книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины
.pdfопросного импульса. Поэтому количество формирователей остается тем же, что и в схеме рис. 6.9. В дешифраторе числа в группе Дш2 имеются 32 выходные шины, каждая из которых через раздели тельные диоды (на схеме не показаны) связана с 32 числовыми шинами одной числовой линейки — с одной из шин от каждой из 32 групп этой линейки. Выходы одноименных разрядов число вых линеек также объединены, так что общее количество выход ных шин ПЗУ определяется разрядностью запоминаемых чисел. Для разделения выходных цепей числовых линеек на их выходах включены диоды.
Выход
кода
Рис. 6.10. Схема объединения числовых линеек ПЗУ трансформаторного типа
Постоянные запоминающие устройства трансформаторного
.типа, особенно устройства на оксиферовых сердечниках, получив шие широкое распространение, имеют следующие преимущества:
—они могут быть рассчитаны на большую емкость (до не скольких тысяч и даже десятков тысяч чисел) при сравнительно небольших габаритах и потребляемой мощности;
—отношение амплитуды полезного сигнала к амплитуде по мехи достаточно велико (50—100);
—к сердечникам числовых линеек не предъявляется жестких требований по идентичности их магнитных характеристик;
—ПЗУ такого типа обладают большим быстродействием (вре мя выборки определяется долями микросекунды).
Одним из недостатков ПЗУ трансформаторного типа является
сложность монтажа числовых линеек.
220
§ 6.6. Перспективы развития оперативных и постоянных запоминающих устройств
Рассмотренные выше ОЗУ и ПЗУ на ферромагнитных сердеч никах являются основными видами памяти современных ЦВМ. Од нако в ряде случаев они уже не удовлетворяют все возрастающим требованиям по быстродействию и емкости. Действительно, время обращения к ЗУ на ферромагнитных сердечниках в современных ЦВМ составляет в среднем несколько микросекунд. Арифметиче ские устройства уже сейчас строятся с таким быстродействием, что иа выполнение элементарной операции затрачиваются доли микросекунды. Следовательно, основным препятствием на пути создания сверхбыстродействующих ЦВМ является отсутствие от работанных ЗУ большой емкости с малым временем обращения. В связи с этим непрерывно продолжаются экспериментальные ис следования по разработке новых схем и конструкций ОЗУ и ПЗУ с более совершенными техническими характеристиками. Рассмо трим принципы построения и перспективы применения некоторых новых типов ЗУ [22, 30, 35].
ЗУ на тонких магнитных пленках. Тонкими магнитными плен ками (ТМП) называют пленки, толщина которых соизмерима с шириной стенки между доменами. Для построения ЗУ применя-
О
ются пленки толщиной от 200 до 15000 А. Образование таких пле нок осуществляется либо методом осаждения паров металла в ва кууме, либо методом электролитического осаждения (гальвано стегии). Наибольшее распространение получили железоникелевые пленки, в частности, пермаллой, состоящий из 80% Ni и 20% Fe.
Сравнительно большое время перемагиичивания ферритовых сердечников, трансфлюксоров, запоминающих элементов многоотверстных пластин и других бистабильных элементов подобного типа объясняется тем, что процессы перемагиичивания объемных ферритовых элементов происходят в основном за счет смещения границ доменов, обладающих определенной инерционностью. Уменьшение времени перемагиичивания достигается форсирова нием перемагничивающего поля, что энергетически невыгодно. В ТМП процессы перемагиичивания обусловливаются в основном вращением векторов намагниченности доменов, поэтому эти про цессы характеризуются значительно меньшей инерционностью. Тонкопленочные запоминающие элементы, в принципе, позволяют строить ЗУ с быстродействием, на один-два порядка превышаю щим быстродействие ЗУ на обычных ферритовых сердечниках.
