ذاكرة خط التأخير
| أنواع ذاكرة الكمبيوتر وتخزين البيانات |
|---|
| متقلب |
| غير متطاير |
ذاكرة خط التأخير هي شكل من أشكال ذاكرة الكمبيوتر ، عفا عليها الزمن في الغالب، وكانت تستخدم في بعض أقدم أجهزة الكمبيوتر الرقمية ، وتظهر مرة أخرى في شكل خطوط تأخير بصرية. مثل العديد من الأشكال الحديثة لذاكرة الكمبيوتر الإلكترونية، كانت ذاكرة خط التأخير ذاكرة قابلة للتحديث ، ولكن على عكس ذاكرة الوصول العشوائي الحديثة ، كانت ذاكرة خط التأخير ذات وصول متسلسل .
كانت تقنية خط التأخير التناظري مستخدمة منذ عشرينيات القرن العشرين لتأخير انتشار الإشارات التناظرية. فعندما يستخدم خط التأخير كجهاز ذاكرة، يتم توصيل مكبر للصوت وجهاز تشكيل النبضات بين مخرج خط التأخير والمدخل. وتعمل هذه الأجهزة على إعادة تدوير الإشارات من المخرج إلى المدخل مرة أخرى، مما يؤدي إلى إنشاء حلقة تحافظ على الإشارة طالما يتم تطبيق الطاقة. ويضمن جهاز تشكيل النبضات بقاء النبضات في حالة جيدة، مما يزيل أي تدهور بسبب الخسائر في الوسط.
تساوي سعة الذاكرة الوقت اللازم لنقل بت واحد مقسومًا على وقت إعادة التدوير. كانت أنظمة ذاكرة خط التأخير المبكرة تتمتع بسعات بضعة آلاف من البتات (على الرغم من أن مصطلح "بت" لم يكن شائع الاستخدام في ذلك الوقت)، مع قياس أوقات إعادة التدوير بالمايكروثانية . لقراءة أو كتابة عنوان ذاكرة معين ، من الضروري انتظار الإشارة التي تمثل قيمته لتدور عبر خط التأخير إلى الإلكترونيات. وبالتالي فإن زمن الانتظار لقراءة أو كتابة أي عنوان معين يعتمد على الوقت والعنوان، ولكن ليس أطول من وقت إعادة التدوير.
اخترع ج. بريسبر إيكرت استخدام خط التأخير لذاكرة الكمبيوتر في منتصف الأربعينيات من القرن العشرين لاستخدامه في أجهزة الكمبيوتر مثل EDVAC و UNIVAC I. تقدم إيكرت وجون ماوتشلي بطلب للحصول على براءة اختراع لنظام ذاكرة خط التأخير في 31 أكتوبر 1947؛ وتم إصدار براءة الاختراع في عام 1953. [1] ركزت براءة الاختراع هذه على خطوط تأخير الزئبق، لكنها ناقشت أيضًا خطوط التأخير المصنوعة من سلاسل من المحاثات والمكثفات ، وخطوط التأخير المغناطيسية ، وخطوط التأخير المبنية باستخدام الأقراص الدوارة لنقل البيانات إلى رأس القراءة عند نقطة واحدة على المحيط من رأس الكتابة في مكان آخر حول المحيط.
التكوين في الرادار
نشأ المفهوم الأساسي لخط التأخير مع أبحاث الرادار في الحرب العالمية الثانية ، باعتباره نظامًا لتقليل الفوضى الناتجة عن الانعكاسات من الأرض والأجسام غير المتحركة الأخرى.
يتكون نظام الرادار بشكل أساسي من هوائي وجهاز إرسال وجهاز استقبال وشاشة عرض . يتم توصيل الهوائي بجهاز الإرسال، الذي يرسل نبضة قصيرة من طاقة الراديو قبل فصله مرة أخرى. ثم يتم توصيل الهوائي بجهاز الاستقبال، الذي يقوم بتضخيم أي إشارات منعكسة وإرسالها إلى الشاشة. ترد الأجسام البعيدة عن الرادار بأصداء في وقت لاحق عن الأجسام الأقرب إلى الرادار، والتي تشير إليها الشاشة بصريًا على أنها "نبضة"، والتي يمكن قياسها مقابل مقياس لتحديد المدى.
