книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин

Тем не менее триггерные схемы широко используют­ ся во всех современных электронных цифровых машинах в качестве регистров — запоминающих устройств на од­ но машинное слово. Регистры обычно входят в состав арифметического устройства и устройства управления машины.

Запоминающие устройства на линиях задержки

Линии задержки, используемые в качестве запоми­ нающих устройств, имеют весьма простой, принцип дей­ ствия: информация, подлежащая хранению, подводится к началу линии в виде последовательности импульсов и через некоторое время появляется на другом конце. От­ сюда информация может быть подведена через усилитель и формирователь обратно к началу линии. Таким обра­ зом, создается кольцевая замкнутая цепь, по которой информация может циркулировать неограниченно долгое время.

Количество кодов, которое может храниться в линий задержки, зависит от вещества линии, ее длины и часто­ ты следования импульсов. Чтобы не слишком увеличи­ вать длину линии, ее вещество должно обеспечивать дос­

ртуть. Такое запоминающее устройство состоит из запол­ ненной ртутью стальной трубки, в концах которой поме­ щены кварцевые пьезокристаллы, преобразующие элект­ рические импульсы в механические колебания и об­ ратно.

Управление работой трубки, усиление и формирование импульсов производится электронной схемой. Упрощен­ ная блок-схема запоминающего устройства на ртутной трубке приведена на рис. 40.

122

Рис. 40. Блок-схема запоминающего устройства на ртут­ ной линии задержки.

Коды чисел, представленные в виде последователь­ ности импульсов, поступают на клемму «вход». На уп­ равляющий вход клапана (схемы совпадения) записи I<i подается управляющий сигнал «запись». Этот сигнал открывает клапан и пропускает импульсы кода числа в возбудитель, где они модулируются колебаниями высо­ кой частоты (10—15 мегагерц). В целях наиболее полно­ го преобразования электрической энергии в механиче­ скую энергию колебаний пьезокристаллов несущая час­ тота возбудителя выбирается близкой к частоте их соб­ ственных колебаний.

Возбужденный пьезокристалл передает колебания ртути, они следуют по трубке и воспринимаются на дру­ гом конце приемным кристаллом, преобразующим меха­ нические колебания в электрические. Напряжения, сни­ маемые с приемного пьезокристалла, имеют величину порядка десятков милливольт. Эти сигналы усиливают­ ся, затем детектируются и, проходя открытый клапан гашения Кг, вновь поступают через возбудитель на пере­ дающий пьезокристалл. Таким образом, информация бу­ дет циркулировать по трубке до тех пор, пока с клапана гашения Кг не будет снят разрешающий сигнал. Для вы­ вода накопленной информации на клапан чтения Кз по­ дается разрешающий сигнал «чтение», и импульсы, пред­

123

ставляющие код числа, будут последовательно поступать

электронных ламп. Причем это количество не'зависит от длины трубки и числа хранимых в ней кодов.

Трубка с ртутью помещается в термостат с системой автоматической регулировки температуры, так как ско­ рость распространения волн в ртути зависит от темпера­ туры. Это накладывает некоторое ограничение на длину

трубки.

В машине БЭСМ АН СССР запоминающее устройст­ во на ртутных линиях использовалось в качестве резерв­ ного и содержало 64 трубки, в которых могло храниться до 1024 кодов 39-разрядных двоичных чисел.

Подобные трубки нашли применение в качестве внут­ реннего запоминающего устройства в большинстве зару­ бежных машин, построенных до 1953 г. (АКБ, УНИВАК,

ЭДВАК, ЭДСАК и др.).

Эксплуатация запоминающих устройств на ртутных

достигающее 0,4—1 миллисекунды. Это обстоятельство ограничивает возможности использования их в совре­ менных быстродействующих машинах, поэтому, напри­ мер, в машине БЭСМ в 1954 г. отказались от ртутных линий в пользу запоминающего устройства на электрон­ но-лучевых трубках, обладающих большим быстродей­ ствием.

Магнитострикционные линии задержки. Запоминаю­ щие устройства, использующие магнитострикционные линии задержки, основаны на способности ферромагнит­ ных материалов (железа, никеля, кобальта и их спла­ вов) изменять свои размеры при намагничивании. Это явление называется м а г н и т о с т р и к ц и е й .

