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ag手机登录官方网站:如此简朴竟足以登上月球!56年前土星5号登月火箭主控盘算机拆解

更新时间:2021-10-07
本文摘要:在阿波罗登月计划中,土星五号火箭是由IBM制造的先进机载盘算机系统引导的。

在阿波罗登月计划中,土星五号火箭是由IBM制造的先进机载盘算机系统引导的。这个系统是由混淆模块构建的,类似于集成电路,但包罗了单独的组件。我们从该系统对电路板举行了反向工程,并确定了它的功效:在盘算机的I / O单元内部,电路板为盘算机选择了差别的数据源。

土星V LVDA的电路板。当我收到该板时,该板已部门拆卸,而且缺少一些芯片。

这篇文章解释了电路板的事情原理,从其混淆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。运载火箭数字盘算机(LVDC)和运载火箭数据适配器(LVDA)登月竞赛始于1961年5月25日,其时肯尼迪总统表现,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盘算机(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。

缺点是它的速度很是慢,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(航空航天盘算机手动训练器)的测试系统。

反面可以看到ACME纸带阅读器。运载火箭数字盘算机(LVDC)与运载火箭数据适配器LVDA)配合使用,后者为盘算机提供输入/输出功效。

盘算机与火箭之间的所有通信均通过LVDA举行,LVDA将火箭的模拟信号和28伏控制信号转换为盘算机所需的串行二进制数据。LVDA包罗用于其种种功效的缓冲器和控制寄存器。

LVDA具有模数转换器,可从惯性丈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。它还处置惩罚了发送到地面并吸收到盘算机的地面下令的遥测信号。

最后,通过LVDA中的冗余开关电源为LVDC供电。土星5号 LVDA是一个176磅的盒子,可为LVDA提供I / O。它有21个圆形毗连器,用于毗连火箭的其他部门。由于LVDA有许多差别的功效,它的体积险些是LVDC盘算机的两倍。

下图显示了塞在176磅重的LVDA中的电路。它有两个部门,其中充满了被称为 "页 "的电路板:正面逻辑部门和反面逻辑部门。

(我们检查的板子来自正面逻辑部门。) 电源和滤波器位于中间部门。甲醇冷却剂溶液流经LVDA中的通道以保持冷却。

LVDA通过两头的21个圆形毗连器毗连到LVDC和火箭的其他部门。LVDA的剖析图,来自NASA。

二极管晶体管逻辑建设逻辑门的方法有许多。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。它比阿波罗制导盘算机使用的电阻晶体管逻辑(RTL)更先进,但不如1970年月很是盛行的晶体管晶体管逻辑(TTL)。

LVDC中的尺度逻辑门 是执行“(A·B + C·D)'”之类的逻辑功效的“与非”门。它之所以得名,是因为它对输入集举行“与”运算,对它们举行“或”运算,最后将效果求反。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)'。

只管“或-或-反转”门看似庞大,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。如果您想相识门的内部事情方式,请检察下图。

它显示了具有两个AND项的四输入AND-OR-INVERT门。首先思量输入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,检察“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门盘算(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,可是LVDC为每个门使用多个芯片,如下所示。差别的芯片具有二极管,电阻器和晶体管的种种组合,它们以灵活的方式毗连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淆技术,称为ULD(单元逻辑设备)构建的。

只管ULD模块从外貌上看类似于集成电路,但它们包罗多个组件。他们使用简朴的硅芯片,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盛行的S / 360系列盘算机中使用的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每年生产凌驾1亿个SLT模块。

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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盘算机。ULD模块使用扁平陶瓷包装而不是SLT的金属罐,而且在上外貌具有金属触点而不是引脚。电路板上的夹子将ULD模块牢固在适当的位置,并与这些触点相连。

LVDC和LVDA使用了50多种差别类型的ULD。ULD模块(右)比SLT模块或更现代的DIP集成电路(左)小。

SLT模块的一侧约莫为0.5英寸,而ULD模块的一侧约莫为0.3英寸,而且更薄。在内部,ULD模块最多包罗四个微型方形硅芯片。

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。只管它看起来像印刷电路板,但请记着,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掩护,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,该裸片很是小。为了举行比力,在裸片旁边用糖粒举行了对比。

裸片有三个外部毗连,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,而上部的圆是毗连到基板的阴极。请注意,这个裸片的庞大水平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输入毗连到引脚1,将附加的OR门毗连到引脚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。请记着,这些不是独立的门,而是可以毗连到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举行毗连。没有特定的输入和输出。一种常见的设置是将AA芯片的一半用作三输入与门。

如果需要,AB芯片的一部门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)。您可以凭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,引脚编号与尺度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。四个管芯是毗连了阴极的双二极管。电路板电路为了确定电路板的功效,我们用万用表不厌其烦地丈量出芯片之间的毗连,以建立接线图。

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年月的技术,此简朴功效需要用到需要一整块板子的芯片。

下面的原理图是电路板的简化图。在左边,电路板吸收7路输入信号,其中6路是28伏的信号,需要缓冲后才气发生逻辑信号,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。这说明晰AND-OR-INVERT逻辑模型的灵活性和可扩展性,但同时也讲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)。险些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,用于缓冲和处置惩罚输入信号。

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。

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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芯片包罗一个二极管,而323芯片包罗两个晶体管。(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个芯片黑点,其中26个被使用。

通过将芯片放在空的位置,可以将同一块电路板重新用于功效稍有差别的功效。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门,该子系统选择信号并将其发送到盘算机或地面举行遥测。

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地面盘算机,在发射前已与火箭毗连;“下令吸收器”,在火箭发射后从地面吸收盘算机下令;提供种种开关量信号的“控制分配器”盒; “备用开关量输入”;来自“开关选择器”的反馈,这是盘算机用来控制火箭的中继箱;来自数字数据收罗系统(DDAS)的遥测;和实时数据。从物理上讲,这些数据源中许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,通过一条粗电缆毗连。LVDA的“下令吸收器”输入来自“下令解码器”,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已通过电缆毗连到仪器装置中的许多差别设备,因此需要21个毗连器。

LVDA,LVDC,下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结构技术来蒙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年月是很是高的。(纵然在1970年月,商用PCB通常也只有两层。

)页面上有98针的毗连器,每个PCB都有49个毗连。两个板通过板顶部的30个“直通针”毗连。每块板的顶部还具有18个测试毗连。

这些允许在安装板时探测信号。(IBM在其系统/ 4 航天盘算机重用此页面结构。)我们检查过的电路板已与页面中的其他电路板强行离开。

下图显示了板子的反面。通孔销在顶部可见;他们将被毗连到另一块板上。在底部,可以看到从毗连器到缺少的板的49个毗连。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个层中任何一层的毗连。LVDA板的反面。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年月有关盘算的几个故事。该板使用混淆模块,而不是全新的集成电路。只管该技术可能看起来很落伍,但这是IBM在IBM System / 360系列产物上取得乐成的关键。这些盘算机险些是56年前(1964年4月7日)问世的,它使用具有“与-或-非”逻辑的混淆SLT模块。

这些盘算机多年来一直在市场上占主导职位,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航天盘算机产物线。

这些盘算机使用了与该板相同的“页面”设计和毗连器,纵然它们放弃了用于扁平封装TTL集成电路的ULD模块。System / 4 Pi系列盘算机演变为航天飞机上使用的AP-101S盘算机。最后,该电路板显示了自20世纪60年月以来技术的显著革新。

每个ULD模块最多包罗4个晶体管,因此纵然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处置惩罚器有凌驾80亿个晶体管。如此简朴的技术,竟然足以登上月球。


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