Paměť zpožděného řádku - Delay line memory
Paměť zpožděné linky je forma paměti počítače , nyní zastaralá, která se používala na některých z prvních digitálních počítačů . Stejně jako mnoho moderních forem elektronické paměti počítače byla paměť zpožďovací linky obnovitelnou pamětí , ale na rozdíl od moderní paměti s náhodným přístupem byla paměť zpožděné linky sekvenčním přístupem .
Technologie analogové zpožďovací linky byla používána od 20. let 20. století ke zpoždění šíření analogových signálů. Pokud se jako paměťové zařízení používá zpožďovací linka, je mezi výstup zpožďovací linky a vstup připojen zesilovač a tvarovač impulzů . Tato zařízení recirkulují signály z výstupu zpět na vstup a vytvářejí smyčku, která udržuje signál, dokud je připojeno napájení. Tvarovač zajišťuje, že pulsy zůstanou dobře tvarované, čímž odstraní jakoukoli degradaci způsobenou ztrátami v médiu.
Kapacita paměti je určena dělením času potřebného k přenosu jednoho bitu na čas potřebný pro cirkulaci dat zpožďovací linkou. Časné paměťové systémy zpožděné linky měly kapacitu několika tisíc bitů , přičemž doby recirkulace byly měřeny v mikrosekundách . Pro čtení nebo zápis konkrétního bitu uloženého v takové paměti je nutné počkat, až tento bit obíhá zpožďovacím vedením do elektroniky. Zpoždění čtení nebo zápisu konkrétního bitu není delší než doba recirkulace.
Použití zpožďovací linky pro počítačové paměti byl vynalezen J. Presper Eckert v polovině 1940 pro použití v počítačích, jako jsou EDVAC a UNIVAC I . Eckert a John Mauchly požádali o patent na paměťový systém pro zpožďovací linku 31. října 1947; patent byl vydán v roce 1953. Tento patent se zaměřil na rtuťové zpožďovací linky, ale také diskutoval zpožďovací linky vyrobené z řetězců induktorů a kondenzátorů , magnetostrikční zpožďovací linky a zpožďovací linky vytvořené pomocí rotujících disků pro přenos dat do čtecí hlavy v jednom bodě na obvodu od zapisovací hlavy jinde po obvodu.
Genesis v radaru
Základní koncept zpožďovací linky vycházel z výzkumu radaru z druhé světové války , jako systému omezujícího rušení od odrazů od země a dalších „pevných“ objektů.
Radarový systém se skládá hlavně z antény, vysílače, přijímače a displeje . Anténa je připojena k vysílači, který před opětovným odpojením vysílá krátký puls rádiové energie. Anténa je poté připojena k přijímači, který zesiluje veškeré odražené signály, a odesílá je na displej. Objekty dále od radaru vracejí ozvěny později než ty, které jsou blíže radaru, což displej vizuálně indikuje jako „výkyv“, který lze měřit proti stupnici.
Nepohybující se objekty v pevné vzdálenosti od antény vždy vracejí signál se stejným zpožděním. To by na displeji vypadalo jako pevné místo, což ztěžuje detekci dalších cílů v oblasti. Rané radary jednoduše mířily paprsky od země, aby se vyhnuly většině tohoto „nepořádku“. To nebyla ideální situace; vyžadovalo to pečlivé míření, které bylo pro menší mobilní radary obtížné, a neodstranilo další zdroje nepořádku podobných odrazů od prvků, jako jsou prominentní kopce, a v nejhorším případě by umožnilo letícímu nepřátelskému letounu doslova létat „pod radarem“.
Pro odfiltrování statických objektů byly porovnány dva impulsy a byly odstraněny návraty se stejnými časy zpoždění. K tomu byl signál odeslaný z přijímače na displej rozdělen na dvě části, přičemž jedna cesta vedla přímo k displeji a druhá vedla k zpožďovací jednotce. Zpoždění bylo pečlivě vyladěno na několikanásobek času mezi impulsy nebo „ frekvenci opakování pulzu “. To mělo za následek zpožděný signál z dřívějšího pulzu opouštějící zpožďovací jednotku ve stejnou dobu, kdy byl z antény přijat signál z novějšího pulzu. Jeden ze signálů byl elektricky invertován, obvykle ten ze zpoždění, a oba signály byly poté spojeny a odeslány na displej. Jakýkoli signál, který byl na stejném místě, byl zrušen invertovaným signálem z předchozího pulzu a na displeji zůstaly pouze pohybující se objekty.
