульса на приемный конец, было меньше, чем это было бы с более медленной средой, такой как воздух (343,2 м / с), но это также означало что общее количество импульсов, которые можно сохранить в любом столбце ртути разумного размера, было ограничено. Другие технические недостатки ртути включают ее вес, стоимость и токсичность. Более того, чтобы акустические импедансы соответствовали как можно точнее, ртуть должна была поддерживаться при постоянной температуре. Система нагревала ртуть до однородной температуры выше комнатной, равной 40 ° C (104 ° F), что делало обслуживание трубок горячим и неудобным. ( Алан Тьюринг предложил использовать джинв качестве среды задержки ультразвука, утверждая, что она обладает необходимыми акустическими свойствами. ^[3] )

Чтобы поддерживать «чистый» сигнал внутри трубки, потребовалось немало инженерных усилий. Большие преобразователи использовались для создания очень плотного «луча» звука, который не касался бы стенок трубки, и необходимо было позаботиться о том, чтобы исключить отражения от дальнего конца трубок. Затем плотность луча потребовала значительной настройки, чтобы убедиться, что два пьезоэлектрических элемента направлены прямо друг на друга. Поскольку скорость звука меняется в зависимости от температуры, трубки нагревали в больших печах, чтобы поддерживать точную температуру. Другие системы ^{[ укажите ]} вместо этого отрегулировали тактовую частоту компьютера в соответствии с температурой окружающей среды для достижения того же эффекта.

EDSAC , второй полномасштабный цифровой компьютер с хранимой программой , начал работу с 256 35-битными словами памяти, хранящимися в 16 линиях задержки по 560 бит каждая (слова в линии задержки состояли из 36 импульсов, один импульс использовался как пробел между последовательными числами). ^[4] Позднее память была расширена до 512 слов за счет добавления второго набора из 16 линий задержки. В UNIVAC I емкость отдельной линии задержки была меньше, каждый столбец хранил 120 бит (хотя термин «бит» в то время не использовался широко), требуя семи больших блоков памяти с 18 столбцами в каждом, чтобы составить 1000 магазин слов. В сочетании со схемой поддержки и усилителями, подсистема памяти образовывала отдельную комнату . Среднее время доступа составляло около 222 микросекунд , что было значительно быстрее, чем у механических систем, используемых на более ранних компьютерах.

CSIRAC , завершенный в ноябре 1949 года, также использовал память линии задержки.

Некоторые устройства памяти с ртутной линией задержки издают слышимые звуки, которые были описаны как похожие на бормотание человеческого голоса. Это свойство привело к появлению сленгового термина «бубенчик» для этих устройств.

Магнитострикционные линии задержки [ править ]

В более поздней версии линии задержки в качестве носителя информации использовались металлические провода . Преобразователи были построены с применением магнитострикционного эффекта ; небольшие кусочки магнитострикционного материала, обычно никеля , были прикреплены к обеим сторонам конца провода внутри электромагнита. Когда биты из компьютера попадают в магниты, никель сжимается или расширяется (в зависимости от полярности) и скручивает конец провода. Результирующая крутильная волна будет двигаться по проводу так же, как звуковая волна по ртутному столбу. Провода были стальные.

В отличие от волны сжатия, используемой в более ранних устройствах, крутильные волны значительно более устойчивы к проблемам, вызванным механическими дефектами, настолько, что провода можно было свернуть в свободную катушку и прикрепить к плате. Благодаря их способности быть намотанными, проводные системы могли быть построены настолько «длинными», насколько это необходимо, и имели тенденцию хранить значительно больше данных на единицу; 1k единиц были типичными на доске размером всего 1 фут. Конечно, это также означало, что время, необходимое для поиска определенного бита, было несколько больше, поскольку он проходил через провод, и время доступа порядка 500 микросекунд было типичным.

Память с линиями задержки была намного дешевле и намного надежнее в расчете на бит, чем триггеры, сделанные из ламп , и все же намного быстрее, чем реле с защелкой . Он использовался вплоть до конца 1960-х годов, особенно на коммерческих машинах, таких как LEO I , Highgate Wood Telephone Exchange , различных машинах Ferranti и IBM 2848 Display Control . Память линии задержки также использовалась для видеопамяти в ранних терминалах, где одна линия задержки обычно сохраняла 4 строки символов. (4 строки x 40 символов в строке x 6 бит на символ = 960 бит в одной линии задержки). Они также очень успешно использовались в нескольких моделях ранних настольных электронных калькуляторов., В том числе Фриден ИС-130 (1964) и ИС-132, то Olivetti Programma 101 настольного программируемый калькулятор введена в 1965 году, и Литтон Монро Эпическая 2000 и 3000 программируемых калькуляторов 1967 года.

