книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

Г л а в а 4

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ЦВМ И ВС

§ 4.1. ИЕРАРХИЯ ЗУ

Запоминающим устройством (ЗУ) ЦВМ называют комплекс техни­ ческих средств, предназначенных для записи, хранения и выдачи информации, представленной в виде цифровых кодов. Развитие вычис­ лительной техники по пути расширения ее логических возможностей и повышения производительности предъявляет все более возрастаю­ щие требования к основным характеристикам ЗУ: информационной емкости, быстродействию. Информационная емкость ЗУ определяется количеством единиц двоичной информации (бит), равным произве­ дению количества хранимых чисел на их разрядность. Быстродей­ ствие ЗУ определяется временем обращения, т. е. временем считы­ вания и записи информации в ЗУ.

Информационная емкость и быстродействие — противоречивые тех­ нические характеристики ЗУ. Сохранить высокое быстродействие при значительном увеличении информационной емкости практически не­ возможно даже в случае использования безынерционных запоминаю­ щих элементов. Вследствие этого высокие требования к информацион­ ной емкости и быстродействию ЗУ современных средств вычислительной техники возможно удовлетворить только за счет использования спе­ циальной организации (иерархии) системы ЗУ.

При иерархическом принципе построения структуры ЗУ логи­ ческая организация потоков информации должна быть такой, чтобы все информационное поле ЦВМ или ВС выступало в виде единого внутреннего ЗУ. Иногда это абстрактное внутреннее ЗУ называют виртуальным, а адресацию его ячеек осуществляют посредством абстрактных математических адресов.

В иерархии ЗУ используют ряд типов ЗУ с различными харак­ теристиками, начиная со сверхскоростных, сверхоперативных или буферных устройств со сравнительно малой информационной емкостью и кончая сравнительно медленными внешними запоминающими уст­ ройствами с очень большой информационной емкостью.

Сверхоперативными ЗУ (СОЗУ) называют такие запоминающие устройства, которые имеют быстродействие, соизмеримое с быстродей­ ствием работы процессора и служат для хранения ряда чисел, необ­ ходимых для выполнения некоторой текущей последовательности команд программы. ,,

Оперативное ЗУ. (ОЗУ) имеет информационную емкость, доста­ точную для выполнения программ или их частей, и работает с циклом,

который в несколько раз меньше цикла работы процессора. Разде­ ление основного ОЗУ на ряд модулей (блоков или секций) позволяет увеличить его быстродействие за счет совмещения временных циклов при параллельном обращении к различным блокам.

Буферным ЗУ (БЗУ) называют устройство, предназначенное для промежуточного хранения информации при ее обмене между устрой­ ствами, работающими с разной скоростью.

Внешним ЗУ (ВЗУ) называют устройство, предназначенное для хранения больших массивов информации, и работающее со сравни­ тельно малой скоростью.

Обмен информации между СОЗУ, БЗУ и ОЗУ, как правило, проис­ ходит по отдельным числам; обмен информации между другими сту­

Из (4.1) следует, что при правильном выборе параметров ОЗУ и СОЗУ и соответствующем выборе потоков информации общие харак­ теристики данного ЗУ практически будут такими, как если бы ОЗУ

ЗУ различных ступеней иерархии высокопроизводительных ЦВМ и ВС. Эти данные можно использовать для оценки областей применения наиболее распространенных и разрабатываемых носителей информа­ ции. При выполнении конкретных требований к ЦВМ или ВС выбор количества ступеней иерархии ЗУ и их параметров решается кон­ кретно для каждого случая.

162

§ 4.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЗУ

Основные параметры ЗУ. Для сравнения ЗУ различных типов рассматривают их следующие основные параметры: информационную емкость, быстродействие, надежность.

Информационную емкость ЗУ определяют тем количеством дво­ ичных единиц информации (бит), которое может храниться в нем. Если ЗУ рассчитано на хранение N чисел, каждое из которых имеет р разрядов, то информационная емкость равна Np бит. При обработке алфавитно-цифровой информации, а также принимая во внимание модульный принцип построения ЦВМ и ВС, часто информационную емкость выражают в байтах.