Pro tento účel bylo vynalezeno několik různých typů zpožďovacích systémů, přičemž jedním společným principem je, že informace byly uloženy akusticky na médiu. MIT experimentoval s řadou systémů, včetně skla, křemene, oceli a olova. Japonci nasadili systém skládající se z křemenného prvku s práškovým skleněným povlakem, který omezoval povrchové vlny, které narušovaly správný příjem. Spojené státy Naval Research Laboratory použity ocelové tyče zabalené do šroubovice, ale toto bylo užitečné pouze pro nízké frekvence pod 1 MHz. Raytheon používal slitinu hořčíku původně vyvinutou pro výrobu zvonů.
První praktický de-nepřehledná systém založený na konceptu byl vyvinut J. Presper Eckert at the University of Pennsylvania ‚s Moore škola elektrotechnická . Jeho řešení používalo kolonu rtuti s piezo krystalovými měniči (kombinace reproduktoru a mikrofonu) na obou koncích. Signály z radarového zesilovače byly posílány do piezoelektrického obvodu na jednom konci trubice, což by způsobovalo pulsování snímače a generování malé vlny ve rtuti. Vlna by rychle putovala na vzdálený konec trubice, kde by ji přečetl zpět druhý piezo, obráceně a poslal na displej. Bylo zapotřebí pečlivé mechanické uspořádání, aby bylo zajištěno, že doba zpoždění odpovídá interpulznímu časování používaného radaru.
Všechny tyto systémy byly vhodné pro převod do paměti počítače. Klíčem bylo recyklovat signály v paměťovém systému, aby nezmizely po projetí zpožděním. To bylo relativně snadné zařídit pomocí jednoduché elektroniky.
Akustické zpožďovací linky
Rtuťové zpožďovací linky
Po válce Eckert obrátil svou pozornost k počítačovému vývoji, který byl v té době předmětem určitého zájmu. Jedním problémem praktického vývoje byl nedostatek vhodného paměťového zařízení a Eckertova práce na zpoždění radaru mu v tomto ohledu poskytla velkou výhodu oproti ostatním výzkumníkům.
U počítačové aplikace bylo načasování stále kritické, ale z jiného důvodu. Konvenční počítače mají přirozenou „dobu cyklu“ potřebnou k dokončení operace, jejíž začátek a konec obvykle spočívá ve čtení nebo zápisu do paměti. Zpožďovací linky tedy musely být načasovány tak, aby pulsy dorazily k přijímači, právě když byl počítač připraven jej číst. Typicky by mnoho impulsů bylo „za letu“ zpožděním a počítač by počítal impulsy porovnáním s hlavními hodinami, aby našel konkrétní bit, který hledal.
Rtuť byla použita, protože její akustická impedance je blízká impedanci piezoelektrických křemenných krystalů; to minimalizovalo ztrátu energie a ozvěny, když byl signál přenášen z krystalu na médium a zpět. Vysoká rychlost zvuku ve rtuti (1450 m / s) znamenala, že čas potřebný k čekání na příchod pulzu na přijímací konec byl kratší, než by tomu bylo u pomalejšího média, jako je vzduch (343,2 m / s) To ale také znamenalo, že celkový počet pulzů, které mohly být uloženy v jakékoli přiměřeně velké koloně rtuti, byl omezen. Mezi další technické nevýhody rtuti patřila její hmotnost, cena a toxicita. Navíc, aby se akustické impedance co nejvíce shodovaly, musela být rtuť udržována na konstantní teplotě. Systém zahříval rtuť na jednotné nastavení teploty nad pokojovou teplotu 40 ° C (104 ° F), což způsobilo, že servis trubek byl horký a nepohodlný. ( Alan Turing navrhl použití ginu jako ultrazvukového zpožďovacího média a tvrdil, že má nezbytné akustické vlastnosti.)
K udržení „čistého“ signálu uvnitř trubice bylo zapotřebí značné množství techniky. Pro generování velmi těsného „paprsku“ zvuku, který by se nedotýkal stěn trubice, byly použity velké měniče a bylo třeba věnovat pozornost eliminaci odrazů od vzdáleného konce trubic. Těsnost paprsku poté vyžadovala značné vyladění, aby bylo zajištěno, že obě piezosměřují přímo na sebe. Vzhledem k tomu, že rychlost zvuku se mění s teplotou, byly trubky zahřívány ve velkých pecích, aby byly udržovány na přesné teplotě. Jiné systémy místo toho upravily frekvenci hodin počítače podle teploty okolí, aby dosáhly stejného efektu.
