El tubo Williams , o tubo Williams-Kilburn que lleva el nombre de los inventores Freddie Williams y Tom Kilburn , es una de las primeras formas de memoria de computadora . [1] [2] Fue el primer dispositivo de almacenamiento digital de acceso aleatorio y se utilizó con éxito en varias de las primeras computadoras. [3]
El tubo 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 fina lámina de metal situada justo delante de la pantalla. Dado que la pantalla se desvaneció con el tiempo, se actualizó 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 campos eléctricos cercanos y requirió 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 de solicitudes de patente 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 se produce en los tubos de rayos catódicos (CRT). Cuando el haz de electrones incide en 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 provoca que se eliminen electrones del fósforo. Estos electrones viajan una distancia corta antes de ser atraídos hacia la superficie del CRT y caer sobre ella a poca distancia. El efecto general es provocar 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. La carga resultante permanece en la superficie del tubo durante una fracción de segundo mientras los electrones regresan 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 operación de escritura en la memoria de una computadora, almacenando un solo dígito binario o bit . Un punto con carga positiva 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 almacenado 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 informática. 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. Esto impone un límite superior a la densidad de la memoria , y cada tubo Williams normalmente podría almacenar entre 256 y 2560 bits de datos.
Debido a que el haz de electrones está esencialmente libre de inercia y puede moverse a cualquier lugar de la pantalla, la computadora puede acceder a cualquier ubicación, lo que la 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 produjo a través de un efecto secundario provocado por la operación de escritura. Durante el breve período en que se produce 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 delgada hoja de metal justo en frente del lado de la pantalla del CRT. Durante una operación de lectura, el haz primero escribe en las ubicaciones de bits 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 había un "1" en esa ubicación. Si la ubicación no se había escrito previamente, el proceso de escritura creará un pozo y se leerá un pulso en la hoja, indicando un "0". [1]
La lectura de una ubicación de memoria crea una carga, ya sea que haya una allí previamente o no, 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.
Dado que la pantalla se desvanecía con el tiempo, toda la pantalla tenía que actualizarse periódicamente utilizando el mismo método básico. A medida que los datos se leen y luego se reescriben inmediatamente, esta operación se puede realizar 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 la memoria DRAM en los sistemas modernos.
Dado que el proceso de actualización provocaba que el mismo patrón reapareciera continuamente en la pantalla, era necesario poder borrar los valores escritos previamente. 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 cual 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 fue una serie de puntos y rayas. Hubo una cantidad considerable de investigaciones sobre sistemas de borrado más efectivos, y algunos sistemas utilizan haces desenfocados o patrones complejos.
Algunos tubos Williams se fabricaron a partir de tubos de rayos catódicos tipo radar con una capa de fósforo que hacía visibles los datos, mientras que otros tubos se construyeron expresamente sin dicha capa. La presencia o ausencia de este recubrimiento no tuvo ningún efecto sobre el funcionamiento del tubo y no tuvo importancia para los operadores, ya que la cara del tubo estaba cubierta por la placa de recogida. Si se necesitaba una salida visible, se utilizaba como dispositivo de visualización un segundo tubo conectado en paralelo al tubo de almacenamiento, con un revestimiento de fósforo, pero sin placa captadora.
Desarrollado en la Universidad de Manchester en Inglaterra , proporcionó el medio de almacenamiento de programas para el Manchester Baby , la primera computadora electrónica con programas almacenados , que ejecutó con éxito un programa por primera vez el 21 de junio de 1948. [8] En lugar de que la memoria del tubo Williams fuera Diseñado para el Baby, el Baby fue un banco de pruebas para demostrar la fiabilidad de la memoria. [9] [10] Tom Kilburn escribió un programa de 17 líneas 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]
Los tubos Williams tendían a volverse poco fiables con el tiempo y la mayoría de las instalaciones en funcionamiento debían ajustarse 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 ajuste manual, pero no envejecieron tanto y disfrutaron de cierto éxito en la informática electrónica digital temprana a pesar de sus problemas de velocidad de datos, peso, costo, térmico y toxicidad. El Manchester Mark 1 , que utilizaba cámaras Williams, se comercializó con éxito como Ferranti Mark 1 . Algunas de las primeras computadoras en los Estados Unidos también usaban tubos Williams, incluida la máquina IAS (originalmente diseñada para la memoria de tubos Selectron ), la UNIVAC 1103 , la IBM 701 , la IBM 702 y la 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. [12]
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