Чтобы сравнить различные ЗУ, рассматривают также удельные характеристики ОЗУ.

Если количество Np бит хранится в ЗУ, физический объем кото­ рого V, то в одном кубическом сантиметре устройства находится Np/V бит/см3. По этому параметру можно сравнивать ЗУ с различ­ ными информационными емкостями и физическими объемами.

Аналогично сравнивают ЗУ по потребляемой мощности (по коли­ честву милливат энергии, приходящейся на один бит).

Быстродействие ЗУ оценивают временем обращения информации (временем цикла), т. е. промежутком времени, требуемым для считы­ вания и записи информации в данном ЗУ. Следовательно, время обра­ щения характеризует максимальную частоту обращения к данному ЗУ при выполнении операции «считывание—запись». В зависимости от типов ЗУ, рассматриваемых ниже, вводят и другие параметры,

от момента подачи сигнала обращения к данному устройству до мо­ мента получения выходных информационных сигналов. Временем записи информации называют интервал времени, отсчитываемый от момента подачи сигнала обращения к устройству и информационных

сигналов до момента завершения всех переходных процессов в элек­ тронных схемах ЗУ.

Надежность ЗУ определяют численными значениями параметров конструктивной и информационной надежности. Понятие конструк­ тивной надежности ЗУ совпадает с общепринятым определением надеж­ ности радиоэлектронных устройств, т. е. представляет собой вероят­ ность безотказной работы всех элементов и компонентов ЗУ в заданном интервале времени при определенных условиях эксплуатации. Инфор­ мационная надежность ЗУ определяет способность устройства сохра­ нять, принимать и выдавать требуемую информацию без ее искажения при воздействии различного рода помех и допустимых неблагоприятных отклонениях параметров компонент от номиналов при изменении условий эксплуатации. Численно информационная надежность может быть оценена соотношением амплитуд сигналов помех и амплитуд информационных сигналов в моменты записи и считывания информации

влинейных цепях устройства. Большое отношение амплитуд сигналов

ипомех гарантирует высокую информационную надежность устрой­ ства.

Для разработки специальных средств вычислительной техники большое значение имеют такие параметры ЗУ, как габариты, вес, потребляемая мощность. Кроме того, к специальным ЗУ предъявляют особые требования по параметрам механических и климатических воздействий.

Классификация ЗУ. ЗУ можно классифицировать в зависимости от особенностей их построения и функционирования по назначению; адресации кодов; характеру хранения информации; кратности счи­ тывания; физико-химическим принципам работы запоминающих эле­ ментов; технологии изготовления запоминающих элементов.

По назначению ЗУ делят на сверхоперативные СОЗУ, буферные (БЗУ), оперативные (ОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ). Такое деление связано с особенностями использования и специфич­ ностью характеристик отдельных типов иерархии ЗУ.

По адресации ЗУ делят на ЗУ с произвольной, последовательной или циклической выборкой, а также с ассоциативной выборкой. В ЗУ с произвольной выборкой время обращения не зависит от адреса числа в устройстве. В ЗУ с последовательной выборкой для выборки числа по определенному. адресу необходимо пройти мимо ячеек с другими адресами. Очевидно, что в этих устройствах время обращения зависит от адреса. В устройствах с циклической выборкой обращение возможно только в последовательные определенные моменты времени. В зависимости от адреса числа в устройстве время обращения изме­ няется от какого-то минимального до определенного максимального значения. Ассоциативными' называют такие ЗУ, в которых поиск информации определяется признаками содержания информации в ячейке, а не ее адресом. В ассоциативных ЗУ в результате обращения определяется адрес ячейки, в которой находится информация с опре­ деленными заранее заданными признаками.

По характеру хранения информации ЗУ делят на статические и динамические. В статических ЗУ кодируемое информацию физиче­

164

ское состояние остается неподвижным относительно носителя инфор­ мации, тогда как в динамических ЗУ кодируемое информацию физи­ ческое состояние перемещается периодически по отношению к среде носителя информации.