EDSAC , druhý digitální počítač s plným rozsahem uloženého programu , zahájil provoz s 256 35bitovými slovy paměti, uloženými v 16 zpožďovacích řádcích, z nichž každý držel 560 bitů (slova v zpožďovací řádce byla složena z 36 pulzů, jeden pulz byl použit jako mezera mezi po sobě následujícími čísly). Paměť byla později rozšířena na 512 slov přidáním druhé sady 16 zpožďovacích linek. V systému UNIVAC I byla kapacita jednotlivé zpožďovací linky menší, každý sloupec uložil 120 bitů (ačkoli termín „bit“ se v té době v současné době nepoužíval), což vyžadovalo sedm velkých paměťových jednotek s 18 sloupci pro vytvoření 1000 -obchod se slovy. V kombinaci s jejich podpůrnými obvody a zesilovači vytvořil paměťový subsystém vlastní pochozí místnost . Průměrná doba přístupu byla asi 222 mikrosekund , což bylo podstatně rychlejší než u mechanických systémů používaných v dřívějších počítačích.
CSIRAC , dokončený v listopadu 1949, také používal paměť zpožděné linky.
Některá paměťová zařízení se rtuťovou zpožďovací linkou vydávala slyšitelné zvuky, které byly popsány jako podobné mumlání lidského hlasu. Tato vlastnost dala vzniknout slangovému výrazu „mumble-tub“ pro tato zařízení.
Magnetostrikční zpožďovací linky
Pozdější verze zpožďovací linky používala jako paměťové médium kovové dráty . Převodníky byly vyrobeny použitím magnetostrikčního účinku ; malé kousky magnetostrikčního materiálu, obvykle niklu , byly připevněny na obě strany konce drátu uvnitř elektromagnetu. Když kousky z počítače vstoupily do magnetů, nikl by se smrštil nebo roztáhl (na základě polarity) a zkroutil konec drátu. Výsledná torzní vlna by se poté pohybovala dolů po drátu, stejně jako zvuková vlna dolů po rtuťovém sloupci. Dráty byly ocelové.
Na rozdíl od tlakové vlny používané v dřívějších zařízeních jsou torzní vlny podstatně odolnější vůči problémům způsobeným mechanickými nedokonalostmi, a to natolik, že dráty mohly být navinuty do volné cívky a připnuty k desce. Díky své schopnosti být svinuty mohly být drátové systémy postaveny tak dlouho, jak bylo potřeba, a měly tendenci uchovávat podstatně více dat na jednotku; 1k jednotky byly typické na desce pouze 1 stopa čtvereční. To samozřejmě také znamenalo, že čas potřebný k nalezení konkrétního bitu byl poněkud delší, když cestoval drátem, a typické byly doby přístupu řádově 500 mikrosekund.
Paměť zpožděné linky byla mnohem levnější a mnohem spolehlivější na bit než klopné obvody vyrobené z trubek , a přesto mnohem rychlejší než západkové relé . To bylo používáno až do konce 1960, zejména na komerčních strojích, jako je LEO I , Highgate Wood Telefonní ústředna , různé stroje Ferranti a IBM 2848 Display Control . Paměť zpožděného řádku byla také použita pro videopaměť v časných terminálech, kde by jedna zpožďovací linka obvykle uchovávala 4 řádky znaků. (4 řádky x 40 znaků na řádek x 6 bitů na znak = 960 bitů v jednom zpožďovacím řádku) Byly také velmi úspěšně použity v několika modelech rané stolní elektronické kalkulačky , včetně Friden EC-130 (1964) a EC-132, Olivetti Programma 101 desktop programovatelná kalkulačka zaveden v roce 1965, a Litton Monroe Epic 2000 a 3000 programovatelné kalkulačky z roku 1967.
Piezoelektrické zpožďovací linky
Výrobce: VEB ELFEMA Mittweida ( GDR ) v roce 1980
Podobným řešením magnetostrikčního systému bylo použití zpožďovacích vedení vyrobených výhradně z piezo materiálu, obvykle křemene. Proud přiváděný na jeden konec krystalu by generoval kompresní vlnu, která by proudila na druhý konec, kde by ji bylo možné číst. Ve skutečnosti piezoelektrická zpoždění jednoduše nahradila rtuť a měniče konvenční rtuťové zpožďovací linky jedinou jednotkou kombinující obojí. Tato řešení však byla poměrně vzácná; pěstování krystalů požadované kvality ve velkých velikostech nebylo snadné, což je omezovalo na malé velikosti a tedy malé množství datového úložiště.
