🎾 🤧 🖼️ ثنائي الفينيل متعدد الكلور من صاروخ زحل 5 - الهندسة العكسية مع التفسيرات 🧘🏿 👒 👨🏾‍🚀

ترجمة مقال من مدونة Ken Shirrif في مهمات

أبولو القمرية ، تم التحكم في صاروخ Saturn-5 بواسطة كمبيوتر متقدم على متن الطائرة طورته شركة IBM. تم تجميع النظام من وحدات هجينة ، على غرار الدوائر المتكاملة ، ولكنها تحتوي على مكونات منفصلة. لقد قمت بالتطوير العكسي للوحة الدوائر المطبوعة من هذا النظام واكتشفت الغرض منها: في وحدة الإدخال / الإخراج بالكمبيوتر ، حددت هذه اللوحة مصدر البيانات المطلوب.

عندما وصلت إلي هذه اللوحة مع Saturn 5 ، تم تفكيكها جزئيًا وافتقارها إلى الرقائق.

في هذه المقالة سأوضح كيف تعمل اللوحة - من بلورات السيليكون الصغيرة داخل الوحدات الهجينة إلى لوحة الدوائر وارتباطها بالصاروخ. أول من درسهافران بلانش في Apollo Saturn V LVDC. تم عمل فيديو عنها على مدونة EEVblog . الآن حان دوري.

الداعم الرقمي إطلاق الكمبيوتر (LVDC) ومحول بيانات معززة (LVDA)

القمرية سباقبدأ في 25 مايو 1961 ، عندما أعلن الرئيس كينيدي أن الولايات المتحدة سترسل رجلاً إلى القمر قبل نهاية العقد [لم يعجب كينيدي بالتأخر وراء الاتحاد السوفياتي ، وعرض في البداية على خروتشوف مهمة مشتركة إلى القمر ، لكنه رفض بسبب السرية / تقريبًا. ترجم.]. تطلبت المهمة صاروخ ساتورن 5 من ثلاث مراحل ، وهو أقوى صاروخ تم بناؤه في ذلك الوقت. تم توجيه الصاروخ والتحكم فيه بواسطة كمبيوتر الإطلاق الرقمي لسيارة الإطلاق (LVDC) ، والذي وضعه في مدار حول الأرض ، ثم في المسار نحو القمر. في عصر تراوحت فيه معظم أجهزة الكمبيوتر من ثلاجة إلى غرفة ، كان LVDC مضغوطًا للغاية ووزنه حوالي 40 كجم فقط. كان سالبه منخفضًا جدًا - حيث قام بإجراء 12000 تعليمات فقط في الثانية.

LVDC «». , . LVDC LVDA , 50- , .

LVDA LVDC , .

LVDC . – ACME ( ). .

عملت LVDC بالاقتران مع محول بيانات مركبة الإطلاق (LVDA) ، الذي يوفر الإدخال / الإخراج للكمبيوتر. مرت جميع الاتصالات بين الكمبيوتر والصاروخ من خلال LVDA ، والتي حولت إشارات الصواريخ التناظرية وإشارات التحكم 28 فولت إلى البيانات الثنائية التسلسلية التي يتطلبها الكمبيوتر. LVDA لديها مخازن (على خطوط تأخير الزجاج ) وسجلات التحكم لوظائفها المختلفة. كان لدى LVDA محولات تناظرية إلى رقمية لقراءة البيانات من وحدة بالقصور الذاتي مع جيروسكوباتها ، ومحولات رقمية إلى تناظرية لتزويد إشارات التحكم بالصواريخ. كما قام بمعالجة إشارات القياس عن بُعد المرسلة إلى الأرض ، وتلقى أوامر من الأرض كانت مخصصة للكمبيوتر. وأخيرًا ، تم تشغيل LVDC عن طريق تبديل إمدادات الطاقة مع التكرار من LVDA.

كان LVDA الخاص بـ Saturn 5 عبارة عن صندوق بوزن 80 رطلاً يوفر إدخال / إخراج LVDA. كان لديه 21 موصلات مستديرة للكابلات لأجزاء أخرى من الصاروخ.

