Память линии задержки — это форма компьютерной памяти , в основном устаревшая, которая использовалась на некоторых из самых ранних цифровых компьютеров и вновь появляется в виде оптических линий задержки. Как и многие современные формы электронной компьютерной памяти, память линии задержки была обновляемой памятью , но в отличие от современной памяти с произвольным доступом , память линии задержки была памятью с последовательным доступом .
Технология аналоговых линий задержки использовалась с 1920-х годов для задержки распространения аналоговых сигналов. При использовании линии задержки в качестве запоминающего устройства между выходом линии задержки и входом подключаются усилитель и формирователь импульсов . Эти устройства рециркулируют сигналы с выхода обратно на вход, создавая контур, который поддерживает сигнал до тех пор, пока подается питание. Формирователь гарантирует, что импульсы остаются правильно сформированными, устраняя любое ухудшение качества из-за потерь в среде передачи.
Емкость памяти равна времени передачи одного бита, разделенному на время рециркуляции. Ранние системы памяти с линией задержки имели емкость в несколько тысяч бит (хотя термин «бит» в то время не был популярен), а время рециркуляции измерялось микросекундами . Чтобы прочитать или записать определенный адрес памяти , необходимо дождаться, пока сигнал, представляющий его значение, пройдет через линию задержки в электронику. Таким образом , задержка чтения или записи любого конкретного адреса зависит от времени и адреса, но не превышает времени рециркуляции.
Использование линии задержки для компьютерной памяти было изобретено Дж. Преспером Эккертом 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. [1] 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 окружности от пишущей головки в другом месте по окружности.
Основная концепция линии задержки возникла во время исследований радаров времен Второй мировой войны как системы, позволяющей уменьшить помехи 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, а затем снова отключается. Затем антенна подключается к приемнику, который усиливает отраженные сигналы и отправляет их на дисплей. Объекты, находящиеся дальше от радара, возвращают эхо-сигнал позже, чем те, которые находятся ближе к радару, что на дисплее отображается визуально как «вспышка», которую можно измерить по шкале для определения дальности.
Неподвижные объекты, находящиеся на фиксированном расстоянии от антенны, всегда возвращают сигнал с одинаковой задержкой. На дисплее это будет отображаться как фиксированное пятно, что затруднит обнаружение других целей в этом районе. Ранние радары просто направляли лучи от земли, чтобы избежать большей части этого «беспорядка». Это была не идеальная ситуация; это требовало тщательного прицеливания, что было затруднительно для небольших мобильных радаров, и не устраняло другие источники помех, подобных отражениям, от таких объектов, как выдающиеся холмы, а в худшем случае позволяло низколетящим самолетам противника буквально летать «под радаром». .
Для фильтрации статических объектов сравнивались два импульса и удалялись возвраты с одинаковыми временами задержки. Для этого сигнал, отправленный с приемника на дисплей, был разделен на две части: один путь вел непосредственно к дисплею, а второй - к блоку задержки. Задержка была тщательно настроена так, чтобы быть кратной времени между импульсами или « частоте повторения импульсов ». Это привело к тому, что задержанный сигнал более раннего импульса вышел из блока задержки в то же время, когда сигнал более нового импульса был получен от антенны. Один из сигналов был электрически инвертирован, обычно сигнал задержки, а затем два сигнала объединялись и отправлялись на дисплей. Любой сигнал, находившийся в том же месте, был аннулирован инвертированным сигналом предыдущего импульса, в результате чего на дисплее оставались только движущиеся объекты.
Для этой цели было изобретено несколько различных типов систем задержки, общий принцип которых заключался в том, что информация хранилась в акустическом носителе. Массачусетский технологический институт экспериментировал с рядом систем, включая стекло, кварц, сталь и свинец. Японцы применили систему, состоящую из кварцевого элемента с порошковым стеклянным покрытием, которая уменьшала поверхностные волны , мешающие правильному приему. Исследовательская лаборатория ВМС США использовала стальные стержни, свернутые в спираль, но это было полезно только для низких частот ниже 1 МГц. Компания Raytheon использовала магниевый сплав, первоначально разработанный для изготовления колоколов. [2]
Первая практическая система устранения беспорядка, основанная на этой концепции, была разработана Дж. Преспером Эккертом в Школе электротехники Мура Пенсильванского университета . В его решении использовался столб ртути с пьезокристаллическими преобразователями (комбинация динамика и микрофона) на обоих концах. Сигналы от усилителя радара передавались на преобразователь на одном конце трубки, который генерировал небольшую волну в ртути. Волна быстро дойдет до дальнего конца трубки, где она будет считана другим преобразователем, инвертирована и отправлена на дисплей. Требовалась тщательная механическая установка, чтобы гарантировать, что время задержки соответствует времени между импульсами используемого радара.
