книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин
.pdfВ машине ИБМ:701 такое устройство было построено на трубках с экранами диаметром 75 мм и накапливаю щих до 1024 чисел или команд. В целях повышения ем кости внутреннего накопителя до 2048 чисел и команд каждому разряду кода отводят две трубки, включенные параллельно. Время обращения к запоминающему устройству с восстановлением записи составляет
12мксек.
Вмашине М-2 емкость каждой трубки составляет 512 двоичных разрядов; всего используется 31 трубка —
по количеству разрядов чисел, представляемых в ма шине.
Запоминающие устройства с магнитной записью
Широкое применение в современных электронных цифровых машинах и устройствах находят запоминаю щие устройства с записью информации на магнитную ленту или барабан.
Способность долго хранить информацию, возмож ность стирать ее, а также быстрота записи и считывания позволяют применять магнитную запись как во внешних, промежуточных и оперативных запоминающих устрой ствах, так и в устройствах ввода и вывода информации. Быстрому развитию ЗУ с магнитной лентой во многом способствовал опыт звукозаписи, примененный для дис кретной информации.
Для запоминания информации используется способ ность магнитных материалов сохранять состояние оста точного намагничивания. В качестве носителя информа ции при магнитной записи используется тонкий слой ла ка, содержащий мельчайшие частицы порошка окиси железа'. Слой лака толщиной 10—30 мк наносится на ленту или барабан.
В электронных цифровых машинах магнитную запись применяют главным образом для двоичных цифр. При этом возникает необходимость иметь лишь два возмож ных состояния намагниченности.
При записи информации в непосредственной близо сти от поверхности магнитной ленты или барабана рас полагаются головки — электромагниты кольцевой формы
132
с небольшим зазором. По обмотке электромагнита про пускаются импульсы тока, которые создают в воздушном зазоре магнитный поток рассеяния. Этот поток и намаг ничивает окись железа.
В процессе записи ферромагнитный носитель переме
щается относительно зазора |
записывающей головки. |
||
При этом небольшие участки |
носителя, |
проходя под |
|
зазором, намагничиваются соответственно |
величине |
и |
|
направлению импульсов тока |
записи, протекающих |
в |
|
данный момент по обмотке головки. Намагниченные уча стки, расположенные друг за другом в направлении дви жения, называются магнитной дорожкой. Число магнит ных дорожек соответствует количеству установленных в ряд магнитных головок.
При считывании информации магнитный материал перемещается относительно считывающих головок, кото рые по своей конструкции аналогичны записывающим (часто для записи и чтения используют одни и те же го ловки). Магнитный поток рассеяния того участка магнит ного материала, который находится в непосредственной близости от зазора, замыкается через сердечник головки. Изменение этого потока во времени, происходящее при движении намагниченного материала, наводит неболь шое напряжение в обмотке считывающей головки. Это индуцированное напряжение и представляет собой сиг нал, ^соответствующий прочитанной двоичной цифре.
Связь между магнитным материалом и головкой бу дет сильнее, если полюсы головки непосредственно со прикасаются с магнитным материалом. В этом случае возможны запись и воспроизведение более высоких час тот или более узких импульсов, чем при наличии зазора между головкой и магнитным материалом. При этом уве личивается плотность записи и быстродействие устройст ва. Однако контактную запись можно применять только в том случае, если линейная скорость магнитного мате риала относительно невелика. В противном случае го ловка очень быстро изотрется и выйдет из строя. Поэто му для записи на магнитном барабане числового мате риала применяется бесконтактная запись с зазором между головкой и барабаном, величиной 20—50 мк.
Магнитный барабан. Для использования в качестве, промежуточного или внутреннего ЗУ наиболее подходя щим устройством оказался вращающийся барабан,- с
магнитным слоем, нанесенным на его цилиндрическую поверхность. Числа можно записывать на нескольких параллельных дорожках.
Время, необходимое для того, чтобы нужная ячейка достигла считывающей головки (время обращения), не превышает продолжительности одного оборота 'барабана. Если по окружности барабана разместить несколько го ловок вдоль каждой дорожки, то время обращения со
кратится.
В машинах с малой скоростью выполнения операций (например, «Урал-1», американские «Монробот» и «Эл лиот») магнитный барабан используется в качестве внутреннего запоминающего устройства; в быстродейст
вующих |
машинах — либо в качестве промежуточного, |
|
либо внешнего ЗУ. В машинах |
БЭСМ-2, «Урал-2», |
|
«Урал-4» |
и ряде других магнитный |
барабан работает |
как промежуточное ЗУ, осуществляя передачу групп ма териала между внешним и внутренним запоминающими устройствами в процессе выполнения операции над чис лами. Это повышает эффективность использования ма шинного времени.
Запоминающее устройство на магнитном барабане со стоит из вращающегося с большой скоростью металличе ского барабана, блока неподвижных магнитных головок (рис. 47) и электронных схем записи-считывания и уп равления.
