книги из ГПНТБ / Бирюков Н.Е. Основы электронной вычислительной техники

Быстродействие запоминающих устройств характеризуется сле­ дующими факторами:

а) временем поиска соответствующей ячейки ЗУ; б) временем записи кодов чисел в ЗУ; в) временем считывания кодов чисел из ЗУ;

г) временем восстановления считанных кодов там, где при счи­ тывании они стираются;

д) временем стирания, т. е. временем, необходимым для унич­ тожения кодов ранее записанной информации.

На практике быстродействие ЗУ характеризуется временем обращения гфбр к запоминающему устройству, которое при записи

Мри считывании информации из ЗУ /обр складывается из времени поиска /п, времени считывания информации / сч и времени восста­ новления считанной информации / вос

4>бр — к Т ^сч т ' Чюс-

Для выполнения в ЭЦВМ элементарной операции, например,

щим устройством и блоками машины, выполняющими арифмети­ ческие действия, происходит иепрерывный^обмен цифровой инфор­ мацией. Этим и объясняется название оперативного запоминаю­ щего устройства.

От быстродействия ОЗУ в некоторой степени зависит быстро­ действие ЭЦВМ. Если обозначить скорость работы машины v, время выполнения элементарной арифметической операции t\, пе­ риод обращения к запоминающему устройству — 10, а п — число

60

обращений к запоминающему устройству, необходимых для выпол­ нения одной операции, то

где а

Из полученного равенства видно, что чем больше а, т. е. чем меньше to, тем выше быстродействие ЭЦВМ.

Быстродействие ОЗУ зависит от его конструктивных особенно­ стей п может быть осуществлено на многих электрических элемен­ тах и устройствах. Однако в последнее время ОЗУ наиболее часто выполняются на ферромагнитных сердечниках п на ферромагнит­ ных поверхностях.

Внешние запоминающие устройства предназначены для дли­ тельного хранения большого объема информаций, исходных и ко­ нечных данных решаемой задачи, программы вычислений, проме­ жуточных результатов вычислений, констант и стандартных про­ грамм. Между внешним и оперативным запоминающими устрой­ ствами в процессе решения задачи, по мере необходимости, проис­ ходит обмен цифровой информацией. Внешние ЗУ в вычислитель­ ном процессе непосредственно не участвуют, т. е. они не связаны с арифметическим устройством. От внешних ЗУ обычно не тре­ буется высокое быстродействие. Наиболее часто в качестве внеш­ них запоминающих устройств используются магнитные ленты и магнитные барабаны. Внешние ЗУ часто называют накопителями. Например, накопитель на магнитной ленте машины «Минск-1» со­ держит 65000 двоичных 31 разрядных чисел. Внешние ЗУ могут практически иметь неограниченный объем «памяти», но их быстро­ действие по сравнению с ОЗУ невысокое.

Запись информации в ЗУ и считывание из него может осуще­ ствляться тремя способами: параллельным, последовательным и последовательно параллельным.

При параллельном способе записи числа записываются в ЗУ и считываются из ЗУ всеми своими разрядами одновременно.

При последовательном способе записи цифры чисел записы­ ваются и считываются разрядами, один разряд за другим.

При последовательно-параллельном способе записи и считыва­ ния числа разбиваются на группы и вводятся в ЗУ и выводятся из него отдельными группами.

Для обработки информации на вычислительном устройстве числа из ячеек памяти ЗУ поступают в другие устройства по соот­ ветствующей команде.

Поступление команд в устройство программного управления осуществляется также из ЗУ, так как сама программа находится в запоминающем устройстве.

61

По способу изображения чисел ЗУ можно разделить на устрой­ ства со стирающейся и нестирающейся формой записи. Так, напри­ мер, запоминание данных в виде пробивок на перфоленте или пер­ фокарте является нестирающейся формой записи, а представление данных в виде состояний намагничивания материала, в виде заря­ дов элементарных конденсаторов и т. д. относится к стирающейся форме записи.

Запоминающие устройства с нестирающейся формой записи позволяют произвести только однократную запись. ЗУ со стираю­ щейся формой записи позволяют производить многократную пере­ запись информации до естественного износа самого носителя ин­ формации.

Рассмотрим подробнее некоторые наиболее часто встречаю­ щиеся типы запоминающих устройств.