نظرًا لأن LVDA كان له العديد من الوظائف المختلفة ، فقد كان تقريبًا ضعف حجم LVDC. فيما يلي رسم تخطيطي لجميع المخططات المضغوطة في 80 كجم من LVDA. وهي مقسمة إلى قسمين مملوءين بألواح الدوائر المطبوعة أو "الصفحات": قسم المنطق الأمامي وقسم المنطق الخلفي (اللوحة من القسم الأمامي سقطت في يدي). كانت الفلاتر وإمدادات الطاقة في القسم المركزي. تم ضخ سائل التبريد المستند إلى الميثانول من خلال قنوات LVDA. تم توصيل LVDA بـ LVDC وأجزاء أخرى من الصاروخ من خلال 21 موصلات مستديرة. مخطط مفصل للعمل

LVDA

منطق الترانزستور الثنائي

يمكن إنشاء البوابات المنطقية بعدة طرق. بالنسبة إلى LVDC و LVDA ، استخدموا تقنيات مثل " ديود ترانزستور المنطق " (DTL) ، والذي يسمح لك بإنشاء بوابة من الثنائيات والترانزستور. كانت هذه تقنية أكثر تقدمًا مقارنةً بمنطق المقاوم الترانزستور المقاوم (RTL) المستخدم على كمبيوتر التحكم على متن أبولو ، لكنها كانت أدنى من منطق الترانزستور الترانزستور (TTL) ، الذي أصبح شائعًا جدًا في السبعينيات.

كانت البوابة المنطقية القياسية في LVDC هي AND-OR-INVERT (AOI) ، والتي تنفذ دالة منطقية مثل (A • B + C • D) '. يطلق عليه ذلك لأنه يطبق الوظيفة المنطقية AND على مجموعة بيانات الإدخال ، ثم OR ، ثم يغير النتيجة إلى العكس. كان صمام AOI يعمل ، حيث كان من الممكن تكوين عناصر بعدد مختلف من المدخلات منه ، على سبيل المثال ، (A • B + C • D • E + F • G • H). وعلى الرغم من أن صمام AOI قد يبدو معقدًا بالنسبة لك ، فقد تطلب الأمر ترانزستورًا واحدًا فقط لتنفيذه ، وهو أمر مهم في عصر كان عليك فيه توفير كميته.

لفهم كيفية عمل الصمام ، ارجع إلى الرسم البياني التالي. يظهر صمام AOI مع أربعة مدخلات واثنين من AND. الأول مسؤول عن المدخلات A و B ، التي تبلغ قيمتها في الوقت الحالي 1 (جهد عالي). يسحب المقاوم القابل للسحب قيمة AND لأعلى (أحمر ، 1). في أسفل AND بوابة ، يكون المدخل C هو 0 ، لذلك يتدفق التيار من خلال الإدخال C ، ويسحب القيمة AND لأسفل (أزرق ، 0). بهذه الطريقة ، تقوم الثنائيات ومقاوم السحب بتنفيذ بوابة AND. الآن دعونا نلقي نظرة على خطوة OR. يسحب التيار من الأعلى AND (الأحمر) OR خطوة لأعلى (1). وأخيرًا ، يعمل هذا التيار على تشغيل الترانزستور ، ويسحب الإخراج لأسفل (أزرق ، 0) ويوفر انعكاسًا. إذا كانت كلتا الخطوتين AND تساوي 0 ، فلن يتم سحب الخطوة OR. بدلاً من ذلك ، يسحب المقاوم القابل للسحب قيمة OR للأسفل (0) ، ويوقف الترانزستور ،نتيجة لذلك ، سيتم سحب الإخراج لأعلى (1).

يمكن إنشاء بوابة AOI من المزيد من المقاومات أو الثنائيات ، مما يوفر العديد من المدخلات حسب الحاجة. من المتوقع أن يتم تنفيذ هذا الصمام على شريحة واحدة ، ومع ذلك ، استخدم LVDC عدة رقائق لكل صمام. تحتوي الرقائق المختلفة على مجموعات مختلفة من الثنائيات والمقاومات والترانزستورات ، وهي متصلة بشكل مرن لتشكيل البوابات المنطقية الضرورية.

أجهزة المنطق المعيارية

يتم إنشاء LVDC و LVDA باستخدام تقنية هجينة مثيرة للاهتمام تسمى Unit Logic Devices (ULD). على الرغم من أنها بدت وكأنها دوائر متكاملة ، إلا أن وحدات ULD تحتوي على عدة مكونات. استخدموا بلورات السيليكون البسيطة ، كل منها باعت ترانزستور واحد فقط أو ثنائيين. تم تركيب هذه البلورات ، إلى جانب مقاومات غشاء سميك ، على ركيزة خزفية بمساحة 2 سم 2. كانت هذه الوحدات عبارة عن اختلاف لتقنية Solid Logic Technology (SLT) المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الشائعة IBM S / 360. بدأت IBM في تطوير وحدات SLT في عام 1961 ، قبل أن تصبح الدوائر المتكاملة قابلة للتطبيق تجاريًا ، وبحلول عام 1966 أنتجت 100 مليون وحدة SLT سنويًا.