При работе запоминающего устройства барабан вра щается со скоростью до нескольких тысяч оборотов в минуту. Для того чтобы произвести запись на барабан, обмотка магнитной головки возбуждается короткими импульсами тока. Маленькая площадка поверхности барабана, расположенная под щелью головки, в мо мент прохождения импульса намагничивается со зна ком, определяемым полярностью тока и направлением обмотки.
Поверхностная плотность записи на барабане зависит от конструкции магнитных головок и расстояния до маг нитного слоя, в различных типах барабанов она колеблет ся от 10 до 40 знаков на сантиметр длины окружности. Ширина дорожек также зависит от конструкции магнит^ ных головок и составляет 1—4 мм.
Емкость барабана может быть повышена увеличени ем его размеров и плотности записи. Однако-как,первое,
так и второе сопряжено с большими конструктивными трудностями: увеличение плотности записи требует умень шения зазора между магнитной головкой и поверхностью барабана, а увеличение размеров барабана усложняет его балансировку. Диаметр магнитных барабанов при
Рис. 47. Запоминающее устройство на магнитном барабане.
скорости вращения свыше |
3000 об/мин не превышает |
30 см, а длина — 40—50 см. |
Общий вид магнитного ба |
рабана показан на рис. 48. |
|
Запись на барабан двоичных кодов может произво |
|
диться различными методами. Самый простой, из них — когда одной из цифр, например единице, соответствует намагниченный участок поверхности барабана, а дру гой — нулю — йенам агниченный.
Более надежный вид записи — изображение единицы и нуля участками поверхности, имеющими различную по лярность намагничивания. Например, единице может соответствовать направление потока, принятое за поло жительное, а- нулю — отрицательное. Для распознавания записанной цифры используются стробирующие импуль сы, высекающие либо передний, либо задний фронт счи тываемых с барабана сигналов. Эти импульсы получают ся из сигналов, считываемых со специальных маркерных дорожек барабана и задающих такт работы блоков устройства.
Считывание чисел, записанных на барабане, произво-. дится в тот момент времени, когда нужное число в виде
135
Записывать информацию на магнитный барабан мож но параллельно или последовательно. В первом случае все разряды одного числа записываются или считывают ся одновременно. Количество чисел, которое может хра ниться в таком ЗУ, равно количеству знаков, размещае мых на одной дорожке по окружности барабана. Приме нение параллельного способа записи позволяет увели чить скорость работы устройства, но при этом количест во элементов значительно больше того, которое необхо димо при последовательной записи нескольких чисел по одной дорожке.
Магнитная лента. Запоминающие устройства на маг нитной ленте применяются почти во всех электрон ных цифровых машинах в качестве внешних ЗУ с боль шой емкостью, а в некоторых случаях и в качестве быстродействующих устройств для ввода данных в ма шину.
В качестве носителя информации используется спе циальная ферромагнитная лента, представляющая собой ацетилцеллюлозную основу с нанесенным на неё слоем окиси железа (такая же, какая обычно используется в технике звукозаписи). Ширина магнитной ленты у раз личных типов запоминающих устройств различна — от стандартных 6,5 мм до 125 мм (например, у машины «Стрела»).
Магнитные ленты наматываются на две катушки (бо бины), между которыми располагается блок магнитных головок.
Такое устройство позволяет хранить практически неограниченное количество данных. Ограничением может быть лишь время обращения к ленте, которое составляет от нескольких секунд до минут. В целях сокращения вре мени поиска целесообразно делать устройство с несколь кими лентами.
В этом случае в процессе работы машины или при вы даче материала с одной ленты можно производить поиск
в других лентах.
Большие вычислительные машины имеют 10—20 бло ков магнитных лент. При непосредственном контакте магнитной головки с лентой плотность записи может до стигать 200 знаков на сантиметр длины. Чтобы свести к минимуму механический износ магнитных головок, ско рость движения ленты должна быть уменьшена, однако
.137
это требование противоречит необходимости высокого быстродействия ЗУ.
Следует особо отметить, что выдача информации с магнитных лент производится исключительно группами. Нормально ленты находятся в положении покоя. По предварительному сигналу записи или считывания вклю чается привод нужной ленты и начинается поиск зо ны, куда необходимо записать или откуда следует счи тать материал. После этого по исполнительному сигналу осуществляется требуемая операция. Очевидно, что це лесообразнее иметь большее количество коротких лент, а не ограниченное количество длинных, так как при этом можно лучше размещать исходные данные и промежу точные результаты вычислений.
Иногда для повышения скорости выдачи хранимых данных используют широкие магнитные ленты. Они по зволяют производить параллельную выдачу всех разря дов кода со скоростью 800—1000 чисел в секунду при умеренных скоростях движения ленты (всего 0,5 м/сек) и малой плотности записи.
Повышение скорости протяжки до 3—4 м/сек грозит обрывами магнитной ленты при пусках и остановах лентопротяжных механизмов. Поэтому обычно прини маются специальные меры для преодоления сил инерции бобин: используют ленты меньшей ширины, применяют устройства, в которых лента с лентопротяжных роликов падает свободными витками в специальные карманы.
