Gecikme hattı hafızası - Delay line memory

Bilgisayar belleği ve veri depolama türleri
Genel
Uçucu
Veri deposu
Tarihi
uçucu olmayan
ROM
NVRAM
Erken aşama NVRAM
Analog kayıt
Optik
Geliştirilmekte
Tarihi

Gecikme hattı belleği , en eski dijital bilgisayarların bazılarında kullanılan, artık kullanılmayan bir bilgisayar belleği biçimidir . Elektronik bilgisayar belleğinin birçok modern biçimi gibi, gecikme hattı belleği de yenilenebilir bir bellekti , ancak modern rasgele erişimli belleğin aksine , gecikmeli hat belleği sıralı erişimliydi .

Analog gecikme hattı teknolojisi, analog sinyallerin yayılmasını geciktirmek için 1920'lerden beri kullanılıyordu. Bir bellek cihazı olarak bir gecikme hattı kullanıldığında , gecikme hattının çıkışı ile giriş arasına bir yükseltici ve bir darbe şekillendirici bağlanır. Bu cihazlar, güç uygulandığı sürece sinyali koruyan bir döngü oluşturarak çıkıştan gelen sinyalleri tekrar girişe geri gönderir. Şekillendirici, ortamdaki kayıplardan kaynaklanan bozulmaları ortadan kaldırarak darbelerin iyi biçimli kalmasını sağlar.

Bellek kapasitesi, bir bitin iletilmesi için geçen sürenin, verilerin gecikme hattında dolaşması için geçen süreye bölünmesiyle belirlenir. Erken gecikme hattı bellek sistemleri , mikrosaniye cinsinden ölçülen devridaim süreleri ile birkaç bin bitlik kapasitelere sahipti . Böyle bir bellekte saklanan belirli bir biti okumak veya yazmak için, o bitin gecikme hattından elektronik devrelere dolaşmasını beklemek gerekir. Belirli bir biti okuma veya yazma gecikmesi, devridaim süresinden daha uzun değildir.

Bir bilgisayar belleği için gecikme hattı kullanımı, 1940'ların ortalarında EDVAC ve UNIVAC I gibi bilgisayarlarda kullanılmak üzere J. Presper Eckert tarafından icat edildi . Eckert ve John Mauchly , 31 Ekim 1947'de bir gecikme hattı bellek sistemi için patent başvurusunda bulundular ; patent 1953'te yayınlandı. Bu patent cıva gecikme hatlarına odaklandı, ancak aynı zamanda indüktör ve kapasitör dizilerinden oluşan gecikme hatlarını, manyetostriktif gecikme hatlarını ve verileri bir noktada bir okuma kafasına aktarmak için dönen diskler kullanılarak oluşturulan gecikme hatlarını da tartıştı. çevre çevresinde başka bir yerde bir yazma kafasından çevre üzerinde.

Radardaki Genesis

Temel gecikme hattı kavramı İkinci Dünya Savaşı ile kökenli radar azaltmak için bir sistem olarak, araştırma dağınıklığı zemin ve diğer "sabit" nesnelerden yansımalardan.

Bir radar sistemi temel olarak bir anten, bir verici, bir alıcı ve bir göstergeden oluşur . Anten, tekrar bağlantısı kesilmeden önce kısa bir radyo enerjisi darbesi gönderen vericiye bağlanır. Anten daha sonra yansıyan sinyalleri güçlendiren ve ekrana gönderen alıcıya bağlanır. Radardan daha uzaktaki nesneler, radara yakın olanlardan daha geç yankılanır, bu da ekranın görsel olarak bir ölçeğe göre ölçülebilen bir "yan" olarak gösterdiğini gösterir.

