20.2.Элементы регистровой памяти
Регистром называется техническая память, способная хранить n-разрядное двоичное слово. Для хранения одного разряда используется Двоичный Запоминающий Элемент (ДЗЭ), способный хранить один бит информации. ДЗЭ реализуется на базе электронного триггера, в ламповом или транзисторном исполнении. Различаются два вида триггеров: статический триггер и динамический триггер.
Вне зависимости от исполнения, статический триггер (рис. 74.a) состоит из двух вентилей НЕ-ИЛИ, имеет два входа и два выхода и может находиться в одном из двух устойчивых состояниях равновесия: состояние "1" (рис.74.a) и состояние "0" (рис. 74.b). В первом случае на вход S подается сигнал установки в состояние "1" (положительный импульс напряжения). Во втором случае на вход R подается сигнал установки в состояние "0" (положительный импульс напряжения). Статический триггер сохраняет состояние, в которое установил его последний пришедший на вход сигнал.
Таким образом, статический триггер являет собой ДЗЭ, способный хранить один бит информации. Носителем бита являются два транзистора, операция записи бита в ДЗЭ реализуется посредством подачи на один из входов сигнала установки (в "1" или "0"). Операция чтения определяет, в каком состоянии находится триггер ("1" или "0" на выходе Q). Имеется также инверсный выход Q'.
Рис. 74. Статический триггер в состоянии "1" (a) и в состоянии "0" (b)
Динамический триггер изображен на рис. 75.a.
Носителем бита в динамическом триггере является конденсатор C. Поступая на вход S импульс установки заряжает конденсатор до напряжения Uc – триггер устанавливается в состояние "1" (рис. 75.a). По прекращению импульса установки, по закону экспоненты конденсатор разряжается, т.е. не может долго хранить это состояние. Однако на вход T схемы управления поступает постоянная последовательность импульсов регенерации. Схема управления устроена таким образом что, если триггер находится в состоянии "1", то каждый импульс регенерации подзаряжает конденсатор до напряжения Uc.
Рис. 75. Динамический триггер (A) и диаграммы его функционирования (b)
Когда на вход триггера R приходит сигнал сброса, конденсатор мгновенно разряжается – триггер устанавливается в состояние "0" и схема управления прекращает регенерацию (рис. 75.b). Таким образом, когда динамический триггер находится в состоянии "1", на конденсаторе присутствует пилообразное напряжение, а на выходе Q – последовательность импульсов напряжения.
Быстродействие триггера определяется как время, необходимое для перехода триггера из одного состояния в другое. Статический триггер является быстродействующим элементом памяти. Его основной недостаток – способность самопроизвольно менять состояние под воздействием внешней среды (толчки напряжения питания, поток космических частиц и т.д.). Динамический триггер лишен этого недостатка. Но каждая палка о двух концах – динамический триггер обладает меньшим быстродействием.
20.3.Элементы памяти на магнитных сердечниках.
В силу того, что оперативная память компьютеров содержала огромное количество двоичных запоминающих элементов, ее реализация на триггерах (тем, более ламповых) была бы чрезвычайно дорогой. Конструкторы были озабочены создание оперативной памяти, цена бита в которой была бы более-менее приемлемой. Пытались использовать ртутные ультразвуковые линии задержки и электростатическую память на электронно-лучевых трубках, но такие решения оказались совершенно нетехнологичными и канули в лету.
В серийных компьютерах шестидесятых семидесятых годов использовалась оперативная память на магнитных сердечниках.
Идея создания “памяти на магнитных сердечниках принадлежит Джею Форрестеру который в коне 40-х, в начале 50-х начал работать над тем, что впоследствии было названо “память на магнитных сердечниках”, или “ферритовая память”. Новая память работала достаточно быстро, была достаточно надёжной и цена бита была приемлемой.
Память на магнитных сердечниках (ферритовая память) состояла из крошечных металлических колец размером примерно с булавочную головку, через которые проходили провода, которые можно было намагничивать в любом направлении, придавая логическое значение 0 или 1. Память на магнитных сердечниках обладала множеством важных преимуществ, не последним из которых было то, что ей не требовался ток для сохранения содержимого (преимущество над современной памятью). Кроме того, она обеспечивала настоящий произвольный доступ, при котором доступ к любому участку памяти осуществлялся одинаково быстро. У прежних типов памяти такого не было
Феррит - это полупроводник, который обладает определенными магнитными свойствами. Производятся он из магнитного железняка с примесями магния и никеля. Достоинство его в том, что он может быстро намагничиваться и сохранять свое намагниченное состояние.
Феррит характеризуются тем, что петля гистерезиса - зависимость намагниченности B от напряженности внешнего магнитного поля H носит практически прямоугольный характер (рис. 76.a). Вследствие этого намагниченность B сердечника меняется скачками (состояние "0" или "1").
Рис. 76 Бит памяти на магнитном сердечнике.
Принцип работы ДЗЭ на магнитном сердечнике иллюстрируется на рис. 76.b. Ферритовое кольцо "прошито" проводом записи и проводом чтения. Запись бита информации происходит следующим образом. Положительный импульс тока Imax на проводе записи создает положительную напряженность магнитного поля, в результате чего ферритовое кольцо переходит в состояние "1". Отрицательный импульс тока -Imax на проводе записи создает отрицательную напряженность магнитного поля, в результате чего ферритовое кольцо переходит в состояние "0". Существенно, что намагниченность - состояние ферритового кольца сохраняется после прекращения тока записи.
Чтение – проверка состояния ферритового кольца, производится следующим образом. На провод записи подается отрицательный импульс тока -Imax. Если ферритовое кольцо находилось в состоянии "0" – состояние не меняется, результат чтения "0". Если ферритовое кольцо находилось в состоянии "1" – намагниченность B1 изменяется на намагниченность B0. Вследствие изменения намагниченности в проводе чтения возникает положительный импульс тока, результат чтения – "1". Однако, при чтении "1", хранящаяся в ферритовом кольце информация разрушается. Для ее восстановления имеется цепь регенерации – положительный импульс тока подается на провод записи, восстанавливая тем самым состояние "1" ферритового кольца.
Для хранения m различных n разрядных двоичных кодов создается матрица ферритовых колец размером mn, которая составляет основу оперативной памяти компьютера. Упрощенная схема реализации ДЗЭ (Рис. 76.b) усложняется из-за необходимости обеспечить произвольный доступ по адресу к любой строке матрицы для выполнения операций записи чтения n разрядного двоичного кода.
Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и затрачивалось много электрической энергии. Поэтому, с течением времени ферритовая память булла заменена полупроводниковой памятью (динамические триггера в интегральном исполнении)