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如此简单,竟足以登上月球!56年前土星5号登月火箭主控计算机拆解

2021-07-19 10:23:29 来源:EETOP编译自righto

妈妈的朋友2在阿波罗登月计划中,土星五号火箭是由IBM制造的先进机载计算机系统引导的。这个系统是由混合模块构建的,类似于集成电路,但包含了单独的组件。我们从该系统对电路板进行了反向工程,并确定了它的功能:在计算机的I / O单元内部,电路板为计算机选择了不同的数据源。

土星V LVDA的电路板。当我收到该板时,该板已部分拆卸,并且缺少一些芯片

这篇文章解释了电路板的工作原理,从其混合模块内部的微小硅芯片到电路板的电路以及火箭中的接线。

运载火箭数字计算机(LVDC)和运载火箭数据适配器(LVDA)

妈妈的朋友2登月竞赛始于1961年5月25日,当时肯尼迪总统表示,美国将在10年内将人送上月球。这项任务需要三级土星五号火箭,这是有史以来最强大的火箭。土星五号由运载火箭数字计算机(下图)引导和控制,从升空进入地球轨道,然后沿着轨道飞向月球。缺点是它的速度非常慢,一秒钟仅能执行12,000条指令。

LVDC安装在用于测试的支撑框架中。在操作员后面的是一个称为ACME(航空航天计算机手动练习器)的测试系统。背面可以看到

运载火箭数字计算机(LVDC)与运载火箭数据适配器LVDA)配合使用,后者为计算机提供输入/输出功能。计算机与火箭之间的所有通信均通过LVDA进行,LVDA将火箭的模拟信号和28伏控制信号转换为计算机所需的串行二进制数据。LVDA包含用于其各种功能的缓冲器和控制寄存器。LVDA具有模数转换器,可从惯性测量单元的陀螺仪读取数据,数模转换器可为火箭提供控制信号。它还处理了发送到地面并接收到计算机的地面命令的遥测信号。最后,通过LVDA中的冗余开关电源为LVDC供电。

妈妈的朋友2土星5号 LVDA是一个176磅的盒子,可为LVDA提供I / O。它有21个圆形连接器,用于连接火箭的其他部分。

由于LVDA有许多不同的功能,它的体积几乎是LVDC计算机的两倍。下图显示了塞在176磅重的LVDA中的电路。它有两个部分,其中充满了被称为 "页 "的电路板:正面逻辑部分和背面逻辑部分。(我们检查的板子来自正面逻辑部分。) 电源和滤波器位于中间部分。甲醇冷却剂溶液流经LVDA中的通道以保持冷却。LVDA通过两端的21个圆形连接器连接到LVDC和火箭的其他部分。

LVDA的分解图,来自NASA。

二极管晶体管逻辑

建立逻辑门的方法有很多。LVDC和LVDA使用一种称为二极管晶体管逻辑(DTL)的技术,该技术可通过二极管和晶体管构建栅极。它比阿波罗制导计算机使用的电阻晶体管逻辑(RTL)更先进,但不如1970年代非常流行的晶体管晶体管逻辑(TTL)。

妈妈的朋友2LVDC中的标准逻辑门 是执行“(A·B + C·D)'”之类的逻辑功能的“与非”门。它之所以得名,是因为它对输入集进行“与”运算,对它们进行“或”运算,最后将结果求反。AND-OR-INVERT门之所以强大,是因为它可以由许多输入构建,例如(A·B + C·D·E + F·G·H)'。尽管“或-或-反转”门看似复杂,但它只需要一个晶体管,这在每个晶体管都计数的时代很重要。

如果您想了解门的内部工作方式,请查看下图。它显示了具有两个AND项的四输入AND-OR-INVERT门。首先考虑输入A和B,它们都设置为1(高)。上拉电阻4将AND值拉高(红色,1)。相比之下,在较低的AND门中,输入C为0,因此电流流经输入C,从而将AND值拉低(蓝色,0)。因此,二极管和上拉电阻实现“与”门。接下来,查看“或”阶段。顶部“与”(红色)的电流将“或”级拉高(1)。最终,该电流使晶体管导通,将输出拉低(蓝色,0)并提供反相。如果两个AND阶段均为0,则OR阶段不会被拉高。取而代之的是,下拉电阻会将OR值拉低(0),从而关闭晶体管并导致输出拉高(1)。

AND-OR-INVERT门计算(A·B + C·D)'。由于输入A和B均为高电平,因此输出被拉低。

可以使用更多的电阻器或二极管来构建一个“或非”门,以提供所需的尽可能多的输入,每个“与”可能提供许多输入,以及“或”在一起的许多模块。您可能希望AND-OR-INVERT门将在单个芯片上实现,但是LVDC为每个门使用多个芯片,如下所示。不同的芯片具有二极管,电阻器和晶体管的各种组合,它们以灵活的方式连接起来以形成所需的逻辑门。

