книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины

полярности — коды нулей. Продольная .плотность записи, т. е. число кодовых импульсов (диполей), которые можно разместить на еди­ нице длины носителя информации (вдоль магнитной дорожки), со­ ставляет от 4 до 60 импульсов на 1 мм. Верхний ее предел огра­ ничивается взаимовлиянием полей соседних магнитных диполей. Под поперечной плотностью записи понимается число магнитных дорожек, которые можно разместить на единице ширины носи­ теля информации. Ограничения в поперечной плотности обуслов­ лены толщиной магнитных головок. Расстояние между осями со­ седних магнитных дорожек составляет 0,5—2,5 мм.

Воспроизведение записанной информации происходит с по­ мощью считывающих магнитных головок, аналогичных записываю­ щим. В большинстве случаев для записи и воспроизведения импульсов используются одни и те же головки. В процессе считыва­ ния, как и при записи, носитель информации перемещается отно­ сительно головки с постоянной скоростью. Часть магнитного потока диполя, находящегося под зазором головки, замыкается через ее сердечник. Магнитный поток, изменяющийся во времени при движении носителя информации, наводит э. д. с. в обмотке головки, величина которой пропорциональна скорости изменения потока:

данных условий считывания).

Отсюда видно, что величина е пропорциональна скорости дви­ жения носителя информации. Амплитуда сигналов при считывании обычно не превышает нескольких десятых вольта. При увеличении плотности записи амплитуда сигналов уменьшается, что объясняет­ ся взаимодействием полей соседних магнитных диполей.

Магнитная связь между носителем информации и головками получается более сильной в случае контактной записи и считыва­ ния, когда головки своими передними зазорами соприкасаются с носителем. При этом возможны запись и считывание импульсов более высоких частот, чем в случае бесконтактной записи. Кон­ тактный способ записи применяется лишь при небольших линейных скоростях носителя, например в ЗУ на магнитных лентах, скорость перемещения которых составляет 1—2,5 м/сек. В ЗУ на магнитных барабанах и дисках применяется бесконтактный способ записи и считывания, так как линейная скорость барабана (диска) относи­

230

тельно головок достигает здесь 100 м/сек и более и применение контактного способа привело бы к быстрому стиранию носителя информации и головок.

Способы записи информации на магнитный носитель можно разделить на две основные группы: запись с промежутками и запись без промежутков.

Запись с промежутками. Для этого способа характерно то, что соседние магнитные диполи, представляющие двоичные цифры, от­ делены друг от друга участком носителя информации. Рассмотрим

(рис. 7.2,6, в). Сигнал е, поступает на усилитель, в котором один из каскадов содержит дифференцирующую цепочку с небольшой постоянной времени. С выхода усилителя сигнал вг (рис. 7.2, г) подается на ограничитель, отсекающий незаштрихованную часть кривой е%— так что на последующие схемы подаются только импульсы, соответствующие коду 1.

Недостатки этого способа записи следующие: сравнительно не­ большая плотность записи, при считывании одна из двоичных цифр (в нашем примере 0) изображается так же, как и отсутствие циф­ ры, что снижает надежность распознавания кодов 1 и 0.

Запись с промежутками по трем уровням (рис. 7.3) может про­ изводиться только на предварительно размагниченном носителе информации. Запись осуществляется разнополярными импульсами тока /з (рис. 7.3, а), в результате чего соответствующие участки

-231

носителя намагничиваются до насыщения в том или ином направле­ нии. Магнитный поток на этих участках достигает значении +Ф) или —Ф[ (рис. 7.3,6). Размагниченные участки указывают на от­ сутствие в этих местах информации. Характерной особенностью магнитной записи с промежутками по трем уровням является то, что сигналы считывания, представляющие коды 1 и 0, отличаются полярностью (рис. 7.3, в, г). Это существенно облегчает распозна­ вание считанной информации.