Запоминающие устройства на ферритовых сердечниках
Сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса ши роко используются в устройствах вычислительной техни ки, и прежде всего в запоминающих устройствах. Схемы, использующие магнитные сердечники, обладают рядом положительных качеств. Они отличаются быстротой за писи и считывания информации, расходуют при этом мало мощности и не требуют расхода электроэнергии для хранения записанной информации. Устройства на маг нитных сердечниках обладают большим сроком службы и высокой степенью надежности, небольшими габарита ми и недороги по цене.
138
Некоторые магнитные материалы, так называемые ферриты, имеют остаточную намагниченность, весьма близкую к намагниченности насыщения (см. рис. 12). Это свойство позволяет использовать их для хранений двоичных чисел в цифровых машинах.
Принцип действия запоминающего устройства на ферритовых сердечниках основан на том, что для перемагничивания сердечника необходимо создать поле оп ределенной напряженности Н т, причем если напряжен ность поля будет меньше этой величины, то сердечник не перемагнитится даже при многократном приложении импульсов такого поля. Допустим, что начальное состоя ние намагниченности сердечника характеризуется точ
кой—В х на кривой гистерезиса. Пусть ток силой —
Нт
создает в сердечнике магнитное поле напряженностью— !
1т
тогда даже после серии импульсов— сердечник останется
в состоянии намагниченности —В г. Если же подмагничивать импульсами ток / т (магнитное поле при этом Н т ), то сердечник из состояния намагниченности — В х перейдет в состояние -(- В х.
При начальном состоянии намагниченности сердеч ника в точке + В г, перемагничивание его возможно импульсами тока обратной полярности. Примем услов но, что состояние положительного намагничивания сер дечника + В Х соответствует единице («1»), а состоя ние— В Т —нулю («О») в двоичной системе счисления. Для записи и считывания двоичных чисел используются двухполярные импульсы тока.
Таким образом, двоичная цифра определяется нап равлением остаточного магнитного потока в сердечнике. Обмотки сердечника могут быть соединены в систему, при которой считывание - цифры с заданного элемента производится путем пропускания тока одновременно по двум координатным обмоткам сердечника.
М а т р и ч н ы й принцип построения |
запоминающего |
|||
устройства на |
магнитных сердечниках |
показан на |
||
рис. 49. |
|
или |
у, |
каждый |
Токи, протекающие по обмоткам х |
||||
в отдельности |
не в состоянии перемагнитить |
сердечник |
||
139
из-за прямоугольности петли кривой намагничивания. Для перемагничивания необходимо приложить поле в два раза большей напряженности. Удвоение напряженно сти поля получается лишь при совпадении направления магнитных полей от токов, протекающих по координат ным обмоткам одного из сердечников. При считывании кода токи по обмоткам пропускаются в обратном направ лении и импульс напряжения в обмотке считывания воз никает только в том случае, если сердечник был ранее намагничен в противоположном направлении.
Рис. 49. Матричный принцип запоми нающего устройства на магнитных сердечниках.
Практическое выполнение матричного запоминающе го устройства на магнитных сердечниках для 16 двоич ных разрядов схематически показано на рис. 50.
Каждый из кольцевых сердечников охвачен тремя проводниками: один относится к горизонтальной системе обмоток х , второй — к вертикальной у, а третий — считывающая обмотка — проходит последовательно че рез все сердечники.
Для полного перемагничивания какого-либо из сер дечников, например заштрихованного, в один горизон тальный (3) и один вертикальный проводник (3) одно временно посылают импульсы тока такой полярности, чтобы для выбранного сердечника составляющие маг нитных потоков суммировались. Величины токов, про текающих по обмоткам х и у, берутся равными меж ду собой и такой величины, чтобы каждый из них в от-
140
Дельности не был в состоянии перемагнитить сердечник. Суммарное поле двух обмоток должно быть достаточным для полного перемагничивания.
Считывание материала, записанного в данной ячейке накопителя, производится таким же образом, но путем посылки импульсов тока противоположной полярности. При этом если сердечник ранее был намагничен в дру- , гом направлении, то при пропускании токов по обмоткам
Рис. 50. Схема матричного запоминающего устройства на 16 двоичных разрядов.
х и у в считывающей обмотке возникает импульс на пряжения. Если же сердечник при считывании не перемагничивается, то в считывающей обмотке импульса напряжения не будет. На рисунке стрелками показано направление токов при записи и считывании «1» с заштри хованного. сердечника.
Обмотка считывания проходит через сердечники та ким образом, что помехи, создаваемые различными сер дечниками, взаимно компенсируются. Такое включение обмотки считывания позволяет во много раз уменьшить суммарную помеху. Полной компенсации принципиально добиться невозможно, так как величина помехи зависит от того, какая информация («О» или «1») записана в сер дечнике.
141