Для хранения и распознавания информации в тонкопленочном запоминающем элементе используется его анизотропность. Бла годаря анизотропным свойствам элемента вектор его намагничен ности при отсутствии внешнего поля ориентируется вдоль на правления легкого намагничивания. Переориентация вектора, т. е. запись 1 или 0, может производиться одним из следующих спо собов:
221
—с помощью двух селектирующих полей, действующих в на правлении легкого намагничивания;
—с помощью двух взаимно перпендикулярных полей, одно из
которых направлено вдоль |
оси легкого намагничивания, а вто |
рое— вдоль оси трудного |
намагничивания; |
— с помощью двух параллельных друг другу полей, ориенти рованных под некоторым углом к направлению легкого намагни чивания.
В первом случае перемагничивание запоминающих элементов происходит в основном за счет смещения стенок доменов, вслед ствие чего скорость перемагничивання получается небольшой, сравнимой со скоростью перемагничивання ферритовых сердечни ков. Форма петли гистерезиса элемента для этого случая весьма близка к прямоугольной, поэтому его целесообразно применять для построения ЗУ большой емкости и относительно небольшого бы стродействия.
Во втором случае перемагничивание элемента осуществляется в основном путем когерентного (однородного) вращения векторов намагниченности всех доменов. При этом достигается максималь ная скорость перемагничивання элементов, исчисляемая не сколькими наносекундами. Такой способ целесообразно приме нять для создания ЗУ небольшой емкости с малым временем обращения.
Наконец, в третьем случае, который является комбинацией первых двух, перемагничивание элемента осуществляется в основ ном путем некогерентного (неоднородного) вращения векторов на магниченности доменов. Причиной некогерентности вращения яв ляется влияние магнитострнкционных эффектов и анизотропии.
Считывание информации в ЗУ на ТМП может осуществляться также различными методами. Один из них — это импульсный ме тод считывания с разрушением информации. К избранному эле менту прикладывается достаточно большое внешнее поле в на правлении трудного намагничивания. При повороте вектора намагниченности на 90° относительно исходного направления в выходной обмотке наводится э. д. с., представляющая кодовый сигнал.
Для считывания информации без ее разрушения можно вос пользоваться одним из следующих способов:
— к избранному запоминающему элементу прикладывается внешнее поле с небольшой напряженностью, направленное вдоль направления трудного намагничивания и поворачивающее вектор намагничивания на незначительный угол относительно направле ния легкого намагничивания; при снятии поля вектор намагничи вания возвращается в исходное положение, вследствие чего инфор мация не разрушается;
— запоминающий элемент подвергается действию малого вы сокочастотного и импульсного полей, прикладываемых соответствен но вдоль направлений трудного и легкого намагничивания; при этом используются свойства магнитного резонанса в пленке.
222
Считывание информации без ее разрушения характеризуется • получением на выходе кодовых сигналов с небольшой амплиту дой, что затрудняет распознавание 1 и 0.
Ввычислительной технике нашли применение плоские и цилин дрические магнитные пленки. Запоминающее устройство на пло ских пленках состоит из пленочных матриц и обычных электрон ных схем, обеспечивающих запись и считывание информации. Матрица ОЗУ представляет собой подложку из изоляционного материала (например, стекла) с нанесенными «а нее тонкопленоч ными запоминающими элементами (пятнами) круглой, квадрат ной или прямоугольной формы. Тонкопленочные ОЗУ, как правило, строятся по типу 2Д. Отказ от принципа выбора запоминающих элементов по совпадению полутонов объясняется главным обра зом недостаточной их идентичностью и желанием реализовать по тенциальные возможности ЗУ по быстродействию, производя счи тывание информации возможно большими полями, обеспечиваю щими перемагннчивание элементов за счет вращения векторов намагниченности.
Внастоящее время построен ряд ОЗУ на плоских пленках ем костью до нескольких сот тысяч бит и временем полного цикла
100—600 нсек. |
Например, фирма I B M (США) разработала ОЗУ |
емкостью 8192 |
72-разрядных числа с циклом 120 нсек [22]. Разме- |
|
О |
ры запоминающего элемента 0,76x0,635 мм, толщина 800А. На подложке площадью 19,4 см2 размещено 4128 элементов.