Ж 4 Р

U-hi

Запись без промежутков. При этом способе изменение направ­ ления тока в обмотке записывающей головки производится только при переходе от записи единицы к записи нулей. Следовательно, переход носителя от одного магнитного состояния к другому осу­ ществляется реже, чем при записи с промежутками.

На рис. 7.4,о изображен код числа 010011 в виде импульсов еи подаваемых последовательно (начиная с младшего разряда) на вход некоторого триггера, выходы которого связаны с полуобмотками записывающей магнитной головки. Первый поло­ жительный импульс переводит триггер в положение 1, при кото­ ром через одну полуобмотку головки протекает ток /3 (рис. 7.4,6),

в положение 0, вследствие чего ток /л будет протекать по другой полуобмогке головки, и направление намагничивания изменится на

232

обратное. В моменты изменения потока Ф в обмотке головки при считывании наводится э. д. с. <?2, причем положительный импульс изображает начало последовательности цифр 1, а отрицатель­ ный— начало цифр 0. Импульсы е2 управляют другим триггером, сигналы е3 на выходе которого показаны на рис. 7.4, д. Эти сиг­ налы подаются на схему совпадения, на второй вход которой по­ ступают синхронизирующие импульсы ес.„ (рис. 7.4, е). В резуль­ тате на выходе схемы совпадения образуется последовательный код числа 010011.

Преимущества описанного способа состоят в том, что здесь достигается большая плотность записи и имеется возможность использовать записывающие головки для быстрого и надежного стирания ненужной информации (при записи с промежутками не­ обходимы специальные стирающие головки). Эти преимущества достигаются за счет усложнения схем записи и считывания. Кроме рассмотренного применяются и.другие варианты записи без про­ межутков.

§ 7.2 Запоминающие устройства на магнитных лентах

Запоминающие устройства на магнитных лентах относятся к числу наиболее распространенных устройств внешней памяти ЦВМ. Магнитная лента представляет собой эластичную основу из не­ магнитного материала (ацетилцеллюлозы, поливинилхлорида, три­ ацетата), па которую нанесен слой магнитного покрытия толщи­ ной 10—20 мкм, являющегося собственно носителем информации. Ширина ленты может быть от нескольких миллиметров до не­ скольких десятков сантиметров. Чаще используются ленты стан­ дартной ширины 12,7 мм, так как при большей ширине возникают перекосы ленты при ее протягивании, усложняется блок магнит­ ных головок и регулировка лентопротяжного механизма. Стан­ дартная длина магнитных лент в рулоне составляет 125, 250, 500 и 1000 м. К механическим параметрам пластмассовых лент предъ­ являются следующие требования: прочность на разрыв 10— 14 кг/мм2, допустимая величина упругого растяжения не более 1%, пластическое удлинение не более 0,15%.

Порядок размещения информации на ленте зависит от ее ши­ рины. На узких лентах числа записываются в последовательном коде, на широких — в параллельном. Применяется и параллельно­ последовательный принцип размещения информации.

Одним из наиболее серьезных вопросов, возникающих при раз­ работке ЗУ на лентах, является конструирование лентопротяжного механизма. Этот механизм должен обеспечить быстрый разгон ленты и быстрый ее останов (в ЦВМ в основном применяются стартстопные механизмы), а также постоянную скорость переме­ щения ленты при записи (считывании) информации. Важна точ^ ная регулировка механизма, которая обеспечивала бы движение ленты без смещений, изгибов и перекосов.

233

Структуру электронной части ЗУ на магнитных лентах рассмо­ трим на примере ВЗУ одной из отечественных машин, где приме­ няются магнитные ленты шириной 6,35 м м с двумя дорожками (рис. 7.5, а ) — дорожкой синхронизирующих импульсов СИ и ко­ довой дорожкой для записи чисел, команд, номеров зон ленты. Кроме головок Г! и Гг, служащих для записи и считывания соот­ ветственно кодовых п синхронизирующих импульсов, имеется го­ ловка Гст для стирания информации. Используется контактная

+100В R o-tm-i

Рис. 7.5. Запоминающее устройство на магнитных лентах:

а — размещение информации на ленте; 0 — схема управления записью и счи­ тыванием

запись с промежутками по двум уровням с предварительным намагничиванием носителя информации. Плотность записи состав­ ляет 8 бит на 1 м м .

