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

случае определяется энергией образования зародышей перемагничи-

териале внутреннего слоя сердечника начинается процесс образования и роста зародышей обратной намагниченности. По мере дальнейшего увеличения магнитного поля будут перемагничиваться более даль­ ние слои магнитного материала до тех пор, пока намагниченность всего материала сердечника не изменит свой знак. Магнитное поле

1Х= nDH0.

При дальнейшем увеличении магнитного поля обратимый поворот векторов намагниченности будет обеспечивать небольшие увеличения индукции до тех пор, пока все вектора не будут ориентированы парал­ лельно магнитному полю и не наступит состояние насыщения. Если магнитное поле начнет уменьшаться, то магнитное состояние будет изменяться по участку DE петли гистерезиса за счет обратимого пово­

170

рота вектором намагниченности доменов от направления магнитного поля к направлению ближайшей оси анизотропии.

У реальной петли гистерезиса магнитного ферритового сердечника (рис. 4.4) углы сглажены. Вследствие поликристаллической природы ферритов, наличия примесей, включений и дефектов кристаллической решетки для различных областей магнитного материала, величина поля зародышеобразования различна, поэтому перемагничивание от­ дельных областей начинается в полях, меньших пороговых.

При циклическом изменении магнитного поля с изменяющейся амплитудой можно получить семейство частых петель гистерезиса

(рис. 4.4).

В Случае, когда внешнее магнитное поле имеет величину, доста­ точную для перемагничивания всего материала магнитного сердечника, получают предельную петлю гистерезиса. Предельная петля гистере-

зиса может быть использована для определения статических характе­ ристик магнитных сердечников (рис. 4.5).

Коэффициентом, прямоугольности а называют отношение остаточ­ ной индукции Вг к максимальной величине индукции Вт при дей­ ствии на сердечник магнитного поля Нт\

Если магнитное поле величиной Нт действует на сердечник, находящийся в состоянии + В Г, то отношение изменения индукции

Статический коэффициент квадратности петли гистерезиса ха­ рактеризует отношение изменения магнитной индукции при половин­ ной величине магнитного поля к изменению индукции при действии полной амплитуды магнитного поля противоположной полярности:

РАВ ( + Н т) ■

Кстатическим характеристикам также относят величины оста­ точной индукции Вг и коэрцитивной силы Нс.

171

§ 4.5. ОЗУ С СОВПАДЕНИЕМ ТОКОВ НА МАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКАХ

Принцип работы ОЗУ с совпадением токов на магнитных сердеч­ никах. Для выбора запоминающего сердечника из матрицы сердеч­ ников можно использовать его вентильные свойства, обусловленные прямоугольностью петли гистерезиса. Действительно, если k токов величиной 1т создают в сердечнике напряженность поля больше, чем Нс, то эти токи можно использовать для выборки. Шины системы управления в устройстве можно провести так, что каждый сердечник матрицы, кроме выбранного, получит возбуждение не более чем 1т или (k — 1) 1т (во втором случае к прямоугольности петли гистере­ зиса сердечника предъявляют очень жесткие требования). Несмотря

Пусть петля гистерезиса магнитных сердечников идеальна, им­ пульсы тока + 1т, создающие поле -\-Нт, устанавливают сердечники в состоянии «1» (—Вг, на рис. 4.6 светлые кольцевые сердечники), а импульсы тока —/ т , создающие поле —Нт, устанавливают сердеч­ ники в состояние «О» (-f Вг, на рис. 4.6 темные кольцевые сердечники).

Если подать импульсы тока I J 2 по шинам Х2 и одновременно, то в сердечнике А эти импульсы создадут магнитное поле, превышаю­ щее величину Нс, тогда как в других сердечниках действующее маг­ нитное поле будет меньше этой величины. Под действием приложенных полей магнитное состояние сердечника изменится и в общей считы­ вающей обмотке наведется сигнал. Если же импульсы тока будут поданы в шины Х 3 и Уд, то магнитное поле подтвердит магнитное состояние сердечника "и в считывающей обмотке сигнал не возникнет, поскольку петля гистерезиса идеальна.

Выбирая соответствующую пару координатных шин X и Y, можно определить магнитное состояние каждого сердечника и считать запи­ санную в сердечниках информацию, анализируя наличие или отсут­ ствие выходного индуцированного сигнала на считывающей обмотке.

172

После считывания информации все сердечники находятся в состоя­ нии + В Г, т. е. считывание происходит, с разрушением записанной информации. Чтобы вновь записать информацию в сердечники, до­ статочно изменить полярность токов возбуждения координатных шин и подать импульсы тока в соответствующие их пары. При совпадении двух импульсов полей —H J 2 произойдет переключение магнитных сердечников из состояния + В Г в состояние —Вг, т. е. будет записана «1». Те же сердечники, которые не подвергнутся действию полей

—Нт, останутся в «О» состоянии. Изменение магнитной индукции в сердечниках при считывании «1» и «О», а также при действии полей полувозбуждения показано на рис. 4.7.