Магнитострикционная линия задержки (рис. 41). представляет собой металлическую проволоку или лен­ ту, изготовленную чаще всего из никеля или его сплавов. При выборе длины проволоки, в зависимости от потреб­ ной емкости ЗУ, исходят из того, что скорость распро­ странения ультразвуковых колебаний в никеле составля­ ет около 4800 м/сек. Ввиду большой скорости распро-

124

'Постоянные магниты

Вход Выход

Рис. 41. Блок-схема запоминающего устройства на магнитострикционной линии задержки.

странения колебаний емкость каждой линии обычно рас­ считывается на одно машинное слово.

Схема управления и порядок работы магнитострикдионной линии аналогичны рассмотренным в запоминаю­ щем устройстве на ртутной линии задержки.

Электрический сигнал, соответствующий двоичной цифре вводимого числа, подается на передающую катуш­ ку 1, которая находится в поле постоянного магнита. Получающиеся в проводе механические колебания рас­ пространяются по направлению к приемной катушке 2, также находящейся в поле постоянного магнита. Коле­ бания никелевого провода вызывают изменение магнит­ ного потока в катушке 2 и наводят в ней небольшую электродвижущую силу. Это напряжение через усилитель поступает в цепь восстано.вления.

Никелевый провод поддерживается между двумя ка­ тушками упорами из стеклянной пряжи. Количество этих упоров сокращают до минимума во избежание до­ бавочного ослабления сигнала и паразитных связей. Кон­ цы никелевого провода зажаты между двумя пластин­ ками из.эластичного каучука для гашения возвратной

125

Запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках

По сравнению с другими видами ЗУ электронно-лу­ чевые трубки (ЭЛТ) обладают большим быстродейст­ вием: время обращения у них составляет 2—3 микросе­ кунды.

Кроме того, возможность параллельной выборки ко­ да, когда все разряды числа считываются или записы­ ваются одновременно, также способствует увеличению скорости работы машины с такими устройствами.

Существует несколько методов использования элект­ ронно-лучевых трубок в качестве запоминающих устройств. Наиболее часто применяются трубки, рабо­ тающие на принципе поверхностного перераспределения зарядов, а также электронно-лучевые трубки типа «потенциалоскоп с сеткой». Обе эти запоминающие трубки используют явление, вторичной эмиссии, которое заклю­ чается в том, что поток быстрых первичных электронов выбивает из некоторых диэлектриков (стекло, слюда, окись алюминия и др.) больше электронов, чем их падает на облучаемую поверхность. В этом случае на облучаемой поверхности возникает положительный за­ ряд.

Потенциалоскоп с сеткой представляет собой элект­ ронно-лучевую трубку, несколько отличающуюся от обычной осциллографической. Потенциалоскоп, изобра­ женный на рис. 43 и 44, содержит электронный прожек­ тор, электростатическую отклоняющую систему, имею­ щую две пары отклоняющих пластин, мишень (тонкий слой диэлектрика, нанесенный на алюминиевую сигналь­ ную пластину) и коллектор в виде тонкой сетки.

Положительные и отрицдтельные импульсы, управ­ ляющие полярностью зарядов ;на мишени,. подаются на сигнальную пластину. Считываемые сигналы, поляр­ ность которых определяется ранее произведенной за­ писью, снимаются с сопротивления нагрузки RH, * вклю­ ченного в цепь сигнальной пластины.

Отклоняющие напряжения^ подаваемые на откло­ няющие пластины, перемещают нормально запертый луч из одной ячейки в другую. Каждой ячейке запоминаю­ щей трубки соответствует определенный элемент ми­ шени.

127

Длительность облучения ячейки выбирается такой, чтобы элемент мишени заряжался до равновесного по­ тенциала, несколько превышающего потенциал коллек­ тора.

Путем последовательного скачкообразного перемеще­ ния электронного луча с одного элемента мишени на другой эти элементы могут быть заряжены в случае записи «1» до отрицательного потенциала и в случае за­ писи «О» — до положительного.