§ 23. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ЛИНИЯХ ЗАДЕРЖКИ

Принцип действия ЗУ на линиях задержки заключается в том, что электрические сигналы, несущие числовую информацию и под­ веденные ко входу линии задержки, несколько медленнее переме­ щаются по ней к выходу. Время задержки импульсов в таких устройствах измеряется микросекундами. Запоминающие устрой­ ства на линиях задержки обычно применяются в суммирующих устройствах при суммировании чисел для переноса импульса из младшего разряда в старший.

В запоминающих устройствах могут применяться линии за­ держки, основанные на различных физических принципах.

1. Ультразвуковые линии

Ультразвуковая линия задержки основана на передаче ультра­ звуковых импульсов через среду, имеющую сравнительно более низкую скорость распространения колебаний, чем в нормальной среде. В качестве передающей среды можно использовать ртуть, воду, спирт, магниевый сплав, плавленый кварц, никель и т. д.

/ / 0 1 • • . • 1 о / !

Рис. 36

Устройство ртутной линии задержки показано на рис. 36. Кон­ структивно ртутная линия представляет собой металлическую трубку 1 диаметром в 1— 2 см и длиной в 50—100 см, наполненную ртутью и закрытую с обеих сторон кристаллами кварца 2.

Пьезопреобразователь, закрывающий входной торец трубки, служит для преобразования электрических сигналов в механиче­ ские ультразвуковые колебания. Пьезопреобразователь, закры­

62,

вающий выходной торец трубки, служит для обратного преобразо­ вания ультразвуковых колебаний в электрические. В таких ЗУ числа, выраженные в двоичной системе, записываются в виде им­ пульсов, длительность, которых достигает порядка долей микросе­ кунды. На рис. 36 условно показано положение одного кода числа 1101 . . . 1011 в ультразвуковой линии задержки. Количество им­ пульсов, которое может сохраняться в линии, т. е. ее емкость, за­ висит от длины линии, частоты следования импульсов и скорости распространения звука в среде. Практически это число колеблется в пределах от 500 до 1000 мгц.

Емкость N запоминающего устройства на линии задержки определяется выражением

где L — длина линий;

/ — частота следования кодовых импульсов; с — скорость распространения волн в среде.

Общее время задержки для каждой ртутной трубки

На рис. 37 приведена структурная схема запоминающего устройства на одной ультразвуковой ртутной трубке. На вход ЗУ информация для записи подается в виде последовательного двоич­ ного кода через вентиль Ви на второй вход которого поступают управляющие импульсы записи — УИЗ. Затем информация про­ пускается вентилем В2, на второй вход которого непрерывно посту­ пают синхронизирующие импульсы — СИ прямоугольной формы.

Вход

Рис. 37

Вентиль В2 служит для восстановления импульсов информации в прямоугольную форму.

Импульсы, снимаемые с вентиля В2, перед подачей в линию задержки преобразуются в высокочастотные радиоимпульсы. Это преобразование осуществляется посредством модулятора, который

63

модулирует колебания высокой частоты генератора импульсами двоичного кода, снимаемыми с вентиля В2. Усиленные радиоим­ пульсы подаются на вход линии задержки «пачками», причем каждая такая «пачка» соответствует коду 1. Использование радио­ импульсов вместо стандартных способствует лучшему сохранению формы циркулирующих в замкнутой цепи импульсов. Несущая ча­ стота генератора выбирается гак, чтобы она соответствовала резо­

в десять раз выше основной частоты машины, т. е. частоты следо­ вания кодовых импульсов. В современных машинах несущая ча­ стота, как правило, равна 10 мгц, а частота следования кодовых импульсов — 1 мгц.

С помощью кварцевого пьезокристалла на входе ртутной труб­ ки «пачки» высокочастотных импульсов электрического напряже­ ния преобразуются в «пачки» высокочастотных ультразвуковых ко­ лебаний. После обратного преобразования на выходе появляются импульсы высокочастотных колебаний электрического напряже­ ния, которые затем усиливаются и детектируются. В результате детектирования получается огибающая, имеющая колоколообраз­ ную форму. Прямоугольная форма импульсов восстанавливается вентилем Вя с помощью синхронизирующих импульсов прямоуголь­ ной формы.