إن الأجسام الثابتة على مسافة ثابتة من الهوائي ترسل إشارة بعد نفس التأخير دائمًا. ويبدو هذا وكأنه نقطة ثابتة على الشاشة، مما يجعل اكتشاف الأهداف الأخرى في المنطقة أكثر صعوبة. كانت الرادارات المبكرة تهدف ببساطة إلى توجيه أشعتها بعيدًا عن الأرض لتجنب غالبية هذه "الفوضى". لم يكن هذا الوضع مثاليًا؛ فقد تطلب التصويب الدقيق، وهو أمر صعب بالنسبة للرادارات المتنقلة الأصغر حجمًا، ولم يزيل مصادر أخرى للانعكاسات الشبيهة بالفوضى من معالم مثل التلال البارزة، وفي أسوأ الأحوال سيسمح للطائرات المعادية التي تحلق على ارتفاع منخفض بالتحليق حرفيًا "تحت الرادار".
لتصفية الأشياء الثابتة، تمت مقارنة نبضتين، وتم إزالة العائدات التي لها نفس أوقات التأخير. للقيام بذلك، تم تقسيم الإشارة المرسلة من جهاز الاستقبال إلى الشاشة إلى قسمين، مع مسار واحد يؤدي مباشرة إلى الشاشة والثاني يؤدي إلى وحدة تأخير. تم ضبط التأخير بعناية ليكون مضاعفًا للوقت بين النبضات، أو " تردد تكرار النبضة ". أدى هذا إلى خروج الإشارة المتأخرة من نبضة سابقة من وحدة التأخير في نفس الوقت الذي تم فيه استقبال الإشارة من نبضة أحدث من الهوائي. تم عكس إحدى الإشارات كهربائيًا، عادةً تلك الناتجة عن التأخير، ثم تم دمج الإشارتين وإرسالهما إلى الشاشة. تم إبطال أي إشارة كانت في نفس الموقع بواسطة الإشارة المقلوبة من نبضة سابقة، مما ترك فقط الأشياء المتحركة على الشاشة.
تم اختراع عدة أنواع مختلفة من أنظمة التأخير لهذا الغرض، وكان أحد المبادئ المشتركة هو تخزين المعلومات صوتيًا في وسط. أجرى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تجارب على عدد من الأنظمة، بما في ذلك الزجاج والكوارتز والصلب والرصاص. نشر اليابانيون نظامًا يتكون من عنصر كوارتز مع طلاء زجاجي مسحوق يقلل من الموجات السطحية التي تتداخل مع الاستقبال السليم. استخدم مختبر أبحاث البحرية الأمريكية قضبان فولاذية ملفوفة في حلزون، لكن هذا كان مفيدًا فقط للترددات المنخفضة أقل من 1 ميجا هرتز. استخدمت رايثيون سبيكة المغنيسيوم التي تم تطويرها في الأصل لصنع الأجراس. [2]
تم تطوير أول نظام عملي لإزالة الفوضى بناءً على هذا المفهوم بواسطة J. Presper Eckert في كلية مور للهندسة الكهربائية بجامعة بنسلفانيا . استخدم حله عمودًا من الزئبق مع محولات بلورات بيزو (مزيج من مكبر الصوت والميكروفون) في كلا الطرفين. يتم إرسال الإشارات من مكبر الرادار إلى المحول في أحد طرفي الأنبوب، والذي من شأنه أن يولد موجة صغيرة في الزئبق. تنتقل الموجة بسرعة إلى الطرف البعيد من الأنبوب، حيث يتم قراءتها مرة أخرى بواسطة المحول الآخر، ثم يتم عكسها وإرسالها إلى الشاشة. كانت هناك حاجة إلى ترتيب ميكانيكي دقيق لضمان أن يتوافق وقت التأخير مع توقيت النبضات الداخلية للرادار المستخدم.