单元逻辑设备(ULD)

LVDC和LVDA是使用一种有趣的混合技术,称为ULD(单元逻辑设备)构建的。尽管ULD模块从表面上看类似于集成电路,但它们包含多个组件。他们使用简单的硅芯片,每个芯片仅实现一个晶体管或两个二极管。这些管芯与厚膜印刷电阻器一起安装在0.3平方英寸的陶瓷晶片上。这些模块是IBM流行的S / 360系列计算机中使用的SLT(固态逻辑技术)模块的变体。IBM在集成电路于商业上可行之前的1961年开始开发SLT模块,到1966年,IBM每年生产超过1亿个SLT模块。

如下图所示,ULD模块比SLT模块小得多,这使其更适合于紧凑型空间计算机。ULD模块使用扁平陶瓷包装而不是SLT的金属罐,并且在上表面具有金属触点而不是引脚。电路板上的夹子将ULD模块固定在适当的位置,并与这些触点相连。LVDC和LVDA使用了50多种不同类型的ULD。

ULD模块(右)比SLT模块或更现代的DIP集成电路(左)小。SLT模块的一侧大约为0.5英寸,而ULD模块的一侧大约为0.3英寸,并且更薄。

在内部,ULD模块最多包含四个微型方形硅芯片妈妈的朋友2。每个管芯实现两个二极管或一个晶体管。下图显示了完整的ULD模块旁边的ULD模块的内部组件。在左侧,在陶瓷晶片上可见电路迹线,该晶片与四个微小的方形硅管芯相连。尽管它看起来像印刷电路板,但请记住,它比指甲小得多。厚膜电阻器印在模块的底部,因此看不见。

打开类型为“ INV”的ULD以显示内部的四个硅芯片。右上角的芯片是晶体管,其他三个芯片是双二极管。该模块由粉红色的硅胶保护,该硅胶已被移除以显示电路。

下面的显微镜照片显示了来自实现了两个二极管的ULD模块的硅芯片妈妈的朋友2,该裸片非常小。为了进行比较,在裸片旁边用糖粒进行了对比。裸片有三个外部连接,通过铜球焊接到三个圆圈。掺杂两个下部的圆(较暗的区域)以形成两个二极管的阳极,而上部的圆是连接到基板的阴极。请注意,这个裸片的复杂程度甚至比基本的集成电路还要低得多。

两二极管硅片的照片,紧挨着糖晶体

妈妈的朋友2下面的示意图显示了前面显示的“ INV”模块内部的电路。左侧形成一个具有单个输入的AND-OR-INVERT门。具有单个输入的门看似毫无意义,但可以将附加的AND输入连接到引脚1,将附加的OR门连接到引脚3。原理图的右侧提供了可用作附加输入的组件。

“ INV”逆变器模块的示意图。

该评估板还使用AND门模块(类型“ AA”和“ AB”),如下所示。请记住,这些不是独立的门,而是可以连接到INV芯片以提供更多AND或OR输入的组件。6 这些模块可以通过许多灵活的方式进行连接。没有特定的输入和输出。一种常见的配置是将AA芯片的一半用作三输入与门。如果需要,AB芯片的一部分可以提供两个以上的输入。

“ AA”型和“ AB”型与门的内部示意图。

下图显示了AA栅极内的半导体(双二极管)。您可以根据需要将组件与上面的示意图匹配;引脚1和5(通用引脚)最为有趣。请注意,引脚编号与标准IC方案不匹配。

打开了类型为“ AA”的ULD,以显示内部的四个硅芯片。四个管芯是连接了阴极的双二极管。

电路板电路

为了确定电路板的功能,我们用万用表不厌其烦地测量芯片之间的连接,以创建接线图。该板用于实现7路输入的多路复用器,选择7条输入线之一并将其值存储在锁存器中。借助1960年代的技术,此简单功能需要用到需要一整块板子的芯片

妈妈的朋友2下面的原理图是电路板的简化图。在左边,电路板接收7路输入信号,其中6路是28伏的信号,需要缓冲后才能产生逻辑信号,而第7路已经是6伏的逻辑信号。7条选择线中的一条通电后选择相应的输入,然后将其存储在锁存器中。当 "复位多路复用器 "信号和 "多路复用器地址 "导通时,锁存器被复位。

电路板的简化原理图。它是一个多路复用器,它选择六个输入之一并将其值存储在锁存器中。

虽然该原理图显示了许多逻辑门,但它仅由两个AND-OR-INVERT门实现。黄色的门形成一个大的“或非”门,而蓝色的门形成另一个。(两个黄色的OR门合并为一个。)这两个门在八个芯片上实现:两个INV类型的芯片,四个AA和两个AB。这说明了AND-OR-INVERT逻辑模型的灵活性和可扩展性,但同时也表明电路使用许多芯片。注意,逻辑电路中只有两个晶体管(每个INV芯片一个)。几乎所有的逻辑都是用二极管实现的。

