El tubo Williams , o tubo Williams-Kilburn, llamado así por los inventores Freddie Williams y Tom Kilburn , es una forma temprana de memoria de computadora . [1] [2] Fue el primer dispositivo de almacenamiento digital de acceso aleatorio y se utilizó con éxito en varias computadoras tempranas. [3]
El tubo Williams funciona mostrando una cuadrícula de puntos en un tubo de rayos catódicos (TRC). Debido a la forma en que funcionan los TRC, esto crea una pequeña carga de electricidad estática sobre cada punto. La carga en la ubicación de cada uno de los puntos es leída por una fina lámina de metal justo en frente de la pantalla. Como la pantalla se desvanecía con el tiempo, se actualizaba periódicamente. Funciona más rápido que la memoria de línea de retardo acústica anterior , a la velocidad de los electrones dentro del tubo de vacío, en lugar de a la velocidad del sonido . El sistema se veía afectado negativamente por los campos eléctricos cercanos y requería ajustes frecuentes para seguir funcionando. 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, [4] y el 2 de octubre de 1947, [5] seguidas por solicitudes de patentes estadounidenses el 10 de diciembre de 1947, [6] y el 16 de mayo de 1949. [7]
El tubo Williams depende de un efecto llamado emisión secundaria que ocurre en los tubos de rayos catódicos (TRC). 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 determinado (dependiendo de la mezcla de fósforo), también hace que los electrones sean expulsados del fósforo. Estos electrones viajan una corta distancia antes de ser atraídos de regreso a la superficie del TRC y caer sobre ella a una corta distancia. 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 caen esos electrones. El pozo de carga resultante permanece en la superficie del tubo durante una fracción de segundo mientras los electrones fluyen de regreso a sus ubicaciones originales. [1] 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 la operación de escritura en una memoria de computadora, almacenando un solo dígito binario, o bit . Un punto cargado positivamente se borra (llenando el pozo de carga) dibujando un segundo punto inmediatamente adyacente al que se va a borrar (la mayoría de los sistemas hicieron esto dibujando un guión corto comenzando en la posición del punto, la extensión del guión borró la carga almacenada inicialmente en el punto de inicio). 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 duraran más, pero requirió 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 impone un límite superior a la densidad de memoria y cada tubo Williams podía almacenar normalmente entre 256 y 2560 bits de datos.
Como el haz de electrones es esencialmente libre de inercia y se puede mover a cualquier parte de la pantalla, la computadora puede acceder a cualquier ubicación, lo que lo convierte en una memoria de acceso aleatorio. Normalmente, la computadora cargaría la dirección de memoria 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 se llevó a cabo a través de un efecto secundario causado por la operación de escritura. Durante el breve período en que se lleva a cabo 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 lámina fina de metal justo delante del lado de la pantalla del CRT. Durante una operación de lectura, el haz escribe primero en las ubicaciones de bits seleccionadas en la pantalla. Las 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 había un "1" en esa ubicación. Si la ubicación no se había escrito anteriormente, el proceso de escritura creará un pozo y se leerá un pulso en la hoja, lo que indica un "0". [1]
La lectura de una ubicación de memoria crea un pozo de carga, independientemente de si había una previamente allí, destruyendo así el contenido original de esa ubicación. Por lo tanto, cualquier lectura debe ir seguida de una reescritura para restablecer los datos originales. En algunos sistemas, esto se lograba utilizando un segundo cañón de electrones dentro del CRT que podía escribir en una ubicación mientras el otro leía la siguiente.
Como la pantalla se apagaba con el tiempo, era necesario actualizarla periódicamente utilizando el mismo método básico. Como los datos se leen y luego se reescriben de inmediato, esta operación puede realizarse mediante circuitos externos mientras la unidad central de procesamiento (CPU) está ocupada realizando otras operaciones. Esta operación de actualización es similar a los ciclos de actualización de la memoria DRAM en los sistemas modernos.
Como el proceso de actualización hacía que el mismo patrón reapareciera continuamente en la pantalla, era necesario poder borrar los valores escritos anteriormente. Esto se hacía normalmente escribiendo en la pantalla justo al lado de la ubicación original. Los electrones liberados por esta nueva escritura caían en el espacio 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 ligeramente más largo. El patrón resultante era una serie de puntos y rayas. Se realizó una cantidad considerable de investigación sobre sistemas de borrado más efectivos, y algunos sistemas utilizaban haces desenfocados o patrones complejos.
Algunos tubos Williams estaban hechos de tubos de rayos catódicos de tipo radar con un revestimiento de fósforo que hacía visibles los datos, mientras que otros tubos estaban construidos especialmente sin dicho revestimiento. La presencia o ausencia de este revestimiento no tenía ningún efecto sobre el funcionamiento del tubo y no era de importancia para los operadores, ya que la cara del tubo estaba cubierta por la placa de captación. Si se necesitaba una salida visible, se utilizaba como dispositivo de visualización un segundo tubo conectado en paralelo con el tubo de almacenamiento, con un revestimiento de fósforo, pero sin placa de captación.
Desarrollado en la Universidad de Manchester en Inglaterra , proporcionó el medio de almacenamiento de programas para el Manchester Baby , la primera computadora electrónica con programa almacenado , que ejecutó con éxito un programa por primera vez el 21 de junio de 1948. [8] En lugar de que la memoria de tubo Williams estuviera diseñada para el Baby, el Baby fue un banco de pruebas para demostrar la confiabilidad de la memoria. [9] [10] Tom Kilburn escribió un programa de 17 instrucciones para calcular el factor propio más alto de números tan grandes como 2 18 . La tradición en la universidad dice que este fue el único programa que Kilburn escribió. [11]
Las válvulas Williams tendían a volverse poco fiables con el tiempo, y la mayoría de las instalaciones en funcionamiento tenían que ser ajustadas a mano. Por el contrario, la memoria de línea de retardo de mercurio era más lenta y no de acceso 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 envejecían tan mal y disfrutaron de cierto éxito en la informática electrónica digital temprana a pesar de sus problemas de velocidad 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 usaban válvulas Williams, incluida la máquina IAS (originalmente diseñada para la memoria de válvulas Selectron ), la UNIVAC 1103 , IBM 701 , IBM 702 y la Standards Western Automatic Computer (SWAC). Las válvulas Williams también se usaron en la Strela-1 soviética y en la TAC (Tokyo Automatic Computer) de Japón. [12]
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