Antenden sabit bir uzaklıkta bulunan hareket etmeyen nesneler her zaman aynı gecikmeden sonra bir sinyal verir. Bu, ekranda sabit bir nokta olarak görünecek ve bölgedeki diğer hedeflerin tespit edilmesini zorlaştıracaktır. İlk radarlar, bu "dağınıklığın" çoğundan kaçınmak için ışınlarını yerden uzağa yöneltti. Bu ideal bir durum değildi; daha küçük mobil radarlar için zor olan dikkatli nişan almayı gerektiriyordu ve belirgin tepeler gibi özelliklerden diğer dağınıklık benzeri yansıma kaynaklarını ortadan kaldırmadı ve en kötü durumda alçaktan uçan düşman uçaklarının kelimenin tam anlamıyla "radarın altından" uçmasına izin verecekti.

Statik nesneleri filtrelemek için iki darbe karşılaştırıldı ve aynı gecikme sürelerine sahip dönüşler kaldırıldı. Bunu yapmak için, alıcıdan ekrana gönderilen sinyal, bir yol doğrudan ekrana ve ikincisi bir gecikme birimine yol açacak şekilde ikiye bölündü. Gecikme, darbeler arasındaki zamanın birkaç katı veya " darbe tekrarlama frekansı " olacak şekilde dikkatlice ayarlandı . Bu, antenden daha yeni bir darbeden gelen sinyalin alınmasıyla aynı anda gecikme ünitesinden çıkan daha önceki bir darbeden gelen gecikmeli sinyal ile sonuçlandı. Sinyallerden biri, tipik olarak gecikmeden gelen elektriksel olarak ters çevrildi ve daha sonra iki sinyal birleştirildi ve ekrana gönderildi. Aynı yerde bulunan herhangi bir sinyal, önceki bir darbeden gelen ters çevrilmiş sinyal tarafından geçersiz kılındı ​​ve ekranda yalnızca hareketli nesneler kaldı.

Bu amaç için birkaç farklı türde geciktirme sistemi icat edildi, ortak bir ilke bilginin akustik olarak bir ortamda saklanmasıydı . MIT , cam, kuvars, çelik ve kurşun dahil olmak üzere bir dizi sistemle deneyler yaptı. Japonlar , düzgün alıma müdahale eden yüzey dalgalarını azaltan toz cam kaplamalı bir kuvars elementinden oluşan bir sistem kullandılar . Amerika Birleşik Devletleri Naval Research Laboratory bir helezon içine sarılmış çelik çubuklar kullanılır, ama bu sadece 1 MHz'den altında düşük frekanslar için faydalı oldu. Raytheon, orijinal olarak çan yapmak için geliştirilmiş bir magnezyum alaşımı kullandı.

Kavramına dayalı ilk pratik de-yığılan sistemi tarafından geliştirilen J. Presper Eckert de Pennsylvania Üniversitesi 'nin Elektrik Mühendisliği Moore Okulu . Onun çözümü bir sütun kullanılır cıva ile piezo kristal dönüştürücüler her iki ucunda da (hoparlör ve mikrofon arasında bir birleşimi). Radar yükselticisinden gelen sinyaller, tüpün bir ucundaki piezoya gönderildi, bu da dönüştürücünün darbe yapmasına ve cıvada küçük bir dalga oluşturmasına neden olacaktı. Dalga hızlı bir şekilde tüpün uzak ucuna gidecek, burada diğer piezo tarafından okunacak, ters çevrilecek ve ekrana gönderilecekti. Gecikme süresinin kullanılan radarın darbeler arası zamanlaması ile eşleşmesini sağlamak için dikkatli bir mekanik düzenlemeye ihtiyaç vardı.

Bu sistemlerin tümü bir bilgisayar belleğine dönüştürülmeye uygundu. Anahtar, sinyalleri bellek sistemi içinde geri dönüştürmekti, böylece gecikmeden geçtikten sonra kaybolmazlar. Bunu basit elektroniklerle düzenlemek nispeten kolaydı.

