Трубка Вильямса , или трубка Вильямса-Килберна, названная в честь изобретателей Фредди Уильямса и Тома Килберна , является ранней формой компьютерной памяти . [1] [2] Это было первое цифровое запоминающее устройство с произвольным доступом , которое успешно использовалось в нескольких ранних компьютерах. [3]
Трубка Вильямса работает путем отображения сетки точек на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Из-за особенностей работы ЭЛТ над каждой точкой создается небольшой заряд статического электричества . Заряд в месте расположения каждой точки считывается тонким металлическим листом прямо перед дисплеем. Поскольку дисплей со временем тускнел, его периодически обновляли. Она работает быстрее, чем предыдущая акустическая память с линией задержки , со скоростью электронов внутри вакуумной лампы, а не со скоростью звука . На систему негативно влияли близлежащие электрические поля, и для поддержания работоспособности требовалась частая корректировка. Трубки Уильямса-Килберна использовались в основном в конструкциях высокоскоростных компьютеров.
Уильямс и Килберн подали заявки на британские патенты 11 декабря 1946 г. [4] и 2 октября 1947 г. [5], за которыми последовали заявки на патенты США 10 декабря 1947 г. [6] и 16 мая 1949 г. [7]
Трубка Вильямса зависит от эффекта, называемого вторичной эмиссией , который возникает в электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Когда электронный луч попадает на люминофор , образующий поверхность дисплея, он обычно вызывает его свечение. Если энергия луча превышает заданный порог (в зависимости от смеси люминофора), это также приводит к выбрасыванию электронов из люминофора. Эти электроны проходят небольшое расстояние, прежде чем притянуться обратно к поверхности ЭЛТ и упасть на нее на небольшом расстоянии. Общий эффект заключается в создании небольшого положительного заряда в непосредственной области луча, где наблюдается дефицит электронов, и небольшого отрицательного заряда вокруг точки, куда приземляются эти электроны. Образовавшаяся зарядовая яма остается на поверхности трубки в течение доли секунды, пока электроны возвращаются на свои исходные места. [1] Срок службы зависит от электрического сопротивления люминофора и размера ямы.
Процесс создания заряда колодца используется как операция записи в память компьютера, сохраняющая одну двоичную цифру или бит . Положительно заряженная точка стирается (хорошо заполняя заряд) путем рисования второй точки, расположенной непосредственно рядом с той, которую нужно стереть (большинство систем делали это путем рисования короткого тире, начинающегося с позиции точки, расширение тире изначально стирало заряд). хранится в начальной точке). Это сработало, потому что отрицательный ореол вокруг второй точки заполнил положительный центр первой точки. Набор точек или пробелов, часто одна горизонтальная строка на дисплее, представляет собой компьютерное слово. Увеличение энергии луча делало точки больше и длилось дольше, но требовало, чтобы они находились дальше друг от друга, поскольку соседние точки стирали друг друга.
Энергия луча должна была быть достаточно большой, чтобы создавать точки с полезным сроком службы. Это накладывает верхний предел плотности памяти , и каждая трубка Уильямса обычно может хранить от 256 до 2560 бит данных.
Поскольку электронный луч по существу неинерционен и может перемещаться в любом месте дисплея, компьютер может получить доступ к любому месту, что делает его оперативной памятью. Обычно компьютер загружает адрес памяти в виде пары X и Y в схему драйвера, а затем запускает генератор временной развертки , который просматривает выбранные ячейки, читая или записывая во внутренние регистры, обычно реализованные как триггеры .
