Tubo de williams

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Forma temprana de la memoria de la computadora
Canal Williams–Kilburn desde un IBM 701 en el Museo de Historia Informática, en Mountain View, California
Patrón de memoria en el tubo SWAC Williams CRT

El tubo de Williams, o el tubo de Williams-Kilburn llamado así por los inventores Freddie Williams y Tom Kilburn, es una forma temprana de memoria informática. Fue el primer dispositivo de almacenamiento digital de acceso aleatorio y se utilizó con éxito en varias de las primeras computadoras.

El tubo de Williams funciona mostrando una cuadrícula de puntos en un tubo de rayos catódicos (CRT). Debido a la forma en que funcionan los CRT, esto crea una pequeña carga de electricidad estática sobre cada punto. La carga en la ubicación de cada uno de los puntos se lee mediante una lámina de metal delgada justo en frente de la pantalla. Dado que la pantalla se desvanecía con el tiempo, se actualizaba periódicamente. Funciona más rápido que la anterior memoria acústica de línea de retardo, a la velocidad de los electrones dentro del tubo de vacío, en lugar de a la velocidad del sonido. El sistema se vio afectado negativamente por los campos eléctricos cercanos y requirió ajustes frecuentes para permanecer operativo. Los tubos Williams-Kilburn se utilizaron principalmente en diseños de computadoras de alta velocidad.

Williams y Kilburn solicitaron patentes británicas el 11 de diciembre de 1946 y el 2 de octubre de 1947, seguidas de solicitudes de patentes de Estados Unidos el 10 de diciembre de 1947 y el 16 de mayo de 1949.

Principio de funcionamiento

El tubo de Williams depende de un efecto denominado emisión secundaria que se produce en los tubos de rayos catódicos (CRT). Cuando el haz de electrones golpea el fósforo que forma la superficie de la pantalla, normalmente hace que se ilumine. Si la energía del haz está por encima de un umbral dado (dependiendo de la mezcla de fósforo), también hace que los electrones se eliminen del fósforo. Estos electrones viajan una distancia corta antes de ser atraídos de nuevo a la superficie del CRT y caer sobre ella a una distancia corta. El efecto general es causar una ligera carga positiva en la región inmediata del haz donde hay un déficit de electrones y una ligera carga negativa alrededor del punto donde aterrizan esos electrones. El pozo de carga resultante permanece en la superficie del tubo durante una fracción de segundo mientras los electrones regresan a sus ubicaciones originales. La vida útil depende de la resistencia eléctrica del fósforo y del tamaño del pozo.

El proceso de creación del pozo de carga se utiliza como operación de escritura en la memoria de una computadora, almacenando un solo dígito binario o bit. Un punto cargado positivamente se borra (llenando bien la carga) dibujando un segundo punto inmediatamente adyacente al que se va a borrar (la mayoría de los sistemas hicieron esto dibujando un guión corto que comienza en la posición del punto, la extensión del guión borró la carga inicialmente almacenada en el punto de partida). Esto funcionó porque el halo negativo alrededor del segundo punto llenaría el centro positivo del primer punto. Una colección de puntos o espacios, a menudo una fila horizontal en la pantalla, representa una palabra de computadora. El aumento de la energía del haz hizo que los puntos fueran más grandes y duraderos, pero requería que estuvieran más separados, ya que los puntos cercanos se borrarían entre sí. La energía del haz tenía que ser lo suficientemente grande como para producir puntos con una vida útil útil. Esto coloca un límite superior en la densidad de la memoria, y cada tubo Williams normalmente podría almacenar alrededor de 256 a 2560 bits de datos. Debido a que el haz de electrones esencialmente no tiene inercia y se puede mover a cualquier lugar de la pantalla, la computadora puede acceder a cualquier ubicación, lo que la convierte en una memoria de acceso aleatorio. Por lo general, la computadora cargaría la dirección como un par X e Y en el circuito del controlador y luego activaría un generador de base de tiempo que barrería las ubicaciones seleccionadas, leyendo o escribiendo en los registros internos, normalmente implementados como flip-flops.