Хотя за последние годы в области создания ЗУ на плоских магнитных пленках достигнуты значительные успехи, им свойст венны такие недостатки, как необходимость применения значи тельных токов возбуждения и недопустимость очень большой плот ности размещения запоминающих элементов из-за их взаимного влияния. В цилиндрических ТМП эти недостатки в основном устра нены.
В цилиндрических ТМП подложкой служит провод обычно из бериллиевой бронзы, на который электролитически осаждается сначала слой меди, а затем пермаллоевая пленка. Диаметр про-
О
вода 0,12—0,15 мм, толщина пермаллоевой пленки 3000—10000 А. Запоминающие элементы образуются участками провода длиной 1,2—3,0 мм. В качестве разрядной шины используется провод-под ложка, а в качестве числовых шин служат одновитковые шины или миоговитковые соленоиды, охватывающие провод-подложку. При работе с такой цилиндрической пленкой используется нало жение осевого и кругового магнитных полей. Круговое поле соз дается током по проводу-подложке, а осевое поле — током в чис ловых шинах.
Запоминающие устройства на цилиндрических пленках также строятся по типу 2Д. Для ЗУ на таких элементах характерны сле дующие преимущества: малое время цикла (100—800 нсек), зна чительная амплитуда выходных сигналов матриц накопителя, не большие токи выборки, возможность использования маломощных
223
формирователей импульсов тока и режим неразрушающего счи тывания. Исследованию и конструированию таких ЗУ в последние годы уделяется очень большое внимание. Они уже применяются в некоторых новых ЦВМ третьего поколения.
Можно ожидать, что в течение ближайшего десятилетия на ряду с дальнейшим совершенствованием ЗУ на ферритовых сер дечниках начнут широко использоваться тонкопленочные ЗУ, при чем более перспективными являются ЗУ на цилиндрических плен ках. Этому способствует ускорение развития техники тонких пле нок, применение интегральных схем для построения электронного обрамления накопителей, высокая степень механизации производ ства тонкопленочных накопителей.
Криогенные ЗУ. В криогенных элементах (от греческого слова «криос»— холод) используется явление сверхпроводимости, за ключающееся в исчезновении электрического сопротивления у ме таллов при охлаждении их ниже гак называемой критической тем пературы. Критическая температура для большинства металлов близка к абсолютному нулю. Так, для свинца она равна 7,3° К, для алюминия 1,2° К, для олова 3,7° К и т. д. Явление сверхпрово димости было открыто в 1911 г. голландским физиком Каммер- лннг-Оннесом, а наиболее полная и строгая теория сверхпроводи мости разработана в 1957 г. академиком Н. Н. Боголюбовым и его сотрудниками.
Криотрон — первое устройство, в котором были использованы свойства сверхпроводника для реализации логических операций и хранения информации. Он представляет собой стержень из тан тала с намотанной на него управляющей обмоткой из ниобиевой проволоки. При погружении криотрона в ванну с жидким гелием тантал и ниобий переходят в состояние сверхпроводимости. Вос становление сопротивления осуществляется при пропускании по управляющей обмотке тока около 300 ма. При этом сопротивление танталового стержня мгновенно изменяется от нуля до некоторой конечной величины. Каждому из состояний сверхпроводника (от сутствие и наличие сопротивления) ставится в соответствие код 1 или 0. Быстродействие криотронов в таком их исполнении огра ничивается наличием самоиндукции и появлением вихревых то ков, ослабляющих явление сверхпроводимости.
