磁芯存儲器

磁芯存儲器是隨機存取計算機存儲器的主要形式，存在20年。這種存儲器通常被稱為核心存儲器，或者非正式地稱為核心存儲器。

核心使用微小的磁環（環），核心通過執行緒來寫入和讀取信息。 每個核心代表一點信息。 磁芯可以以兩種不同的方式（順時針或逆時針）磁化，存儲在磁芯中的位為零或一，取決於磁芯的磁化方向。 布線被布置成允許單個芯被設定為1或0，並且通過向所選擇的導線傳送適當的電流脈衝來改變其磁化。 讀取核心的過程會導致核心重置為零，從而將其擦除。 這稱為破壞性讀數。 在不進行讀寫操作時，即使關閉電源，核心也會保持最後的值。 這使它們成為非易失性的。

基本介紹

• 中文名：磁芯存儲器
• 外文名：Magnetic-core memory
• 創始人：王安
• 發明日起：1948年

介紹

早期的計算機最常見的存儲器是各種磁芯製成的。這種磁芯存儲器已被微型積體電路塊上的半導體存儲器所取代。磁芯存儲器是華裔王安於1948年發明的(注)。最初的磁芯存儲器只有幾百個位元組的容量。磁芯的英文名稱就是core，磁芯存儲器就叫作core memory。如今，雖然磁芯存儲器已經被淘汰，但一些人還是出於習慣把記憶體叫做core。

在鐵氧體磁環里穿進一根導線，導線中流過不同方向的電流時，可使磁環按兩種不同方向磁化，代表“1”或“0”的信息便以磁場形式儲存下來。

原理

磁芯在導線上流過一定電流下會被磁化或者改變磁化方向，事先可以通過實驗和材料的工藝控制得到這個能夠讓磁芯磁化的電流最小閾值。每個磁芯都有XY互相垂直的兩個方向的導線穿過，另外還有一條斜穿的讀出線，上面的照片中可以清楚地看到這些線，這些線組成陣列，XY分別做兩個不同方向的定址。磁芯根據磁化時電流的方向可以產生兩個相反方向的磁化，這就可以作為0和1的狀態來記錄數據。

寫入的時候在需要寫入的磁芯所對應的XY坐標線上各輸入稍高於50%磁環磁化閾值的電流，所以這樣只有XY坐標對應的那個磁芯上會同時在兩條線中都有電流，疊加之後會超過閾值的電流，磁芯因而磁化或者改變磁化方向從而寫入一位數據，而其他所有的磁芯內通過的電流或者是0，或者是50%磁化閾值，都達不到磁化電流不能被磁化，所以沒有數據寫入。

讀出的時候比較複雜，分別在XY送入讀出電流，讀出電流的大小和寫入的時候一樣也是略大於50%磁化閾值的電流，讀出電流的方向我們是事先知道的，這樣在XY定址坐標所對應的那個磁芯里就會有超過閾值的電流，如果它的本來磁場方向和讀出電流所對應的磁場方向相反的話，那么由於磁芯的磁性狀態發生翻轉，有巨大的磁通量變化，在斜穿的讀出線上就會有大的感應電流，所以我們就知道這個磁芯存儲的是和讀出信號相反的數據。如果它的本來磁場方向和讀出電流所對應的磁場方向一樣的話，那么由於磁芯的磁性狀態沒有發生變化，在斜穿的讀出線上就不會有感應電流，所以我們就知道這個磁芯存儲的是和讀出信號相同的數據。磁芯中的數據就這樣被讀出了，不過這還沒有完，因為值得注意的是這時候在讀完數據之後顯然無論原來磁芯上存的是什麼數據，讀過之後就都被寫成同樣的讀出數據了，也就是這個讀出是破壞性的，所以必須有個辦法在讀出之後恢復存儲的數據。所以讀完之後還需要立即另外重新再寫一遍原先的數據進去，恢複本來的數據，方法就是前述的寫入數據的方法，用放在快取中的磁環中原來存儲的數據寫回去。所以磁芯存儲器的讀相當麻煩，也比較慢。讀出時沒被選中的磁芯和寫入時一樣，都不會改變磁性狀態而產生感應電流，所以不會被讀出也不會干擾被選中的磁芯讀出數據。

磁芯存儲器有個和一般我們的存儲概念不同的地方，就是通常情況下一個存儲器的寫入總是比讀出要慢，但是磁芯存儲器恰恰相反，它是讀出比寫入慢，因為它的讀出是破壞性的，所以讀出必須包括一個寫入的過程以恢複數據。