Все эти системы были пригодны для преобразования в память компьютера. Ключевым моментом было восстановление и повторная обработка сигналов, чтобы они не исчезли после прохождения задержки. Это было относительно легко организовать с помощью простой электроники.
После войны Эккерт обратил свое внимание на разработку компьютеров, которая в то время представляла некоторый интерес. Одной из проблем практической разработки было отсутствие подходящего запоминающего устройства, и работа Экерта над задержками радара дала ему большое преимущество перед другими исследователями в этом отношении.
Для компьютерного приложения время по-прежнему имело решающее значение, но по другой причине. Обычные компьютеры имеют тактовый период , необходимый для завершения операции, которая обычно начинается и заканчивается чтением или записью памяти. Таким образом, линии задержки должны были быть рассчитаны так, чтобы импульсы поступали на приемник именно тогда, когда компьютер был готов их прочитать. Многие импульсы будут проходить через задержку, и компьютер будет подсчитывать импульсы, сравнивая их с главными часами , чтобы найти конкретный бит, который он ищет.
Ртуть была использована потому, что ее акустический импеданс близок к таковому у кристаллов пьезоэлектрического кварца ; это минимизировало потери энергии и эхо при передаче сигнала от кристалла к среде и обратно. Высокая скорость звука в ртути (1450 м/с) означала, что время, необходимое для ожидания прихода импульса на приемный конец, было меньше, чем это было бы в более медленной среде, 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 включали ее вес, стоимость и токсичность. Более того, чтобы акустические импедансы совпадали как можно точнее, ртуть нужно было поддерживать при постоянной температуре. Система нагревала ртуть до единой 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. [3] )
Для поддержания чистого сигнала внутри трубки потребовались значительные инженерные усилия. Большие преобразователи использовались для создания очень узкого луча звука, который не касался стенок трубки, и необходимо было позаботиться о том, чтобы устранить отражения от дальнего конца трубки. Затем плотность луча потребовала значительной настройки, чтобы оба преобразователя были направлены прямо друг на друга. Поскольку скорость звука меняется в зависимости от температуры, трубки нагревали в больших печах, чтобы поддерживать точную температуру. Другие системы [ уточнить ] вместо этого настраивали тактовую частоту компьютера в зависимости от температуры окружающей среды для достижения того же эффекта.
EDSAC , второй полномасштабный цифровой компьютер с хранимой программой , начал работу с 256 35- битными словами памяти, хранящимися в 16 линиях задержки по 560 бит каждая (слова в линии задержки состояли из 36 импульсов, один импульс использовался как пробел между последовательными числами). [4] Позже 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, поэтому требовалось семь больших блоков памяти по 18 столбцов в каждом, чтобы создать хранилище на 1000 слов. В сочетании с вспомогательными схемами и усилителями подсистема памяти образовала собственную гардеробную . Среднее время доступа составляло около 222 микросекунд , что было значительно быстрее, чем у механических систем, использовавшихся на более ранних компьютерах.
CSIRAC , завершенный в ноябре 1949 года, также использовал память с линией задержки.
Некоторые ртутные запоминающие устройства с линией задержки издавали звуковые сигналы, похожие на бормотание человеческого голоса. Это свойство привело к появлению жаргонного термина «бормотание» для этих устройств.
В более поздней версии линии задержки в качестве носителя информации использовалась стальная проволока . Преобразователи были построены с применением магнитострикционного эффекта ; небольшие кусочки магнитострикционного материала, обычно никеля , были прикреплены к обеим сторонам конца провода внутри электромагнита . Когда биты компьютера попадали в магниты, никель сжимался или расширялся (в зависимости от полярности) и скручивал конец провода. Возникающая в результате крутильная волна будет двигаться вниз по проводу так же, как звуковая волна вниз по ртутному столбу.
