Магнитный барабан

Магнитный барабан — это устройство для хранения данных, представляющее собой вращающийся цилиндр (барабан), покрытый ферромагнитным материалом, на поверхности которого с помощью магнитных головок производится запись и считывание информации. Относится к классу запоминающих устройств с произвольным доступом и магнитным принципом записи. Являлся одним из основных типов компьютерной памяти в 1950-х — 1960-х годах, предшествуя жёстким дискам (винчестерам) и полупроводниковой памяти.

История

Предпосылки создания

В первой половине XX века основными носителями информации для ЭВМ были перфокарты, перфоленты и магнитные ленты. Все они обладали существенным недостатком — последовательным доступом к данным, что замедляло работу вычислительных машин. Разработка устройств с произвольным доступом стала одной из ключевых задач компьютерной инженерии.

Первые разработки

Идея магнитного барабана была впервые предложена в 1932 году австрийским инженером Густавом Таушеком, который запатентовал устройство для записи и воспроизведения звука на вращающемся магнитном цилиндре. Однако практическое применение в вычислительной технике началось в конце 1940-х годов.

Первым серийным компьютером, использовавшим магнитный барабан в качестве основной памяти, стала машина IBM 650 (1953 год). Барабан этой модели вмещал до 20 000 десятизначных чисел (около 10 000 слов) и вращался со скоростью 12 500 об/мин. IBM 650 стала одним из самых продаваемых компьютеров своего времени, что во многом было обусловлено надёжностью и доступностью барабанной памяти.

Эра магнитных барабанов

В 1950-е — 1960-е годы магнитные барабаны активно использовались в качестве:

• Оперативной памяти (основной памяти) в небольших и средних ЭВМ;
• Внешней памяти (вторичной памяти) в крупных мэйнфреймах;
• Буферной памяти для согласования скоростей работы процессора и медленных устройств ввода-вывода.

Среди известных моделей — IBM 7320 (до 1 миллиона бит), UNIVAC FASTRAND (до 18 миллионов бит), а также барабаны советских ЭВМ «Урал», «Минск», «БЭСМ». В СССР магнитные барабаны выпускались серийно, например, модель МБ-1 (ёмкость 4096 слов) использовалась в машинах серии «Минск».

Упадок и вытеснение

К концу 1960-х годов магнитные барабаны начали уступать место жёстким дискам (HDD), которые обеспечивали:

• Большую плотность записи (за счёт использования нескольких пластин);
• Меньшие габариты;
• Более высокую скорость доступа (за счёт меньшего радиуса дорожек).

Окончательно барабаны были вытеснены из массового применения в 1970-х годах, хотя в некоторых специализированных системах (например, в авиационных бортовых компьютерах) они использовались вплоть до 1980-х годов из-за высокой надёжности и устойчивости к вибрациям.

Устройство и принцип работы

Конструкция

Магнитный барабан состоит из следующих основных элементов:

• Цилиндр (барабан) — металлический или керамический сердечник, покрытый слоем ферромагнитного материала (обычно оксид железа или кобальт). Диаметр барабана варьировался от нескольких сантиметров до метра.
• Привод — электродвигатель, обеспечивающий вращение барабана с постоянной скоростью (от 3000 до 15 000 об/мин).
• Магнитные головки — электромагнитные устройства, расположенные вдоль образующей цилиндра. Каждая головка отвечает за одну дорожку записи.
• Механизм позиционирования — в ранних моделях головки были неподвижными; в более поздних — могли перемещаться вдоль оси барабана для переключения между группами дорожек.

Принцип записи и считывания

Информация записывается на концентрические дорожки, расположенные на поверхности цилиндра. Каждая дорожка представляет собой кольцо, проходящее по окружности барабана. При вращении барабана магнитная головка, находящаяся на фиксированном расстоянии от поверхности, создаёт или считывает магнитные домены.

• Запись: электрический сигнал, соответствующий битам данных, подаётся на головку, создавая магнитное поле, которое перемагничивает участок ферромагнитного покрытия.
• Считывание: при прохождении намагниченного участка под головкой в ней индуцируется электрический сигнал, который усиливается и декодируется.

Организация доступа

В отличие от магнитных лент, где данные расположены последовательно, магнитный барабан обеспечивает произвольный доступ: для чтения любой записи достаточно дождаться, пока нужный сектор не окажется под головкой (время ожидания — до половины оборота). Время доступа складывалось из:

• Времени ожидания (латентности) — до 10–20 мс;
• Времени передачи — зависело от скорости вращения и плотности записи.

Среднее время доступа составляло 5–15 мс, что было значительно быстрее, чем у магнитных лент (секунды и минуты), но медленнее, чем у оперативной памяти на ферритовых сердечниках (микросекунды).

Классификация

По способу размещения головок

• С фиксированными головками — каждая дорожка имеет собственную головку. Обеспечивает максимальную скорость доступа, но увеличивает стоимость и сложность конструкции.
• С подвижными головками — одна или несколько головок перемещаются вдоль оси барабана. Дешевле, но медленнее (время на перемещение головки добавляется к латентности).

По назначению

• Основная память — использовалась как оперативная память в небольших ЭВМ (например, IBM 650).
• Внешняя память — применялась как вторичное хранилище данных (аналог современных HDD).
• Буферная память — использовалась для временного хранения данных при обмене между процессором и медленными периферийными устройствами (например, принтерами).

Характеристики

Типичные характеристики магнитных барабанов 1950-х — 1960-х годов:

Применение

В вычислительной технике

Магнитные барабаны были основным типом памяти в компьютерах первого и второго поколений (на лампах и транзисторах). Они использовались в:

• Научных и инженерных расчётах;
• Обработке коммерческих данных (бухгалтерия, складской учёт);
• Системах управления технологическими процессами;
• Бортовых компьютерах военной и авиационной техники.

В специализированных системах

Благодаря высокой механической прочности и устойчивости к вибрациям, магнитные барабаны применялись в:

• Авиационных самописцах (чёрных ящиках) — например, в советском самописце МС-61;
• Системах управления ракетной техникой;
• Промышленных контроллерах.

Интересные факты

• Магнитный барабан компьютера IBM 650 (1953) весил около 900 кг вместе с блоком питания и охлаждением.
• В СССР магнитные барабаны выпускались на заводе «Счётмаш» в Курске и на заводе вычислительных машин в Пензе.
• Некоторые модели магнитных барабанов использовали ртутные или масляные подшипники для снижения трения и шума.
• Максимальная ёмкость коммерческих магнитных барабанов достигала 4–5 Мбайт (например, IBM 2301), что было огромным объёмом для своего времени.
• Конструкция магнитного барабана стала прообразом для жёстких дисков: в первых HDD (IBM 350 RAMAC, 1956) использовались 50 магнитных дисков диаметром 24 дюйма, но принцип работы был аналогичным.

Источники

• Э. Таненбаум, «Архитектура компьютера», 5-е издание, 2006.
• В. Н. Бусленко, «Автоматизация моделирования сложных систем», 1977.
• IBM Archives: "IBM 650 Magnetic Drum Calculator", 1953.
• А. П. Ершов, «История советской вычислительной техники», 1985.
• "Magnetic Drum Memory", Computer History Museum, 2004.