Что такое линия задержки?
Линия задержки представляет собой особый тип линейного четырехполюсника, который можно охарактеризовать как инерционное устройство. Его ключевая функция — точное воспроизведение входного сигнала на выходе, но с определенной временной задержкой. Для корректной работы входной сигнал должен соответствовать трем основным техническим параметрам: величине времени задержки (ее порядку и мантиссе), а также волновому сопротивлению линии.
Военное происхождение и принцип работы в радарах
Исторически первые практические применения линий задержки относятся к периоду Второй мировой войны и были связаны с развитием радарных технологий. Их главной задачей было подавление помех — так называемого «постоянного эха» от неподвижных объектов (зданий, холмов) и земли, которое мешало обнаружению целей. Работа радаров основывалась на излучении периодических импульсов радиоволн. Отраженные сигналы усиливались и отображались на экране. Чтобы убрать с экрана статичные объекты, отраженный сигнал разделяли на две идентичные копии. Одна копия сразу подавалась на экран, а вторая пропускалась через линию задержки. При одновременном выводе обоих сигналов совпадающие элементы (соответствующие неподвижным объектам) взаимно уничтожались, в результате чего на экране оставались только отметки от движущихся целей.
Линия задержки как память первых ЭВМ
Помимо фильтрации помех, линия задержки нашла неожиданное применение в качестве цифрового запоминающего устройства (ЗУ) для ранних компьютеров. Конструктивно такое ЗУ часто представляло собой трубку, заполненную ртутью. На ее концах располагались преобразователи на основе пьезоэлектрических кристаллов, выполнявшие функции и микрофона (преобразующего электрический сигнал в механические колебания), и динамика (делающего обратное преобразование). Импульс от радарного усилителя возбуждал колебания в ртути через первый кристалл. Эти акустические волны проходили по столбу жидкости с определенной скоростью и, достигнув второго кристалла, преобразовывались обратно в электрический сигнал для отображения. Для каждого конкретного радара требовалась точная механическая настройка времени задержки между импульсами.
Изобретатель Дж. П. Эккерт адаптировал ртутную линию задержки для использования в компьютерах EDVAC и UNIVAC I. Ключевым усовершенствованием стало добавление повторителя (усилителя) на принимающем конце линии. Этот повторитель отправлял ослабленный выходной сигнал обратно на вход, создавая замкнутый цикл. Таким образом, однажды поданный в систему импульс мог циркулировать в ней практически бесконечно, пока не будет отключено питание, что и реализовывало функцию хранения данных.
Выбор ртути в качестве среды был не случаен. Акустическое сопротивление ртути близко к сопротивлению пьезокристаллов. Это сходство минимизировало потери энергии при переходе сигнала из электрической формы в акустическую и обратно. Кроме того, высокая скорость звука в ртути позволяла уменьшить физические размеры устройства при заданном времени задержки. Однако у ртутных линий были серьезные недостатки: высокая стоимость, токсичность, большой вес и необходимость поддержания стабильной температуры около 40 °C для согласования сопротивлений, что создавало некомфортные условия работы.
Например, в первом британском компьютере с хранимой программой EDSAC память была построена на 32 ртутных линиях задержки, каждая из которых могла удерживать 576 бит данных. В американском UNIVAC I каждая линия хранила 120 бит, что позволяло создавать более простые схемы и наращивать объем памяти за счет увеличения количества таких блоков.
Ультразвуковые линии задержки
Отдельной разновидностью стали ультразвуковые линии задержки, широко применявшиеся в радиолокации для точного измерения времени прохождения сигнала. В них электрический сигнал преобразовывался в ультразвуковые (упругие) волны с помощью пьезоэлектрических или магнитострикционных преобразователей. Эти волны с малыми потерями распространялись уже не в жидкости, а в твердом теле — специальном звукопроводе. Для характеристики и настройки таких линий использовался набор параметров: время задержки, рабочая частота, полоса пропускания, уровень паразитных (ложных) сигналов и температурный коэффициент задержки, показывающий, как меняется задержка при нагреве или охлаждении устройства.
Синхронизация и поиск данных
Для эффективной работы в вычислительных системах линии задержки требовали точной синхронизации. Импульсы данных должны были поступать на приемник строго в тот момент, когда процессор компьютера был готов их принять и обработать. Чтобы найти конкретный бит среди множества циркулирующих в линии импульсов, компьютер сравнивал их с эталонными синхроимпульсами, что позволяло точно определить позицию нужных данных в последовательности.
Память на линиях задержки оставалась доминирующей технологией в компьютерной индустрии вплоть до конца 1960-х годов, ценившись за свою надежность, высокое быстродействие по меркам того времени и относительную экономическую эффективность.