Чтение памяти происходило посредством вторичного эффекта, вызванного операцией записи. В течение короткого периода, пока происходит запись, перераспределение зарядов в люминофоре создает электрический ток , который индуцирует напряжение в любых близлежащих проводниках . Это можно прочитать, поместив тонкий металлический лист перед экраном ЭЛТ. Во время операции чтения луч сначала записывает выбранные битовые ячейки на дисплее. Те места, в которые ранее были записаны, уже обеднены электронами, поэтому ток не течет, и на пластине не появляется напряжение. Это позволяет компьютеру определить, что в этом месте была цифра «1». Если местоположение не было записано ранее, процесс записи создаст лунку, и на листе будет считан импульс, обозначающий «0». [1]
Чтение ячейки памяти создает заряд, независимо от того, был ли он там ранее или нет, тем самым уничтожая исходное содержимое этого места. Таким образом, за любым чтением должна следовать перезапись для восстановления исходных данных. В некоторых системах это достигалось с помощью второй электронной пушки внутри ЭЛТ, которая могла записывать в одно место, в то время как другое считывало следующее.
Поскольку со временем изображение на дисплее тускнело, весь дисплей приходилось периодически обновлять одним и тем же основным методом. Поскольку данные считываются, а затем немедленно перезаписываются, эта операция может выполняться внешней схемой, пока центральный процессор (ЦП) занят выполнением других операций. Эта операция обновления аналогична циклам обновления памяти DRAM в современных системах.
Поскольку в процессе обновления на дисплее постоянно появлялся один и тот же шаблон, возникла необходимость стирать ранее записанные значения. Обычно это достигалось путем записи на дисплей рядом с исходным местоположением. Электроны, выпущенные в результате этой новой записи, попадут в ранее записанную яму, заполнив ее. Исходные системы создавали этот эффект за счет записи небольшого тире, чего было легко добиться, не меняя главные таймеры и просто создавая ток записи на несколько более длительный период. Получившийся узор представлял собой серию точек и тире. Было проведено значительное количество исследований более эффективных систем стирания, при этом в некоторых системах использовались расфокусированные лучи или сложные узоры.
Некоторые трубки Уильямса были изготовлены из электронно-лучевых трубок радиолокационного типа с люминофорным покрытием , которое делало данные видимыми, в то время как другие трубки были специально изготовлены без такого покрытия. Наличие или отсутствие этого покрытия не влияло на работу трубки и не имело значения для операторов, поскольку лицевая сторона трубки была закрыта приемной пластиной. Если требовался видимый выходной сигнал, в качестве устройства отображения использовалась вторая трубка, соединенная параллельно с накопительной трубкой, с люминофорным покрытием, но без приемной пластины.
Разработанный в Манчестерском университете в Англии , он стал носителем программ для Manchester Baby , первого электронного компьютера с хранимой программой , который впервые успешно запустил программу 21 июня 1948 года . Разработанный для Baby, Baby был испытательным стендом для демонстрации надежности памяти. [9] [10] Том Килберн написал 17-строчную программу для вычисления наивысшего собственного множителя чисел размером до 2 18 . Университетская традиция гласит, что это была единственная программа, которую когда-либо написал Килберн. [11]
Лампы Williams с возрастом становились ненадежными, и большинство работающих установок приходилось настраивать вручную. Напротив, ртутная память с линией задержки была медленнее и не имела произвольного доступа, поскольку биты представлялись последовательно, что усложняло программирование. Линии задержки также нуждались в ручной настройке, но старели не так сильно и пользовались некоторым успехом в первых цифровых электронных вычислениях, несмотря на проблемы со скоростью передачи данных, весом, стоимостью, температурой и токсичностью. Manchester Mark 1 , в котором использовались лампы Williams, был успешно коммерциализирован как Ferranti Mark 1 . Некоторые ранние компьютеры в Соединенных Штатах также использовали лампы Уильямса, в том числе машина IAS (первоначально разработанная для ламповой памяти Selectron), UNIVAC 1103 , IBM 701 , IBM 702 и автоматический компьютер Standards Western (SWAC). Лампы Вильямса также использовались в советской «Стреле-1» и в японском ТАС (Токийский автоматический компьютер). [12]
{{citation}}: CS1 maint: location missing publisher (link)