Memoria de línea de retardo - Delay line memory
La memoria de línea de retardo es una forma de memoria de computadora , ahora obsoleta, que se usó en algunas de las primeras computadoras digitales . Al igual que muchas formas modernas de memoria de computadora electrónica, la memoria de línea de retardo era una memoria actualizable , pero a diferencia de la memoria moderna de acceso aleatorio , la memoria de línea de retardo era de acceso secuencial .
La tecnología de línea de retardo analógica se había utilizado desde la década de 1920 para retardar la propagación de señales analógicas. Cuando se utiliza una línea de retardo como dispositivo de memoria, se conectan un amplificador y un modelador de pulsos entre la salida de la línea de retardo y la entrada. Estos dispositivos recirculan las señales de la salida a la entrada, creando un bucle que mantiene la señal mientras se aplica energía. El modelador asegura que los pulsos permanezcan bien formados, eliminando cualquier degradación debida a pérdidas en el medio.
La capacidad de la memoria se determina dividiendo el tiempo que se tarda en transmitir un bit entre el tiempo que tardan los datos en circular a través de la línea de retardo. Los primeros sistemas de memoria de línea de retardo tenían capacidades de unos pocos miles de bits , con tiempos de recirculación medidos en microsegundos . Para leer o escribir un bit en particular almacenado en dicha memoria, es necesario esperar a que ese bit circule a través de la línea de retardo hacia la electrónica. La demora para leer o escribir cualquier bit en particular no es mayor que el tiempo de recirculación.
El uso de una línea de retardo de una memoria de ordenador fue inventado por J. Presper Eckert a mediados de la década de 1940 para su uso en ordenadores como el EDVAC y UNIVAC . Eckert y John Mauchly solicitaron una patente para un sistema de memoria de línea de retardo el 31 de octubre de 1947; la patente se emitió en 1953. Esta patente se centró en las líneas de retardo de mercurio, pero también discutió las líneas de retardo hechas de cadenas de inductores y condensadores , líneas de retardo magnetoestrictivas y líneas de retardo construidas con discos giratorios para transferir datos a un cabezal de lectura en un punto en la circunferencia de una cabeza de escritura en otro lugar alrededor de la circunferencia.
Génesis en radar
El concepto básico de la línea de retardo se originó con la investigación de radar de la Segunda Guerra Mundial , como un sistema para reducir el desorden de los reflejos del suelo y otros objetos "fijos".
Un sistema de radar consta principalmente de una antena, un transmisor, un receptor y una pantalla . La antena está conectada al transmisor, que envía un breve pulso de energía de radio antes de desconectarse nuevamente. Luego, la antena se conecta al receptor, que amplifica las señales reflejadas y las envía a la pantalla. Los objetos más alejados del radar devuelven ecos más tarde que los que están más cerca del radar, lo que la pantalla indica visualmente como un "parpadeo" que se puede medir con una escala.
Los objetos inmóviles a una distancia fija de la antena siempre devuelven una señal después del mismo retraso. Esto aparecería como un punto fijo en la pantalla, lo que dificultaría la detección de otros objetivos en el área. Los primeros radares simplemente apuntaban sus rayos lejos del suelo para evitar la mayor parte de este "desorden". Ésta no era una situación ideal; requería apuntar con cuidado, lo que era difícil para radares móviles más pequeños, y no eliminaba otras fuentes de reflejos desordenados de características como colinas prominentes, y en el peor de los casos permitiría que los aviones enemigos en vuelo bajo vuelen literalmente "bajo el radar".
Para filtrar los objetos estáticos, se compararon dos pulsos y se eliminaron los retornos con los mismos tiempos de retardo. Para hacer esto, la señal enviada desde el receptor a la pantalla se dividió en dos, con una ruta que conducía directamente a la pantalla y la segunda a una unidad de retardo. El retardo se sintonizó cuidadosamente para que fuera un múltiplo del tiempo entre pulsos, o " frecuencia de repetición de pulsos ". Esto dio como resultado que la señal retardada de un pulso anterior saliera de la unidad de retardo al mismo tiempo que se recibió la señal de un pulso más nuevo desde la antena. Una de las señales se invirtió eléctricamente, normalmente la del retardo, y luego las dos señales se combinaron y enviaron a la pantalla. Cualquier señal que estuviera en la misma ubicación fue anulada por la señal invertida de un pulso anterior, dejando solo los objetos en movimiento en la pantalla.
