Войти
Память линии задержки - это форма памяти компьютера, теперь устаревший, который использовался на некоторых из первых цифровых компьютеров. Как и многие современные формы памяти электронного компьютера, память линии задержки была обновляемой памятью, но в отличие от современной оперативной памяти память линии задержки была последовательным доступом.
Технология аналоговых линий задержки использовалась с 1920-х годов для задержки распространения аналоговых сигналов. Когда линия задержки используется в качестве запоминающего устройства, между выходом линии задержки и входом подключаются усилитель и формирователь импульсов. Эти устройства рециркулируют сигналы с выхода обратно во вход, создавая петлю, которая поддерживает сигнал, пока подается питание. Формирователь гарантирует, что импульсы остаются правильно сформированными, устраняя любую деградацию из-за потерь в среде.
Емкость памяти определяется делением времени, необходимого для передачи одного бита, на время, необходимое для передачи данных через линию задержки. Ранние системы памяти с линией задержки имели емкость в несколько тысяч бит, а время рециркуляции измерялось в микросекундах. Чтобы прочитать или записать конкретный бит, хранящийся в такой памяти, необходимо дождаться, пока этот бит перейдет через линию задержки в электронику. Задержка чтения или записи любого конкретного бита не превышает времени рециркуляции.
Использование линии задержки для памяти компьютера было изобретено Дж. Преспер Эккерт в середине 1940-х годов для использования в таких компьютерах, как EDVAC и UNIVAC I. Эккерт и Джон Мочли подали заявку на патент на систему памяти с линией задержки 31 октября 1947 года; патент был выдан в 1953 году. Этот патент был посвящен ртутным линиям задержки, но в нем также обсуждались линии задержки, состоящие из цепочек катушек индуктивности и конденсаторов, магнитострикционные линии задержки и линии задержки, построенные с использованием вращающихся дисков для передачи данных на считывающую головку в одной точке по окружности от записывающей головки в другом месте по окружности.
Основная концепция линии задержки возникла в ходе исследований радара во время Второй мировой войны как система для уменьшения помех от отражений от земли и других «неподвижных» объектов.
Радиолокационная система состоит в основном из антенны, передатчика, приемника и дисплея. Антенна подключена к передатчику, который посылает короткий импульс радиоэнергии, прежде чем снова отключается. Затем антенна подключается к приемнику, который усиливает любые отраженные сигналы и отправляет их на дисплей. Объекты, находящиеся дальше от радара, отражаются позже, чем те, которые находятся ближе к радару, что отображается на дисплее визуально.
Неподвижные объекты на фиксированном расстоянии от антенны всегда возвращают сигнал с такой же задержкой. Это будет отображаться как фиксированная точка на дисплее, что затрудняет обнаружение других целей в этом районе. Ранние радары просто направляли свои лучи от земли, чтобы избежать большей части этого "беспорядка". Это была не идеальная ситуация; это требовало тщательного прицеливания, что было трудно для небольших мобильных радаров, и не устраняло другие источники отражений, похожих на помехи, от таких объектов, как выступающие холмы, а в худшем случае позволяло низколетящим самолетам противника буквально летать «под радаром».
Чтобы отфильтровать статические объекты, два импульса сравнивались, и импульсы с одинаковым временем задержки были удалены. Для этого сигнал, отправляемый от приемника на дисплей, был разделен на две части: один путь вел прямо к дисплею, а второй - к блоку задержки. Задержка была тщательно настроена так, чтобы она была кратна времени между импульсами (частота повторения импульсов ). Это привело к тому, что задержанный сигнал от более раннего импульса покидал блок задержки в то же время, когда от антенны принимался сигнал от более нового импульса. Затем один из сигналов был инвертирован, обычно сигнал задержки, а затем два сигнала были объединены и отправлены на дисплей. Любой сигнал, который находился в том же месте, был аннулирован (через деструктивная интерференция ) инвертированным сигналом от предыдущего импульса, оставляя на дисплее только движущиеся объекты.
Для этой цели было изобретено несколько различных типов систем задержки, с одним общим принципом, что информация хранилась акустически на носителе. MIT экспериментировал с рядом систем, включая стекло, кварц, сталь и свинец. Японцы развернули систему, состоящую из кварцевого элемента с порошковым покрытием из стекла, которое уменьшало поверхностные волны, мешавшие правильному приему. Военно-морская исследовательская лаборатория США использовала стальные стержни, свернутые в спираль, но это было полезно только для низких частот ниже 1 МГц. Raytheon использовал магниевый сплав, первоначально разработанный для изготовления колокольчиков.
