МАГНИТНЫЕ ЯДРА

Это описание магнитой основной памяти

 

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Военно-морское образование и подготовка командования

               Учебное Пособие По Курсу

                NAVEDTRA 10088-B

Пересмотрен 1978

Типография правительства США

Вашингтон, округ Колумбия.

 

Из копии, принадлежащей Музею компьютерной истории, начиная со страницы 95.

 

Типичное магнитное ядро показано на рисунке 6-1. Оно изготовлено из ферритового (высокопроницаемого) материала. В приложениях компьютерной памяти ферритовое ядро намагничивается магнитным полем, создаваемым, когда ток протекает по проводу (линии привода), проходящему через ядро (поясняется ниже). Он удерживает большое количество этого индуцированного потока при удалении тока. Линии потока могут быть установлены по часовой стрелке или против часовой стрелки вокруг ядра, в зависимости от направления тока намагничивания. Ток в одном направлении устанавливает намагниченность в ядре в заданном направлении. Изменение направления потока тока изменяет направление поля магнитного потока и намагниченности ядра. Эти два уникальных состояния представляют «0» или «1» соответственно.

core

В этом обсуждении предполагается, что время, необходимое для переключения ядра из одного состояния в другое, составляет приблизительно 1,2 мкс. Предполагается, что длительность импульса возбуждения составляет 2 мкс с общим ростом и падением 0,8 мкс и максимальным током 400 мА.

 

Процесс намагничивания

 

Состояние магнетизма ядра объясняется с помощью петли гистерезиса, показанной на рисунке 6-2. Точки, определенные на петле, иллюстрируют плотность магнитного потока в гауссах (B) как функцию поля (индуцированного током) в эрстедах (H).

 

На этой диаграмме предполагается, что весь магнетизм был удален из ядра. (Предполагается, что это условие просто показывает, как намагничивающая сила устанавливается в ядре и как магнетизм ядра входит в его петлю гистерезиса. На самом деле, это ядро ​​и все магнитные материалы существуют в природе в некотором состоянии намагниченности в результате влияния магнитного поля Земли.) Точка 0 на рисунке 6-2 представляет собой состояние 0 ампер-витков в эрстедах (H) и 0 намагниченности ядра в гауссах (B). Если импульс тока проходит через линию привода (рис. 6-1) с интенсивностью, которая создает магнитодвижущую силу (MMF) величиной + Hm (рис. 6-2), намагниченность ядра будет изменяться (насыщаться) как показано вдоль кривой намагничивания, определяемой числами 0, 1 и 2. Это действие устанавливает плотность потока в гауссах (B) в ядре с величиной, обозначенной здесь как + Bs.

hysteresis

Если ток возвращается к 0, магнетизм ядра не возвращается к 0, а падает вдоль контура до точки + Br (3). Эта величина намагниченности (которая называется остаточным намагничиванием) лишь немногим меньше той, которая вырабатывается при наличии тока возбуждения. Таким образом, ядро ​​хранит почти все количество индуцированного магнетизма.

 

Другой импульс величиной +Hm просто сдвинет ядро на + Bs снова (с 3 до 2), и после удаления импульса магнетизм ядра вернется к + Br (от 2 до 3).

 

Теперь, если проводится импульс тока той же величины, но в противоположном направлении. через линию привода, так что создается MMF с интенсивностью -Hm, поток ядра перемещается вдоль кривой, обозначенной числами 3, 4 и 5 (-Bs). В 5 ядро снова насыщен, но из-за изменения тока магнетизм находится в направлении, противоположном тому, которое сначала рассматривалось. Таким образом, ядро ​​насыщается в противоположном направлении, когда применяется -Hm.

 

Когда сила намагничивания -Hm устраняется, магнетизм ядра падает вдоль контура от 5 до 6 (до -Br) и остается намагниченным (сохраняет свой магнетизм) на уровне -Br с незначительными потерями в течение длительных периодов времени.