По кратности считывания ОЗУ делят на устройства со считыва­ нием без разрушения информации и устройства со считыванием с раз­ рушением информации. В последнем случае для сохранения информа­ ции необходимо регенерировать считанную информацию, чтобы иметь возможность ее последующего использования.

По физико-химическим принципам работы запоминающих элемен­ тов ЗУ делят на магнитные, полупроводниковые, сверхпроводящие, фотохромные и т. д. В современных ЦВМ и ВС наиболее широко ис­ пользуют двоичную систему счисления. Поэтому различные физико­ химические процессы,' определяющие два различных состояния ве­ щества, могут использоваться для кодирования и хранения инфор­ мации: различные состояния намагниченности магнитных материалов; наличие или отсутствие заряда в данной области полупроводника или диэлектрика; конечное электрическое сопротивление участка цепи и нулевое сопротивление этого же участка, возникающее вслед­ ствие эффекта сверхпроводимости некоторых веществ и т. д.

По технологии изготовления запоминающие элементы ЗУ делят на дискретные и интегральные. Примером дискретных .носителей информации является отдельный кольцевой магнитный сердечник. Для использования в ЗУ отдельные магнитные сердечники проши­ ваются несколькими проводниками. Интегральными носителями ин­ формации называют такие носители, которые изготовляют групповым способом методами интегральной электроники. Системы управления либо так же получают в процессе изготовления запоминающих эле­ ментов (например, полупроводниковые ЗУ), либо изготовляются отдельно групповым способом (например, полосковые системы управ­ ляющих шин магнитнопленочных запоминающих устройств).

§ 4.3. КОЛЬЦЕВОЙ МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК

КАК НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ ОЗУ

В ЦВМ второго и третьего поколений в качестве элементов ОЗУ для хранения двоичной информации доминирующее положение заняли кольцевые магнитные сердечники из ферритового материала с пря­ моугольной петлей гистерезиса. Поскольку феррит имеет высокое (108 -т- 109 Ом/см) удельное сопротивление, то возможно изготовле­ ние сплошных ферритовых сердечников методом штамповки или прессования. Использование металлических ферромагнитных сердеч­ ников возможна только в виде тонких изолированных лент для пре­ дотвращения сильных вихревых токов при изменении магнитного

СОСТОЯНИЯ:

Магнитный кольцевой сердечник может быть намагничен по часовой или против часовой стрелки, и эти два различные маг­ нитные состояния используют для представления двоичной инфор­ мации.

165

Кольцевая форма ферритового сердечника обеспечивает замкну­ тость и однородность магнитопровода. Вследствие этого магнитное состояние сердечника термодинамически устойчиво и может сохра­ няться бесконечно долго в отсутствие сильных внешних воздействий.

Рассмотрим основные характеристики запоминающего элемента на кольцевом , ферритовом сердечнике с величиной наружного диа­ метра D, внутреннего диаметра d и высотой h.

Амплитуда выходного сигнала в одновитковой считывающей об­ мотке может быть рассчитана по формуле

где т — время изменения магнитного состояния (время переключения); ДВ — изменение индукции магнитного сердечника во время переклю­

имеет коэрцитивную силу Нс, состояние сердечника изменяется по

Амплитуда выходного сигнала тем больше, чем больше индукция магнитного материала и чем больше высота h и отношение диаметров Djd. Уменьшая также время перемагничивания, можно увеличить амплитуду выходного сигнала.

Величина остаточной индукции Вг большинства ферритовых мате­ риалов для магнитных сердечников составляет около 0,20 -ь 0,25 тс. Такое малое значение остаточной индукции ферритов по сравнению с металлическими ферромагнетиками определяется тем, что ферриты являются ферромагнетиками, т. е. материалами, магнитные свойства которых обусловлены явлением нескомпенсированного антиферромаг­ нетизма. Это же свойство определяет сравнительно низкую температуру Кюри ферритов (200 -г- 250 °С) для наиболее распространенных маг- ний-марганцевых ферритов; литиевые (термостабильные) ферриты имеют температуру Кюри 400 -ь 450 °С.