Первая практическая система устранения беспорядка, основанная на этой концепции, была разработана Дж. Преспер Эккерт в Школе электротехники Мура Пенсильванского университета. В его решении использовалась колонка из ртути с пьезокристаллическими преобразователями (комбинация динамика и микрофона) на обоих концах. Сигналы от усилителя радара направлялись на пьезоэлектрический преобразователь на одном конце трубки, что заставляло преобразователь пульсировать и генерировать небольшую волну в ртути. Волна быстро перемещалась к дальнему концу трубки, где она считывалась другим пьезоэлектрическим преобразователем, инвертировалась и отправлялась на дисплей. Требовалось тщательное механическое устройство, чтобы гарантировать, что время задержки соответствует времени между импульсами используемого радара.
Все эти системы подходили для преобразования в память компьютера. Ключевым моментом было переработать сигналы в системе памяти, чтобы они не исчезли после прохождения задержки. Это было относительно легко организовать с помощью простой электроники.
Меркурийная память UNIVAC I (1951) После войны Экерт обратил свое внимание на разработку компьютеров, что в то время было предметом некоторого интереса. Одной из проблем практических разработок было отсутствие подходящего запоминающего устройства, и работа Эккерта над радиолокационными задержками дала ему большое преимущество перед другими исследователями в этом отношении.
Для компьютерного приложения время все еще было критичным, но по другой причине. Обычные компьютеры имеют естественное «время цикла», необходимое для завершения операции, начало и конец которого обычно состоят из чтения или записи памяти. Таким образом, линии задержки должны были быть синхронизированы таким образом, чтобы импульсы приходили на приемник, когда компьютер был готов их прочитать. Обычно многие импульсы будут «в полете» из-за задержки, и компьютер будет считать импульсы, сравнивая их с главными часами, чтобы найти конкретный бит, который он искал.
Схема линии задержки Меркурия, используемая в компьютере SEAC Меркурий, использовалась потому, что его акустический импеданс близок к таковому у пьезоэлектрических кристаллов кварца; это минимизировало потерю энергии и эхо, когда сигнал передавался от кристалла к среде и обратно. Высокая скорость звука в ртути (1450 м / с) означала, что время, необходимое для ожидания, пока импульс достигнет принимающей стороны, было меньше, чем это было бы с более медленной средой, такой как воздух. (343,2 м / с), но это также означало, что общее количество импульсов, которые можно было сохранить в любом столбце ртути разумного размера, было ограничено. Другие технические недостатки ртути включают ее вес, стоимость и токсичность. Более того, чтобы акустические импедансы соответствовали как можно точнее, ртуть должна была поддерживаться при постоянной температуре. Система нагревала ртуть до однородной температуры выше комнатной, равной 40 ° C (104 ° F), что делало обслуживание трубок горячим и неудобным. (Алан Тьюринг предложил использовать джин в качестве среды задержки ультразвука, утверждая, что он обладает необходимыми акустическими свойствами.)
Потребовались значительные технические усилия, чтобы поддерживать «чистый» сигнал внутри трубки. Большие преобразователи использовались для создания очень плотного «луча» звука, который не касался бы стенок трубки, и нужно было позаботиться о том, чтобы исключить отражения от дальнего конца трубок. Затем плотность луча потребовала значительной настройки, чтобы убедиться, что два пьезоэлектрических элемента направлены прямо друг на друга. Поскольку скорость звука меняется с температурой, трубки нагревали в больших печах, чтобы поддерживать точную температуру. Другие системы вместо этого настраивали тактовую частоту компьютера в соответствии с температурой окружающей среды для достижения того же эффекта.
EDSAC, вторая полная сохраненная программа цифровой компьютер, начала работу с 256 35-битными словами памяти, хранящимися в 16 линии задержки, содержащие 560 бит каждая (слова в линии задержки состояли из 36 импульсов, один импульс использовался в качестве промежутка между последовательными числами). Позднее память была расширена до 512 слов за счет добавления второго набора из 16 линий задержки. В UNIVAC I емкость отдельной линии задержки была меньше, каждый столбец хранил 120 бит (хотя термин «бит» в то время не использовался широко), что требовало семи большие блоки памяти с 18 столбцами в каждом для хранения 1000 слов. В сочетании с их вспомогательными схемами и усилителями подсистема памяти образовывала свою собственную гардеробную комнату. Среднее время доступа составляло около 222 микросекунд, что было значительно быстрее, чем у механических систем, используемых на более ранних компьютерах.
CSIRAC, завершенный в ноябре 1949 года, также использовал память линии задержки.
Некоторые устройства памяти с ртутной линией задержки производили слышимые звуки, которые были описаны как похожие на бормотание человеческого голоса. Это свойство привело к появлению сленгового термина «бубенчик» для этих устройств.
Линия задержки с торсионной проволокой Более поздняя версия линии задержки использовала металлические провода в качестве носителя информации. Преобразователи созданы с применением магнитострикционного эффекта ; небольшие кусочки магнитострикционного материала, обычно никеля, прикреплялись к каждой стороне конца провода внутри электромагнита. Когда биты из компьютера попадают в магниты, никель сжимается или расширяется (в зависимости от полярности) и скручивает конец провода. Результирующая крутильная волна будет двигаться по проводу так же, как звуковая волна по ртутному столбу. Провода были стальные.