Akustik gecikme hatları

UNIVAC I'in Merkür hafızası (1951)

Merkür gecikme çizgileri

Savaştan sonra, Eckert dikkatini o zamanlar ilgi çeken bir konu olan bilgisayar geliştirmeye çevirdi. Pratik geliştirme ile ilgili bir sorun, uygun bir bellek cihazının olmamasıydı ve Eckert'in radar gecikmeleri üzerindeki çalışması, ona bu konuda diğer araştırmacılara göre büyük bir avantaj sağladı.

Bir bilgisayar uygulaması için zamanlama hala kritikti, ancak farklı bir nedenden dolayı. Geleneksel bilgisayarların, bir işlemi tamamlamak için gereken doğal bir "döngü süresi" vardır ve bunun başlangıcı ve sonu tipik olarak bellek okuma veya yazmadan oluşur. Bu nedenle, gecikme hatları, darbeler, bilgisayar onu okumaya hazır olduğu anda alıcıya ulaşacak şekilde zamanlanmalıdır. Tipik olarak birçok darbe, gecikme boyunca "uçuş halinde" olur ve bilgisayar, aradığı belirli biti bulmak için darbeleri bir ana saatle karşılaştırarak sayar.

SEAC bilgisayarında kullanılan Merkür gecikme hattının şeması

Akustik empedansı piezoelektrik kuvars kristallerininkine yakın olduğu için cıva kullanılmıştır ; bu, sinyal kristalden ortama ve tekrar geri iletildiğinde enerji kaybını ve ekoları en aza indirdi. Cıvadaki yüksek ses hızı (1450 m/s), bir darbenin alıcı uca ulaşmasını beklemek için gereken sürenin, hava gibi daha yavaş bir ortamda olacağından (343,2 m/s) daha kısa olduğu anlamına geliyordu. , ancak aynı zamanda makul büyüklükteki herhangi bir cıva sütununda depolanabilecek toplam darbe sayısının sınırlı olduğu anlamına geliyordu. Cıvanın diğer teknik dezavantajları, ağırlığını, maliyetini ve toksisitesini içeriyordu. Ayrıca, akustik empedansların mümkün olduğunca yakın eşleşmesini sağlamak için cıvanın sabit bir sıcaklıkta tutulması gerekiyordu. Sistem, cıvayı 40 °C'lik (104 °F) tek tip oda üstü sıcaklık ayarına kadar ısıttı, bu da tüplerin servis edilmesini sıcak ve rahatsız edici bir iş haline getirdi. ( Alan Turing , gerekli akustik özelliklere sahip olduğunu iddia ederek, ultrasonik geciktirme ortamı olarak çırçır kullanımını önerdi .)

Tüpün içinde "temiz" bir sinyal sağlamak için önemli miktarda mühendislik gerekiyordu. Tüpün duvarlarına temas etmeyecek çok sıkı bir ses "ışın" oluşturmak için büyük dönüştürücüler kullanıldı ve tüplerin uzak ucundaki yansımaları ortadan kaldırmak için özen gösterilmesi gerekiyordu. Kirişin sıkılığı, iki piezosun doğrudan birbirine yönlendirildiğinden emin olmak için önemli bir ayar gerektiriyordu. Sesin hızı sıcaklıkla değiştiğinden, tüpler belirli bir sıcaklıkta kalmaları için büyük fırınlarda ısıtıldı. Bunun yerine diğer sistemler, aynı etkiyi elde etmek için bilgisayar saat hızını ortam sıcaklığına göre ayarladılar.

EDSAC , ikinci tam ölçekli depolanan program , dijital bilgisayar , 256 35-bit ile işlem başladı deyişle gecikme hattı, her (Söz 36 darbeleri kompozisyonuna 560 bit tutan 16 gecikme hatlarının depolanan bellek, bir pals olarak kullanıldı ardışık sayılar arasında bir boşluk). Bellek daha sonra ikinci bir 16 gecikme satırı seti eklenerek 512 kelimeye genişletildi. Gelen UNIVAC I bireysel bir gecikme hattının kapasitesi daha küçük, 120 depolanan her bir sütun bitleri 18 sütunları ile yedi büyük bir bellek birimleri gerektiren (şekliyle "bit" zamanda popüler kullanımda olmasına rağmen), her biri bir 1000 telafi etmek için -kelime deposu. Destek devreleri ve amplifikatörleri ile birleştiğinde , bellek alt sistemi kendi gömme odasını oluşturdu . Ortalama erişim süresi, önceki bilgisayarlarda kullanılan mekanik sistemlerden çok daha hızlı olan yaklaşık 222 mikrosaniye idi.

