如此簡單竟足以登上月球！56年前土星5號登月火箭主控計算機拆解_風聞

來源：EETOP

在阿波羅登月計劃中，土星五號火箭是由IBM製造的先進機載計算機系統引導的。這個系統是由混合模塊構建的，類似於集成電路，但包含了單獨的組件。我們從該系統對電路板進行了反向工程，並確定了它的功能：在計算機的I / O單元內部，電路板為計算機選擇了不同的數據源。

土星V LVDA的電路板。當我收到該板時，該板已部分拆卸，並且缺少一些芯片。

這篇文章解釋了電路板的工作原理，從其混合模塊內部的微小硅芯片到電路板的電路以及火箭中的接線。

運載火箭數字計算機（LVDC）和運載火箭數據適配器（LVDA）

登月競賽始於1961年5月25日，當時肯尼迪總統表示，美國將在10年內將人送上月球。這項任務需要三級土星五號火箭，這是有史以來最強大的火箭。土星五號由運載火箭數字計算機（下圖）引導和控制，從升空進入地球軌道，然後沿着軌道飛向月球。缺點是它的速度非常慢，一秒鐘僅能執行12,000條指令(大約相當於主頻10M)。

LVDC安裝在用於測試的支撐框架中。在操作員後面的是一個稱為ACME（航空航天計算機手動練習器）的測試系統。背面可以看到ACME紙帶閲讀器。

運載火箭數字計算機（LVDC）與運載火箭數據適配器LVDA）配合使用，後者為計算機提供輸入/輸出功能。計算機與火箭之間的所有通信均通過LVDA進行，LVDA將火箭的模擬信號和28伏控制信號轉換為計算機所需的串行二進制數據。LVDA包含用於其各種功能的緩衝器和控制寄存器。LVDA具有模數轉換器，可從慣性測量單元的陀螺儀讀取數據，數模轉換器可為火箭提供控制信號。它還處理了發送到地面並接收到計算機的地面命令的遙測信號。最後，通過LVDA中的冗餘開關電源為LVDC供電。

土星5號 LVDA是一個176磅的盒子，可為LVDA提供I / O。它有21個圓形連接器，用於連接火箭的其他部分。

由於LVDA有許多不同的功能，它的體積幾乎是LVDC計算機的兩倍。下圖顯示了塞在176磅重的LVDA中的電路。它有兩個部分，其中充滿了被稱為 “頁 “的電路板：正面邏輯部分和背面邏輯部分。(我們檢查的板子來自正面邏輯部分。) 電源和濾波器位於中間部分。甲醇冷卻劑溶液流經LVDA中的通道以保持冷卻。LVDA通過兩端的21個圓形連接器連接到LVDC和火箭的其他部分。

LVDA的分解圖，來自NASA。

二極管晶體管邏輯

建立邏輯門的方法有很多。LVDC和LVDA使用一種稱為二極管晶體管邏輯（DTL）的技術，該技術可通過二極管和晶體管構建柵極。它比阿波羅制導計算機使用的電阻晶體管邏輯（RTL）更先進，但不如1970年代非常流行的晶體管晶體管邏輯（TTL）。

LVDC中的標準邏輯門 是執行“（A·B + C·D）’”之類的邏輯功能的“與非”門。它之所以得名，是因為它對輸入集進行“與”運算，對它們進行“或”運算，最後將結果求反。AND-OR-INVERT門之所以強大，是因為它可以由許多輸入構建，例如（A·B + C·D·E + F·G·H）’。儘管“或-或-反轉”門看似複雜，但它只需要一個晶體管，這在每個晶體管都計數的時代很重要。

如果您想了解門的內部工作方式，請查看下圖。它顯示了具有兩個AND項的四輸入AND-OR-INVERT門。首先考慮輸入A和B，它們都設置為1（高）。上拉電阻4將AND值拉高（紅色，1）。相比之下，在較低的AND門中，輸入C為0，因此電流流經輸入C，從而將AND值拉低（藍色，0）。因此，二極管和上拉電阻實現“與”門。接下來，查看“或”階段。頂部“與”（紅色）的電流將“或”級拉高（1）。最終，該電流使晶體管導通，將輸出拉低（藍色，0）並提供反相。如果兩個AND階段均為0，則OR階段不會被拉高。取而代之的是，下拉電阻會將OR值拉低（0），從而關閉晶體管並導致輸出拉高（1）。

AND-OR-INVERT門計算（A·B + C·D）’。由於輸入A和B均為高電平，因此輸出被拉低。

可以使用更多的電阻器或二極管來構建一個“或非”門，以提供所需的儘可能多的輸入，每個“與”可能提供許多輸入，以及“或”在一起的許多模塊。您可能希望AND-OR-INVERT門將在單個芯片上實現，但是LVDC為每個門使用多個芯片，如下所示。不同的芯片具有二極管，電阻器和晶體管的各種組合，它們以靈活的方式連接起來以形成所需的邏輯門。