Для считывания хранимой в ЗУ информации необходимо в нуж­ ный момент отпереть вентиль Д3 управляющими импульсами счи­ тывания УИС. Считываемые числа снимаются с В5 в последова­ тельном коде и подаются на выходной регистр ЗУ, откуда они в случае надобности могут быть представлены в параллельном коде.

На рис. 37 видно, что после' детектора информацию через вен­

тиль В4 можно снова подать на вентиль В2, а оттуда — в линию задержки. Таким образом может быть создан режим непрерывной циркуляции информации в замкнутом контуре. Для стирания того или иного кода числа, циркулирующего по замкнутому контуру, необходимо в момент, когда оно начинает проходить через вен­ тиль Bit запереть этот вентиль, подав управляющий импульс га­ шения — УИГ.

Скорость изменения ультразвука в ртути зависит от колебаний температуры окружающей среды, вследствие чего может изменяться время задержки импульсов в ртутной трубке, а следовательно, и

ее емкость. Это может привести к нарушению синхронности ра­ боты ртутных линий с другими устройствами машины. Для избе­ жания возможных в работе ЗУ ошибок, которые связаны с изме­ нением внешней температуры, в некоторых запоминающих устрой­ ствах линии задержки помещают в автоматически регулируемый термостат.

64

2 . Магнитострикционные линии

В ЗУ магнйтострикционных линий для преобразования электри­ ческой энергии импульса в энергию ультразвука используется яв­ ление магнитострикции — изменение размеров тела под влиянием магнитного поля и изменение магнитного потока в ферромагнит­ ном материале при механических напряжениях.

Материалом для магнитострикционных линий задержки может служить никилевая проволока или феррит.

Схема магнитострикционной линии задержки показана на рис. 38. Ультразвуковые колебания в линии возбуждаются полем катушки L\. Через эту катушку проходит импульс тока. В конце линии имеется приемная катушка L2, помещенная в поле магни­ та М. Ультразвуковые колебания проволоки вызывают в катуш­ ке L2 э.д.с., которая усиливается и поступает в схему, аналогичную ультразвуковой ртутной трубке.

м

Рис. 38

Скорость распространения ультразвуковых колебаний вдоль никелевой проволоки составляет около 4900 м/сек. Линии задерж­ ки, у которых длина проволоки составляет 13,7 мм, а диаметр --

1мм, имеют емкость 280 знаков и время задержки 2,8 м/сек.

Умагнитострикционных линий задержки есть существенные недостатки. Это — большое затухание сигналов и то, что такие ли­ нии устойчиво работают, когда частота повторения импульсов больше 1 мгц.

§ 24. МАТРИЧНЫЕ ОПЕРАТИВНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ФЕРРИТАХ

Положительные качества ферромагнитных сердечников позво­ ляют создать достаточно надежные малогабаритные и обладающие высоким быстродействием запоминающие устройства.

Одним из способов построения параллельного запоминающего устройства на ферритовых сердечниках является матричный спо­ соб расположения сердечникбв. Матрица представляет собой пря­ моугольную решетку из проводников, на пересечении которых подмещены ферриты.

Принцип соединения ферритовых тороидов в матрицу показан

выдачи информации. Все обмотки каждого из рядов сердечников, а также обмотки чтения соединены между собой последовательно.

Для упрощения технологии производства обычно изготавли­ вают одновитковые обмотки.

Каждый феррит предназначен для запоминания значения од­ ного разряда соответствующего числа. Условно принимается, что состояние положительно]'! остаточной намагниченности торонда ~гВг соответствует коду 1, а состояние отрицательной намагни­ ченности —В,- соответствует коду 0 в двоичной системе счисления.

Работа матричного ЗУ основывается на методе совпадения то­ ков в обмотках х,- и у;. Запись и считывание информации в из­ бранном сердечнике производятся при одновременной подаче им­ пульсов тока по адресным шинам x L и у/, на пересечении которых находится сердечник.

Величина импульсов тока подбирается так, чтобы при воздей­ ствии импульса только по одной координате феррит не перемагничивался, а при одновременном воздействии импульсов по обеим координатам он менял свое магнитное состояние. Для этого на входы х i и уг в процессе записи или считывания информации по-:

даются импульсы тока с амплитудой 1х = 1у = —-!}—, где Чт — ве­

личина тока, необходимая для создания напряженности Н,п, кото­ рой достаточно для перемагничивания сердечника.

