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

Для модифицированной системы выборки при выборке k' слов одно­ временно количество формирователей

Если считать для системы 2,5D желательным равенство физических длин управляющих обмоток по обеим координатам, то число сердечни­ ков на адресной обмотке Nik должно быть равно числу сердечников на разрядной обмотке kp.

В этом случае времена задержки распространения сигналов в обеих управляющих обмотках будут приблизительно одинаковы.

Для значений информационной емкости накопителей информации 1024, 4096 и 16384 50-разрядных слов расчетные значения числа форми­ рователей приведены в табл. 4.2.

В ЦВМ второго и третьего поколений широкое распространение получили двух- и трехмерные ЗУ на ферритовых магнитных сердеч­ никах. Перспективность ОЗУ с выборкой по системе 2,5D показана на примере их использования в ряде ЦВМ третьего поколения.

По мере увеличения быстродействия ОЗУ и улучшения параметров магнитных сердечников все более широкое распространение имеют 2D и 2,5D системы выборки как системы с наиболее простой прошивкой сердечников малого размера. Однако обычная система 2D становится неэкономичной при зцачительном увеличении информационной емко­ сти вследствие больших затрат на электронные элементы схем выборки. Для ОЗУ с умеренными требованиями по быстродействию следует при­ менять систему 3D с тремя или четырьмя проводами прошивки ка­ ждого сердечника, поскольку при этом значительно уменьшаются затраты на электронные схемы управления.

190

§ 4.8. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ МНОГООТВЕРСТНЫХ И МОНОЛИТНЫХ ФЕРРИТОВЫХ МОДУЛЕЙ

Матрицы из отдельных ферритовых сердечников являются класси­ ческим решением проблемы разработки высокоскоростного ОЗУ с ем­ костью в несколько десятков тысяч и миллионы бит. Миниатюризация матриц направлена на уменьшение размеров сердечников, что умень­ шает шаг расположения сердечников и диаметры управляющих прово­ дов. Но при всех положительных качествах этого подхода использова­ ние дискретных сердечников и необходимость прошивки ставили и ставят вопросы перехода к интегральным ферритовым запоминающим модулям вместо применяемых матриц на дискретных сердечниках.

Рассмотрим многоотверстные ферритовые модули, представляющие собой пластинки из феррита с матрицей круглых отверстий (рис. 4.23). Каждое отверстие модуля можно рас­ сматривать как запоминающий элемент, направление магнитного потока вокруг которого в этом случае используют для кодирования двоичной информации. Для управления работой элементов модуля применяют проводники, проходящие че­ рез отверстия. Поскольку магнитное поле этих проводников ослабляется в радиальном направлении обратно про­ порционально величине радиуса, то, выбрав соответствующим образом радиус отверстия и ширину перемычек между ними, можно ослабить и практически

исключить взаимодействие между элементами. В пластинке феррита диаметр отверстия может быть меньше, чем у отдельного ферритового сердечника, а поскольку феррит является изолятором, то, по крайней мере, одну обмотку возбуждения можно нанести на феррит печатным способом.

Поскольку перемагничиваемый слой материала находится в сплош­ ной среде с конечной теплопроводностью и хорошими условиями рас­ сеяния тепловой мощности, то температурные характеристики много­ отверстных ферритовых модулей значительно лучше, чем у ферритовых сердечников.

Существенными требованиями, предъявляемыми к многоотверстным ферритовым модулям, являются однородность магнитных параметров вокруг отверстий, воспроизводимость параметров и достаточная меха­ ническая прочность. Поскольку.отверстие в матрице многоотверстных

в ОЗУ с прямой выборной и двумя элементами на один разряд, в кото­ рых одна из обмоток управления печатная, а вторая прошивается обычным проводом.

191

Технологические трудности получения достаточной однородности параметров запоминающих элементов не позволяют практически полу­ чить модули с количеством элементов в несколько тысяч бит, что за­ трудняет применение этих элементов в ОЗУ с большой информацион­ ной емкостью.

Ферритовый модуль ОЗУ можно также получить интегральным способом путем запрессовки взаимно перпендикулярных управляю­

стые ферритовые модули соединяются последовательно по общим раз­ рядным обмоткам считывания — записи.

В отличие от обычного сердечника запоминающие элементы ферри­ товых модулей, образованные на пересечении проводников управления с прилегающей к ним частью магнитного материала, могут работать со считыванием без разрушения информации по принципу взаимодей­ ствия ортогональных магнитных потоков, возникающих вокруг про­ водников управления.