 

То, что магнитные ядра легко приспосабливаемы к компьютерному приложению хранения, должно быть очевидным. Если + Br ядро произвольно называется состоянием «1», то состояние -Br будет представлять состояние «0». В приложениях компьютерной памяти несколько (до 60 или более) из этих ядер располагаются для формирования компьютерных слов. Содержание слова представлено намагниченным состоянием каждого ядра для хранения состояния «0» или «1», то есть магнитное состояние объединенных ядер представляет собой компьютерное слово.

 

ОСНОВНЫЕ ОБМОТКИ

 

Чтобы иметь возможность подавать более одного тока возбуждения и ощущать или сдерживать изменения в состоянии ядра, необходимо использовать несколько обмоток ядра (приводных линий). Эти обмотки показаны на рисунке 6-3.

navy

Любое изменение потока ядра вызывает напряжение во всех проводах, проходящих через ядро. Любое индуцированное напряжение, подаваемое на чувствительную линию (обмотку), проверяется, чтобы увидеть, как оно влияет на ядро. Если измеренное напряжение большое (более 50 милливольт), ядро ​​изменит свое состояние. Если -Hm / 2 применяется к ядру, которое находится в состоянии «1» (+ Br на рисунке 6-2), оно переключится в состояние «0» (-BS на рисунке 6-2). Если ядро ​​находится в состоянии «0» (-Br на рисунке 6-2), и к ядру применяется большой + Hm / 2, оно переключится в состояние «1» (+ Bs на рисунке 6-2) , Поскольку содержимое ядра определяется таким образом, импульс тока, соответствующий мм-ч, называется «Чтение импульса». Как определено ранее, поскольку состояние ядра, сохраненное перед измерением, разрушается во время считывания, память, использующая этот тип запоминающего элемента с магнитным ядром, называется памятью с деструктивным считыванием. Если данные, которые были сохранены, должны использоваться снова, инициируется функция восстановления (или перезаписи), чтобы вернуть ядро ​​в исходное состояние.

 

МАГНИТИЗИРУЮЩИЕ ЯДРЫ ВЕКТОРНОЙ СУММОЙ ТОК

 

Использование обмоток для намагничивания ядра и определения сигнала, получаемого в результате применения импульса считывания, является одним из методов, с помощью которого данные могут считываться или записываться во внутренние хранилища компьютера. Использование прямых проводников с током является альтернативным методом, используемым, когда пространство является критическим и используются маленькие ядра, потому что очень трудно намотать катушки на очень маленькую тороидальную форму. Желательно использовать небольшие ядра, чтобы увеличить емкость хранилища на заданную область и уменьшить время переключения ядра.

 

Магнитная интенсивность и поток вокруг проводника с током образуют узоры концентрических кругов вокруг проводника. Поскольку ядро и провод являются концентрическими, часть потока, создаваемого проводом, проходит через ядро, как показано на рисунке 6-4.

navy

Если два проводника с током, проходящие через выбранное ядро, расположены под прямым углом друг к другу, эффект будет таким, как если бы был один провод, несущий векторную сумму тока. (См. Рисунок 6-5.)

derivation

Переключение ядра предполагает использование векторного сложения. Векторная сумма или результирующая магнитная интенсивность двух проводников с током, расположенных под прямым углом друг к другу, представляет собой третью магнитную интенсивность, расположенную посередине между двумя исходными магнитными интенсивностями. Если каждый провод несет 0,707 тока, необходимого для переключения ядра, и если ядро ориентирован в направлении результирующей магнитной интенсивности, ядро переключится. Если только один провод проводит ток, ядро не переключится. Этот метод называется методом «совпадающего тока» переключения ядра.