Время перемагничивания кольцевых магнитных ферритовых сер­ дечников может быть определено следующим образом. На основе многочисленных экспериментальных результатов найдено, что перемагничивание сердечника начинается в магнитных полях, превы­ шающих поле старта Н0. Поле старта Н0 'обычно меньше величины коэрцитивной силы Нс магнитного материала. Время перемагничива­

где S w — постоянная, определяемая характером физических процессов переключения магнитного материала.

166

Таким образом, время перемагничивания т тем меньше, чем меньше S w и чем Н т >

x = S J ( H m— H0).

Если магнитное поле создается током / т , проходящим по одиноч­ ному проводнику в центре сердечника, то на расстоянии / от провод­ ника возникнет магнитное поле

Поскольку в реальном сердечнике отношение диаметров D/d Ф 1, то при подаче идеального прямоугольного импульса тока различные слои сердечника будут переключаться за разное время. Действительно, время переключения бесконечно тонких внутренних и наружного слоев магнитного сердечника соответственно равны:

твн = S j [ I m/(nd) - Н0]-, тн = S j [ I J ( n D ) - Н0].

При нарастании магнитного поля с конечной скоростью различные. слои будут начинать перемагничиваться последовательно во времени и переключаться с различной скоростью. Для уменьшения общего времени переключения желательно использовать магнитные сердеч­ ники с отношением диаметров D/d как можно ближе к единице.

Из (4.5) следует, что уменьшение диаметра D ведет к уменьшению амплитуды перемагничивающих токов 1т при сохранении величины времени перемагничивания. Поэтому для уменьшения величины токов управления ЗУ необходимо уменьшить диаметр D ферритовых сер­ дечников.

Энергия Wc, затрачиваемая на переключение магнитного сердеч­ ника, может быть определена по общей физической формуле затрат энергии W на перемагничивание единицы объема магнитного мате­ риала:

Для магнитного сердечника с прямоугольной петлей гистерезиса изменение магнитного состояния во время переключения имеет место от величины —Вг до величины Ф ВГ, т. е. всего на величину 2Вг.

Подставив найденные значения в выражение для Wc, получим:

Физически полная энергия переключения И7С магнитного сердеч­ ника обусловлена потерями на гистерезис, вихревые токи и магнит­ ной вязкостью материала. Для ее снижения необходимо использовать магнитный материал с малой остаточной индукцией и уменьшать размеры сердечника.

167

Энергия, затрачиваемая на перемагничивание, выделяется в массе материала магнитного сердечника и может привести к его нагреванию при большой частоте переключения. Вследствие малой величины значения температуры Кюри ферритов нагрев вызывает ухудшение магнитных параметров и может привести к нарушению работоспособ­ ности ЗУ. Поскольку теплоотвод осуществляется через поверхност­ ные слои материала, то уменьшение размеров сердечника улучшает возможность теплоотвода. С уменьшением размеров сердечника уве­ личивается отношение поверхностного слоя материала к его полному

объемУ: S aoj V = 2/h + 4 /(D - d ) . (4.8)

Из проведенного анализа следует-что уменьшение размеров магнит­ ных сердечников позволяет повысить быстродействие ЗУ, снизить потребляемую ими мощность и уменьшить токи управления. Сниже­ ние величины выходного сигнала при этом, как правило, не вызывает сложных проблем вследствие использования высокочувствительных интегральных усилителей. Уменьшение размеров сердечников поз­ воляет получить более плотную их упаковку в накопителе информации. При этом снижается длина управляющих проводников и их индук­ тивность. Увеличение отношения площади сердечника к его объему дает лучшие условия рассеяния тепла. Вследствие этого уменьшение геометрических размеров сердечника ведет к снижению требований к электронным схемам управления и позволяет повысить быстродей­ ствие ЗУ.