Обмен информацией между ВЗУ и ОЗУ осуществляется груп­ пами чисел через АУ. Группа чисел, подлежащих записи или счи­ тыванию, размещается в одной зоне ленты. Номер зоны записы­ вается по кодовой дорожке в начале записи группы чисел. Между соседними зонами имеются свободные от информации участки, не­ обходимые для разгона или останова ленты.

Управление считыванием информации с магнитной ленты про­ изводится следующим образом (рис. 7.5,6). На регистр Рг1 по­

234

дается код номера зоны, указанный в адресной части команды обращения к ВЗУ. Статические выходы триггеров регистра свя­ заны со схемой сравнения. При движении магнитной ленты считы­ ваемые головкой Г) импульсы последовательно поступают на вход сдвигающего регистра Рг2 и продвигаются в нем синхронизирую­ щими импульсами. Первое число, считываемое головкой Гь являет­ ся номером зоны, для записи которого на ленте отводится шесть разрядов. С помощью схемы сравнения осуществляется сравнение кодов, записанных в регистрах Рг1 и Рг2. Если коды не совпадают, то считывание головкой Ti следующих за номером зоны чисел блокируется. В случае совпадения заданного номера зоны в ре­ гистре Рг1 и считанного номера зоны в регистре Рг2 схема срав­ нения выдает управляющий импульс УИЬ который, как и им­ пульс УИ2, обеспечивает перекоммутацию цепей управления на посылку считываемых чисел заданной зоны в АУ и затем в ОЗУ. Сигнал УИ2 появляется на выходе схемы совпадения И при по­ ступлении на ее входы импульсов со схемы сравнения и со счет­ чика Сч1. Счетчик Сч1 вырабатывает на выходе импульс с

мера зон).

Импульсы СИ используются также для контроля количества чисел, переписываемых с ленты в ОЗУ. С этой целью с момента выработки УИ] сигналы СИ начинают поступать на счетчик Сч2, который сбрасывается в нулевое положение и вырабатывает при этом импульс на выходе с приходом каждого 40-го синхронизи­ рующего импульса. Следовательно, количество импульсов на вы­ ходе Сч2 соответствует количеству считанных чисел. Подсчет их производится счетчиком СчЗ. На регистр РгЗ записывается код, обозначающий количество чисел, которые необходимо считать. При совпадении кодов чисел в РгЗ и СчЗ схема сравнения вырабаты­ вает сигнал УИ3, с появлением которого считывание чисел с лен­ ты прекращается.

Управление процессом записи чисел в определенную зону маг­ нитной ленты осуществляется аналогично.

Время, затрачиваемое на выборку (запись) необходимой ин­ формации из ЗУ на магнитных лентах, слагается из трех состав­ ляющих: времени пуска лентопротяжного механизма, времени ожидания требуемой зоны и времени для считывания (записи) группы чисел. Первые две составляющие можно не принимать во внимание, если в машине есть предварительный поиск зоны лен­ ты с нужной информацией: поиск зоны производится одновременно с выполнением машиной других операций. Время, затрачиваемое непосредственно на запись или считывание чисел, определяется скоростью движения ленты, плотностью записи и характером раз­ мещения информации. В современных ЗУ на магнитных лентах скорость записи (считывания) равна нескольким десятакм тысяч бит в секунду, достигая в наиболее совершенных устройствах 200— 300 тысяч бит в секунду.

235

В табл. 7.1 приведены характеристики некоторых зарубежных ЗУ на магнитных лентах.