Разброс параметров ферритовых монолитных модулей не позво­ ляет использовать последние в ОЗУ с совпадением токов. При высокой частоте переключения магнитных элементов в монолитных ферритовых модулях происходит нагрев и ухудшение параметров элементов. Поэ­ тому интегральные ферритовые модули не получили распространения в ОЗУ.

§ 4.9. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЗУ НА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ' МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ

Принцип построения запоминающих элементов на ферромагнит­ ных пленках. Поскольку в.металлических ферромагнитных материа­ лах при быстром изменении их магнитного состояния возникают вихре­ вые токи, демпфирующие процессы переключения, то необходимо принимать меры для уменьшения их демпфирующего действия. Прак­ тическим решением этой проблемы являются микронные сердечники, которые изготовляют намоткой на каркас микронной изолированной ленты из ферромагнитного металла. Сложность технологии изготовле­

192

ния и миниатюризации микронных сердечников определили их огра­ ниченное применение в вычислительной технике. Однако большая магнитная индукция металлических ферромагнетиков, высокая прямоугольность петли гистерезиса, малая величина коэрцитивной силы и высокая температурная стабильность вследствие значительно более высокой температуры Кюри, чем у ферритов, определяют преимуще­ ства использования металлических ферромагнитных материалов в ЗУ.

При уменьшении толщины магнитного слоя ферромагнетика из­ меняется энергетическое состояние магнитных доменов и становится выгодным расположение доменов только в плоскости магнитного слоя. При толщине магнитных слоев менее 0,02 -ь 0,03 мм вследствие ориен­ тации векторов намагниченности доменов только в плоскости слоев последние приобретают по толщине однодоменную магнитную струк­

туруОднодоменные по толщине слои магнитного материала обычно

называют тонкими магнитными пленками. Эти пленки наносят на плоские или цилиндрические (ме­ таллические или диэлектрические)

подложки. При изготовлении маг­ нитных пленок во внешнем магнит­ ном поле они приобретают одноос­ ную анизотропию, т. е. имеют резкое различие магнитных свойств вдоль и перпендикулярно оси анизотро­ пии (петли гистерезиса магнитной пленки показаны на рис. 4.25 и могут быть объяснены следующим образом). Петля гистерезиса, соот­

ветствующая изменению магнитного потока вдоль оси анизотропии (рис. 4.25, а), имеет прямоугольную форму и соответствует переключе­ нию материала магнитной пленки, вызванному смещением стенок доме­ нов после образования зародышей обратной намагниченности при Н — Нс. Если внешнее магнитное поле действует перпендикулярно оси анизотропии (рис. 4.25, б), то вектор намагниченности домена, нормально располагающийся вдоль оси анизотропии, поворачивается в направлении внешнего магнитного поля. При Н = Hk вектор намаг­ ниченности повернут на 90° и дальнейшее увеличение магнитного поля не меняет величину индукции в магнитной пленке. При снятии внеш­ него магнитного поля вектор намагниченности стремится вернуться в направление оси анизотропии. Следовательно, петля гистерезиса имеет линейную форму. Величину магнитного поля Hk называют полем анизотропии.

Анизотропность магнитного материала тонкой магнитной пленки позволяет кодировать двоичную информацию направлением вектора намагниченности вдоль оси анизотропии для магнитных пленок, как это показано на рис. 4.26, а, б соответственно для плоской и цилиндри­ ческой магнитных пленок. Цилиндрической магнитной пленкой назы­ вается слой магнитного материала, нанесенный на проволочную (стер­ жневую) подложку с осью анизотропии по окружности. На

рис. 4.26, а, б даны следующие обозначения: 1 — подложка; 2 — тон­ кая магнитная пленка (плоская или цилиндрическая); 3 — направле­ ние оси анизотропии; «1» и «О» — кодирование информационных состоя­

ний в магнитной пленке; М — вектор намагниченности. Отметим, что- в состоянии хранения информации магнитный поток плоской магнит­ ной пленки замыкается через окружающую в общем случае немагнит­ ную среду (рис. 4.27, а). Следовательно, внутренняя магнитная энер­ гия плоской магнитной пленки должна быть достаточна для замыкания

потока не внутри слоя, а через внешнюю среду. Размагничивающее поле магнитной пленки может быть определено из выражения

где [А0 — магнитная проницаемость вакуума; R — величина радиусвектора рассматриваемой точки; V — объем магнитного материала пленки.

Для практического случая пятна магнитной пленки в виде диска диаметром d и толщиной h размагничивающее поле можно оценить по формуле

где М0 — величина намагниченности насыщения.

