книги из ГПНТБ / Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие

стеме и могут быть легко рассчитаны Это облегчает определение влияния линий связи на искажения сигналов, что необходимо при проектировании быстродействующих систем.

Для первой системы монтажа целесообразно использовать ^микрополосковые линии, изготавливаемые с помощью многослойного

Рис. 3-79. Четырехслойный печатный мон­ таж с микрополосковыми линиями пере­ дачи.

5 — сквозное отверстие с металлическим покры­ тием.

печатного монтажа с внутренними слоями земли и питания, кото­ рый обеспечивает высокую плотность компоновки и монтажа ин­ тегральных схем. Поперечное сечение четырехслойной печатной па­ нели с микрополосковыми линиями передачи показано на рис. 3-79. Первая система монтажа используется обычно в панелях устройств. Размеры панели, правила проложения линий и длина линий выби­ раются таким образом, чтобы помехами из-за отражений в линиях можно было пренебречь.

При построении систем, включающих ряд вычислительных уст­ ройств, длина соединительных линий между устройствами, как пра­ вило, превышает длину линии, отражениями в которой можно пре­ небречь. Поэтому здесь необходимо использовать вторую систему

диться с учетом распределенных параметров линий передачи. Пример типичных искажений сигналов в несогласованной

в линиях передачи на выходе линии возникают колебания с от­ рицательными и положительными выбросами значительной ампли­ туды. Отрицательные выбросы на входе приемных клапанов, вклю­ ченных на выходе линии, могут вывести их из строя, а положи­ тельные выбросы привести к ложному срабатыванию этих клапанов.

При передаче фронта сигналов на входе линии имеется сту­ пенчатое нарастание сигнала, что может вызывать увеличение за­ держки распространения сигнала через приемные клапаны, вклю­ ченные на входе линии, или же многократное срабатывание этих схем, если ступень напряжения находится на пороге срабатывания клапана.

В результате таких искажений сигналов снижается запас от помех передаваемых сигналов и, следовательно, надежность систе-

240

мы. Поэтому в этом случае необходимо вводить специальные це­ пи для согласования волнового сопротивления линии с входными сопротивлениями соединяемых схем в виде согласующих резисто­ ров на концах линий и фиксирующих диодов на входах приемных схем (рис. 3-81).

Для передачи сигналов при этом необходимо использовать специальные схемы передачи, обеспечивающие достаточную мощ­ ность и защиту от коротких замыканий, и специальные приемные схемы с высоким входным сопротивлением, что позволяет произво­ дить произвольное подключение приемных схем вдоль линии пе­ редачи.

Г л а в а ч е т в е р т а я

ОПЕРАТИВНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

4-1, И Е Р А Р Х И Ч Е С К А Я С Т Р У К Т У Р А П А М Я Т И Ц В М Т И П Ы О П Е Р А Т И В Н Ы Х ЗУ

Вычислительные и логические возможности вычисли­ тельной системы в значительной степени определяются характеристиками входящего в ее состав комплекса за­ поминающих устройств (ЗУ), предназначенных для за­ писи, хранения и выдачи информации. Память ЦВМ организуется в виде иерархической структуры запомина­ ющих устройств, обладающих различным быстродейст­ вием и емкостью (рис. 4-1). В общем случае комплекс

Внешние ЗУ

Рис. 4-1. Иерархическая структура памяти ЦВМ.

242

запоминающих устройств ЦВМ содержит: сверхопера­ тивное ЗУ (СОЗУ), оперативное ЗУ (ОЗУ), внешнее ЗУ с произвольным обращением, внешние ЗУ с последова­ тельным поиском информации. Порядок перечисления устройств соответствует убыванию их быстродействия и возрастанию емкости. Такой состав запоминающих устройств позволяет сочетать хранение больших объе­ мов информации с быстрым доступом к информации

впроцессе обработки.

Внастоящей главе будут рассмотрены принципы по­ строения оперативных и некоторых сверхоперативных ЗУ. Внешние ЗУ рассматриваются в гл. 6.

Оперативным ЗУ, или просто памятью, называют устройство, которое служит для хранения информации (данных, программ, промежуточных и конечных резуль­ татов обработки), непосредственно используемой в про­ цессе выполнения операций в арифметическом и логиче­

ском устройстве и устройстве управления процессора. В процессе обработки информации осуществляется тес­ ное взаимодействие процессора и оперативного ЗУ. Из оперативного ЗУ в процессор поступают команды про­ граммы и операнды, над которыми производятся преду­ смотренные командой операции, а из процессора в опе­ ративное ЗУ направляются для хранения промежуточ­ ные и конечные результаты обработки информации. Ха­ рактеристики ОЗУ непосредственно влияют на основные показатели вычислительной системы и в первую очередь на скорость ее работы.