單元邏輯設備（ULD）

LVDC和LVDA是使用一種有趣的混合技術，稱為ULD（單元邏輯設備）構建的。儘管ULD模塊從表面上看類似於集成電路，但它們包含多個組件。他們使用簡單的硅芯片，每個芯片僅實現一個晶體管或兩個二極管。這些管芯與厚膜印刷電阻器一起安裝在0.3平方英寸的陶瓷晶片上。這些模塊是IBM流行的S / 360系列計算機中使用的SLT（固態邏輯技術）模塊的變體。IBM在集成電路於商業上可行之前的1961年開始開發SLT模塊，到1966年，IBM每年生產超過1億個SLT模塊。

如下圖所示，ULD模塊比SLT模塊小得多，這使其更適合於緊湊型空間計算機。ULD模塊使用扁平陶瓷包裝而不是SLT的金屬罐，並且在上表面具有金屬觸點而不是引腳。電路板上的夾子將ULD模塊固定在適當的位置，並與這些觸點相連。LVDC和LVDA使用了50多種不同類型的ULD。

ULD模塊（右）比SLT模塊或更現代的DIP集成電路（左）小。SLT模塊的一側大約為0.5英寸，而ULD模塊的一側大約為0.3英寸，並且更薄。

在內部，ULD模塊最多包含四個微型方形硅芯片。每個管芯實現兩個二極管或一個晶體管。下圖顯示了完整的ULD模塊旁邊的ULD模塊的內部組件。在左側，在陶瓷晶片上可見電路跡線，該晶片與四個微小的方形硅管芯相連。儘管它看起來像印刷電路板，但請記住，它比指甲小得多。厚膜電阻器印在模塊的底部，因此看不見。

打開類型為“ INV”的ULD以顯示內部的四個硅芯片。右上角的芯片是晶體管，其他三個芯片是雙二極管。該模塊由粉紅色的硅膠保護，該硅膠已被移除以顯示電路。

下面的顯微鏡照片顯示了來自實現了兩個二極管的ULD模塊的硅芯片，該裸片非常小。為了進行比較，在裸片旁邊用糖粒進行了對比。裸片有三個外部連接，通過銅球焊接到三個圓圈。摻雜兩個下部的圓（較暗的區域）以形成兩個二極管的陽極，而上部的圓是連接到基板的陰極。請注意，這個裸片的複雜程度甚至比基本的集成電路還要低得多。

兩二極管硅片的照片,緊挨着糖晶體

下面的示意圖顯示了前面顯示的“ INV”模塊內部的電路。左側形成一個具有單個輸入的AND-OR-INVERT門。具有單個輸入的門看似毫無意義，但可以將附加的AND輸入連接到引腳1，將附加的OR門連接到引腳3。原理圖的右側提供了可用作附加輸入的組件。

“ INV”逆變器模塊的示意圖。

該評估板還使用AND門模塊（類型“ AA”和“ AB”），如下所示。請記住，這些不是獨立的門，而是可以連接到INV芯片以提供更多AND或OR輸入的組件。6 這些模塊可以通過許多靈活的方式進行連接。沒有特定的輸入和輸出。一種常見的配置是將AA芯片的一半用作三輸入與門。如果需要，AB芯片的一部分可以提供兩個以上的輸入。

“ AA”型和“ AB”型與門的內部示意圖。

下圖顯示了AA柵極內的半導體（雙二極管）。您可以根據需要將組件與上面的示意圖匹配；引腳1和5（通用引腳）最為有趣。請注意，引腳編號與標準IC方案不匹配。

打開了類型為“ AA”的ULD，以顯示內部的四個硅芯片。四個管芯是連接了陰極的雙二極管。

電路板電路

為了確定電路板的功能，我們用萬用表不厭其煩地測量出芯片之間的連接，以創建接線圖。該板用於實現7路輸入的多路複用器，選擇7條輸入線之一併將其值存儲在鎖存器中。藉助1960年代的技術，此簡單功能需要用到需要一整塊板子的芯片。

下面的原理圖是電路板的簡化圖。在左邊，電路板接收7路輸入信號，其中6路是28伏的信號，需要緩衝後才能產生邏輯信號，而第7路已經是6伏的邏輯信號。7條選擇線中的一條通電後選擇相應的輸入，然後將其存儲在鎖存器中。當 “復位多路複用器 “信號和 “多路複用器地址 “導通時，鎖存器被複位。

電路板的簡化原理圖。它是一個多路複用器，它選擇六個輸入之一併將其值存儲在鎖存器中。

雖然該原理圖顯示了許多邏輯門，但它僅由兩個AND-OR-INVERT門實現。黃色的門形成一個大的“或非”門，而藍色的門形成另一個。（兩個黃色的OR門合併為一個。）這兩個門在八個芯片上實現：兩個INV類型的芯片，四個AA和兩個AB。這説明了AND-OR-INVERT邏輯模型的靈活性和可擴展性，但同時也表明電路使用許多芯片。注意，邏輯電路中只有兩個晶體管（每個INV芯片一個）。幾乎所有的邏輯都是用二極管實現的。