描述

術語“核心”來自傳統的變壓器，其繞組環繞磁芯。 在核心存儲器中，導線通過任何給定的核心 - 它們是單圈設備。 用於存儲器核心的材料的性質與用於電力變壓器的材料的性質顯著不同。 用於核心存儲器的磁性材料需要高度的磁剩磁，保持高度磁化的能力和低矯頑力，從而需要更少的能量來改變磁化方向。 核心可以採用兩種狀態，編碼一位，當“感應線”“選擇”時可以讀取。 即使存儲器系統斷電（非易失性存儲器），核心存儲器內容也會保留。 但是，當讀取核心時，它會重置為“零”值。 然後，計算機存儲器系統中的電路在立即重寫周期中恢覆信息。

運作

最常見的核心存儲器形式，X / Y線重合電流，用於計算機的主存儲器，由大量小環形亞鐵磁陶瓷鐵氧體（磁芯）組成格線結構（組織為“堆疊“稱為平面的層”，電線穿過核心中心的孔。在早期系統中有四條線：X，Y，Sense和Inhibit，但後來的核心將後兩條線組合成一條Sense / Inhibit線。每個環形線圈存儲一位（0或1）。每個平面中的一個位可以在一個周期內被訪問，因此一個字數組中的每個機器字被分布在一堆“平面”上。每個平面將並行操作一個字的一位，允許在一個周期內讀取或寫入完整的字。

核心依賴於用於製造環形的鐵氧體材料的“方形環”特性。穿過芯的導線中的電流產生磁場。只有大於某一強度的磁場（“選擇”）才能使磁芯改變其磁極性。為了選擇存儲器位置，X和Y中的一條線被驅動一半的電流（“半選擇”）以引起這種改變。只有在X和Y線交叉處產生的組合磁場（邏輯AND功能）足以改變狀態;其他核心只能看到所需欄位的一半（“半選”），或根本沒有。通過沿特定方向驅動電流通過導線，所產生的感應場迫使所選擇的磁芯的磁通量沿一個方向或另一個方向（順時針或逆時針）循環。一個方向是存儲的1，而另一個是存儲的0。

磁芯的環形形狀是優選的，因為磁路是閉合的，沒有磁極，因此外部磁通很少。這允許核心緊密堆積在一起而不允許它們的磁場相互作用。核心陣列中的交替45度定位有助於減少任何雜散耦合。

讀寫

為了讀取一些核心存儲器，電路通過驅動在該核心處相交的所選X和Y線，試圖將該位翻轉到指定為0狀態的極性。

1、如果該位已經為0，則核心的物理狀態不受影響。

2、如果該位先前為1，則核心改變磁極性。在延遲之後，這種變化會將電壓脈衝感應到Sense線。

檢測到這種脈衝意味著該位最近包含1.脈衝的缺失意味著該位包含0.檢測電壓脈衝的延遲稱為核心存儲器的訪問時間。

在任何這樣的讀取之後，該位包含0.這說明了為什麼核心存儲器訪問被稱為破壞性讀取：讀取核心內容的任何操作都會擦除這些內容，並且必須立即重新創建它們。

為了寫入一些核心存儲器，該電路假定存在讀操作並且該位處於0狀態。

要寫入1位，驅動選定的X和Y線，電流方向與讀操作方向相反。與讀取一樣，X和Y線交叉處的磁芯改變磁極性。

要寫入0位（換句話說，禁止寫入1位），也會通過Inhibit線傳送相同數量的電流。這將流過相應磁芯的淨電流減小到選擇電流的一半，從而抑制極性的變化。

訪問時間加上重寫時間是記憶體循環時間。

其他形式的核心記憶

字線核心存儲器通常用於提供暫存器存儲器。此類型的其他名稱是線性選擇和2-D。這種形式的核心存儲器通常在平面上通過每個核心，字讀取，字寫入和位感測/寫入編織三條線。為了讀取或清除字，將全電流施加到一個或多個字讀取線;這會清除所選擇的核心，並且任何觸發都會在其位讀/寫線中產生電壓脈衝。對於讀取，通常只選擇一個字讀取線;但是為了清楚，可以選擇多個字讀取線，同時忽略位感測/寫入行。為了寫入字，將半電流施加到一個或多個字寫入線，並且將半電流施加到每個位感測/寫入線以用於要設定的位。在一些設計中，讀取字和字寫入行被組合成單個導線，從而產生每位只有兩個導線的存儲器陣列。對於寫入，可以選擇多個字寫入行。這提供了優於X / Y線重合電流的性能優勢，因為在單個周期中可以清除或寫入具有相同值的多個字。典型的機器暫存器組通常只使用這種形式的核心存儲器的一個小平面。使用這種技術構建了一些非常大的存儲器，例如CDC 6600中的擴展核心存儲（ECS）輔助存儲器，其高達200萬個60位字。