Kasım 1949'da tamamlanan CSIRAC , gecikme hattı belleği de kullandı.

Bazı cıva gecikme hattı bellek cihazları, insan sesinin mırıldanmasına benzer şekilde tanımlanan duyulabilir sesler üretti. Bu özellik, bu cihazlar için "mumble-tub" argo terimine yol açmıştır .

Manyetostriktif gecikme hatları

Burulma teli gecikme hattı

Gecikme hattının sonraki bir versiyonu , depolama ortamı olarak metal teller kullandı . Dönüştürücüler manyetostriktif etki uygulanarak yapılmıştır ; Manyetostriktif bir malzemenin küçük parçaları, tipik olarak nikel , bir elektromıknatısın içinde telin ucunun her iki tarafına tutturulmuştur. Bilgisayardan gelen bitler mıknatıslara girdiğinde nikel büzülür veya genişler (polariteye bağlı olarak) ve telin ucunu büker. Ortaya çıkan burulma dalgası, ses dalgasının cıva sütunundan aşağı indiği gibi telden aşağı doğru hareket edecektir. Teller çelikti.

Daha önceki cihazlarda kullanılan sıkıştırma dalgasının aksine, burulma dalgaları mekanik kusurlardan kaynaklanan sorunlara karşı çok daha dirençlidir, öyle ki teller gevşek bir bobine sarılabilir ve bir tahtaya sabitlenebilir. Sarılma yetenekleri nedeniyle, tel tabanlı sistemler gerektiği kadar "uzun" inşa edilebilir ve birim başına önemli ölçüde daha fazla veri tutma eğilimindeydi; 1k birim, sadece 1 fit kare bir tahtada tipikti. Tabii ki, bu aynı zamanda belirli bir biti bulmak için gereken sürenin, kablo boyunca ilerlerken biraz daha uzun olduğu ve 500 mikrosaniyelik erişim sürelerinin tipik olduğu anlamına geliyordu.

100 mikrosaniye gecikme hattı deposu

Gecikme hattı belleği, tüplerden yapılan parmak arası terliklerden çok daha ucuz ve bit başına çok daha güvenilir ve yine de bir kilitleme rölesinden çok daha hızlıydı . 1960'ların sonlarına kadar, özellikle LEO I , Highgate Wood Telephone Exchange , çeşitli Ferranti makineleri ve IBM 2848 Display Control gibi ticari makinelerde kullanıldı . Gecikme satırı belleği, bir gecikme satırının tipik olarak 4 satırlık karakter depoladığı ilk terminallerde video belleği için de kullanıldı. (4 satır x satır başına 40 karakter x karakter başına 6 bit = bir gecikme satırında 960 bit) Ayrıca , Friden EC-130 (1964) ve EC-132 dahil olmak üzere birçok erken masaüstü elektronik hesap makinesi modelinde çok başarılı bir şekilde kullanıldılar. Olivetti'nin Programma 101 masaüstü programlanabilir hesap 1965 tanıtıldı ve Litton Monroe Epik 2000 ve 3000 programlanabilir hesap 1967.