كانت كل هذه الأنظمة مناسبة للتحويل إلى ذاكرة كمبيوتر. وكان السر في ذلك هو استعادة الإشارات وإعادة تدويرها، حتى لا تختفي بعد مرورها عبر فترة التأخير. وكان من السهل نسبيًا ترتيب ذلك باستخدام إلكترونيات بسيطة.
خطوط التأخير الصوتي
خطوط تأخير الزئبق
بعد الحرب، حوّل إيكرت اهتمامه إلى تطوير الكمبيوتر، وهو موضوع كان محل اهتمام في ذلك الوقت. كانت إحدى المشكلات التي واجهت التطوير العملي هي الافتقار إلى جهاز ذاكرة مناسب، وقد منحه عمل إيكرت على تأخيرات الرادار ميزة كبيرة على الباحثين الآخرين في هذا الصدد.
بالنسبة لتطبيقات الكمبيوتر، كان التوقيت لا يزال بالغ الأهمية، ولكن لسبب مختلف. فالأجهزة الكمبيوتر التقليدية لديها فترة زمنية مطلوبة لإكمال عملية ما، والتي تبدأ وتنتهي عادة بقراءة أو كتابة الذاكرة. وبالتالي كان لابد من ضبط توقيت خطوط التأخير بحيث تصل النبضات إلى المستقبل في نفس الوقت الذي يكون فيه الكمبيوتر جاهزًا لقراءتها. وسوف تكون العديد من النبضات في حالة طيران خلال فترة التأخير، وسوف يقوم الكمبيوتر بحساب النبضات من خلال المقارنة بساعة رئيسية للعثور على البت المحدد الذي كان يبحث عنه.
تم استخدام الزئبق لأن معاوقته الصوتية قريبة من معاوقة بلورات الكوارتز الكهرضغطية ؛ هذا قلل من فقدان الطاقة والأصداء عندما يتم نقل الإشارة من البلورة إلى الوسط والعودة مرة أخرى. تعني السرعة العالية للصوت في الزئبق (1450 م / ث) أن الوقت اللازم لانتظار وصول النبضة إلى الطرف المستقبل كان أقل مما كان ليكون مع وسط أبطأ، مثل الهواء (343.2 م / ث)، ولكن هذا يعني أيضًا أن العدد الإجمالي للنبضات التي يمكن تخزينها في أي عمود من الزئبق بحجم معقول كان محدودًا. تشمل العيوب الفنية الأخرى للزئبق وزنه وتكلفته وسميته. علاوة على ذلك، للحصول على معاوقات صوتية متطابقة قدر الإمكان، كان لا بد من الحفاظ على الزئبق عند درجة حرارة ثابتة. يسخن النظام الزئبق إلى إعداد موحد فوق درجة حرارة الغرفة عند 40 درجة مئوية (104 درجة فهرنهايت)، مما يجعل صيانة الأنابيب ساخنة وغير مريحة. ( اقترح آلان تورينج استخدام الجن كوسيلة لتأخير الموجات فوق الصوتية، مدعيًا أنه يتمتع بالخصائص الصوتية اللازمة. [3] )
كانت هناك حاجة إلى قدر كبير من الهندسة للحفاظ على إشارة نظيفة داخل الأنبوب. تم استخدام محولات كبيرة لتوليد شعاع ضيق للغاية من الصوت لا يلمس جدران الأنبوب، وكان لا بد من توخي الحذر لإزالة الانعكاسات من الطرف البعيد للأنابيب. ثم تطلب إحكام الشعاع ضبطًا كبيرًا للتأكد من توجيه كلا المحولين مباشرة إلى بعضهما البعض. نظرًا لأن سرعة الصوت تتغير مع درجة الحرارة، تم تسخين الأنابيب في أفران كبيرة للحفاظ عليها عند درجة حرارة دقيقة. بدلاً من ذلك، قامت أنظمة أخرى [ حدد ] بضبط معدل ساعة الكمبيوتر وفقًا لدرجة الحرارة المحيطة لتحقيق نفس التأثير.