Т а б л и ц а 7.1

Для ЗУ на магнитных лентах характерны практически неогра­ ниченная емкость (при условии смены бобин с лентами), самая низкая стоимость хранения одного бита в ЗУ, компактность, устой­ чивость в работе. Недостатки таких ЗУ обусловлены наличием механического перемещения ленты (возможны обрывы и другие механические повреждения).

§ 7.3. Запоминающие устройства на магнитных барабанах

Магнитные барабаны, как и магнитные ленты, широко исполь­ зуются в устройствах внешней памяти. Кроме того, они часто применяются для построения буферных ЗУ. Магнитный барабан представляет собой цилиндр диаметром от 60 до 600 мм из немаг­ нитного материала (латуни, алюминия или его сплавов) с ферро­ магнитным покрытием.

Емкость магнитного барабана определяется площадью его бо­ ковой поверхности и плотностью записи. Повышение емкости за счет увеличения размеров барабана (диаметра и длины) лимити­ руется тем, что при изготовлении барабанов большой длины и диаметра трудно удовлетворить весьма жесткие требования к точ­ ности этих размеров и недопустимости температурных и механи­ ческих деформаций. Увеличение длины барабана связано с воз­ растанием количества аппаратуры — магнитных головок, усилите­ лей записи и считывания. Существенным является также и то, что, если в блоке магнитных головок содержится более 80—100 голо­ вок, очень трудно выдержать с требуемой точностью расстояние его от поверхности барабана, составляющее 20—30 мкм, а для плавающих головок 5—15 мкм. В процессе работы, когда магнит­ ный барабан вращается с большой скоростью (от нескольких со­

236

тен до десятков тысяч оборотов в минуту), это расстояние должно быть постоянным, так как от него зависит интенсивность намагни­ чивания носителя информации в такте записи и амплитуда ко­ довых сигналов в такте считывания. С увеличением диаметра ба­ рабана при прочих равных условиях возрастает время обращения к нему.

Емкость магнитного барабана в битах может быть оценена выражением

Вформуле (7.3) коэффициент 0,90—0,97 учитывает интервалы между группами чисел, а величина 0,5—1,0 мм представляет ми­ нимальное расстояние, которое должно выдерживаться между со­ седними дорожками, чтобы исключить их взаимовлияние.

Всоответствии с ГОСТ 14128—69 отечественной промышлен­ ностью выпускаются магнитные барабаны диаметром 60, 100, 200, 350, 450, 600 мм и емкостью менее 1- 106 бит (барабаны малой

емкости), от 1•10° до 25•10П бит (барабаны средней емкости) и более 2510б бит (барабаны большой емкости). При необходимо­ сти значительного увеличения емкости ЗУ применяют не один, а несколько (до 15—20) параллельно работающих магнитных бара­ банов.

Магнитные головки, используемые в ЗУ на магнитных бараба­ нах для записи и считывания информации, имеют ряд конструк­ тивных особенностей, обусловленных необходимостью уменьшения их размеров с целью повышения поперечной плотности записи и обеспечения сохранения неизменным расстояния между головками и поверхностью барабана. Последнее обстоятельство привело к разработке и использованию «плавающих в воздухе» головок. Наи­ большее распространение получили плавающие головки, конструк­ ция которых основана на аэродинамическом принципе. Аэродина­ мические головки удерживаются на расстоянии 5—10 мкм от по­ верхности барабана за счет подъемной силы, возникающей при попадании под плавающий башмак с головками воздуха, увлекае­ мого быстро движущимся носителем.

В соответствии с характером размещения информации на по­ верхности барабана различают ЗУ параллельного, последователь­ ного и параллельно-последовательного действия. В ЗУ параллель­ ного действия все разряды одного числа размещаются по обра­ зующей барабана, поэтому запись и считывание числа осуще­ ствляются одновременно по всем его разрядам (блок магнитных головок размещается также по образующей барабана), Следова­ тельно, каждая магнитная дорожка служит для хранения цифр одного из разрядов всех запоминаемых ■чисел. В-ЗУ последова­

237

тельного действия числа записываются и считываются в последо­ вательном коде. Все разряды числа размещаются на одной маг­ нитной дорожке барабана. Емкость одной дорожки зависит от диаметра барабана и плотности записи. Наконец, применяется па­ раллельно-последовательный способ размещения информации, когда код числа разбивается на несколько групп и каждая груп­ па записывается на отдельной образующей барабана.