Рассмотрим другой метод записи информации, при котором коор­ динатные токи подаются как при записи «О», так и при записи «1», при этом все сердечники-матрицы будет прони­ зывать четвертая обмотка (обмотка записи).

Тогда для записи «О» необходимо одновре­ менно с подачей координатных токов —/ ш/2 подать импульс тока -г1т/2 в обмотку запи­ си. В этом случае сердечник, находящийся на пересечении выбранных координат, полу­ чит суммарное возбуждение:

( - H J 2 ) + (—H J 2 ) + (+ H J 2 ) = - H J 2 .

Но при этом его состояние не изменится, т. е. сердечник останется в состоянии «О» (~гВг)-, все остальные сердечники матрицы будут подвержены действию магнитных по­ лей H J 2, а сердечники полувыбранных ко­ ординат не получат возбуждение.

Таким образом, принцип работы ОЗУ с совпадением токов предполагает прошивку

каждого сердечника матрицы четырьмя проводами; два провода — для координатной выборки, один — для обмотки считывания и один для обмотки записи. Характерным при этом является целостность проводов прошивки при прохождении через большое количество магнитных сердечников. Количество сердечников, прошитых прово­ дом, зависит лишь от технологии прошивки. Провода прошивки при­ соединяют к контактам на рамке обрамления матрицы. Соотношение

При считывании и записи «1» по определенному адресу все сер­ дечники выбранных координатных линий подвергаются действию

динат не подвергаются действию последовательностей полувозбуждений. При считывании и записи «0» возбуждение выбранных сердеч-

173

ников равно + Я Ш/2, + Н т/2, -\-HJ2... , а всех оставшихся сердечни­

стоянии, быть выбранным, невыбранным, или полувыбранным, при работе ОЗУ с большой частотой подвергаться воздействию последо­ вательности’ положительных и отрицательных магнитных полей. Полярность воздействий может нарушать или подтверждать магнитное состояние сердечника и зависит от обрабатываемой ЦВМ информации. Постоянное импульсное воздействие магнитных полей на сердечники налагает жесткие условия на устойчивость сохранения магнитного состояния последних и является одной из важнейших особенностей. ОЗУ. Широкое использование ферритовых сердечников в ОЗУ стало возможным только вследствие разработки таких магнитных материа­ лов, которые способны устойчиво сохранять магнитное состояние при действии последовательностей импульсных магнитных воздействий.

У ферритов с достаточно прямоугольной петлей гистерезиса потеря информации не происходит, вследствие стабилизации частных петель гистерезиса при действии различных возбуждающих последователь­ ностей импульсов полей полувыборки и записи.

Значение хранимой в сердечнике информации определяется ана­ лизом напряжения на считывающей обмотке: при считывании «1» имеет место изменение намагниченности и индуцируется большой выходной сигнал за счет необратимого движения стенок доменов; при считывании «О» так же индуцируется сигнал за счет наклона горизонтального участка петли гистерезиса. На этом участке измене­ ние намагниченности возникает вследствие обратимого вращения и имеет меньшую длительность, чем сигнал «1». Таким образом, сигналы «1» и «О» отличаются количественно по амплитуде и длительности. Нежелательным при этом является тот факт, что уменьшение фронта импульсов возбуждения приводит к укорачиванию импульса «1» и возрастанию его амплитуды, то же самое происходит и с импульсом «О».

Вследствие неидеальности петли гистерезиса в сердечнике возни­ кают различные изменения индукции и магнитного потока при дей­ ствии токов полувозбуждения на сердечник в состояниях «1» и «О» (см. рис. 4.7). Изменение магнитных потоков, обусловленное различ­ ными изменениями индукции АВп «О» и Аб„ «1», ведет к появлению при использовании метода компенсации помех некомпенсируемой помехи считывания и носит название дельта-потока.

Выделение информационного сигнала в матрицах ОЗУ с совпа­ дением токов. Поскольку реальные магнитные сердечники имеют петлю гистерезиса со значениями коэффициентов прямоугольное™, не равными единице, и-коэффициенты квадратности, не равными нулю, то при действии импульсных полей любой амплитуды в сердечнике происходит некоторое изменение магнитного потока вне зависимости от того, находится ли он в состоянии «1» или «О».

При считывании «О» в выходной обмотке будет наводиться сигнал за счет обратимого поворота векторов намагниченности доменов как

174

в выбранном сердечнике, так и в полувыбранных сердечниках, на которые действует поле H J 2. Отношение сигналов «1» и «О» с выбран­ ного сердечника в этом случае определяется величиной импульсного коэффициента прямоугольности, а величина отношения сигнала по­ мехи с полувыбранного сердечника к сигналу «1» выбранного сердеч­ ника — импульсным коэффициентом квадратности (3.