بدأ جهاز EDSAC ، وهو ثاني جهاز كمبيوتر رقمي كامل النطاق لتخزين البرامج ، العمل بذاكرة تحتوي على 256 كلمة بطول 35 بت ، مخزنة في 16 خط تأخير تحتوي كل منها على 560 بت (كانت الكلمات في خط التأخير مكونة من 36 نبضة، واستُخدمت نبضة واحدة كمساحة بين الأرقام المتتالية). [4] تم توسيع الذاكرة لاحقًا إلى 512 كلمة عن طريق إضافة مجموعة ثانية من 16 خط تأخير. في UNIVAC I كانت سعة خط التأخير الفردي أصغر، حيث خزن كل عمود 120 بت، مما يتطلب سبع وحدات ذاكرة كبيرة تحتوي كل منها على 18 عمودًا لتكوين مخزن يحتوي على 1000 كلمة. جنبًا إلى جنب مع دوائر الدعم والمضخمات الخاصة بهم ، شكل نظام الذاكرة الفرعي غرفة خاصة به . كان متوسط وقت الوصول حوالي 222 ميكروثانية ، وهو أسرع بكثير من الأنظمة الميكانيكية المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر السابقة.
استخدم CSIRAC ، الذي اكتمل في نوفمبر 1949، أيضًا ذاكرة خط التأخير.
أنتجت بعض أجهزة ذاكرة خط التأخير بالزئبق أصواتًا مسموعة، والتي وُصفت بأنها تشبه صوت الإنسان المتلعثم. أدت هذه الخاصية إلى ظهور المصطلح العامي "mumble-tub" لهذه الأجهزة.
خطوط التأخير المغناطيسية
استخدمت نسخة لاحقة من خط التأخير أسلاكًا فولاذية كوسيلة تخزين. تم بناء المحولات من خلال تطبيق التأثير المغناطيسي ؛ حيث تم ربط قطع صغيرة من مادة مغناطيسية، عادةً النيكل ، على جانبي نهاية السلك، داخل مغناطيس كهربائي . عندما تدخل بتات من الكمبيوتر إلى المغناطيسات، ينكمش النيكل أو يتمدد (بناءً على القطبية) ويلوي نهاية السلك. ثم تتحرك الموجة الالتوائية الناتجة إلى أسفل السلك تمامًا كما فعلت الموجة الصوتية أسفل عمود الزئبق.
على عكس الموجة الانضغاطية المستخدمة في الأجهزة السابقة، فإن الموجات الالتوائية أكثر مقاومة بشكل كبير للمشاكل الناجمة عن العيوب الميكانيكية، لدرجة أنه يمكن لف الأسلاك في ملف فضفاض وتثبيتها على لوحة. ونظرًا لقدرتها على اللف، يمكن أن تكون الأنظمة القائمة على الأسلاك طويلة حسب الحاجة، وبالتالي تميل إلى الاحتفاظ بمزيد من البيانات لكل وحدة؛ كانت وحدات 1 كيلوبت نموذجية على لوحة تبلغ مساحتها قدمًا مربعًا واحدًا فقط ( ~30 سم × 30 سم ). بالطبع، هذا يعني أيضًا أن الوقت اللازم للعثور على بت معين كان أطول إلى حد ما أثناء انتقاله عبر السلك، وكانت أوقات الوصول في حدود 500 ميكروثانية نموذجية.
كانت ذاكرة خط التأخير أقل تكلفة بكثير وأكثر موثوقية لكل بت من القلابات المصنوعة من الأنابيب ، ومع ذلك كانت أسرع بكثير من مرحل المزلاج . تم استخدامها في أواخر الستينيات، ولا سيما في الآلات التجارية مثل LEO I و Highgate Wood Telephone Exchange وأجهزة Ferranti المختلفة و IBM 2848 Display Control . كما تم استخدام ذاكرة خط التأخير لذاكرة الفيديو في المحطات المبكرة، حيث كان خط التأخير الواحد يخزن عادةً 4 أسطر من الأحرف (4 أسطر × 40 حرفًا لكل سطر × 6 بتات لكل حرف = 960 بت في سطر تأخير واحد). كما تم استخدامها بنجاح كبير في العديد من نماذج الحاسبة الإلكترونية المكتبية المبكرة ، بما في ذلك Friden EC-130 (1964) وEC-132، وحاسبة Olivetti Programma 101 القابلة للبرمجة لسطح المكتب والتي تم تقديمها في عام 1965، وحاسبات Litton Monroe Epic 2000 و3000 القابلة للبرمجة لعام 1967.