Рис. 7.6. Запоминающее устройство на магнитном барабане

Рассмотрим процесс управления считыванием и записью чисел при использовании магнитного барабана в качестве параллель­ ного устройства памяти. Для уяснения этого процесса достаточно показать (рис. 7.6) электрические цепи, обеспечивающие запись и считывание одного разряда всех запоминаемых чисел. На схеме показаны только две магнитные головки: головка Г, для записи и считывания кодовых импульсов одного разряда всех чисел и го­ ловка Г2 для считывания синхронизирующих импульсов, заранее записаных на одной из магнитных дорожек барабана. Для удоб­ ства изображения обмоток магнитные головки повернуты относи­ тельно своего действительного положения на 90°.

238 ■

нитные диполи, обеспечивающие хранение одного числа). Ячейки пронумерованы подряд в порядке естественного возрастания но­ меров. Против каждой ячейки на дорожке синхронизирующих им­ пульсов записывается один импульс. Следовательно, адрес числа определяется количеством синхронизирующих импульсов, нанесен­ ных по окружности барабана, начиная с начала отсчета и кончая ячейкой, в которой записано данное число.

Считывание числа с барабана осуществляется следующим об­ разом. Адрес числа по кодовым шинам адреса КША подается на приемный регистр адреса. В процессе вращения барабана с по­ стоянной скоростью с помощью головки Гг непрерывно считыва­ ются синхронизирующие импульсы, которые после усиления и формирования подаются на счетчик. В счетчике все время произ­ водится подсчет импульсов как в режиме считывания чисел, так и в режиме записи. Содержимое счетчика в каждый данный мо­ мент соответствует адресу той ячейки, которая в этот момент находится под блоком магнитных головок.

В блоке сравнения адресов происходит сравнение кодов чисел, записываемых в счетчике, с заданным кодом адреса в приемном регистре. При совпадении кодов блок сравнения адресов выдает импульс на схемы совпадения И| и И2. Этот импульс пропускается только логическим элементом И2, открытым по второму входу сиг­ налом «Считывание». Сигнал с выхода И2 открывает но одному из входов схему И5. Считанный головкой Гь кодовый сигнал по­ сле усиления пропускается элементом И5 и поступает в кодовую шину КШ.

Работа схемы при записи происходит аналогично. Адрес ячей­ ки, в которую необходимо записать число, также подается на при­ емный регистр и сравнивается с кодом чисел в счетчике. При сов­ падении кодов импульс с блока сравнения пропускается логиче­ ским элементом И,, на который подается сигнал «Запись». Кодо­ вый сигнал через схему совпадения Иб подается на триггер Тг1, который устанавливается в единичное положение, если записы­ вается код 1, либо остается в исходном нулевом положении, если записывается код 0. В зависимости от этого импульс с выхода И\ пропускается либо схемой И,, либо схемой И3. Следовательно, через одну из полуобмоток головки П будет протекать ток, обес­ печивающий запись ] или 0 на носителе информации.

Поскольку магнитный барабан используется для построения внешнего или буферного ЗУ, происходят запись и считывание не отдельных чисел, а групп чисел, расположенных в одной из зон барабана. Следовательно, необходимо иметь дополнительные схе­ мы для поиска номера зоны, в которой находится считываемая группа чисел или куда необходимо записать группу чисел.

Запоминающие устройства на магнитных барабанах параллель­ ного действия с записью и считыванием чисел в параллельном коде отличаются большим быстродействием по сравнению с ЗУ после­ довательного действия. Однако они менее экономичны, поэтому применяются также ЗУ параллельно-последовательного действия.

239