Значительная величина размагничивающего магнитного поля маг­ нитных элементов ограничивает допустимую величину толщины маг­ нитной пленки. Для повышения плотности размещения информации на подложке используют магнитные пленки толщиной 500—1000 А.

В цилиндрических магнитных пленках магнитный поток замыкается внутри магнитного материала и статическое размагничивающее поле равно нулю. Поэтому допустима большая толщина магнитной пленки,

194

однако вследствие значительного динамического размагничивающего поля она не превышает 10 000 А.

Рассмотрим конфигурацию запоминающих элементов на тонких магнитных пленках, а также процессы считывания и записи информа­ ции, происходящие в них. .Запоминающий,элемент на плоской маг­ нитной пленке (рис. 4.27, б) образуется в месте пересечения взаимно

Если в шину управления 4, расположенную параллельно оси ани­ зотропии, подать ток считывания / Сч, то вокруг нее возникает магнит­ ное поле, направленное перпендикулярно оси анизотропии. Вектор намагниченности повернется в направлении магнитного поля под дей­

тывании установится вдоль направления, перпендикулярного оси анизотропии. При выключении тока /сч поле #сч стремится к нулю, а вектор намагниченности М стремится вернуться к направлению оси анизотропии (в идеальном случае направление его движения к оси анизотропии равновероятно). Чтобы задать направление движения вектора М к направлению оси анизотропии, подадим разрядный ток записи в шину 3, либо в специальную шину записи, проходящую па­

раллельно шине 3. В зависимости от полярности тока записи М откло­ нится на угол ± а от направления, перпендикулярного оси анизотро­ пии (рис. 4.29). Поэтому при выключении поля считывания М будет

переднего фронта магнитного поля считывания, т. е. длительностью переднего фронта адресных токов.

Для магнитопленочных запоминающих элементов характерен орто­ гональный принцип управления магнитными полями адресных и раз­ рядных токов. Этот принцип управления предполагает, что величина одного поля значительно превышает величину другого (в 5—10 раз для плоских и 10—20 раз для цилиндрических запоминающих элементов). Сравнительно малая величина разрядных полей (и токов) позволяет значительно упростить построение разрядных цепей управления маг­ нитопленочных накопителей ЗУ по сравнению с ферритовыми.

Физически процесс изменения магнитного состояния магнитопленочных носителей ин­ формации происходит иначе, чем в феррито­ вых кольцевых сердечниках. Под действием взаимно перпендикулярных магнитных полей магнитное состояние магнитопленочных запо­ минающих элементов изменяется вращением вектора намагниченности магнитной пленки, проходящим значительно быстрее, чем при последовательном движении стенок доменов ферритовых сердечников.

Интегральные матрицы и накопители ин­ формации магнитопленочных ЗУ. Матрицы запоминающих элементов на магнитопленоч­ ных носителях информации получают груп­

повыми технологическими процессами, причем, как правило, систему управляющих шин изготовляют отдельно от самих носителей инфор­ мации, при этом часто используют технологию печатных плат.

На рис. 4.31 представлена схема интегральной матрицы на пло­ ских магнитных запоминающих элементах. На подложке 1 нанесена матрица прямоугольных магнитных пятен магнитной пленки 2. Для

196

управления работой магнитной пленки используют системы разряд­ ных 3 и адресных 4 шин. Если подложка 1 изготовлена из проводящего материала, то она может служить как обратный провод шин управ­ ления. Когда в качестве подложки используют диэлектрик, то системы шин должны охватывать пятна магнитной пленки так, как это схемати­ чески показано на рис. 4.32, где 1 — _ , магнитная пленка, 2 — разрядная и 3 — адресная шины управления.

Чтобы увеличить устойчивость хранения информации и поднять величину выходного сигнала, используют «спаренные» магнитопленоч­ ные элементы (рис. 4.33). В этом случае два наложенных друг на друга

экран, или диэлектрическая подложка, 2 — система адресных шин управления, 3 — магнитопленочные носи­

тели информации, используемые в качестве разрядных шин для считывания информационных сигналов и подачи токов записи.

В накопителе информации на магнитопленочных носителях инфор­ мации используют метод прямой выборки, причем наиболее часто метод модифицированной прямой выборки со считыванием нескольких слов одновременно. При этом адресные обмотки матриц охватывают все разряды одновременно, поэтому в адресной части нет дополнительных соединений при сборке матриц в накопитель. В накопителе последова­ тельно соединяются лишь разрядно-считывающие шины матриц.

