Исследование возможностей и способов реализации современных троичных цифровых элементов (стр. 5 )

Рис.9

Обусловленные дискретные значения представляются токами IМ противоположных направлений или отсутствием тока. Ток IВХ  поступает к двум симметричным ТЗ в средней части схемы. Диоды на входе препятствуют шунтированию выхода предыдущего элемента переходами исток-затвор. В верхней и нижней частях рисунка показаны ТЗ, формирующие опорные токи 0,5IМ. Этими токами устанавливается величина входного порога. Крутизны транзисторов в цепях опорных токов различаются. Транзистор с цифрой 2 имеет вдвое большую крутизну, чем с цифрой 1. Если реплика входного тока превзойдет значение 0,5IМ, откроется транзистор, включенный между истоком одного из транзисторов 2 и выходом элемента. В результате на выход поступит ток IМ.

Основной недостаток схемы на ТЗ - большие перепады напряжения на входе элемента и управляющего напряжения на затворах коммутирующих транзисторов внутри него. Это обусловлено характеристиками MOS транзисторов. В результате теряется основное достоинство элементов второго типа - малая величина входных напряжений, определяющая высокую скорость их работы (как это имеет место у элементов ECL).

О реализации троичных запоминающих устройств

Глобальная цель настоящего исследования – не только получение позитивного ответа на вопрос о возможности и способах создания троичных цифровых элементов. Троичных элементов, даже эффективно реализованных, недостаточно для построения конкурентоспособных троичных цифровых устройств. Вывод о замене двоичной цифровой техники на троичную может быть сделан лишь при наличии полноценных троичных запоминающие устройства (ЗУ).

Создание и реализация троичных ЗУ является отдельной сложной задачей. Однако, в предварительном порядке, можно высказать некоторые общие соображения. С этой целью рассмотрим основные разновидности современных двоичных ЗУ и оценим перспективы их троичной модификации.

Оперативные запоминающие устройства

Оперативные запоминающие устройства (RAM) современных двоичных цифровых машин подразделяются на динамические и статические.

Ячейки динамических RAM реализованы на конденсаторах, в качестве которых служат обратно включенные p-n переходы. 0 и 1 представляются отсутствием или наличием заряда на таком конденсаторе. В силу униполярности полупроводникового конденсатора хранить на нем заряды разного знака (как это требуется в троичном случае) невозможно. Поскольку конденсатор - аналоговый прибор, на нем можно реализовать многоуровневые ячейки, в которых будет храниться более двух значений. Выпускаются четырехуровневые динамические RAM, у которых в одной ячейке хранятся два бита. (В таком RAM можно, в частности, хранить троичное значение, представленное двузначными компонентами).  Многоуровневые RAM разительных преимуществ по сравнению с двухуровневыми (битовыми) RAM не демонстрируют и применяются ограничено.

Статические RAM реализуются на типовых цифровых элементах, подобных тем, которые рассматривались выше. Поэтому большинство соображений, высказанных по поводу возможности и путей реализации троичных цифровых элементов, относятся и к троичным статическим RAM.

Постоянные запоминающие устройства

Для постоянных двоичных ЗУ (ROM), большинство которых реализовано на основе полупроводниковой технологии,  возможности троичной модификации ограничены по тем же соображениям, которые справедливы для троичных цифровых элементов вообще. Впрочем, современные тенденции таковы, что многочисленные до недавнего времени разновидности ROM и полупостоянных (перезаписываемых) PROM вытесняются так называемой флэш-памятью (FLASH), рассмотрению которой будет посвящен специальный раздел.

Внешние запоминающие устройства (Mass memory)

Этот вид ЗУ на нынешнем этапе развития цифровой техники в основном представлен устройствами, в которых хранение информации осуществляется путем записи ее на магнитную поверхность. Для этого информацию специальным образом кодируют. Многочисленные разновидности кодирования, по существу, сводятся к двум, разделяемыми по конфигурации тока записи: “способ записи с возвратом [тока записи] к нулю” и “способ записи без возврата к нулю”.