Пьезоэлектрические линии задержки [ править ]

Аналогичное решение для магнитострикционной системы заключалось в использовании линий задержки, полностью сделанных из пьезоматериала, обычно кварца. Ток, подаваемый на один конец кристалла, будет генерировать волну сжатия, которая будет течь на другой конец, где ее можно будет прочитать. Фактически, пьезоэлектрические задержки просто заменили ртуть и преобразователи обычной ртутной линии задержки на один блок, сочетающий и то, и другое. Однако эти решения были довольно редкими; Вырастить кристаллы необходимого качества в больших размерах было непросто, что ограничивало их небольшими размерами и, следовательно, небольшими объемами хранения данных.

Лучше и шире использовались пьезоэлектрические задержки в европейских телевизорах. Европейский стандарт PAL для цветного вещания сравнивает сигнал из двух последовательных строк изображения, чтобы избежать смещения цвета из-за небольших фазовых сдвигов. Путем сравнения двух линий, одна из которых инвертирована, смещение усредняется, и результирующий сигнал более точно соответствует исходному сигналу даже при наличии помех. Для сравнения двух линий пьезоэлектрический блок задержки, который задерживает сигнал на время, равное длительности каждой строки, 64 мкс, вставляется в один из двух сравниваемых трактов сигнала. ^[5] Чтобы обеспечить требуемую задержку в кристалле подходящего размера, блок задержки имеет такую ​​форму, чтобы многократно отражать сигнал через кристалл, тем самым значительно уменьшая требуемый размер кристалла и, таким образом, создавая небольшое устройство кубической формы.

Линии электрической задержки [ править ]

Электрические линии задержки используются для более коротких времен задержки (нс до нескольких мкс). Они состоят из длинной электрической линии или состоят из дискретных катушек индуктивности и конденсаторов, расположенных в цепочку. Чтобы сократить общую длину линии, ее можно намотать на металлическую трубку, получив немного больше емкости относительно земли, а также большую индуктивность из-за обмоток проводов, которые расположены близко друг к другу.

Другие примеры:

• короткие коаксиальные или микрополосковые линии для согласования фаз в высокочастотных цепях или антеннах
• полые резонаторные линии в магнетронах и клистронах в виде спиралей в трубках бегущей волны для согласования скорости электронов со скоростью электромагнитных волн
• ондуляторы в лазерах на свободных электронах

Другой способ создать время задержки - реализовать линию задержки в запоминающем устройстве на интегральной схеме . Это можно сделать в цифровом виде или с помощью дискретно-аналогового метода. В аналоге используются устройства типа « ведро» или устройства с зарядовой связью (CCD), которые ступенчато переносят накопленный электрический заряд от одного конца к другому. Как цифровые, так и аналоговые методы имеют полосу пропускания, ограниченную на верхнем конце половиной тактовой частоты, которая определяет шаги транспортировки.

В современных компьютерах, работающих на гигагерцовых скоростях, миллиметровые различия в длине проводников на параллельной шине данных могут вызвать перекос битов данных, что может привести к повреждению данных или снижению производительности обработки. Это можно исправить, сделав все пути проводников одинаковой длины, задерживая время прибытия на более короткие расстояния, используя зигзагообразные следы.

Кстати, способ немного увеличить время задержки состоит в том, чтобы обернуть обмотки лентой (в идеале - каптоном), а затем накрыть ее фольгой, подключив ее к земле через резистор, чтобы еще больше усилить эффект линии передачи. Такой подход также снижает помехи в соседних цепях.

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Запоминание акустической линии задержки - изображение проводной системы Ferranti примерно в середине страницы
• Память линии задержки - содержит схему магнитострикционного преобразователя.
• Litton Monroe Epic 3000 - показывает детали линий торсионной задержки внутри этого электронного калькулятора 1967 года.
• Магнитострикционная память , до сих пор используемая в немецком компьютерном музее
• Патент США 2629827 «Система памяти», Eckert – Mauchly Computer Corporation , подан в октябре 1947 г., запатентован в феврале 1953 г.
• Дисплейный терминал с 32 линиями задержки ТВ Полное описание
• "Какой магазин для EDSAC?" . Национальный музей вычислительной техники . 13 сентября 2013 г. Как работает память с никелевой линией задержки, немного о конструкции
• Никелевая линия задержки для реплики EDSAC