緩衝電路

板上的26個芯片中，有18個是模擬芯片，用於緩衝和處理輸入信號。輸入為28伏信號，而邏輯要求為6伏信號。每個輸入（＃7除外）都通過“開關量接口電路”，該電路將輸入轉換為邏輯信號。下圖是由321、322和323型芯片構建的電路。由於321芯片只由電阻組成（在下部），所以從頂部看芯片是空的。322芯片包含一個二極管，而323芯片包含兩個晶體管。(323的照片中沒有裸片，和322一樣是小方塊)。

開關量輸入電路，類型A（DIA）

下圖總結了電路板的結構。中間的八個邏輯芯片以綠色概述。六個輸入緩衝器中的每個緩衝器都由三個芯片（321、322和323）組成。通過這些芯片的信號流以藍色箭頭顯示。板上有35個芯片斑點，其中26個被使用。通過將芯片放在空的位置，可以將同一塊電路板重新用於功能稍有不同的功能。

電路板的輸入路徑為藍色，邏輯電路為綠色。原始照片由Fran Blanche提供。

LVDA線路板的作用

該評估板是LVDA子系統（稱為“系統數據採樣器”）中多路複用器的一部分，該子系統選擇信號並將其發送到計算機或地面進行遙測。系統數據採樣器由一個從八個信號中選擇一個的多路複用器和一個將14位數據轉換為串行形式的串行器選擇器組成。多路複用器有幾個數據源：RCA-110地面計算機，在發射前已與火箭連接；“命令接收器”，在火箭發射後從地面接收計算機命令；提供各種開關量信號的“控制分配器”盒； “備用開關量輸入”；來自“開關選擇器”的反饋，這是計算機用來控制火箭的中繼箱；來自數字數據採集系統（DDAS）的遙測；和實時數據。

從物理上講，這些數據源中很多都是儀器單元中的大盒子。例如，“控制分配器”是LVDA旁邊的一個35磅重的盒子，通過一條粗電纜連接。LVDA的“命令接收器”輸入來自“命令解碼器”，這是一個7.5磅的盒子，與提供無線電輸入和輸出的其他盒子相連。由於LVDA已通過電纜連接到儀器裝置中的許多不同設備，因此需要21個連接器。

LVDA，LVDC，命令解碼器和控制分配器在儀器單元中的位置。

電路板的物理結構

LVDA和LVDC中的電路板使用了有趣的構造技術來承受火箭的高加速度和振動，並保持電路的冷卻。我檢查的電路板已損壞，沒有安裝框架，但下面的照片顯示了一個完整的單元，稱為“頁面”。頁面的框架由鎂鋰合金製成，兼具輕質，強度和良好的傳熱性能。來自電路板的熱量通過框架流到LVDA或LVDC的機架，該機架通過甲醇流過機架中鑽出的通道而被液體冷卻。

在LDVC中實現了投票電路

每頁可容納兩個電路板，一個在前面，一個在後面。印刷電路板有12層，這在1960年代是非常高的。（即使在1970年代，商用PCB通常也只有兩層。）頁面上有98針的連接器，每個PCB都有49個連接。兩個板通過板頂部的30個“直通針”連接。每塊板的頂部還具有18個測試連接。這些允許在安裝板時探測信號。（IBM在其系統/ 4 航天計算機重用此頁面構造。）

我們檢查過的電路板已與頁面中的其他電路板強行分開。下圖顯示了板子的背面。通孔銷在頂部可見；他們將被連接到另一塊板上。在底部，可以看到從連接器到缺少的板的49個連接。電路板的一些絕緣層已被去除，在每個ULD模塊位置顯示了12個過孔。這些提供了從芯片引腳到電路板12個層中任何一層的連接。

LVDA板的背面。最初在此側安裝了第二塊板，但已卸下。

結論

這個小電路板展示了1960年代有關計算的幾個故事。

該板使用混合模塊，而不是全新的集成電路。儘管該技術可能看起來很落後，但這是IBM在IBM System / 360系列產品上取得成功的關鍵。這些計算機幾乎是56年前（1964年4月7日）問世的，它使用具有“與-或-非”邏輯的混合SLT模塊。這些計算機多年來一直在市場上占主導地位，而System / 360架構仍受IBM大型機的支持。

LVDC和LVDA也導致了1967年宣佈的IBM的System / 4 Pi航天計算機產品線。這些計算機使用了與該板相同的“頁面”設計和連接器，即使它們放棄了用於扁平封裝TTL集成電路的ULD模塊。System / 4 Pi系列計算機演變為航天飛機上使用的AP-101S計算機。

最後，該電路板顯示了自20世紀60年代以來技術的顯著改進。每個ULD模塊最多包含4個晶體管，因此即使是像多路複用器這樣的基本電路也需要一整塊模塊板。現在，一個iPhone處理器有超過80億個晶體管。如此簡單的技術，竟然足以登上月球。