В процессе записи на магнитной дорожке формируется определенный рельеф намагниченности. Участки магнитной дорожки с одним направлением намагниченности чередуются с участками, имеющими противоположное направление. Некоторые точки, в которых направление намагниченности изменяется на противоположное, являются  «значащими». По их расположению при считывании заключают о хранимой информации. Другие точки – вспомогательные («лишние»). При записи с возвратом к нулю, двоичную 1 записывают, изменяя ток записи с “-” на “+”, а двоичный 0 - с “+” на “-”. Если несколько 1 (или 0) соседствуют, требуется менять направление тока между ними. В результате возникает много «лишних» точек изменения намагниченности. Этого недостатка лишен “способ записи без возврата к нулю”. В нем 1 характеризуется изменением тока в точке, причем направление изменения несущественно, а 0 - отсутствием изменения. Благодаря этому “лишних” изменений не возникает. Плотность записи во втором способе получается большей, чем в первом. При считывании необходимо стробировать считанный сигнал в значащих точках. Для этого необходим синхросигнал. На начальном этапе развития внешних ЗУ для его получения делались специальные синхродорожки, на которые записывались синхросигналы. Однако таким путем нельзя достигнуть высоких значений плотности записи из-за неидентичности головок/дорожек. В современных внешних ЗУ считываемый сигнал обладает т. н. свойством самосинхронизации. Для достижения этого в записываемую последовательность тем или иным способом подмешивают синхроинформацию. При считывании ее выделяют. Не вдаваясь в детали и тонкости подмешивания, можно сказать, что для этого стараются не допустить появления в магнитном рельефе дорожки протяженных участков с неизменным направлением намагниченности.  Это обусловлено тем, что корректировать синхронизм можно только по точкам изменения намагниченности.

Запись с возвратом к нулю в принципе обладает большой избыточностью за счет наличия “лишних” перепадов. При ее использовании расстояние между точками изменения знака намагниченности варьируется не более чем в два раза (последовательности 1 1 1 1.... и -1 1 -1 1.....) и синхроинформацию можно легко выделить.  При записи способом без возврата к нулю последовательность 0 0 0 0 0 .... образует протяженный участок дорожки с неизменной намагниченностью и для формирования синхроинформации требуется принимать специальные меры, вводя в записываемый сигнал “лишние” биты, удаляемые при считывании.

Запоминающие устройства, в которых в качестве запоминающей среды используется магнитная поверхность, на первый взгляд, могут по самой своей природе хранить троичную информацию, т. к. кроме двух состояний с противоположной намагниченностью, имеется состояние размагниченности. Более того, в аналоговых магнитных ЗУ (лента, диски и т. д.) перед записью поверхность специально размагничивают, поскольку впоследствии на нее будут записывать разнополярные аналоговые сигналы. Однако такая возможность в цифровых устройствах не находит применения. Этому есть несколько причин, главная из которых обусловлена необходимостью иметь специальные размагничивающие головки. Обычные головки записи/считывания миниатюрны, очень легки и подвижны, чтобы обеспечить их «парение» на подвесе над магнитной поверхностью. Добавление стирающих головок сильно усложняет конструкцию подвесов, утяжеляет их и затрудняет автоматическую юстировку.

Двоичные внешние ЗУ с записью без возвращения к нулю можно модифицировать в троичные. Таким образом, в частности, было реализовано троичное ЗУ на магнитном барабане малой ЭВМ” Сетунь-70”. Более точным будет сказать, что модификации подверглось не само ЗУ, а способ записи.

На Рис.10 показаны токи записи на магнитную поверхность троичных значений способом с возвратом к нулю.

Токи записи троичных значений способом с возвратом к нулю

Рис.10

Как следует из рисунка, кроме изменения тока записи с “-” на “+” и с “+” на “-”, что в троичном случае соответствует записи -1 и 1, имеют место два случая, когда ток не изменяется. Они соответствуют записи троичного 0. В процессе записи направление тока очередного 0 попеременно делается положительным и отрицательным для того, чтобы в токе записи не возникало постоянной составляющей. Постоянная составляющая недопустима при использовании головок трансформаторного типа (такие головки стояли на барабане ЭВМ “Сетунь 70” и во многих случаях стоят в ЗУ на жестких дисках). Цена, которую пришлось заплатить за троичную модификацию способа записи - расширения вдвое спектра записывающего тока. Сказанное иллюстрируется примером записи на магнитную поверхность указанным  способом троичной кодовой последовательности (Рис.11).

Ток при записи троичной кодовой последовательности способом с возвратом к нулю

Рис.11

На Рис.12 показаны один из возможных вариантов конфигураций токов записи на магнитную поверхность троичных значений способом без возврата к нулю.

Токи записи троичных значений способом без  возврата к нулю

Рис.12

Троичная запись способом без возврата к нулю представляет собой реализацию представления троичных значений их двухзначными компонентами. Каждому троичному значению соответствует участок магнитной поверхности двойной (по сравнению с двоичным случаем) длины. (На Рис.12 начало участка двойной длины помечено более толстой вертикальной линией, чем его середина). Изменение тока в первой половине участка соответствует записи 1, во второй записи -1. При записи троичного 0 направление тока может поддерживаться постоянным, а может претерпевать изменение дважды - как в первой, так и во второй половине участка. Это отражено на Рис.12, где демонстрируются два варианта тока записи 0. Отметим два важных обстоятельства:

1. Направление изменения тока при записи 1, -1 и 0 во втором варианте, так и полярность тока 0 в первом варианте, может быть любой - это позволяет не делать “лишних” точек. Чередуя направление тока при  записи последовательных нулей можно избежать (если это требуется) появления низкочастотных составляющих в спектре тока записи.