Однако, в отличие от волны сжатия, крутильные волны значительно более устойчивы к проблемам, вызванным механическими дефектами, настолько, что провода могут быть намотаны в свободную катушку и прикреплены к доска. Благодаря их способности быть намотанными, проводные системы могли быть построены сколь угодно «длинными» и, как правило, содержали значительно больше данных на единицу; 1k единиц было типично на доске площадью всего 1 фут. Конечно, это также означало, что время, необходимое для поиска определенного бита, было несколько больше, поскольку он проходил через провод, и время доступа порядка 500 микросекунд было типичным.
100-микросекундная память линии задержки Память линии задержки была намного дешевле и надежнее на бит, чем триггеры, сделанные из ламп, и все же намного быстрее, чем реле с фиксацией. Он использовался вплоть до конца 1960-х годов, особенно на коммерческих машинах, таких как LEO I, Highgate Wood Telephone Exchange, различных машинах Ferranti и IBM 2848 Управление отображением. Память линии задержки также использовалась для видеопамяти в ранних терминалах, где одна линия задержки обычно сохраняла 4 строки символов. (4 строки x 40 символов в строке x 6 бит на символ = 960 бит в одной линии задержки) Они также очень успешно использовались в нескольких моделях ранних настольных электронных калькуляторов, включая Friden EC-130 (1964) и EC-132, Olivetti Programma 101 настольный программируемый калькулятор, представленный в 1965 году, и Litton Monroe Epic 2000 и 3000 программируемые вычислители 1967 года.
Ультразвуковая линия задержки от цветного телевизора; задерживает цветовой сигнал на 64 мкс. Производитель: VEB ELFEMA Mittweida (GDR ) в 1980 г. Аналогичное решение для магнитострикционной системы заключалось в использовании линий задержки, полностью изготовленных из пьезоматериала, обычно кварц. Ток, подаваемый на один конец кристалла, будет генерировать волну сжатия, которая будет течь на другой конец, где ее можно будет прочитать. Фактически, пьезоэлектрические задержки просто заменили ртуть и преобразователи обычной ртутной линии задержки на один блок, сочетающий и то, и другое. Однако эти решения были довольно редкими; Вырастить кристаллы необходимого качества в больших размерах было непросто, что ограничивало их небольшими размерами и, следовательно, небольшими объемами хранения данных.
Лучше и шире использовались пьезоэлектрические задержки в европейских телевизорах. Европейский стандарт PAL для цветного вещания сравнивает сигнал от двух последовательных строк изображения, чтобы избежать смещения цвета из-за небольших фазовых сдвигов. Путем сравнения двух линий, одна из которых инвертирована, смещение усредняется, и результирующий сигнал более точно соответствует исходному сигналу даже при наличии помех. Для сравнения двух линий пьезоэлектрический блок задержки, который задерживает сигнал на время, равное длительности каждой линии, 64 мкс, вставляется в один из двух сравниваемых трактов сигнала. Чтобы обеспечить требуемую задержку в кристалле подходящего размера, блок задержки имеет такую форму, чтобы многократно отражать сигнал через кристалл, тем самым значительно уменьшая требуемый размер кристалла и, таким образом, создавая небольшое устройство кубической формы.
Линия электрической задержки (450 нс), состоящая из эмалированного медного провода, намотанного на металлическую трубку Линии электрической задержки используются для более коротких времен задержки (нс до нескольких мкс). Они состоят из длинной электрической линии или состоят из дискретных катушек индуктивности и конденсаторов, расположенных в цепочку. Чтобы сократить общую длину линии, ее можно намотать на металлическую трубку, чтобы получить больше емкости относительно земли, а также большую индуктивность из-за обмоток проводов, которые расположены близко друг к другу.
Другими примерами являются:
Другим способом создания времени задержки является реализация линии задержки в запоминающем устройстве интегральной схемы. Это можно сделать в цифровом виде или с помощью дискретно-аналогового метода. В аналоге используются устройства типа «ведро-бригада» или устройства с зарядовой связью (CCD), которые ступенчато переносят накопленный электрический заряд от одного конца к другому. И цифровой, и аналоговый методы имеют полосу пропускания, ограниченную на верхнем конце половиной тактовой частоты, которая определяет шаги транспортировки.
В современных компьютерах, работающих на гигагерцовых скоростях, миллиметровые различия в длине проводов на параллельной шине данных могут вызвать перекос битов данных, что может привести к повреждению данных или снижению производительности обработки. Это можно исправить, сделав все пути проводников одинаковой длины, задерживая время прибытия на более короткие расстояния, используя зигзагообразные следы.
Кстати, способ немного увеличить время задержки состоит в том, чтобы намотать ленту (в идеале каптоновую) вокруг обмоток, а затем обернуть ее фольгой, подключив ее к земле через резистор, чтобы еще больше усилить эффект линии передачи. Такой подход также снижает помехи в соседних цепях.
