本帖最后由 zhanzr21 于 2022-11-13 17:04 编辑
#申请原创#水银延迟线为何能作为计算机的存储设备
阅读计算机发展历史时, 看到过一种早期的存储器: 水银延迟线. 比较好奇, 网上找了些文档研究了下其工作原理, 这里分享下.先上一张图,看看它的造型.
图 UNIVAC I计算机使用水银延迟线作为存储器 乍看一下, 满满的”科幻”风格,结构图如下:
图 水银延迟线的结构图 通常水银槽大约一两米, 直径10毫米左右.水银槽中充满水银, 槽的两端分别有一个压电晶体片.
为了方便详细描述它作为计算机存储的原理之前, 先回顾一下子这种设计的来源.
这种设计最早用于雷达上的”背景消除”, 直到现在还在很多电路中也起到类似的作用, 只是原材料, 形状都发生了很大变化.
我们知道雷达的基本工作原理是:
- 1.发射一段调制过的电磁波信号;
- 2.快速切换收发电路, 让天线接收反射回波;
- 3. 通过观察回波的形状/变化特性来反推雷达前方的障碍物(对于军用雷达, 一般是对飞行物进行监测)
图 雷达工作基本原理图 实际的部署中, 雷达天线朝向要监测的方向, 但是现实情况下, 要观测的路径上经常有固定的障碍物, 如山, 建筑物等等. 这样的话, 即使前面没有被监测对象,总有一些固定的回波.这样会造成噪音和干扰. 如果把雷达部署于较高的海平面, 则敌机可能使用超低空飞行技巧来躲藏侦测. 为了克服这个问题,模拟电子时代(二战时期)的工程人员想出了一个消除背景的方法. 即在部署好雷达后, 先用雷达观测一下子背景环境,将此时的回波记录下来, 之后将其”存储”下来,在后面的观测活动中, 将真实的观测回波减去背景回波, 这样现场观测人员就可以仅仅观测除了背景之外的对象.
当时的”存储”就是用水银延迟线来完成的.
水银的两端分别放上一个压电晶体片, 这里利用压电晶体片”压电效应”.即通过机械方式(声波)使晶体发生形变会导致两端电压发生相应变化, 而加在晶体两侧的电压变化也会相应使该晶体发生机械形变. 原理上这两个压电晶体分别起到的是拾音器和扬声器的作用.直到今天,很多低成本玩具上也在使用同一个压电晶体片分别作为拾音器和扬声器.
至于为什么要用水银,因为当时的雷达发射调制信号处于音频范围(20Hz-20KHz), 而声音在水银中的传输速度(1450m/s, 常温25度)与所使用的压电晶体固有特性最匹配, 从而使得能量在不同介质中传输时能量损耗最小.水银的温度也会影响这个速度, 实际工程实践中常常把水银温度保持在40摄氏度, 导致当时的硬件运维工作非常不舒适.Alan Turing经过估算不同介质的传输特性后, 曾经推荐使用杜松子酒代替水银.
图 技术人员在水银延迟线边上工作 图 技术人员和水银延迟线设备 二战后计算机开始发展, 需要存储器时, 也就派上了用场. 根据上面的分析, 这种存储器每条水银槽可以存储一个”line”, 不同设计中一个”line”有几百bit到数千bit. 从实物照片也可以看到, 一个计算机会用很多条水银槽来存储若干line.UNIVAC I有5200个水银槽, 每个槽装满水银后大约400Kg, 总共可以存储约8Kbyte的数据.
延迟线跟现代存储器的最大区别在于, 它是一个顺序存储器, 不是随机存储器. 如果要读取”line”中的当中某个bit开始的内容, 则需要等待该bit到了之后, 开始读. 因为每条水银槽长度大约一米, 存储容量1000bit左右, 每次顺序读的延迟是百微秒级. 写的时候, 将要写的数据调制成音频信号, 通过扬声器将声波发送到水银槽的一端.声音传输到槽的另外一端后, 又通过此端的拾音器重新放大到前端进行循环, 这个过程也类似于现代DRAM的刷新过程.
水银延迟线用于存储作用的方法在1953年被授予专利, 申请人J. Presper Eckert和John Mauchly在专利中主要描述了水银延迟线, 但是也包括了其他原理的延迟线, 如磁阻原理, 电容电感组成的延迟线等等.
后续的迭代开始利用其他物理特性来达到类似效果, 如下图是利用磁致伸缩效应的镍合金延迟线.
图 利用磁致伸缩效应的镍合金延迟线
上述延迟线中, 拾音器与扬声器由磁伸缩金属片取代, 在延迟线中传输的是扭转力波.此种延迟线可以将传输线绕圈, 从而单条线可以存储更多信息, 当然读取时寻找某个bit的延迟也相应更长.
延迟线作为存储器, 其应用一直到1960年代才渐渐被其他技术逐渐淘汰.
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