Поскольку сигналы помех с полувыбранных сердечников скла­ дываются с информационными сигналами выбранного сердечника, то возникает проблема маскирования полезного сигнала помехами.

Следовательно, неидеальность петли гистерезиса реальных сер­ дечников определяет различие информационных сигналов «1» и «О» по количественному принципу (амплитуде) и ведет к необходимости разработки специальных методов выделения полезного сигнала с вы­ ходной обмотки при наличии помех.

Можно использовать следующие методы подавления сигналов помех и выделения считанного сигнала в матрицах магнитных сер­ дечников.

В р е м е н н о е с т р о б и р о в а н и е в ы х о д н о г о с и г ­

в сердечнике. Процесс переключения магнитного потока в сердечнике вызывается последовательным движением стенок доменов и происходит

из-за изменения магнитного потока в сердечниках при повороте век­ торов намагниченности. Поскольку процессы параллельного поворота векторов намагниченности протекают значительно быстрее, чем про­ цесс переключения магнитного потока в сердечнике при последова­ тельном смещении стенок доменов, то длительность выходных сигналов «1» и сигналов помех существенно различна. В этом случае метод временного стробирования, выходного сигнала позволяет получить значительно лучшее отношение сигнал—помеха, чем использования амплитудного различия для выделения сигнала. Но при увеличении скорости работы ЗУ, когда наряду с уменьшением времени переклю­ чения сердечников используют токи выборки с крутыми фронтами, аппаратурная реализация метода стробирования значительно услож­ няется.

К о м п е н с а ц и я п о м е х с п о м о щ ь ю ш а х м а т н о й и с е к ц и о н н о й п р о ш и в о к о б м о т к и с ч и т ы в а н и я . Обмотку считывания проводят так, чтобы сигналы с двух соседних сердечников или сигналы с двух групп сердечников компенсировали друг друга.

В первом случае обмотка считывания проходит через все сердеч­ ники в шахматном порядке (рис. 4.8). Предположим, что выбран сердечник 2 при возбуждении шин Х3 и Ка. При этом на обмотке счи­ тывания будут наведены, кроме полезного сигнала, сигналы частичного

175

сигнала. Таким ..образом, на выходной обмотке сердечника'за счет шахматного проведения обмотки считывания достигается взаимная компенсация сигналов помех с большинства сердечников полувыбранных линий.

На рис. 4,9 показан способ прямоугольной секционной прошивки обмотки считывания, позволяющий компенсировать сигналы помех. При выборе сердечника 3 при возбуждении координатных шин Х3 и Y x сигналы помех с сердечников 5 -г- 8 компенсируются сигналом помехи с сердечников 1, 2,4, образуя один некомпенсированный сигнал помехи. Сигнал помехи с сердечников 10 и 11 компенсируется, а с сердечника 9 — не компенсируется. В этом слу­ чае также имеет место суммирование и вычитание сигнала помехи с двух сердечников из полезного сигнала.

где е* — сигнал переключения выбранного сердечника; е2, е3 — сиг­ налы помехи двух сердечников, не компенсирующих друг друга ввиду отсутствия соответствующего парного сердечника; eSi— ре­ зультирующий сигнал пары сердечников, хранящих единичное и нулевое значения информации, обусловленный дельта-потоком и носящий название дельта-помехи или некомпенсируемой помехи счи­ тывания. Вследствие конечной величины помехи при конечном зна­ чении N величина сигнала помехи может сравниться с величиной полезного сигнала. Для уменьшения сигнала помехи в этом случае используют метод расщепления выходной обмотки на N' частей. В каждой части обмотки считывания при этом снимают сигнал

176

секций собираются либо на входе усилителей считывания, либо на выходе предварительных усилителей.

В р е м е н н а я д и с к р и м и н а ц и я п о м е х . Если возбуж­ дение при считывании по координатам осуществлять с временным сдвигом, то в момент образования выходного сигнала помеха будет, по крайней мере, в два раза меньше. Если использовать прямоуголь­ ные матрицы сердечников, то возбуждение координатной шины вначале вдоль длинной стороны матрицы, а затем вдоль короткой позволит уменьшить помеху еще больше.