Считывание записанных кодов производится направ­ лением запертого луча на выбранный элемент и отпира­ нием его при потенциале сигнальной пластины, равном нулю. В этом случае под воздействием луча элемент бу­ дет получать нулевой потенциал. Если при записи эле­ мент был заряжен до отрицательного потенциала, т. е. была записана «1», то перезаряд его вызовет появление положительного сигнала на нагрузочном сопротивлении R a. Этот сигнал, усиленный усилителем Ус, поступит на вход схемы совпадения чтения Спь откроет ее и даст возможность короткому импульсу чтения «1» пройти и запустить триггер. Триггер выдаст на сигнальную плас­ тину положительный импульс, который восстановит

Если элемент был заряжен до положительного потен­ циала (записан «О»), то при считывании на входе уси­ лителя возникнет отрицательный сигнал, который не от­ кроет Спь Триггер не запустится, и на сигнальную плас­ тину через собирательную схему будет подан отрица­ тельный импульс, восстанавливающий считанный поло­ жительный заряд.

Заряды, хранимые на мишени, с течением времени уменьшаются, поэтому необходимо регулярно восстанав­ ливать записанные на мишени данные. Восстановление информации производится все время, когда не произво­ дится запись или выдача кодов, последовательным счи­ тыванием и восстановлением содержимого всех ячеек ми­ шени.

На трубках типа «потенциалоскоп с сеткой» были по­ строены оперативные запоминающие устройства отече­ ственной машины БЭСМ, а в некоторых образцах маши­ ны «Стрела» эти трубки используются и до настоящего

Ьрёмени. Ёмкость ОБУ машины БЭСМ на запоминающих трубках составляла 1024 39-разрядных числа. Позднее это устройство было заменено более удобным и надеж­ ным — на магнитных сердечниках.

Запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках довольно громоздки и дороги, недостаточно на­ дежны в эксплуатации и требуют квалифицированного обслуживания.

Запоминающая электронно-лучевая трубка с исполь­ зованием принципа поверхностного перераспределения зарядов. В запоминающих устройствах этого типа ис­ пользуются обычные осциллографические электронно­ лучевые трубки, у которых с наружной стороны экрана помещается проводящая сигнальная пластина (напри­ мер, фольга), имеющая емкостную связь с внутренней частью экрана. Люминесцентный экран трубки представ­ ляет собой изолированный слой из диэлектрика, заряды с которого стекают достаточно медленно.

Для того чтобы можно было получить на выходе сиг­ налы двух видов, электронный луч должен записывать два различных «рисунка», представляющих собой дво­ ичные цифры «1» и «0». Такими рисунками могут быть точка и тире или точка и кольцо и др. Наиболее удобным и эффективным является рисунок точка—кольцо. Для за­ писи «1» можно применять точку, а для записи «0» — кольцо; в этом случае на экране трубки будет создавать­ ся потенциальный рельеф (распределение зарядов на экране), показанный на рис. 45.

Запись «1» производится сфокусированным лучом (точка). При записи «0» и считывании накопленных за­ рядов электронный луч имеет развертку по кругу (коль­ цо). Упрощенная блок-схема такого запоминающего устройства приведена на рис. 46.

Модулирующие импульсы закрывают электронный луч в то время, когда отклоняющая система переводит его из одной ячейки в другую. Блок записи и восстанов­ ления осуществляет развертку луча по кругу при записи или считывании «0». Если в той ячейке, куда направлен луч, записан «0», то считываемый сигнал будет мал. При записанной «1» сигнал, снимаемый с электрода, распо­ ложенного позади экрана, вследствие перезаряда ячейки будет иметь значительную величину и на выходе усили­ теля даст импульс, соответствующий «0».

130

Рис. 45. Потенциальный рельеф «точка — кольцо».

Адрес ячейки _ Запись

Рис. 46. Блок-схема запоминающего устройства на электрон­ но-лучевой трубке.

Постепенно стирающийся первоначальный потенци­ альный рельеф восстанавливается с помощью вспомога­ тельных схем. После каждого считывания заряда произ­ водится его восстановление.

Емкость запоминающих устройств на электронно-лу­ чевых трубках ограничена диаметром сфокусированного луча, наличием засева соседних ячеек электронами и точностью работы схемы, управляющей отклонением лу­ ча; в существующих машинах она не превышает 1024 ячеек.