Se inventaron varios tipos diferentes de sistemas de retardo para este propósito, con un principio común que es que la información se almacena acústicamente en un medio. El MIT experimentó con varios sistemas, incluidos vidrio, cuarzo, acero y plomo. Los japoneses desplegaron un sistema que consistía en un elemento de cuarzo con un recubrimiento de vidrio en polvo que reducía las ondas superficiales que interferían con la recepción adecuada. El Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos usó varillas de acero envueltas en una hélice, pero esto fue útil solo para bajas frecuencias por debajo de 1 MHz. Raytheon utilizó una aleación de magnesio desarrollada originalmente para hacer campanas.
El primer sistema de-que estorba práctico basado en el concepto fue desarrollado por J. Presper Eckert en la Universidad de Pensilvania 's Escuela Moore de Ingeniería Eléctrica . Su solución utilizó una columna de mercurio con transductores de cristal piezoeléctrico (una combinación de altavoz y micrófono) en cada extremo. Las señales del amplificador de radar se enviaban al piezo en un extremo del tubo, lo que haría que el transductor pulsara y generara una pequeña onda en el mercurio. La onda viajaría rápidamente al extremo más alejado del tubo, donde el otro piezo la leería de nuevo, la invertiría y la enviaría a la pantalla. Se necesitaba una disposición mecánica cuidadosa para asegurar que el tiempo de retardo coincidiera con la sincronización entre pulsos del radar que se estaba utilizando.
Todos estos sistemas eran adecuados para la conversión a una memoria de computadora. La clave era reciclar las señales dentro del sistema de memoria para que no desaparecieran después de atravesar el retraso. Esto fue relativamente fácil de arreglar con dispositivos electrónicos simples.
Líneas de retardo acústico
Líneas de retardo de mercurio
Después de la guerra, Eckert centró su atención en el desarrollo informático, que era un tema de cierto interés en ese momento. Un problema con el desarrollo práctico fue la falta de un dispositivo de memoria adecuado, y el trabajo de Eckert sobre los retrasos del radar le dio una gran ventaja sobre otros investigadores en este sentido.
En el caso de una aplicación informática, el tiempo seguía siendo crítico, pero por una razón diferente. Las computadoras convencionales tienen un "tiempo de ciclo" natural necesario para completar una operación, el inicio y el final de los cuales normalmente consisten en leer o escribir en la memoria. Por lo tanto, las líneas de retardo tenían que cronometrarse de manera que los pulsos llegaran al receptor justo cuando la computadora estaba lista para leerlos. Por lo general, muchos pulsos estarían "en vuelo" durante el retardo, y la computadora los contaría comparándolos con un reloj maestro para encontrar el bit en particular que estaba buscando.
Se utilizó mercurio porque su impedancia acústica es cercana a la de los cristales de cuarzo piezoeléctricos; esto minimizó la pérdida de energía y los ecos cuando la señal se transmitía del cristal al medio y viceversa. La alta velocidad del sonido en el mercurio (1450 m / s) significaba que el tiempo necesario para esperar a que llegara un pulso al extremo receptor era menor de lo que hubiera sido con un medio más lento, como el aire (343,2 m / s). , pero también significaba que el número total de legumbres que podían almacenarse en cualquier columna de mercurio de tamaño razonable era limitado. Otros inconvenientes técnicos del mercurio incluyen su peso, su costo y su toxicidad. Además, para que las impedancias acústicas coincidan lo más posible, el mercurio tuvo que mantenerse a una temperatura constante. El sistema calentó el mercurio a una temperatura uniforme por encima de la temperatura ambiente de 40 ° C (104 ° F), lo que hizo que el mantenimiento de los tubos fuera un trabajo caliente e incómodo. ( Alan Turing propuso el uso de ginebra como medio de retardo ultrasónico, alegando que tenía las propiedades acústicas necesarias).
Se necesitaba una cantidad considerable de ingeniería para mantener una señal "limpia" dentro del tubo. Se utilizaron transductores grandes para generar un "haz" de sonido muy estrecho que no tocaría las paredes del tubo, y se tuvo que tener cuidado para eliminar los reflejos del extremo más alejado de los tubos. La tensión del rayo requirió un ajuste considerable para asegurarse de que los dos piezos apuntasen directamente el uno al otro. Dado que la velocidad del sonido cambia con la temperatura, los tubos se calentaron en hornos grandes para mantenerlos a una temperatura precisa. En cambio, otros sistemas ajustaron la frecuencia del reloj de la computadora de acuerdo con la temperatura ambiente para lograr el mismo efecto.