 

СОВПАДАЮЩИЙ ТОК В МАТРИЦЕ ПЛОСКОСТИ ЯДРА

 

Совпадение токовой коммутации ядра используется с расположением проводов и жил, называемых решеткой плоских шнуров, аналогично показанному на рисунке 6-6. Этот массив 4×4 сделан путем пересечения длинных изолированных проводов, так что они образуют квадратную сетку. Массив 4×4 имеет 16 ядер, расположенных в виде квадрата из четырех ядер на каждой стороне массива.

navy

Ядра размещены в местах соединения проводов сетки таким образом, что они окружают результирующий вектор магнитной интенсивности. Эти соединения можно рассматривать в терминах декартовых координат; горизонтальные местоположения назначены обозначением «X», а вертикальное обозначением «Y».

 

Если ток, равный половине текущего значения, необходимого для переключения ядра (ток половинной записи), подается через оба X3 и Y2 в направлении, чтобы создать условие «1», единственное ядро, которое будет переключено, это ядро расположено на стыке проводов X3 и Y2. Другие жилы вдоль проводов X3 и Y2 не будут переключаться, потому что интенсивность магнитного потока, создаваемого только половиной тока, недостаточна. Эти ядра, как говорят, “наполовину отобраны”. Ядро X3-Y2 переключается (если оно еще не находится в состоянии 1) из-за результирующей магнитной интенсивности, создаваемой комбинированным током в половину в двоичном направлении «1» на переходе X3-Y2. Любой из 16 ядра в этой плоскости ядров может быть переключен для сохранения «1» аналогичным образом путем приложения токов половинной записи через соответствующие провода X и Y.

 

Ядро на стыке любых двух ведущих проводов (один X и один Y) может быть установлен в состояние «1» или «0», в зависимости от направления тока, протекающего через провода управления.

 

Для считывания данных («1» или «0»), которые были сохранены в ядре, требуется использование обмотки. Эта обмотка проходит через центр каждого ядра, как показано на рисунке 6-7.

navy

Только одно ядро ​​в массиве может быть переключено за раз. Следовательно, когда импульс тока считывания подается на провода X3 и Y2 (то есть, напротив токов записи), магнитный поток ядра X3-Y2 меняет направление (если ядро хранит «1»), вызывая тем самым напряжение в смысле обмотки. Любое ядро ​​может считываться аналогичным образом путем приложения импульса считывания к соответствующей обмотке X и Y ядра.

 

Если ядро ​​не было переключено токами половинной записи, как объяснено, оно содержит «0». При приложении импульса считывания к обмотке X и Y этого ядра направление магнитной интенсивности в ядре не переключается. Следовательно, импульс не индуцируется в смысле обмотки.

 

Теперь рассмотрим, что все ядра в строке Y2 (рис. 6-7) хранят «1» и что ядро ​​на стыке Y2 и X3 считывается. Когда токи считывания (половинные токи) подаются на линии X3 и Y2, все жилы на линии Y2 возмущаются. Это возмущение приводит к тому, что входные сигналы с низкой амплитудой (шумом) индуцируются в чувствительной линии вместе с входными данными чувствительной линии с полной амплитудой от ядра на стыке X3-Y2.

 

Две процедуры используются для устранения влияния шума от соседних ядер во время считывания. Они включают использование возмущающих и стробирующих импульсов. Импульс возмущения (эквивалентный половине считывания) является сигналом возбуждения амплитуды (коэрцитивной силы) -Hm/2, который подается на ядро сразу после того, как в ядре записано состояние «1». Импульс возмущения (рисунок 6- 2) направляет магнетизм ядра из + Br (состояние, в котором магнетизм устанавливается в ядре в момент сохранения «1»), в точку A на петле гистерезиса. Когда импульс -Hm / 2 удаляется, магнетизм ядре возвращается к точке B. Последующий импульс полураспада приводит ядро к точке C, а при удалении позволяет установить магнетизм на D. (Пусть это будет эквивалентно индуцированный шум от наполовину выбранного ядра, где читается выбранное ядро.) Обратите внимание, что изменение магнетизма ядра от точки B к точке D меньше, чем величина изменения, когда применяется первый импульс половинного чтения. Следовательно, будет меньше шума в обмотке от соседних ядров на рисунке 6-7, если на линию подается импульс возмущения до считывания ядра на стыке Y2-X3.