С появлением пленочных криотронов, обладающих ничтожно малой индуктивностью и относительно большим сопротивлением, в значительной степени разрешилась проблема быстродействия и технологичности криотронов. Время перехода пленочного слоя ■криотрона из сверхпроводящего состояния в состояние нормаль ной проводимости измеряется единицами наносекунд, а время пе реключения пленочного криотрона составляет величину порядка сотен наносекунд. Конструкция пленочных криотронов позволяет применять интегральную технологию изготовления, что, с одной стороны, способствует уменьшению стоимости устройств на крио тронах, а с другой стороны, обеспечивает высокую удельную плот ность ЗУ на этих элементах,
224
В последние годы построен ряд макетов двухмерных и трех мерных ОЗУ на пленочных криотронах. При этом сделан ряд успешных попыток построения на этих элементах и схем дешиф рации адреса. Показана принципиальная возможность создания криогенных ЗУ емкостью до нескольких миллионов слов с вре менем полного цикла порядка 0,2—2,0 мксек. Для криогенных ЗУ наряду с пригодностью их изготовления методами интеграль ной технологии и удачным сочетанием логических и накопитель ных свойств характерны малые габариты и энергетические затра ты. Экономия в габаритах накопителя и потребляемой им энергии при большой емкости ЗУ может скомпенсировать затраты на раз мещение и питание криогенной установки, обеспечивающей под держание низкой температуры запоминающих элементов. Внедре ние криогенных ЗУ зависит от успешного решения ряда технологи ческих вопросов, главным образом связанных с изготовлением интегральных устройств, отдельные элементы которых обладают достаточно идентичными параметрами.
Наряду с рассмотренными разрабатываются и исследуются ЗУ на других запоминающих элементах, работа которых основана на использовании иных принципов и свойств материалов. Сюда отно сятся ЗУ на туннельных диодах, на электронно-лучевых трубках, на металло-оксидных транзисторах (МОП-транзисторах). на уль тразвуковых и магнитострикционных линиях задержки, оптоэлек тронные и другие ЗУ. Краткие сведения об этих запоминающих устройствах имеются в [30, 31].
Ассоциативные запоминающие устройства (АЗУ). Развитие элементной базы вычислительной техники в настоящее время на ходится на таком уровне, что дальнейшее повышение производи тельности ЦВМ может быть достигнуто не столько за' счет увели чения быстродействия и усовершенствования элементов, сколько за счет изменения организации и структуры самих машин или их устройств. Это замечание в полной мере относится и к ЗУ, быстро действие которых можно повысить при решении ряда задач (на пример, сортировка информации по определенным признакам) за счет использования АЗУ с поразрядным поиском.
Ассоциативные ЗУ относятся к классу устройств, в которых помимо обычных для ЗУ функций хранения информации возможно выполнение различных арифметических и логических операций над хранимыми числами. Разработанные к настоящему времени АЗУ, как правило, функционируют- в составе ЦВМ вместе с обычным ОЗУ с адресной выборкой. Следовательно, АЗУ рассматривается не как устройство, которое может или должно заменить ОЗУ, а как прин ципиально новая составная часть ЦВМ и вычислительных систем.
АЗУ могут эффективно использоваться при решении следую щих задач:
— обработка уже имеющихся массивов информации (сорти ровка данных, упорядочение массивов, поиск данных в таблице, составление расписаний, каталогов, словарей, ведомостей, управ ление запасами и т. д.);
225
— опознавание образов (опознавание знаков, анализ фотогра фических изображений, опознавание структур в молекулярном и биологическом структурном анализе);
— решение математических задач и уравнений (задачи тео рии игр, обращение матриц и вычисление определителей, корреля ция и автокорреляция, оптимизация функциональных выражений
идр.);
—перевод с иностранных языков, преобразование кодов;
—решение военных задач (анализ данных военной разведки, обработка данных аэрофотосъемки, управление и командование
войсками, непрерывное наблюдение за движущимися объектами
и т. д.).
Во всех типах АЗУ запись и считывание информации осуще ствляются после предварительного поиска по заданным ассоциа тивным признакам. Наиболее распространенными критериями по иска информации (ассоциативными признаками) являются сле дующие: «равно», «меньше, чем», «больше, чем», «в заданных пре делах».