В отличие от волны сжатия, использовавшейся в более ранних устройствах, крутильные волны значительно более устойчивы к проблемам, вызванным механическими дефектами, настолько, что провода можно было смотать в свободную катушку и прикрепить к доске. Благодаря способности сворачиваться в спираль, проводные системы могли иметь любую длину, поэтому, как правило, содержали значительно больше данных на единицу; Единицы по 1 кбит были типичными на плате площадью всего 1 квадратный фут ( ~ 30 см × 30 см ). Конечно, это также означало, что время, необходимое для поиска определенного бита, было несколько больше при его прохождении по проводу, а время доступа составляло порядка 500 микросекунд.
Память с линией задержки была гораздо менее дорогой и гораздо более надежной в пересчете на бит, чем триггеры, сделанные из ламп , и при этом намного быстрее, чем реле с защелкой . Он использовался до конца 1960-х годов, особенно на коммерческих машинах, таких как LEO I , телефонная станция Highgate Wood , различные машины Ferranti и IBM 2848 Display Control . Память линии задержки также использовалась для видеопамяти в ранних терминалах, где одна линия задержки обычно хранила 4 строки символов (4 строки × 40 символов в строке × 6 бит на символ = 960 бит в одной строке задержки). Они также очень успешно использовались в нескольких моделях ранних настольных электронных калькуляторов , включая Friden EC-130 (1964) и EC-132, настольный программируемый калькулятор Olivetti Programma 101 , представленный в 1965 году, и программируемые калькуляторы Litton Monroe Epic 2000 и 3000. 1967 года.
Аналогичным решением для магнитострикционной системы было использование линий задержки, полностью изготовленных из пьезоэлектрического материала, обычно из кварца. Ток, подаваемый на один конец кристалла, будет генерировать сжимающую волну, которая будет течь к другому концу, где ее можно будет прочитать. По сути, пьезоэлектрический материал просто заменил ртуть и преобразователи обычной ртутной линии задержки одним устройством, сочетающим в себе и то, и другое. Однако эти решения были довольно редки; Выращивание кристаллов необходимого качества в больших размерах было непростой задачей, что ограничивало их небольшими размерами и, следовательно, небольшими объемами хранения данных. [5]
Лучшее и более широкое использование пьезоэлектрических линий задержки было в европейских телевизорах. Европейский стандарт цветного вещания PAL сравнивает сигнал двух последовательных строк изображения, чтобы избежать сдвига цвета из-за небольших фазовых сдвигов. При сравнении двух линий, одна из которых инвертирована, смещение усредняется, и результирующий сигнал более точно соответствует исходному сигналу даже при наличии помех. Чтобы сравнить две линии, в один из двух сравниваемых путей сигнала вставляется пьезоэлектрический блок задержки для задержки сигнала на время, равное длительности каждой линии, 64 мкс. [6] Чтобы обеспечить необходимую 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 небольшой прямоугольной формы. устройство.
Электрические линии задержки используются для более короткого времени задержки (от наносекунд до нескольких микросекунд). 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, получив при этом большую емкость относительно земли, а также большую индуктивность за счет проволочных обмоток, расположенных близко друг к другу.
Другие примеры:
Другой способ создать время задержки — реализовать линию задержки в запоминающем устройстве на интегральной схеме . Это можно сделать в цифровом формате или аналоговым методом с дискретным временем. В аналоговом используются устройства переноса заряда (либо устройства с ведерной бригадой , либо устройства с зарядовой связью ), которые поэтапно транспортируют накопленный электрический заряд от одного конца к другому. [7] Как цифровые, так и аналоговые методы имеют полосу пропускания, ограниченную на верхнем конце половиной тактовой частоты, которая определяет этапы транспортировки.
В современных компьютерах, работающих на гигагерцовой частоте, разница в длине проводников параллельной шины данных в миллиметрах может 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 то, что в противном случае расстояние перемещения было бы короче, за счет использования зигзагообразных дорожек.
В области оптических вычислений оптическая линия задержки может использоваться аналогично тому, как использовались акустические или электрические линии задержки. [8]