О п т и м и з а ц и я ' к о о р д и н а т н ы х т о к о в . Отношение сигнал-помеха в ОЗУ на ферритовых сердечниках с совпадением токов зависит от величины поля возбуждения Нт, поскольку при увеличе­ нии Нт увеличивается сигнал «1». Увеличение поля полувозбуждения влечет за собой увеличение сигналов помехи, а с уменьшением поля возбуждения Нт уменьшаются сигналы полезный и помехи. Экспе­ риментально найдено, что оптимальное значение отношения сигналпомеха достигается при соотношении Нт ~ 1,5 Нс. Настройка на это оптимальное значение и стабилизация рабочих токов с большой точ­ ностью позволяют получить надежную работу ОЗУ с совпадением токов. Практически необходимо стабилизировать амплитуды коорди­ натных токов с точностью не хуже ± 5 % .

Структурная схема ОЗУ с совпадением токов на магнитных сер­ дечниках. Схема выборки по совпадению токов конструктивно проста, однако она не допускает форсирования переключения магнитных сердечников для повышения быстродействия и требует применения сердечников с хорошей квадратностыо петли гистерезиса и малым разбросом по Нс для исключения разброса по длительности выходных сигналов. В реальных устройствах в этих схемах для получения хоро­ шего отношения сигнал-помеха необходимо стабилизировать величину токов выборки с высокой точностью.

Рассмотрим структурную схему ОЗУ на ферритовых сердечниках с совпадением токов (рис. 4.10). Объем хранимой ОЗУ информации равен Np, где N — число слов, а р — число разрядов. Для кодиро­ вания адресов необходимо иметь п двоичных разрядов адресного кода, где п = log2iV.

Накопитель информации образуется из р матриц, каждая из кото­ рых содержит N сердечников, соединением координатных шин после­ довательно по X и К координатам. Концы координатных шин присое­ динены к формирователям адресного тока ФА, число которых равно

2У"М. Каждый из этих формирователей должен выдавать двух­ полярный ток — одну полярность для считывания и вторую — для записи.

Код адреса числа в накопителе информации подается с кодовых шин адреса КША на регистры адреса РА для временного хранения. Этот код расшифровывается дешифратором адреса ДША. Выходы ДША соединены с ФА, на другой вход которых подается сигнал считывания Сч или записи Зп.

Каждая разрядная матрица накопителя информации имеет вы­ ходную обмотку, сигнал с которой подается на вход усилителя счи­

177

тывания УСч и обмотку запрета записи ЗЗп, возбуждаемую разряд­ ным формирователем тока запрета ФТЗ.

Считанный код по сигналу Строб заносится в триггеры Тъ Т2, ..., Тр, образующие выходной информационный регистр ВИР, в который при записи информации код записываемого числа заносится КШЧ машины. По сигналу формирования токов запрета каждый ФТЗ выдает или не выдает ток запрета в обмотку ЗЗп в зависимости от двоичного

теле необходимо регенерировать, т. е. перезаписать по данному адре­ су, считанную информацию.

На рис. 4.11 приведена общая временная диаграмма работы рас­ сматриваемого ОЗУ. Цикл работы ОЗУ начинается подачей кода адреса в .устройство и заданием одновременно характера команды: считывание — регенерация или считывание без вывода информации в выходной информационный регистр путем блокировки сигнала Строб и записи информации, занесенной в ВИР с кодовых шин чисел машины КШЧ. За время tx устанавливается код адреса в регистре адреса РА и срабатыв'ает дешифратор. После установления уровня в дешифраторе по сигналу Сч формируются адресные токи по обеим координатам. В момент максимального отношения сигнал-помеха подается сигнал Строб. Суммарное время t, образованное временем считывания t2 и временем задержки в усилителе считывания и в вы­ ходном информационном регистре ta, называют временем выборка

178

записи / з.зп. Полный цикл работы ЗУ называют временем обращения. Время переключения магнитного сердечника составляет значи­ тельную часть времени обращения к ОЗУ, определяющее быстродей­

ствие устройства. Длительность адрес­ ных токов I ах и /д,, должна несколь­ ко превышать время перемагничивания сердечника.

Таким образом, быстродействие ОЗУ с совпадением токов опреде­ ляется двойной длительностью вре­ мени переключения магнитного сер­ дечника и задержками сигналов в адресной и разрядных цепях элек­ тронных схем управления.

Развитие технологии изготовления ОЗУ на ферритовых сердечниках ма­

собой уменьшение индуктивности и активного сопротивления шин на один бит информации.

Магнитные сердечники матрицы закрепляют непосредственно на металлической плате, тем самым улучшая теплоотвод энергии сер­ дечников, уменьшая индуктивность обмоток управления и взаимо­ действие между управляющими обмотками.

§ 4.6. ОЗУ С ПРЯМОЙ ВЫБОРКОЙ НА МАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКАХ

Принцип построения ОЗУ с прямой выборкой на магнитных сер­ дечниках. Схема выборки с совпадением токов имеет два основных недостатка: невозможность форсирования скорости переключения магнитных сердечников и наличие значительного числа частично

179