Оперативное запоминающее устройство, как прави­ ло, состоит из множества одинаковых запоминающих элементов, образующих запоминающий массив. Массив разделен на отдельные ячейки, каждая из которых пред­ назначена для хранения одного машинного слова. Ячей­ кам присваиваются определенные номера, называемые их адресами.

Емкость ОЗУ определяется количеством машинных слов или двоичных знаков, которые устройство может хранить одновременно. Операция записи слова в ячейку или считывание слова из ячейки по данному адресу на­ зывается обращением к ОЗУ. Время обращения и ем­ кость являются основными характеристиками ОЗУ. Чем больше емкость, тем технически труднее реализовать устройство с малым временем обращения.

При записи слова в ячейку ОЗУ ранее хранившееся

в ней слово стирается и на его место записывается но­ вое слово. При считывании информации из ячейки за­ писанное в ней слово должно сохраняться с тем, чтобы можно было при необходимости в процессе вычислений многократно обращаться к ячейке за одним и тем же словом.

В зависимости от свойств запоминающих элементов, используемых режимов их работы и особенностей схем считывание может происходить с разрушением или без разрушения информации, находящейся по данному ад­ ресу. В соответствии с этим ОЗУ делят на две группы: ОЗУ с разрушением информации при считывании и ОЗУ со считыванием без разрушения информации.

Особую группу составляют так называемые постоян­ ные ЗУ или ЗУ только для считывания информации. За­ несение или изменение информации в таком ЗУ требует изменения его электрической схемы. Постоянные ЗУ ши­ роко используются для хранения микропрограмм про­ цессора и каналов, а в специализированных ЦВМ — для хранения рабочих программ.

Для обеспечения возможности многократного считы­ вания содержимого ячейки ОЗУ, в которых информация при считывании разрушается, необходимо производить восстановление или регенерацию считанной информа­ ции. Мы будем называть временем обращения к ОЗУ продолжительное«, полного цикла записи или считыва­ ния одного слова, включая выборку нужной ячейки и ре­ генерацию слова в ячейке, если она производится. Вре­ менем выборки принято называть время, в течение кото­ рого заданная информация может быть извлечена из памяти.

В ОЗУ с неразрушающим считыванием сокращается время обращения при операции считывания, так как не нужна регенерация информации. Операция записи в ОЗУ как с разрушением, так и без разрушения информации при считывании состоит из поиска требуемой ячейки, стирания старой информации и записи новой.

Огромное влияние характеристик запоминающих устройств и особенно ОЗУ на общие характеристики вы­ числительных систем сделало необходимым проведение широких исследований различных физических и техноло­ гических принципов построения устройств для запоми­ нания двоичной информации.

244

На рис. 4-2 приведены характерные значения величии емкости и времени обращения для некоторых ЗУ, осно­ ванных на различных физических принципах.

Первые ОЗУ строились на магнитных барабанах, электронно-лучевых трубках, линиях задержки. Затем

Время ебращені/я, сек

Рис. 4-2. Характеристики ЗУ различных ти­ пов

/ — электрические линии; 2 — никелевые линии за­

для этой цели стали применяться ферритовые тороидаль­ ные сердечники, тонкие магнитные пленки и другие маг­ нитные элементы, туннельные диоды, интегральные схемы, криотронные элементы и др. Оперативные запоми­ нающие устройства высокопроизводительных вычисли­ тельных машин и систем должны иметь емкость в не­ сколько десятков тысяч слов и время обращения поряд­ ка единицы (и менее) микросекунд. Как видно из рис. 4-2, таким требованиям могут удовлетворить ЗУ на ферритовых сердечниках и ЗУ на тонких магнитных пленках.

В ряде случаев быстродействие ОЗУ оказывается не­ достаточным и в состав машины приходится включать

245

сверхоперативное ЗУ небольшой емкости (на несколько сотен слов) с временем обращения порядка десятков или сотен наносекунд. Такие СОЗУ могут выполняться на сердечниках, тонких пленках, полупроводниковых ин­ тегральных схемах. Быстродействие СОЗУ соответствует обычно скорости работы арифметических устройств и устройств управления процессором. Ячейки СОЗУ ис­ пользуются в качестве рабочих ячеек, индексных регист­ ров, для хранения часто используемых констант. СОЗУ выполняет роль согласующего звена между быстродей­ ствующими логическими устройствами процессора и бо­ лее медленным ОЗУ.

Современные вычислительные системы часто содер­ жат ряд специальных быстродействующих оперативных ЗУ: ЗУ каналов, ЗУ ключей защиты памяти, различные буферные ЗУ, обеспечивающие взаимодействие уст­ ройств вычислительной системы. При создании этих спе­ циальных ЗУ используются те же принципы, на которых строят основную оперативную и сверхоперативную па­ мяти.