كانت وحدات ULD أصغر بكثير من وحدات SLT ، كما هو موضح في الصورة ، ونتيجة لذلك كانت مناسبة بشكل أفضل لجهاز كمبيوتر صغير الحجم. استخدمت وحدات ULD أكياس خزفية مسطحة بدلاً من علب معدنية SLT ، وكان لها اتصالات معدنية في الأعلى بدلاً من دبابيس. عقدت مقاطع على لوحات الدوائر وحدات ULD وتوصيلها بهذه الدبابيس. استخدمت LVDC و LVDA أكثر من 50 نوعًا مختلفًا من ULD.

على اليمين توجد وحدات ULD ، وهي أصغر بكثير من وحدات SLT أو أحدث DIP ICs (يسار). كانت وحدة SLT بطول 13 مم ، وكانت وحدة ULD 8 مم ، وكانت أرق كثيرًا.

تحتوي وحدة ULD على ما يصل إلى أربع بلورات سيليكون مربعة صغيرة. كل واحد منهم باع إما ثنائيتين أو ترانزستور واحد. توضح الصورة أدناه المكونات الداخلية للوحدة ، بجوار الوحدة التي لم تمس. على اليسار ، تظهر مسارات الدائرة على الركيزة الخزفية ، متصلة بأربع بلورات سيليكون مربعة صغيرة. يبدو وكأنه لوحة دوائر مطبوعة ، ولكن ضع في اعتبارك أن الجهاز أصغر بكثير من المسمار. تمت طباعة مقاومات غشاء سميكة في الجزء السفلي من الوحدة ، لذا فهي غير مرئية.

نوع INV ULD مفتوح بحيث تكون أربع بلورات سيليكون مرئية. الجزء العلوي الأيمن هو ترانزستور ، والثلاثة الأخرى هي صمامات ثنائية. تم حماية الوحدة بواسطة السيليكون الوردي.

تظهر الصورة المجهرية أدناه بلورة السيليكون من وحدة ULD التي تنفذ اثنين من الثنائيات. البلورة صغيرة جدًا - يتم عرض حبيبات السكر على الصورة للقياس. تحتوي البلورة على ثلاث جهات اتصال خارجية - كرات نحاسية ملحومة بثلاث دوائر. تمت إضافة الشوائب (المناطق المظلمة) إلى الدائرتين السفليتين لتشكيل أنود الثنائيات ، وكانت الدائرة العليا عبارة عن كاثود متصل بالركيزة. لاحظ أن هذه البلورة أبسط بكثير من أبسط الدوائر المتكاملة.

صورة مركبة من بلورة السيليكون ثنائية الصمام بجوار حبيبات السكر

يوضح الرسم التخطيطي التالي مخططًا داخليًا داخل وحدة INV. يشكل الجانب الأيسر بوابة AOI مع إدخال واحد. قد يبدو صمام الإدخال الفردي عديم الجدوى ، ومع ذلك ، يمكن توصيل مدخلات إضافية AND بالساق 1 ، ويمكن توصيل صمامات OR إضافية بالساق 3. يشكل الجانب الأيمن مكونات يمكن استخدامها كمدخلات إضافية.

دائرة وحدة العاكس

تستخدم اللوحة أيضًا وحدات AND البوابة (الأنواع AA و AB). لاحظ أن هذه ليست بوابات مستقلة ، ولكن فقط المكونات التي يمكن توصيلها بشريحة INV لتوفير المزيد من المدخلات و OR. ترتبط هذه الوحدات بمرونة ، بطرق مختلفة ، لا توجد مدخلات ومخرجات خاصة. أحد الخيارات الشائعة هو استخدام نصف شريحة AA كبوابة AND بثلاثة مدخلات. يمكن أن يوفر جزء من شريحة AB ، إذا لزم الأمر ، مدخلين إضافيين.

رسم تخطيطي لـ وبوابات النوعين AA و AB.

توضح الصورة أدناه أشباه الموصلات (الثنائيات المزدوجة) داخل الصمام AA. يمكنك مطابقة المكونات مع الدائرة أعلاه ؛ الأكثر إثارة للاهتمام هي جهات الاتصال 1 و 5. لاحظ أن ترقيم جهات الاتصال لا يتطابق مع الدائرة القياسية لـ IC.