另一種稱為核心繩索記憶體的核心記憶體提供了唯讀存儲。在這種情況下，具有更多線性磁性材料的磁芯僅用作變壓器;沒有信息實際上存儲在各個核心內。這個詞的每個部分都有一個核心。讀取給定存儲器地址的內容在對應於該地址的導線中產生電流脈衝。每條地址線都穿過一個核心來表示二進制，或者在該核心的外部，以表示二進制。正如所料，核心比讀寫核心的核心要大得多。這種類型的記憶體非常可靠。一個例子是用於月球著陸的阿波羅指導計算機。

特徵

早期核心存儲器的性能在今天的術語中可以表征為與1 MHz的時鐘速率非常相似（相當於20世紀80年代早期的家用計算機，如Apple II和Commodore 64）。早期的核心存儲器系統的周期時間約為6μs，到20世紀70年代早期已降至1.2μs，到70年代中期則降至600 ns（0.6μs）。一些設計具有更高的性能：CDC 6600在1964年的存儲器周期時間為1.0μs，使用的核心需要200 mA的半選擇電流。儘可能地完成所有工作以減少訪問時間並提高數據速率（頻寬），包括同時使用多個核心格線，每個格線存儲一位數據字。例如，一台機器可能使用32個核心網路，每個核心具有32位字的一位，並且控制器可以在單個讀/寫周期中訪問整個32位字。

核心存儲器是非易失性存儲器 - 它可以在沒有電源的情況下無限期地保留其內容。它也相對不受EMP和輻射的影響。這些是第一代工業可程式控制器，軍事裝置和戰鬥機等飛行器以及太空飛行器等套用的重要優勢，並導致核心在半導體MOS存儲器可用後使用多年（另見MOSFET） 。例如，太空梭IBM AP-101B飛行計算機最初使用核心存儲器，即使在1986年挑戰者解體並隨後陷入海中時也保留了記憶內容。[16]早期核心的另一個特徵是矯頑力對溫度非常敏感;在一個溫度下適當的半選擇電流不是另一個溫度下的適當半選擇電流。因此，存儲器控制器將包括溫度感測器（通常是熱敏電阻器）以針對溫度變化正確地調節電流水平。這方面的一個例子是Digital Equipment Corporation用於其PDP-1計算機的核心存儲器;這種策略繼續通過DEC為其PDP風冷計算機系列構建的所有後續核心存儲系統。處理溫度靈敏度的另一種方法是將磁芯“疊層”封閉在溫控烘箱中。這方面的例子是IBM 1620的加熱空氣核心存儲器（可能需要30分鐘才能達到工作溫度，大約106°F（41°C））和IBM 7090的加熱油浴核心存儲器，早期IBM 7094s和IBM 7030。

核心被加熱而不是冷卻，因為主要要求是一致的溫度，並且更容易（和更便宜）將溫度保持在遠高於室溫的溫度而不是等於或低於室溫。

1980年，安裝在DEC Q-bus計算機中的16 kW（千瓦，相當於32 kB）核心記憶體板的價格約為3,000美元。那時，核心陣列和支持電子元件安裝在尺寸約為25×20厘米的單個印刷電路板上，核心陣列安裝在PCB上方幾毫米處，並用金屬或塑膠板保護。

診斷核心記憶體中的硬體問題需要運行耗時的診斷程式。雖然快速測試檢查了每個位是否包含1和0，但這些診斷程式使用最壞情況模式測試核心記憶體並且必須運行幾個小時。由於大多數計算機只有一個核心記憶體板，因此這些診斷程式也會在記憶體中移動，從而可以測試每一位。高級測試稱為“Schmoo測試”，其中半選擇電流隨著測試感測線的測試時間（“選通”）而被修改。這個測試的數據圖看起來像一個名為“Schmoo”的卡通人物，名字卡住了。在許多情況下，可以通過在桌面上輕輕敲擊帶有芯陣列的印刷電路板來解決錯誤。這略微改變了核心沿著貫穿它們的導線的位置，並且可以解決問題。這個過程很少需要，因為與當時的其他計算機組件相比，核心記憶體被證明是非常可靠的。