خطوط التأخير الكهرضغطية
كان الحل المماثل للنظام المغناطيسي الانقباضي هو استخدام خطوط تأخير مصنوعة بالكامل من مادة كهرضغطية ، وعادة ما تكون من الكوارتز. سيولد التيار المغذي في أحد طرفي البلورة موجة ضغطية تتدفق إلى الطرف الآخر، حيث يمكن قراءتها. في الواقع، حلت المادة الكهرضغطية ببساطة محل الزئبق ومحولات خط تأخير الزئبق التقليدي بوحدة واحدة تجمع بينهما. ومع ذلك، كانت هذه الحلول نادرة إلى حد ما؛ لم يكن من السهل زراعة بلورات بالجودة المطلوبة بأحجام كبيرة، مما حد من أحجامها وبالتالي كميات صغيرة من تخزين البيانات. [5]
كان الاستخدام الأفضل والأكثر انتشارًا لخطوط التأخير الكهرضغطية في أجهزة التلفزيون الأوروبية. يقارن معيار PAL الأوروبي للبث الملون الإشارة من خطين متتاليين من الصورة لتجنب تحول اللون بسبب تحولات الطور الصغيرة. من خلال مقارنة خطين، أحدهما مقلوب، يتم حساب متوسط التحول، وتتطابق الإشارة الناتجة بشكل أوثق مع الإشارة الأصلية، حتى في وجود التداخل. لمقارنة الخطين، يتم إدخال وحدة تأخير كهرضغطية لتأخير الإشارة بوقت يساوي مدة كل خط، 64 ميكروثانية، في أحد مساري الإشارة اللذين تتم مقارنتهما. [6] من أجل إنتاج التأخير المطلوب في بلورة ذات حجم مناسب، يتم تشكيل وحدة التأخير لتعكس الإشارة عدة مرات عبر البلورة، وبالتالي تقليل الحجم المطلوب للبلورة بشكل كبير وبالتالي إنتاج جهاز صغير مستطيل الشكل.
خطوط التأخير الكهربائية
تُستخدم خطوط التأخير الكهربائية لفترات تأخير أقصر (من النانو ثانية إلى عدة ميكروثانية). وهي تتكون من خط كهربائي طويل أو مصنوعة من محاثات ومكثفات منفصلة مرتبة في سلسلة. لتقصير الطول الإجمالي للخط، يمكن لفه حول أنبوب معدني، مما يؤدي إلى الحصول على المزيد من السعة ضد الأرض وأيضًا المزيد من المحاثة بسبب لفات الأسلاك، والتي تقع بالقرب من بعضها البعض.
ومن الأمثلة الأخرى:
- خطوط محورية قصيرة أو خطوط ميكروستريب لمطابقة الطور في الدوائر أو الهوائيات عالية التردد ،
- خطوط الرنان المجوفة في المغنطرونات والكليسترونات على شكل حلزونات في أنابيب الموجة المتنقلة لتتناسب مع سرعة الإلكترونات مع سرعة الموجات الكهرومغناطيسية ،
- المتموجات في الليزر ذو الإلكترونات الحرة .
هناك طريقة أخرى لإنشاء وقت تأخير وهي تنفيذ خط تأخير في جهاز تخزين الدائرة المتكاملة . يمكن القيام بذلك رقميًا أو باستخدام طريقة تناظرية منفصلة الوقت. تستخدم الطريقة التناظرية أجهزة نقل الشحنة (إما أجهزة لواء الدلو أو أجهزة مقترنة بالشحنة )، والتي تنقل شحنة كهربائية مخزنة على مراحل من أحد الطرفين إلى الطرف الآخر. [7] كل من الطرق الرقمية والتناظرية محدودة النطاق الترددي عند الطرف العلوي إلى نصف تردد الساعة، والذي يحدد خطوات النقل.