افتتح نوع AA ULD للكشف عن أربع بلورات سيليكون. هذه ديودات ثنائية مع كاثودات متصلة.

مخطط الدائرة الكلور

لفهم وظائف اللوحة ، قضيت العمل الممل المتمثل في الرنين بمقياس متعدد جميع الاتصالات بين الرقائق لرسم مخطط الأسلاك. ومع ذلك ، بعد ذلك بوقت قصير ، دخلنا في تعليمات LVDA مع جميع المخططات ، وهذا هو السبب في أن محاولاتي العكسية للهندسة كانت زائدة عن الحاجة. تشكل اللوحة معدد إرسال مع 7 إدخالات ، واختيار واحد من 7 إدخالات وحفظ القيمة المستلمة في المشغل . وبالنسبة لتكنولوجيا الستينيات ، تطلب مثل هذا الإجراء البسيط إنشاء لوحة كاملة تحتوي على عدة شرائح.

يوضح الرسم البياني أدناه مخططًا مبسطًا للوحة. على اليسار ، تحتوي اللوحة على 7 مدخلات ؛ ستة منها عبارة عن إشارات 28 فولت تحتاج إلى تخزينها مؤقتًا لاستقبال الإشارات المنطقية ، والسابع إشارة منطقية 6 فولت. يتم تطبيق التيار على أحد الأسطر السبعة لتحديد الإدخال المقابل ، ثم يتم تخزين البيانات في المشغل. عندما يتم تطبيق الحالي على "إعادة تعيين معدد الإرسال" و "عنوان معدد الإرسال" ، يتم إعادة تعيين المشغل.

عملية لوحة الدوائر المبسطة لوحة الدائرة الكاملة. تشير المستطيلات إلى العناصر المنطقية. يشير NU إلى المدخلات غير المستخدمة - هناك مسارات على اللوحة ، ولكن الشريحة غير متصلة.

على الرغم من أن العديد من البوابات المنطقية يتم رسمها على الرسم التخطيطي ، يتم تنفيذ كل شيء باستخدام بوابتي AOI فقط. تشكل الصمامات الصفراء صمام AOI كبير واحد ، والصمامات الزرقاء تشكل الثانية. دمج اثنين من غرف العمليات الصفراء في واحد. يتم تنفيذ بوابتين على ثماني شرائح - اثنان من رقائق INV ، وأربع شرائح AA واثنان AB. يوضح هذا مرونة النموذج المنطقي AOI وقابليته للتوسع ، بالإضافة إلى استخدام عدد كبير من الرقائق بواسطة الدائرة. في الدائرة بأكملها ، يتم استخدام ترانزستورات فقط - يتم تنفيذ كل المنطق تقريبًا على الثنائيات.

مخطط عازلة

من بين الرقائق الـ 26 على اللوحة ، كانت 18 رقاقة تناظرية ، وشاركت في التخزين المؤقت ومعالجة إشارات الإدخال. تم إدخال 28 إشارة V ، وكان المنطق يتطلب 6 V. كل إدخال (باستثناء رقم 7) يمر عبر "دائرة واجهة منفصلة" (DIA) ، والتي تحول الإدخال إلى إشارة منطقية. يوضح الرسم البياني التالي دائرة مجمعة من الرقائق 321 و 322 و 323 (بالنسبة لمعظم الرقائق على اللوحة ، تكون التعيينات في رمز أبجدي ، مثل INV و DLD و ED ؛ ومع ذلك ، بالنسبة للرقائق التناظرية ، فإن التعيينات رقمية ، وعلى ما يبدو ، فقط الثلاثة الأخيرة أرقام قطع الغيار). تظهر الصورة محتويات كل من الرقائق. نظرًا لأن رقاقة 321 تتكون فقط من مقاومات (أسفل) ، فإنها تبدو فارغة من الأعلى. تتكون الشريحة 322 من ديود واحد ، وتتكون الشريحة 323 من ترانزستورات (لا توجد بلورات في الصورة 323 ؛ هذه هي المربعات الصغيرة نفسها الموجودة في 322).

دارة دخل منفصلة نوع A (DIA). يحتوي مخطط الاتصال المعطى 322 على خطأ - جهتا اتصال رقم 5.