EDSAC , la segunda computadora digital de programa almacenado a gran escala , comenzó a funcionar con 256 palabras de memoria de 35 bits , almacenadas en 16 líneas de retardo con 560 bits cada una (las palabras en la línea de retardo se componían a partir de 36 pulsos, un pulso se utilizó como un espacio entre números consecutivos). Posteriormente, la memoria se amplió a 512 palabras agregando un segundo conjunto de 16 líneas de retardo. En el UNIVAC I, la capacidad de una línea de retardo individual era menor, cada columna almacenaba 120 bits (aunque el término "bit" no era de uso popular en ese momento), requiriendo siete unidades de memoria grandes con 18 columnas cada una para formar 1000 -tienda de palabras. Combinado con sus circuitos de soporte y amplificadores , el subsistema de memoria formó su propia sala de entrada . El tiempo de acceso promedio fue de aproximadamente 222 microsegundos , que fue considerablemente más rápido que los sistemas mecánicos utilizados en computadoras anteriores.
CSIRAC , completado en noviembre de 1949, también usó memoria de línea de retardo.
Algunos dispositivos de memoria de línea de retardo de mercurio produjeron sonidos audibles, que se describieron como similares a un murmullo de voz humana. Esta propiedad dio lugar al término argot "mumble-tub" para estos dispositivos.
Líneas de retardo magnetoestrictivas
Una versión posterior de la línea de retardo utilizó alambres de metal como medio de almacenamiento. Los transductores se construyeron aplicando el efecto magnetoestrictivo ; Se unieron pequeños trozos de un material magnetoestrictivo, típicamente níquel , a cada lado del extremo del cable, dentro de un electroimán. Cuando los bits de la computadora ingresaban a los imanes, el níquel se contraía o expandía (según la polaridad) y torcía el extremo del cable. La onda de torsión resultante se movería luego por el cable tal como lo hizo la onda de sonido por la columna de mercurio. Los alambres eran de acero.
A diferencia de la onda de compresión utilizada en dispositivos anteriores, las ondas de torsión son considerablemente más resistentes a los problemas causados por imperfecciones mecánicas, tanto que los cables podrían enrollarse en una bobina suelta y sujetarse a una placa. Debido a su capacidad para ser enrollados, los sistemas basados en cables podrían construirse tan "largos" como fuera necesario y tendían a contener una cantidad considerablemente mayor de datos por unidad; 1k unidades eran típicas en una tabla de solo 1 pie cuadrado. Por supuesto, esto también significaba que el tiempo necesario para encontrar un bit en particular era algo más largo a medida que viajaba a través del cable, y los tiempos de acceso del orden de 500 microsegundos eran típicos.
La memoria de línea de retardo era mucho menos costosa y mucho más confiable por bit que los flip-flops hechos de tubos y, sin embargo, mucho más rápido que un relé de enclavamiento . Se utilizó hasta finales de la década de 1960, especialmente en máquinas comerciales como LEO I , Highgate Wood Telephone Exchange , varias máquinas Ferranti y el IBM 2848 Display Control . La memoria de línea de retardo también se utilizó para la memoria de video en los primeros terminales, donde una línea de retardo normalmente almacenaría 4 líneas de caracteres. (4 líneas x 40 caracteres por línea x 6 bits por carácter = 960 bits en una línea de retardo) También se utilizaron con mucho éxito en varios modelos de las primeras calculadoras electrónicas de escritorio , incluidas las Friden EC-130 (1964) y EC-132, la calculadora programable de escritorio Olivetti Programma 101 presentada en 1965, y las calculadoras programables Litton Monroe Epic 2000 y 3000 de 1967.
Líneas de retardo piezoeléctricas
Fabricante: VEB ELFEMA Mittweida ( GDR ) en 1980
Una solución similar al sistema magnetoestrictivo fue utilizar líneas de retardo hechas completamente de un material piezoeléctrico, típicamente cuarzo. La corriente introducida en un extremo del cristal generaría una onda de compresión que fluiría hacia el otro extremo, donde podría leerse. En efecto, los retardos piezoeléctricos simplemente reemplazaron el mercurio y los transductores de una línea de retardo de mercurio convencional con una sola unidad que combina ambos. Sin embargo, estas soluciones fueron bastante raras; cultivar cristales de la calidad requerida en tamaños grandes no fue fácil, lo que los limitó a tamaños pequeños y, por lo tanto, a pequeñas cantidades de almacenamiento de datos.