La lectura de la memoria tuvo lugar a través de un efecto secundario causado por la operación de escritura. Durante el breve período en que tiene lugar la escritura, la redistribución de cargas en el fósforo crea una corriente eléctrica que induce voltaje en los conductores cercanos. Esto se lee colocando una hoja de metal delgada justo en frente del lado de la pantalla del CRT. Durante una operación de lectura, el haz escribe en las ubicaciones de bit seleccionadas en la pantalla. Esas ubicaciones en las que se escribió anteriormente ya están agotadas de electrones, por lo que no fluye corriente y no aparece voltaje en la placa. Esto permite que la computadora determine que hubo un "1" en ese lugar. Si la ubicación no se había escrito previamente, el proceso de escritura creará un pozo y se leerá un pulso en la placa, lo que indica un "0".

Leer una ubicación de memoria crea una carga, ya sea que haya o no una previamente allí, destruyendo el contenido original de esa ubicación, por lo que cualquier lectura debe ir seguida de una reescritura para restablecer los datos originales. En algunos sistemas, esto se lograba usando un segundo cañón de electrones dentro del CRT que podía escribir en un lugar mientras el otro leía en el siguiente. Dado que la pantalla se desvanecería con el tiempo, toda la pantalla debía actualizarse periódicamente utilizando el mismo método básico. Como los datos se leen y luego se reescriben inmediatamente, esta operación puede llevarse a cabo mediante un circuito externo mientras la unidad central de procesamiento (CPU) estaba ocupada realizando otras operaciones. Esta operación de actualización es similar a los ciclos de actualización de memoria de DRAM en los sistemas modernos.

Dado que el proceso de actualización hacía que el mismo patrón volviera a aparecer continuamente en la pantalla, era necesario poder borrar los valores escritos anteriormente. Esto normalmente se lograba escribiendo en la pantalla justo al lado de la ubicación original. Los electrones liberados por esta nueva escritura caerían en el pozo previamente escrito, llenándolo. Los sistemas originales producían este efecto escribiendo un pequeño guión, lo que era fácil de lograr sin cambiar los temporizadores maestros y simplemente produciendo la corriente de escritura durante un período un poco más largo. El patrón resultante fue una serie de puntos y rayas. Hubo una cantidad considerable de investigación sobre sistemas de borrado más efectivos, con algunos sistemas que utilizan haces desenfocados o patrones complejos.

Algunos tubos Williams se fabricaron a partir de tubos de rayos catódicos de tipo radar con un revestimiento de fósforo que hacía visibles los datos, mientras que otros tubos se construyeron expresamente sin dicho revestimiento. La presencia o ausencia de este revestimiento no tuvo efecto sobre el funcionamiento del tubo, y no tuvo importancia para los operadores, ya que la cara del tubo estaba cubierta por la placa captadora. Si se necesitaba una salida visible, se usaba como dispositivo de visualización un segundo tubo conectado en paralelo con el tubo de almacenamiento, con un revestimiento de fósforo, pero sin placa captadora.

Desarrollo

Desarrollado en la Universidad de Manchester en Inglaterra, proporcionó el medio en el que se implementó el primer programa de memoria almacenada electrónicamente en la computadora Manchester Baby, que ejecutó con éxito un programa por primera vez el 21 de junio de 1948. De hecho, en lugar del La memoria del tubo de Williams se diseñó para el Bebé, el Bebé fue un banco de pruebas para demostrar la confiabilidad de la memoria. Tom Kilburn escribió un programa de 17 líneas para calcular el factor propio más alto de 218. La tradición en la universidad dice que este fue el único programa que escribió Kilburn.

Los tubos Williams tendían a volverse poco fiables con el tiempo y la mayoría de las instalaciones en funcionamiento tenían que ser "ajustadas" manualmente. Por el contrario, la memoria de línea de retardo de mercurio era más lenta y no tenía un acceso realmente aleatorio, ya que los bits se presentaban en serie, lo que complicaba la programación. Las líneas de retardo también necesitaban un ajuste manual, pero no envejecieron tanto y disfrutaron de cierto éxito en la computación electrónica digital temprana a pesar de sus problemas de tasa de datos, peso, costo, temperatura y toxicidad. El Manchester Mark 1, que usaba válvulas Williams, se comercializó con éxito como Ferranti Mark 1. Algunas de las primeras computadoras en los Estados Unidos también usaron válvulas Williams, incluida la máquina IAS (originalmente diseñada para la memoria de válvulas Selectron), la UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 y Standards Western Automatic Computer (SWAC). Los tubos Williams también se utilizaron en el Strela-1 soviético y en el TAC (Tokyo Automatic Computer) de Japón.