في أجهزة الكمبيوتر الحديثة التي تعمل بسرعات جيجاهيرتز، يمكن أن تتسبب الاختلافات الملليمترية في طول الموصلات في ناقل البيانات المتوازي في انحراف بتات البيانات، مما قد يؤدي إلى تلف البيانات أو انخفاض أداء المعالجة. يتم علاج هذا الأمر عن طريق جعل جميع مسارات الموصلات بطول متماثل، مما يؤدي إلى تأخير وقت الوصول إلى مسافات سفر أقصر باستخدام مسارات متعرجة.
خطوط التأخير البصري
في مجال الحوسبة البصرية، يمكن استخدام خط التأخير البصري بطريقة مماثلة لكيفية استخدام خطوط التأخير الصوتية أو الكهربائية. [8]
مراجع
- ^ براءة اختراع أمريكية رقم 2,629,827 .
- ^ جيه بي إيكرت الابن، دراسة استقصائية لأنظمة ذاكرة الكمبيوتر الرقمية، وقائع مؤتمر IRE، أكتوبر 1953.
- ^ Wilkes, Maurice V. (January 1968). "Computers Then and Now". Journal of the ACM . 15 (1): 1–7. doi : 10.1145/321439.321440 . S2CID 9846847.
- ^ Wilkes, MV; Renwick, W. (يوليو 1948). "وحدة ذاكرة فوق صوتية لجهاز EDSAC" (PDF) . الهندسة الإلكترونية . ص 209-210.
- ^ ذكريات الزجاج. كورنينج إلكترونيكس. 1963. RRP 8/63 5M.
- ^ Backers, FT (1968). خطوط التأخير بالموجات فوق الصوتية لنظام التلفزيون الملون PAL (PDF) (دكتوراه). آيندهوفن، هولندا: الجامعة التقنية. ص 7-8.
باكرز، ف. ث. (1968). "خط تأخير لأجهزة استقبال التلفزيون الملون PAL" (ملف PDF) . فيليبس تيكنيكال ريفيو . 29 : 243-251.[ رابط ميت دائم ] - ^ "RETICON: ملخص المنتج: أجهزة معالجة الإشارات التناظرية ذات الوقت المنفصل" (PDF) . Reticon . مؤرشف من الأصل (PDF) في 2022-12-05 . تم الاسترجاع في 2023-09-07 .
- ^ كيسنر، مايكل؛ ليوناردو ديل بينو؛ بيسلر، فيليكس؛ كاروانا، بيتر؛ غالانوس، جورج (2024). "وحدة المعالجة المركزية متعددة الأغراض والبصريات وهندسة الحاسوب البصرية". arXiv : 2403.00045 [cs.ET].
روابط خارجية
- ذاكرة خط التأخير الصوتي – تحتوي على صورة لنظام Ferranti القائم على الأسلاك في منتصف الصفحة تقريبًا
- ذاكرة خط التأخير – تحتوي على رسم تخطيطي للمحول المغناطيسي الانقباضي
- Litton Monroe Epic 3000 - يعرض تفاصيل خطوط تأخير الالتواء داخل هذه الآلة الحاسبة الإلكترونية التي يعود تاريخها إلى عام 1967
- ذاكرة مغناطيسية، لا تزال مستخدمة في متحف كمبيوتر ألماني
- براءة اختراع أمريكية رقم 2,629,827 "نظام الذاكرة"، شركة إيكرت-ماوتشلي للكمبيوتر ، تم تقديمها في أكتوبر 1947، وحصلت على براءة اختراع في فبراير 1953
- محطة عرض مبنية بـ 32 خط تأخير تلفزيوني وصف كامل
- "ما هو المتجر الذي يباع فيه EDSAC؟". المتحف الوطني للحوسبة . 13 سبتمبر 2013.كيف تعمل ذاكرة خط تأخير النيكل، بعض المعلومات حول البناء
- خط تأخير النيكل لنسخة EDSAC