Un uso mejor y más extendido de los retardos piezoeléctricos fue en los televisores europeos. El estándar PAL europeo para transmisiones en color compara la señal de dos líneas sucesivas de la imagen para evitar el cambio de color debido a pequeños cambios de fase. Al comparar dos líneas, una de las cuales está invertida, se promedia el desplazamiento y la señal resultante se asemeja más a la señal original, incluso en presencia de interferencia. Para comparar las dos líneas, se inserta una unidad de retardo piezoeléctrica que retarda la señal en un tiempo igual a la duración de cada línea, 64 µs, en una de las dos rutas de señal que se comparan. Para producir el retardo requerido en un cristal de tamaño conveniente, la unidad de retardo está configurada para reflejar la señal varias veces a través del cristal, reduciendo así en gran medida el tamaño requerido del cristal y produciendo así un pequeño dispositivo en forma de cubo.
Líneas de retardo eléctricas
Las líneas de retardo eléctricas se utilizan para tiempos de retardo más cortos (ns a varios µs). Consisten en una línea eléctrica larga o están formados por inductores y condensadores discretos, que están dispuestos en una cadena. Para acortar la longitud total de la línea, se puede enrollar alrededor de un tubo de metal, obteniendo algo más de capacitancia contra tierra y también más inductancia debido a los devanados de los cables, que se encuentran muy juntos.
Otros ejemplos son:
- líneas cortas coaxiales o de microbanda para adaptación de fase en circuitos o antenas de alta frecuencia
- líneas de resonador huecas en magnetrones y klistrones como hélices en tubos de ondas viajeras para hacer coincidir la velocidad de los electrones con la velocidad de las ondas electromagnéticas
- onduladores en láseres de electrones libres
Otra forma de crear un tiempo de retardo es implementar una línea de retardo en un dispositivo de almacenamiento de circuito integrado . Esto se puede hacer de forma digital o con un método analógico discreto. El analógico utiliza dispositivos de brigada de cubos o dispositivos de carga acoplada (CCD), que transportan una carga eléctrica almacenada paso a paso de un extremo al otro. Tanto los métodos digitales como los analógicos tienen un ancho de banda limitado en el extremo superior a la mitad de la frecuencia del reloj, lo que determina los pasos de transporte.
En las computadoras modernas que operan a velocidades de gigahercios, las diferencias milimétricas en la longitud de los conductores en un bus de datos paralelo pueden causar una desviación de los bits de datos, lo que puede provocar daños en los datos o un rendimiento de procesamiento reducido. Esto se soluciona haciendo que todos los recorridos de los conductores tengan una longitud similar, retrasando el tiempo de llegada para lo que de otro modo serían distancias de viaje más cortas mediante el uso de trazos en zigzag.
Por cierto, un método para aumentar ligeramente el tiempo de retardo es envolver cinta (idealmente Kapton) alrededor de los devanados y luego colocar papel de aluminio sobre eso, con la conexión a tierra a través de una resistencia para aumentar aún más el efecto de la línea de transmisión. Este enfoque también reduce la interferencia a los circuitos cercanos.
Referencias
enlaces externos
- Memoria de línea de retardo acústico : tiene una imagen de un sistema basado en cables Ferranti aproximadamente a la mitad de la página.
- Memorias de línea de retardo : contiene un diagrama del transductor magnetoestrictivo
- Litton Monroe Epic 3000 : muestra detalles de las líneas de retardo de torsión dentro de esta calculadora electrónica de 1967
- Memoria magnetoestrictiva , todavía utilizada en un museo informático alemán
- Patente estadounidense 2.629.827 "Sistema de memoria", Eckert-Mauchly Computer Corporation , presentada en octubre de 1947, patentada en febrero de 1953
- Terminal de pantalla construido con 32 líneas de retardo de TV Descripción completa
- "¿Qué tienda para EDSAC?" . El Museo Nacional de Computación . 13 de septiembre de 2013. Cómo funciona la memoria de línea de retardo de níquel, algo de información sobre la construcción
- Línea de retardo de níquel para réplica de EDSAC