Первые магнитные сердечники, используемые в качестве элементов хранения информации ОЗУ, имели наружный диаметр 2 мм. Затем диаметр сердечников был уменьшен до величины 0,5 н- 0,6 мм, в настоящее же время разрабатываются сердечники с наружным диа­ метром 0,3 мм и менее.

По мере уменьшения размеров магнитных сердечников сущест­ венно усложняется технология их изготовления, а также техника испытаний и изготовления матриц ЗУ. Однако автоматизация тех­ нологии изготовления магнитных ЗУ и характеристики, удовлетворяю­ щие предъявляемым требованиям, обеспечили доминирующее приме­ нение магнитных сердечников в запоминающих устройствах ЦВМ

иВС второго и третьего поколений.

ВОЗУ на магнитных сердечниках при считывании, как правило, происходит изменение магнитного состсщния и, следовательно, потеря информационного состояния. Если необходимо сохранить информа­ цию в данном адресе ОЗУ для последующего использования, то приме­ няют метод регенерации, т. е. перезапись информации после чтения. Для регенерации информации схему управления ОЗУ усложняют. Поэтому возникают дополнительные затраты мощности и значительно увеличивается цикл работы ОЗУ.

Анализ работы ОЗУ при решении разнообразных задач дает сред­

нестатистическую информацию о том, что при обращениях к ОЗУ опе­ рации считывания составляют около 10—20%, хотя для частных задач эта цифра может быть и меньше. Кроме того, для построения специальных, ассоциативных ОЗУ, принципиально необходимо исполь­

168

зование элементов 'со считыванием без разрушения информации. Следовательно, построение ОЗУ со считыванием информации без ее разрушения представляет собой актуальную техническую задачу.' Для получения считывания информации без ее разрушения в ЗУ на магнитных сердечниках наиболее широкое распространение

получили следующие физические явления, вызывающие изменение информационного магнитного потока и, следовательно, индуцирование выходных информационных сигналов:

1)взаимодействие взаимно перпендикулярных магнитных потоков

•информационного и считывающего магнитных полей;

2)перераспределение магнитных потоков в одной плоскости, ос­ нованное на сохранении непрерывности магнитного потока и замы­ кании потока в магнитном материале по кратчайшему магнитному

пути;

3)магнитная вязкость магнитного материала, препятствующая необратимому изменению магнитного состояния при действии корот­ ких считывающих полей;

4)изменение магнитной проницаемости для некоторых участков информационного магнитного потока.

Практическая реализация считывания информации без ее разру­ шения возможна и в обычных кольцевых сердечниках, однако, для расширения области работоспособности и улучшения параметров наиболее широко используют магнитные сердечники сложной кон­ фигурации.

Сложная геометрия магнитных сердечников со считыванием инфор­ мации без ее разрушения не позволяет развить интегральную техно­ логию их изготовления- и автоматизированные системы испытаний.

Схемы прошивки этих сердечников достаточно сложны, требования к токам считывания более жесткие, чем в обычных ОЗУ на ферритовых сердечниках. Поэтому ЗУ на магнитных сердечниках со считыванием без разрушения информации не получили широкого распростра­ нения.

§ 4.4. ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА И ОСНОВНЫЕ СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКОВ

Для изготовления магнитных сердечников желательно исполь­ зовать ферритовый материал с идеально прямоугольной петлей гисте­ резиса. Петля гистерезиса магнитного материала (рис. 4.2) определяет зависимость величины магнитной индукции материала от амплитуды приложенного поля Я. Основными параметрами идеальной петли гистерезиса магнитного материала являются индукция насыщения Вг и коэрцитивная сила Нс. Физически прямоугольность петли гисте­ резиса может трактоваться как отражение параллельной ориентации векторов намагниченности всех доменов по направлению приложен­ ного магнитного поля. При изменении направления магнитного поля на противоположное происходит одновременный переброс всех век­ торов намагниченности в противоположное направление одним скач­ ком Баркгаузена, величина коэрцитивной силы в этом идеальном

169