 

Усиление шума во время чтения дополнительно минимизируется стробированием. Этот метод включает выбор части средней амплитуды усиленного чувствительного импульса. Выбор осуществляется с помощью AND усиленного чувствительного импульса с точно синхронизированным импульсом, называемым «стробирующим импульсом». (См. Рис. 6-8.)

navy

 

Поскольку интенсивность магнитного поля вокруг ядра, хранящего «1», переключается в направлении «0» при получении импульса считывания, данные, хранящиеся в этом ядре, разрушаются (разрушающее считывание).

 

Конечно, идеальным методом считывания является тот, в котором сохраненные данные не стираются, а остаются для последующего считывания (неразрушающего считывания). Однако в случае магнитных ядров, если желательно, чтобы считываемое ядро ​​сохраняло сохраненные данные («1»), последующий импульс записи должен применяться к ядру каждый раз, когда обнаруживается эта «1».

 

Может быть желательно записать каждый бит слова во внутреннее хранилище компьютера, один бит на массив ядра. Обычно число ядерных массивов, используемых для этой цели, совпадает с количеством бит на слово. Массивы накладываются друг на друга, причем первый бит хранится в верхнем массиве, второй бит – рядом с верхним массивом и т. д.

 

Чтобы разрешить хранение битов слова в одной и той же относительной позиции ядра уложенных массивов, одни и те же провода драйвера X и Y каждого массива соединены последовательно или параллельно. Таким образом, когда на координатные провода одного ядра в массиве подается напряжение, на каждый соответствующий ядро в других массивах также подается напряжение.

 

Этот способ вождения каждой обмотки X и Y массива последовательно или параллельно с каждой соответствующей обмоткой X и Y на других массивах сборки создает проблему. При хранении слова некоторые «1» и некоторые двоичные «0» обычно записываются в один вертикально уложенный столбец ядер. Когда на управляющие провода X и Y подается напряжение, чтобы записать «1» в выбранных ядрах, каждое ядро ​​переключится и будет содержать двоичный код 1. Поэтому необходимо включить метод для предотвращения или запрета записи «I» в этих ядрах. который должен хранить «0».

 

Для предотвращения записи «1» в ядрах, которые должны содержать «Os», магнитное поле, которое будет переключать эти ядра, исключается. Это делается путем запуска запрещающего провода параллельно одному из ведущих проводов (X или Y), как показано на рис.6-9.

navy

Когда, например, ток протекает через конкретный провод X-привода, то же количество тока протекает в противоположном направлении через провод блокировки. Поскольку магнитные поля, создаваемые этими параллельными и близко расположенными проводами, равны и противоположны друг другу, эффективное магнитное поле равно нулю. Следовательно, поток Y-образного провода (половина тока записи) недостаточен для переключения ядра, а ядро не переключается (сохраняя «0») по желанию.

 

ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВО ОСНОВНОЙ МАТРИЦЫ

navy

Рисунок 6-10 – это упрощенная схема платы памяти, которая содержит четыре матрицы памяти, расположенные в квадрантах. Приводные линии X и Y, чувствительная линия и запрещающая линия показаны для каждого квадранта. Любой из магнитных ядров в матрице может быть выбран (как обсуждено). Совпадающий импульс тока с половиной амплитуды генерируется в выбранной строке и выбранном столбце выбранного квадранта. Ядро на пересечении строки и столбца получает чистый импульс полной амплитуды тока и поэтому выбирается. Например, предположим, что ядро ​​A в квадранте 3 должно быть выбрано. Каждая из линий 13X и 15Y возбуждения имеет импульсы тока половинной амплитуды. Ядро A на пересечении линий 13X и 15Y принимает чистый импульс полной амплитуды тока. Все остальные жилы в линиях 13X и 15Y получают импульсы тока половинной амплитуды (ядра B, C, D и E и т. д.), Что является недостаточной амплитудой тока для переключения или изменения данных, хранящихся в этих ядрах. Ядра, которые получают только ток половинной амплитуды, выбираются наполовину. Остальные ядра, которые не выбраны наполовину или не выбраны полностью, называются невыбранными ядрами (например, ядро ​​F).