197

§ 4.10. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫМИ ЗУ

Обмотки и шины управления магнитными ЗУ как линии с рас­ пределенными параметрами. Обмотки или шины управления магнит­ ными ЗУ можно рассматривать как линии с распределенными пара­ метрами, характеризуемые средними значениями сопротивления, ем­ кости и индуктивности на единицу длины. Зная эти параметры из геометрического построения накопителя и электрических параметров запоминающих элементов, можно рассчитать характеристический им­ педанс Z и постоянную затухания а:

Z = y~L/C; a = r/(2Z) + GZ/2

где L — среднее значение индуктивности на единицу длины линии; С — среднее значение емкости; г — омическое сопротивление линии; G — сопротивление утечки линии.

волновое сопротивление на землю выхода линии

Если линия с распределенными параметрами Z и а при электрической длине т будет нагружена на волновое сопротивление (рис. 4.35), то в ней по мере распространения от начала линии амплитуды волны тока и напряжения уменьшаются пропорционально величине е~“т. Уменьше­ ние величины тока приводит к снижению скорости переключения маг­ нитных элементов.

Согласуем линию передачи на входе, закоротив на землю выход рас­ смотренной линии (рис. 4.36). Пусть генератор тока обладает очень высоким импедансом. Тогда согласование на входе потребует двойного тока генератора по сравнению с первым случаем. Падающая волна тока, дойдя до конца линии, отразится с сохранением знака и пойдет к на­ чалу линии. При малой длине линии можно считать, что в соответствии с выражением е"“т уменьшение амплитуды волны тока практически линейно. Отраженная волна также будет ослабляться линейно. Сум­ марный ток в линии, равный сумме токов падающей и отраженной волн, будет практически постоянен. Таким образом, применение ко­ роткозамкнутых линий передачи в схемах ОЗУ позволяет использовать эффект компенсации ослабления для сохранения постоянства токов возбуждения. Отметим, что закорачивание линии на выходе и согласо­ вание на входе уменьшает также емкостные наводки в ОЗУ. Поскольку отраженная волна напряжения инвертируется, то на входе напряжение равно разности напряжений падающей и отраженной волны (рис. 4.37), где А — падающая волна напряжения; Б — отраженная инвертиро­

193

ванная волна напряжения; С — результирующая форма напряжения на входе линии. При т ^ амплитуда выходного напряжения будет очень мала (т — электрическая длина линии, — длительность пе­ реднего фронта тока).

Энергия, потребляемая от электрического источника и необходимая для установления и последующего поддержания тока в какой-либо ' управляющей шине или обмотке,

lT = L/2/2 + /V,

где L — индуктивность шины; г — активное сопротивление шины. Если шина управления согласована идеально, то энергия W после выключения формирователя рассеивается на согласующем сопротив­ лении. При неидеальном согласовании на выходе какая-то часть на­ копленной энергии. W вызовет появление электрического сигнала, который будет распространяться к началу линии. Если в начале линии нет согласующего сопротивления, или согласование неидеальное, то

снова произойдет отражение сигнала и т. д. При каждом таком отражении энергия «заря­ да» линии уменьшается обратно пропорцио­ нально коэффициенту рассогласования гр

г\ = ( Z - R ) I ( Z + R ) ,

где R — величина согласующего сопротивле­ ния, a Z — импеданс линии.

Переходные процессы уменьшения энергии наиболее опасны в разрядных цепях считыва­ ния и записи, поскольку время успокоения

шины определяется как промежуток времени, по истечении которого уровень энергии заряда линии уменьшится, по крайней мере, на поря­ док по сравнению с уровнем энергии полезного выходного сигнала. Время успокоения зависит от величины начальной энергии линии, ее электрической длины и условий согласования.

Энергия заряда разрядной линии минимизируется снижением вол­ нового сопротивления, а также выбором схемы и режима работы за­ поминающего элемента с использованием возможно меньших разряд­ ных токов управления.

Лучшим методом согласования является нагрузка линии в ее конце и начале на сопротивления, величина которых равна волновому со­ противлению. Поскольку существует конечный разброс параметров разрядных линий вследствие влияния разброса геометрических раз­ меров и параметров магнитных элементов, взаимодействия с сосед­ ними линиями, то практически сложно получить идеальные согласо­ вания.

В плоских конструкциях матриц на магнитных сердечниках при­ меняют следующие меры для снижения разброса параметров разряд­ ных линий считывания—записи:

1) магнитные сердечники должны достаточно точно устанавливаться на массивной заземленной пластине, что позволяет юстировать распо­ ложение проводов обмоток;

199