Lepší a rozšířenější využití piezoelektrických zpoždění bylo v evropských televizních přijímačích. Evropský standard PAL pro barevné vysílání porovnává signál ze dvou po sobě jdoucích řádků obrazu, aby se zabránilo barevnému posunu v důsledku malých fázových posunů. Porovnáním dvou linek, z nichž jedna je invertována, je posunutí zprůměrováno a výsledný signál se více shoduje s původním signálem, a to i za přítomnosti rušení. Za účelem srovnání těchto dvou linek je do jedné ze dvou porovnávaných signálních cest vložena piezoelektrická zpožďovací jednotka, která zpožďuje signál o čas, který se rovná době trvání každé linky, 64 us. Aby se dosáhlo požadovaného zpoždění v krystalu vhodné velikosti, je zpožďovací jednotka tvarována tak, aby vícekrát odrážela signál skrz krystal, čímž se výrazně zmenšuje požadovaná velikost krystalu a tím se vytváří malé zařízení ve tvaru krychle.
Elektrické zpožďovací vedení
Elektrické zpožďovací linky se používají pro kratší doby zpoždění (ns až několik µs). Skládají se z dlouhého elektrického vedení nebo jsou vyrobeny z diskrétních induktorů a kondenzátorů, které jsou uspořádány v řetězci. Chcete-li zkrátit celkovou délku vedení, může být navinut kolem kovové trubky, čímž se získá větší kapacita proti zemi a také větší indukčnost díky vinutí drátu, které leží blízko sebe.
Další příklady jsou:
- krátké koaxiální nebo mikropáskové vedení pro fázové přizpůsobení ve vysokofrekvenčních obvodech nebo anténách
- duté rezonátorové čáry v magnetronech a klystronech jako spirály v trubkách s pohyblivými vlnami, aby odpovídaly rychlosti elektronů rychlosti elektromagnetických vln
- undulators ve volných elektronových laserech
Dalším způsobem, jak vytvořit zpožďovací čas, je implementovat zpožďovací linku v paměťovém zařízení integrovaného obvodu . To lze provést digitálně nebo diskrétní analogovou metodou. Analogový používá zařízení s lopatkovou brigádou nebo zařízení s vazbou na náboj (CCD), která přepravují uložený elektrický náboj postupně z jednoho konce na druhý. Digitální i analogové metody mají šířku pásma omezenou na horním konci na polovinu hodinové frekvence, která určuje kroky přepravy.
V moderních počítačích pracujících s rychlostí gigahertzů mohou milimetrové rozdíly v délce vodičů v paralelní datové sběrnici způsobit zkosení datových bitů, což může vést k poškození dat nebo ke snížení výkonu zpracování. To je napraveno vytvořením všech cest vodičů podobné délky, zpožděním doby příjezdu pro to, co by jinak bylo kratší cestovní vzdálenosti pomocí cik-cak trasování.
Mimochodem způsob, jak mírně prodloužit dobu zpoždění, je omotat pásku (ideálně Kapton) kolem vinutí a poté na ni přilepit fólii, která je připojena k zemi pomocí odporu, aby se dále zvýšil účinek přenosového vedení. Tento přístup také snižuje rušení okolních obvodů.
Reference
externí odkazy
- Akustická paměť zpožděné linky - má obraz drátového systému Ferranti přibližně v polovině stránky
- Paměti zpožděné linky - obsahuje schéma magnetostrikčního převodníku
- Litton Monroe Epic 3000 - Ukazuje podrobnosti o torzních zpožďovacích linkách uvnitř této elektronické kalkulačky z roku 1967
- Magnetostrikční paměť , stále používaná v německém počítačovém muzeu
- Patent USA 2 629 827 „Paměťový systém“, Eckert – Mauchly Computer Corporation , podaný říjen 1947, patentovaný únor 1953
- Terminál displeje s 32 zpožďovacími linkami TV Kompletní popis
- „Jaký obchod pro EDSAC?“ . Národní muzeum výpočetní techniky . 13. září 2013. Jak funguje paměť niklové zpožďovací linky, nějaké informace o konstrukci
- Nickel delay line pro repliku EDSAC