4-2. Ф Е Р Р И Т О В Ы Е С Е Р Д Е Ч Н И К И КАК З А П О М И Н А Ю Щ И Е Э Л Е М Е Н Т Ы О З У

Большое влияние на развитие ЦВМ оказало появле­ ние в начале 50-х годов ОЗУ на тороидальных феррито­ вых сердечниках, которые по своим характеристикам на­ много превосходили существовавшие в то время ОЗУ других типов (на электронно-лучевых трубках, линиях за­ держки и др.). С тех пор в ЦВМ в качестве запоминаю­ щих элементов ОЗУ используются в основном магнитные сердечники. В течение почти 20 лет происходит непреры­ вное совершенствование материалов для ферритовых сердечников и технологии их изготовления. Это позволи­ ло значительно уменьшить размеры сердечников с целью повышения быстродействия ОЗУ при одновременном увеличении их емкости.

Применение сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса в качестве элементов для запоминания ин­ формации в двоичном коде основано на наличии у та­ ких сердечников двух устойчивых состояний остаточного намагничивания противоположного знака.

Примерный вид петли гистерезиса реального сердеч­ ника представлен на рис. 4-3. Состоянию, характеризую­

246

щемуся остаточной индукцией + ß r, можно приписать значение 1, а состоянию с индукцией —Вт— значение 0. Если сердечник пронизать входным проводом возбуж­ дения и выходным проводом считывания (рис. 4-3, а), то можно управлять магнит­

ределении его магнитного состояния. Для этого при операции считывания во вход­

ную обмотку подается импульс тока той же полярности, что и импульс записи нуля, создающий поле —Нт, кото­ рое устанавливает сердечник в состояние 0. Если перед этим сердечник находился в состоянии 1, то при считы­ вании величина индукции в сердечнике меняется от + ß r до —Вг и в обмотке считывания индуцируется э. д. с. («сигнал считывания I»). При считывании 9 в обмотке считывания сигнал мал, так как при этом магнитное со­ стояние сердечника изменяется незначительно.

Считывание сопровождается стиранием информации, записанной в сердечнике, так как при этой операции сер-

247

дечник всегда устанавливается в состояние 0. Поэтому, как упоминалось выше, предусматривается специаль­ ная операция регенерации, восстанавливающая инфор­ мацию в сердечнике после считывания.

Обычно в процессе работы в составе запоминающе­ го устройства сердечники подвергаются воздействиям как полных возбуждающих полей Нт, так и меньших полей, называемых частичными. В зависимости от типа ОЗУ напряженность частичного поля может принимать

ние подается с полярностью тока считывания, то состо­ яние сердечника 1 меняется на состояние «разрушенной чтением единицы» (dVічт). Аналогично сердечник, нахо­

менных частичных возбуждениях считывания и записи состояния намагниченности сердечника будут характе­ ризоваться частными петлями гистерезиса. Разрушен­ ные состояния следует различать в соответствии с предисторией возбуждения.

Состояние «разрушенного чтением нуля» (dV,4т) получается после частичного возбуждения импульсами считывания сердечника, находившегося в состоянии dVzзп. После частичного возбуждения импульсами запи­ си сердечник, находившийся в состоянии d V ^ , перехо­ дит в состояние «разрушенной записью единицы» (öfE^n).

Время переключения сердечника из одного остаточ­ ного состояния намагничивания в другое определяется выражением

_ s w

н - н 0 ’

где т — время переключения, сек; Sw — константа пере­ ключения, э-сек; HQ— предельное поле обратимого движения стенок домена, э, Н — приложенное поле, э.

Величина Sw зависит от магнитной вязкости и вих­

248

ревых токов данного материала и определяется экспе­ риментально.

Приведенная формула справедлива для бесконечно тонкого сердечника. Для ферритового сердечника конеч­ ных размеров имеет место зависимость 1/т~ f ( H) , изоб­ раженная на рис. 4-4 (кривая 2). Кривые 1 и 3 показы-

венно для внутреннего и внешнего слоя сердечника. Переключение намагниченности сердечника под дей­

ствием прямоугольного импульса тока, создающего воз­ буждающее поле, превышающее коэрцитивную силу сер­ дечника Я с, приводит к возникновению на его выходной обмотке импульса напряжения колоколообразной фор­ мы (рис. 4-5), несимметричного относительно его макси­ мума. Асимметрия увеличивается при увеличении воз­ буждающего поля, причем максимум смещается к на­ чалу импульса. Амплитуда импульса выходного на­ пряжения пропорциональна превышению приложенного поля над коэрцитивной силой сердечника.

Параметры ферритового сердечника зависят также от изменений температуры материала. Температура сер­ дечника может меняться как вследствие изменений тем­ пературы окружающей среды, так и от саморазогрева сердечника при высокой частоте переключения. Наи­ большее влияние температура оказывает на коэрцитив­ ную силу сердечника, которая уменьшается с ростом температуры.

Чувствительность параметров сердечников к измене­ нию температуры характеризуется термостабильностью,

249