 

Ядро А «Выбрано»

navy

Типичная базовая матрица (базовая плоскость или плоскость памяти), используемая в нескольких компьютерах Navy, показана на рисунке 6-11. Плата представляет собой массив 128 x 128, размещенный в четырех матрицах 64 x 64, и обеспечивает 16,384 однобитовых адреса хранения. Как указывалось ранее, длина слова любого количества битов может быть достигнута просто путем размещения плоскостей памяти друг над другом и надлежащего их соединения. Для увеличения емкости памяти и/или более эффективного использования пространства внутри компьютера дополнительные стеки памяти также могут быть включены при условии, что они должным образом связаны между собой.

 

ЗАЧИТАТЬ

 

Упрощенная версия стека памяти, состоящего из семи плоскостей памяти, изображена на рисунке 6-12. Предполагается, что линии привода «X» и «Y» пульсируют для считывания данных, ранее сохраненных в ядрах, расположенных на пересечении линий привода. Смысловые линии считывают данные с каждого из ядер одновременно, так что весь выходной сигнал (сверху вниз 1101101) считывается за один бит (параллельно). Кроме того, при некоторых модификациях схемы данные могут считываться последовательно – один бит слова в каждом из семи битов. В операции существует одна плоскость памяти для каждого бита в слове.

navy

Смысловой вывод усиливается и отправляется в указанные регистры, где он входит в определенные арифметические или другие типы операций. Кратко говоря, импульс привода переходит от нуля к единице во время цикла записи и от единицы до нуля во время цикла чтения.

 

Импульс возбуждения X и импульс возбуждения Y равны 1/2 Hm. Два импульса требуются одновременно для установки или сброса ядра. Это действие называется совпадающим импульсным типом работы памяти магнитных ядров.

 

Выбор конкретной линии привода Y и линии привода X выберет конкретное ядро, и это фактически является его адресом.

 

На рисунке 6-13 представлена ​​в упрощенной форме блок-схема цепей, используемых репрезентативным компьютером для считывания данных в память ядра и из нее. Эти схемы состоят из 15-разрядного регистра адреса памяти (S) и транслятора, регистра буфера данных (Z), селекторов групп, селекторов строк, селекторов блокировки и чувствительных цепей.

navy

[Нижеследующее обсуждает методы уменьшения X, Y схемы привода и не является основным для понимания работы памяти ядра]

 

Транслятор S переводит выходные данные из регистра S, чтобы указать уникальные разрешения, которые выбирают линии привода X и Y и запрещающие линии. Переводчик S включается путем установки триггера чтения или записи в элементе управления памятью. Переводчик S разделен на семь разделов и при включении сделает следующие переводы:

  1. X первичный селектор S13,S14
  2. X вторичный селектор S06,S07,S08
  3. Селектор линии X S09,S1O,S11
  4. У первичного селектора S12,S14

 

  1. У вторичного селектора SOO,SOl,S02
  2. Селектор линии Y S03,S04,S05
  3. Блокировка селектора S12,S13,S14

Первичный селектор Х – это группа цепей, которые выбирают и включают первичные обмотки одного из четырех селекторов Х (приводных трансформаторов тока). Примечание: В целях упрощения этого обсуждения основные цвета трансформаторов тока привода рассматриваются как одна обмотка. На самом деле трансформаторы тока привода имеют два основных цвета: одно для чтения и одно для записи. Таким образом, для правильного первичного отбора должно быть восемь первичных селекторов. (Как установленные, так и очищенные выходы S13 и S14 используются для правильного выбора.)

Когда появляется импульс чтения или записи, он будет управлять первичной обмоткой выбранного трансформатора. Это вызывает ток во вторичных обмотках трансформатора, который, в зависимости от выбора вторичной обмотки, подается на группы соединенных между собой X приводных линий.