缓冲电路

板上的26个芯片中,有18个是模拟芯片,用于缓冲和处理输入信号。输入为28伏信号,而逻辑要求为6伏信号。每个输入(#7除外)都通过“开关量接口电路”,该电路将输入转换为逻辑信号。下图是由321、322和323型芯片构建的电路。由于321芯片只由电阻组成(在下部),所以从顶部看芯片是空的。322芯片包含一个二极管,而323芯片包含两个晶体管。(323的照片中没有裸片,和322一样是小方块)。

开关量输入电路,类型A(DIA)

下图总结了电路板的结构。中间的八个逻辑芯片以绿色概述。六个输入缓冲器中的每个缓冲器都由三个芯片(321、322和323)组成。通过这些芯片的信号流以蓝色箭头显示。板上有35个芯片斑点,其中26个被使用。通过将芯片妈妈的朋友2放在空的位置,可以将同一块电路板重新用于功能稍有不同的功能。

电路板的输入路径为蓝色,逻辑电路为绿色。原始照片由Fran Blanche提供。

LVDA线路板的作用

妈妈的朋友2该评估板是LVDA子系统(称为“系统数据采样器”)中多路复用器的一部分,该子系统选择信号并将其发送到计算机或地面进行遥测。系统数据采样器由一个从八个信号中选择一个的多路复用器和一个将14位数据转换为串行形式的串行器选择器组成。多路复用器有几个数据源:RCA-110地面计算机,在发射前已与火箭连接;“命令接收器”,在火箭发射后从地面接收计算机命令;提供各种开关量信号的“控制分配器”盒; “备用开关量输入”;来自“开关选择器”的反馈,这是计算机用来控制火箭的中继箱;来自数字数据采集系统(DDAS)的遥测;和实时数据。

从物理上讲,这些数据源中很多都是仪器单元中的大盒子。例如,“控制分配器”是LVDA旁边的一个35磅重的盒子,通过一条粗电缆连接。LVDA的“命令接收器”输入来自“命令解码器”,这是一个7.5磅的盒子,与提供无线电输入和输出的其他盒子相连。由于LVDA已通过电缆连接到仪器装置中的许多不同设备,因此需要21个连接器。

LVDA,LVDC,命令解码器和控制分配器在仪器单元中的位置。

电路板的物理结构

LVDA和LVDC中的电路板使用了有趣的构造技术来承受火箭的高加速度和振动,并保持电路的冷却。我检查的电路板已损坏,没有安装框架,但下面的照片显示了一个完整的单元,称为“页面”。页面的框架由镁锂合金制成,兼具轻质,强度和良好的传热性能。来自电路板的热量通过框架流到LVDA或LVDC的机架,该机架通过甲醇流过机架中钻出的通道而被液体冷却。

在LDVC中实现了投票电路

每页可容纳两个电路板,一个在前面,一个在后面。印刷电路板有12层,这在1960年代是非常高的。(即使在1970年代,商用PCB通常也只有两层。)页面上有98针的连接器,每个PCB都有49个连接。两个板通过板顶部的30个“直通针”连接。每块板的顶部还具有18个测试连接。这些允许在安装板时探测信号。(IBM在其系统/ 4 航天计算机重用此页面构造。)

我们检查过的电路板已与页面中的其他电路板强行分开。下图显示了板子的背面。通孔销在顶部可见;他们将被连接到另一块板上。在底部,可以看到从连接器到缺少的板的49个连接。电路板的一些绝缘层已被去除,在每个ULD模块位置显示了12个过孔。这些提供了从芯片引脚到电路板12个层中任何一层的连接。

妈妈的朋友2LVDA板的背面。最初在此侧安装了第二块板,但已卸下。

结论

这个小电路板展示了1960年代有关计算的几个故事。

该板使用混合模块,而不是全新的集成电路。尽管该技术可能看起来很落后,但这是IBM在IBM System / 360系列产品上取得成功的关键。这些计算机几乎是56年前(1964年4月7日)问世的,它使用具有“与-或-非”逻辑的混合SLT模块。这些计算机多年来一直在市场上占主导地位,而System / 360架构仍受IBM大型机的支持。

LVDC和LVDA也导致了1967年宣布的IBM的System / 4 Pi航天计算机产品线。这些计算机使用了与该板相同的“页面”设计和连接器,即使它们放弃了用于扁平封装TTL妈妈的朋友2集成电路的ULD模块。System / 4 Pi系列计算机演变为航天飞机上使用的AP-101S计算机。

最后,该电路板显示了自20世纪60年代以来技术的显著改进。每个ULD模块最多包含4个晶体管,因此即使是像多路复用器这样的基本电路也需要一整块模块板。现在,一个iPhone处理器有超过80亿个晶体管。如此简单的技术,竟然足以登上月球。

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