В АЗУ поиск необходимой информации осуществляется пораз рядно для всех чисел в накопителе одновременно, т. е. запоминаю щие элементы, относящиеся к одному разряду всех хранимых чисел, опрашиваются одновременно, а сами разряды — последова тельно. Поиск производится за один цикл обращения к АЗУ, при чем по окончании цикла информация в накопителе сохраняется, так что во время последующих циклов поиск можно продолжать в том же массиве информации по тем же или по другим ассоциа тивным признакам. Благодаря возможностям параллельного по иска время цикла поиска оказывается сравнимым с циклом об ращения в ОЗУ с адресной выборкой.
К основным функциональным операциям, которые выполняют ся запоминающими элементами АЗУ, относятся запись информа ции, считывание записанной информации и сравнение этой инфор мации с информацией, поступающей извне, и с эталоном. Эталон, сформированный в соответствии с тем или иным критерием по иска, обычно состоит из двух частей: собственно информационных разрядов и разрядов маски. Поиск осуществляется только по ин формационным разрядам. Сравнение с разрядами маски либо во обще не производится, либо результаты этого сравнения при по иске не принимаются во внимание. Возможность запрета опроса по разрядам маски позволяет резко сократить время решения ряда задач. Таким образом, логика работы запоминающего элемента АЗУ — двоично-троичная. Элемент хранит двоичную информацию, а его опрос производится одним из трех сигналов: «1», «О» и «0» («любой код» используется при выделении разрядов маски). Для реализации такой логики обычно используют пару двухпозицион ных запоминающих элементов.
Запоминающие элементы в накопителе АЗУ объединяются в ячейки; каждая ячейка служит для хранения одного слова (реже нескольких слов). Некоторое количество разрядов слова выделяет
ся для хранения основной информации, а остальные служат для хранения ассоциативных признаков. Элементы в накопителе соеди няются таким образом, чтобы обеспечить возможность одновре менного опроса всех элементов, принадлежащих одному и тому же разряду. В АЗУ используются элементы с неразрушающим считы ванием информации. Для построения накопителей АЗУ применя ются тонкопленочные криотроны, тонкие магнитные пленки, тун нельные диоды, ферритовые сердечники и другие элементы.
Выбор запоминающего элемента АЗУ осуществляется на осно вании таких характеристик устройства, как время поиска инфор мации, разрядность ячейки, емкость накопителя, функциональная гибкость, допустимая стоимость, климатические требования. Од нако в любом случае он должен обеспечить неразрушающее счи тывание информации и выполнение логической операции срав нения.
Основные преимущества АЗУ по сравнению с обычными ЗУ с адресной выборкой следующие:
— специфичность ячеечной структуры накопителя, позволяю щей сравнительно просто перейти к интегральному исполнению АЗУ с сохранением его работоспособности при наличии неисправ ных запоминающих элементов; если в накопителе обнаруживаются неисправные запоминающие элементы или ячейки, они могут быть исключены из дальнейшей работы путем присвоения им специаль ного признака неисправности (без физического изъятия); это су щественно упрощает эксплуатацию АЗУ;
—■возможность проведения параллельного поиска информа ции, хранимой в накопителе АЗУ; сравнение всей информации с эталоном производится за один цикл обращения; в обычных устройствах для этого понадобилось бы несколько тысяч операций выборки и сравнения; это приводит к повышению быстродействия в десятки и сотни раз при решении таких задач, как сортировка, каталоговый и архивный поиск, корреляция данных и др.;
— существенное упрощение техники программирования, по скольку при составлении программ не принимается во внимание фактическое расположение информации в накопителе; сокращается также объем работ по учету и распределению ячеек накопителя.
Сейчас еще рано говорить, насколько сложным окажется мате матическое обеспечение, необходимое для АЗУ, однако несомненно, что методы программирования и средства математического обес печения будут сильно отличаться от всего, что разработано для ЦВМ с адресными ЗУ.
Основным препятствием на пути развития АЗУ является отсут ствие ассоциативных запоминающих элементов приемлемой стои мости с удовлетворительными техническими и технологическими характеристиками.