 

Вторичный селектор X – это группа цепей, которые выбирают и активируют одну из восьми вторичных обмоток выбранного трансформатора тока привода. Вторичные обмотки невыбранных трансформаторов изолированы от выбора диодами.

 

Селектор линии привода X представляет собой группу цепей, которые выбирают и активируют одну из восьми линий привода, выбранных вторичным селектором X. Невыбранные линии привода изолированы от выбора диодами.

 

Когда все первичные, вторичные и линейные разрешения селектора X присутствуют, управление памятью инициирует импульсы чтения и записи в выбранных основных цветах трансформатора. Затем импульсы соединяются через выбранную вторичную цепь с выбранной X-образной линией. Выбранная линия привода проходит через ядра, занимающие одинаковое относительное положение в каждой из плоскостей памяти, составляющих данный стек памяти. Перед выбором конкретного ядра в соответствующих квадрантах каждой из плоскостей памяти, соответствующая линия привода Y также должна быть включена.

 

Селекторы первичного, вторичного и линейного Y функционируют так же, как и соответствующие селекторы X. Основное различие между переводами X и Y заключается в этапах регистра S и переводчика, используемых для выполнения переводов.

 

Когда активна линия привода Y, она всегда будет пересекать выбранную линию привода X в одной и той же точке на каждой из плоскостей памяти в стеке памяти. Ядра на пересечениях выбранных линий привода будут затем приводиться в их 0-состояние с помощью импульса чтения или в их I-состояние с помощью импульса записи, при условии, что (1) они еще не находятся в 0-состоянии во время чтения цикл или (2) импульс запрета не совпадает с импульсом записи во время цикла записи.

 

Селектор запрета – это группа цепей, которые выбирают и активируют обмотки запрета в квадранте, где выбранные приводные линии X и Y пересекаются в каждой из плоскостей памяти в стеке памяти. Если во время цикла записи требуется запрет, ток будет проходить через разрешенные линии запрета.

 

Генерация запрещающего импульса является функцией регистра Z. Если 0 должно быть записано в память (Z_= 0), будет сгенерирован импульс запрета, который предотвратит запись 1 в соответствующую битовую позицию в адресуемой ячейке памяти. Примечание. Хотя запрещение может не потребоваться, все линии запрета (по одной для каждого квадранта каждой базовой плоскости) включаются до цикла чтения/записи, устанавливая триггер запрета в управлении памятью.

 

Сенсорные схемы соединяют выходы от плоскостей памяти с регистром Z. Каждая сенсорная схема соединяет выходы из восьми сенсорных обмоток в битовой плоскости (две плоскости памяти) со ступенью в сенсорном регистре. Регистр смысла, в свою очередь, подключается к регистру Z.

 

Вход для каждого усилителя чувствительности поступает от противоположных по диагонали обмоток чувствительности на плоскости памяти. Стробовый импульс применяется в качестве разрешения для Z-регистра. Стробовый импульс появляется приблизительно через 0,3 микросекунды после начала импульса считывания и, будучи шириной всего лишь около 0,2 микросекунды, запустит выход из ядра в Z-регистр в то время, когда этот выход имеет максимальную амплитуду (логика 1).

 

Использование описанных магнитных ядров обеспечивает высокоскоростное энергонезависимое хранение с произвольным доступом. Компонент хранения считается энергонезависимым, если он сохраняет свое двоичное состояние, когда вся энергия отключена от оборудования. Термин «высокоскоростная память» определяется относительно времени, необходимого для получения доступа к данным в памяти, когда используются другие типы запоминающих элементов, таких как магнитные барабаны или лента. Он может быть определен с точки зрения наименьшего времени доступа двух или более систем, которые используют один и тот же тип элемента хранения. Во всех случаях термин «высокоскоростной» является относительным.

 

Оригинальная статья: http://www.ed-thelen.org/comp-hist/navy-core-memory-desc.html