Hm= 0 A r .J ^ L ( a ) ,

*ср

где щ — число витков обмоток тороидов ; 1Ср— средняя длина магнитной силовой линии.

66

Запоминающие устройства матричного типа при записи инфор­ мации могут работать либо в режиме сдвига токов записи I х и 1у, либо с использованием импульса запрета / 3 в установленной спе­ циально для этой цели обмотке запрета.

Временная диаграмма работы тороида, избранного для матри­ цы, работающей со сдвигом тока записи, показана на рис. 40. Во

импульс тока с амплитудой 1т (код 1), либо, будучи смещены во времени, образуют два положительных импульса тока, каждый из

Рис. 40

Из всех методов записи информации наиболее широкое распро­ странение получил метод записи нуля с использованием импульса запрета.

Для осуществления данного метода ферритовые сердечники —• матрицы имеют еще одну обмотку, по которой при записи «0» про­ пускают импульс запрета с амплитудой, равной -4р-. На рис. 41

приведена временная диаграмма импульсов тока записи, считы­ вания и запрета, иллюстрирующая принцип работы этого метода.

Как видно из диаграммы, при записи «0» выдается импульс запрета, и ферритовый сердечник не меняет своего магнитного со­ стояния. При записи кода 1 импульс запрета не выдается, и сер­ дечник из одного состояния намагниченности переходит в другое, т. е. записывается единица. Считывание информации происходит обычным методом, основанным на совпадении отрицательных им­

записана единица, то ток с амплитудой 1т перемапштит феррито­ вый сердечник из одного состояния в другое. Если был записан нуль, сердечник останется в прежнем состоянии.

Ферритовые сердечники, используемые для построения матрич­ ных запоминающих устройств, имеют петлю гистерезиса, которая отличается от прямоугольной. Поэтому под воздействием импуль­ сов полутонов они несколько меняют свое состояние, и в обмотке чтения возникает э.д.с., характеризующая величину помехи.

щиеся одновременно на шинах х,; и уг-, по которым подаются им­

В худшем случае, когда все полуизбранные сердечники находятся в состоянии одинакового кода, помеха будет равна

^Лтом — 2 (N 1) ипом,

где пП0Ы— средняя величина помехи, возникающей от одного тороида;

N — количество тороидов.

При «„ом = 0,01 сигнала и iV = 32 ИТ/П0М=2(32—1)1% =62% ве­ личины сигнала.

Отношение полезного сигнала к сигналу помехи или отношение сигнала, возникающего при считывании кода 1, к сигналу, возни­ кающему при считывании кода 0, служит критерием оценки каче­ ства матричного запоминающего устройства.

68

Для уменьшения уровня помех шина считывания должна про­ низывать ферриты так, чтобы помехи от отдельных сердечников компенсировались, т. е. были направлены навстречу друг другу. Для этого применяется диагональная прошивка матриц шиной считывания. На рис. 42 показаны варианты противофазной про­ шивки матрицы обмоткой считывания.

Рассмотрим процесс записи информации в ЗУ матричного типа, изображенного на рис. 39. Условимся считать начальным состоя­ нием сердечников состояние отрицательной намагниченности. Для -приведения всех сердечников ЗУ в начальное состояние, т. е. для стирания всей хранящейся информации, нужно на входы всех го­ ризонтальных и вертикальных шин одновременно подать отрица­ тельные импульсы тока. После этого можно произвести запись числа в запоминающее устройство. Допустим, требуется записать

ность, достаточная для перемагничивания в состояние положитель­ ной намагниченности, а сердечник 6 останется в состоянии отрица­ тельной намагниченности.

Записанную информацию, находящуюся в таком виде, можно без какой бы то ни было затраты энергии хранить неограниченно долгое время. Если требуется прочитать число,-хранящееся в ка­ кой-нибудь из ячеек ЗУ, нужно подать на все время считывания на соответствующую горизонтальную шину У; отрицательный им­ пульс, а на все вертикальные шины хь х2 ■ ■ . х п — отрицатель­ ные импульсы тока последовательно один за другим.

69