Г л а и а VII
ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
§ 7.1. Принципы магнитной записи информации в ЗУ на магнитных лентах, барабанах, дисках
Интенсивная разработка систем магнитной записи цифровой ин формации началась с появлением первых ЦВМ. В современных ЦВМ магнитная запись широко используется для построения ВЗУ на магнитных лентах, барабанах, дисках. Широкое применение магнитной записи в ЗУ обусловлено следующими ее положитель ными свойствами: высокой плотностью записи (до сотен и более бит на квадратный миллиметр поверхности носителя информации), неограниченным сроком хранения записанной информации (она сохраняется и при выключении питания), возможностью много кратного использования носителя информации путем стирания ра нее сделанной записи, сравнительно высокой скоростью записи и воспроизведения информации.
В качестве носителя информации обычно применяется магнит ное покрытие толщиной 8—20 мкм из ферролака, представляю щего собой порошкообразный ферромагнитный материал, находя щийся в дисперсном состоянии в связующем веществе типа аце тата целлюлозы, нитрата целлюлозы и др. В ферролаке доля магнитного порошка составляет 25—45%. Порошок состоит из мелких (0,3—0,8 мкм) кристаллов окиси железа Ее20з. Его основ ные магнитные характеристики: коэрцитивная сила /7С= 180ч- -г-640 а/см\ остаточная магнитная индукция Вг = 40-:-100 мтл. Фер ролак наносится на ленту из неметаллического материала, напри мер из ацетилцеллюлозы, или на поверхность металлического ци линдра или диска. Применяются также кобальто-никелевые по крытия (сплав из 80% кобальта и 20% никеля), наносимые галь ваническим путем на поверхность цилиндра слоем толщиной 7—
15мкм.
Воснову магнитной записи электрических сигналов положено свойство ферромагнитных материалов намагничиваться под дей ствием внешнего магнитного ноля и сохранять положительную или
228
отрицательную остаточную намагниченность ( + ВГ или —Вг) при удалении поля. Процесс накопления и выдачи информации проис ходит в той же последовательности, что и при магнитной записи звука: подготовка носителя информации, запись и воспроизведе ние информации. Подготовка носителя информации может осу ществляться либо путем полного его размагничивания, либо на магничивания в каком-то одном направлении. В первом случае производится стирание предыдущей записи переменным током с по мощью стирающей магнитной головки до полного размагничива ния носителя, во втором случае — насыщение магнитного покры тия воздействием на него интенсивного постоянного магнитного поля. Преимущественное распростра нение получил второй способ подготов ки носителя информации, т. е. его предварительное намагничивание, так как в этом случае амплитуда сигнала при воспроизведении получается в два раза большей, чем при первом спосо бе. Кроме того, в конструктивном отношении реализация первого спосо ба является более сложной.
Запись информации осуществляет ся с помощью записывающих магнит ных головок. Обычно применяются
кольцевые магнитные головки (рис. 7.1), представляющие собой электромагнит, сердечник которого имеет два зазора и собран из тонких изолированных ферритовых пластин. Задний зазор служит для снижения намагниченности сердечника. Кроме того, он обес печивает большую технологичность конструкции. Своим передним зазором, ширина которого составляет несколько микрон, сердеч ник обращен к носителю информации. Расстояние между сер дечником и носителем при бесконтактной записи выбирается 20—
50мкм.
При протекании тока через обмотку головки в ее сердечнике
создается магнитный поток, который замыкается через зазоры сер дечника и частично через носитель информации. После прекраще ния тока в носителе за счет остаточной индукции остается намаг ниченный участок — магнитный диполь. Полярность диполя зави сит от направления магнитного потока, определяемого, в свою оче редь, направлением тока в обмотке головки: при протекании тока через левую обмотку головки магнитный диполь ориентируется в одном направлении, а при протекании тока через правую обмот ку — в противоположном направлении.
Если носитель информации перемещать с некоторой постоянной скоростью относительно неподвижной головки, а через обмотку головки пропускать кодовые импульсы тока с определенной часто той, то магнитные диполи, располагаясь последовательно друг за другом, образуют магнитную дорожку. Диполи одной полярности будут представлять коды единиц, а диполи противоположной
229