Piezoelektrik gecikme hatları

Bir ultrasonik analog gecikme hattı , bir gelen PAL renkli TV; renk sinyalini 64 µs geciktirir
Üretici: VEB ELFEMA Mittweida ( GDR ) 1980

Manyetostriktif sisteme benzer bir çözüm, tamamen piezo malzemeden, tipik olarak kuvarsdan yapılmış gecikme hatları kullanmaktı. Kristalin bir ucuna beslenen akım, okunabileceği diğer uca akacak bir sıkıştırma dalgası üretecektir. Gerçekte, piezoelektrik gecikmeler, geleneksel bir cıva gecikme hattının cıva ve dönüştürücülerini, her ikisini de birleştiren tek bir ünite ile değiştirmiştir. Ancak bu çözümler oldukça nadirdi; büyük boyutlarda gerekli kalitede kristaller yetiştirmek kolay değildi, bu da onları küçük boyutlarla ve dolayısıyla az miktarda veri depolamayla sınırladı.

Piezoelektrik gecikmelerin daha iyi ve daha yaygın kullanımı Avrupa televizyonlarındaydı. Renkli yayınlar için Avrupa PAL standardı, küçük faz kaymaları nedeniyle renk kaymasını önlemek için görüntünün ardışık iki satırından gelen sinyali karşılaştırır. Biri ters çevrilmiş iki hattı karşılaştırarak, kaymanın ortalaması alınır ve sonuçta ortaya çıkan sinyal, parazit varlığında bile orijinal sinyale daha yakın bir şekilde eşleşir. İki hattı karşılaştırmak için, sinyali her hattın süresine, 64 µs'ye eşit bir süre kadar geciktiren bir piezoelektrik gecikme ünitesi, karşılaştırılan iki sinyal yolundan birine yerleştirilir. Uygun boyutta bir kristalde gerekli gecikmeyi üretmek için, geciktirme ünitesi sinyali kristal boyunca birçok kez yansıtacak şekilde şekillendirilir, böylece kristalin gerekli boyutunu büyük ölçüde azaltır ve böylece küçük, küp şeklinde bir cihaz üretir.

Elektrik gecikme hatları

Metal bir borunun etrafına sarılmış, emaye bakır telden oluşan elektrik gecikme hattı (450 ns)

Elektrik gecikme hatları daha kısa gecikme süreleri (ns ila birkaç µs) için kullanılır. Uzun bir elektrik hattından oluşurlar veya bir zincir halinde düzenlenmiş ayrık indüktörler ve kapasitörlerden yapılırlar. Hattın toplam uzunluğunu kısaltmak için metal bir borunun etrafına sarılabilir, toprağa karşı biraz daha fazla kapasitans ve ayrıca birbirine yakın duran tel sargıları nedeniyle daha fazla endüktans elde edilebilir.

Diğer örnekler:

Gecikme süresi oluşturmanın başka bir yolu, tümleşik devre depolama aygıtında bir gecikme hattı uygulamaktır . Bu, dijital olarak veya ayrık bir analog yöntemle yapılabilir. Analog olanı, depolanmış bir elektrik yükünü bir uçtan diğerine adım adım taşıyan kovalı cihazlar veya şarj bağlantılı cihazlar (CCD) kullanır. Hem dijital hem de analog yöntemler, bant genişliğinin üst ucunda, taşıma adımlarını belirleyen saat frekansının yarısı ile sınırlıdır.

Gigahertz hızlarında çalışan modern bilgisayarlarda, paralel bir veri yolundaki iletkenlerin uzunluğundaki milimetrik farklar, veri-bit çarpıklığına neden olabilir ve bu da veri bozulmasına veya işlem performansının düşmesine neden olabilir. Bu, tüm iletken yolları benzer uzunlukta yapılarak, aksi takdirde daha kısa seyahat mesafeleri için zikzak izleri kullanılarak varış zamanını geciktirerek giderilir.

Bu arada, gecikme süresini biraz artırmanın bir yöntemi, sargıların etrafına bant (ideal olarak Kapton) sarmak ve ardından iletim hattı etkisini daha da artırmak için direnç yoluyla toprağa bağlı olarak bunun üzerine folyo koymaktır. Bu yaklaşım aynı zamanda yakındaki devrelere olan paraziti de azaltır.

Referanslar

Dış bağlantılar