الرسم البياني التالي يعطي الهيكل العام للوحة. الرقائق الثماني في الوسط محاطة بدائرة باللون الأخضر. يتكون كل من مخازن الإدخال المؤقتة الثلاثة من ثلاث شرائح (321 و 322 و 323). يتم عرض مسار الإشارة التي تمر من خلال الأسهم الزرقاء. يوجد 35 مكانًا للرقائق على اللوحة ، ويتم استخدام 26. إذا قمت بوضع رقائق إضافية في أماكن مجانية ، يمكن استخدام نفس اللوحة لأغراض أخرى.

دور المجلس في LVDA

كانت هذه اللوحة جزءًا من معدد إرسال في النظام الفرعي LVDA يسمى "System Data Sampler" ، والذي يحدد الإشارات ويرسلها إما إلى جهاز كمبيوتر أو إلى Earth لإجراء القياس عن بُعد. يتكون SDS من معدد إرسال يختار واحدًا من ثماني إشارات ، ومحدد مُسلسل يحول بيانات 14 بت إلى نموذج تسلسلي. يحتوي جهاز الإرسال المتعدد على العديد من مصادر البيانات - الكمبيوتر الأرضي RCA-110 ، الذي تم توصيله قبل إطلاق الصاروخ ؛ "جهاز استقبال الأوامر" ، الذي تلقى أوامر حاسوبية من الأرض بعد إطلاق صاروخ ؛ التغذية المرتدة من "أداة الاختيار" ، وهي مجموعة من المرحلات التي يستخدمها الكمبيوتر للتحكم في الصاروخ ؛ القياس عن بعد من نظام الحصول على البيانات الرقمية (DDAS) والبيانات في الوقت الحقيقي.

جسديا ، كانت العديد من مصادر البيانات هذه مربعات كبيرة تقع في وحدة أداة. على سبيل المثال ، كان "موزع التحكم" عبارة عن صندوق 17 كجم تم تركيبه بجوار LVDA وتوصيله بكابل سميك. تم إدخال الإشارات المستلمة من "وحدة فك ترميز الأوامر" ، وهي عبارة عن صندوق بسعة 4 كجم متصل بصناديق أخرى مشتركة في استقبال الإشارات اللاسلكية وإرسالها ، إلى "جهاز استقبال الأوامر" LVDA. نظرًا لتوصيل LVDA بواسطة الكابلات إلى العديد من أجهزة وحدات الأجهزة المختلفة ، فقد تطلب الأمر 21 موصلًا.

حيث توجد وحدة القياس في LVDA و LVDC ومفكك الأوامر وموزع التحكم.

الهيكل المادي للمجلس

استخدمت الألواح في LVDA و LVDC تقنيات تصنيع مثيرة للاهتمام من أجل تحمل التسارع والاهتزاز الكبير للصاروخ ، وكذلك لتبريد العناصر. اللوحة التي سقطت في يدي تعرضت للتلف ، ولم يكن بها مثبتات ، لكن الصورة أدناه تظهر وحدة كاملة تسمى "الصفحة". يتكون إطار الصفحة من سبيكة من المغنيسيوم مع الليثيوم - وهي مادة متينة وخفيفة الوزن توصل الحرارة بشكل جيد. انتقلت الحرارة من اللوحة عبر الإطار إلى هيكل LVDA و LVDC ، والذي تم تبريده بواسطة الميثانول السائل من خلال القنوات المحفورة في الهيكل.

صفحة بإطار معدني.

يمكن أن تستوعب كل صفحة لوحين كهربائيين مطبوعين ، أمامي وخلفي. تحتوي لوحة الدوائر المطبوعة على 12 طبقة - الكثير جدًا في الستينيات (حتى في السبعينيات كانت هناك عادة طبقتان على لوحات الدوائر المطبوعة التجارية). تحتوي الصفحة على موصل لـ 98 جهة اتصال - 49 لكل لوحة. يتم توصيل الألواح بواسطة 30 أرجل تمر من أعلى الألواح. هناك أيضًا 18 جهة اتصال تجريبية في أعلى كل لوحة - جعلوا من الممكن التحقق من اللوحات عندما كانت مثبتة بالفعل. ثم أعادت شركة آي بي إم استخدام هذا التصميم مع "الصفحات" في حواسيب System / 4 Pi للفضاء.

اللوحة التي جاءت إلي تمزقت من اللوحة الأخرى على الصفحة بقوة. تظهر الصورة التالية معكوسها. من خلال جهات الاتصال مرئية في الأعلى - يجب توصيلها بلوحة أخرى. فيما يلي 49 جهة اتصال مرئية للوحة المفقودة. تتم إزالة جزء من العزل من اللوح ، وتظهر 12 فتحة في كل وحدة ULD في المكان. بفضلها ، يمكن توصيل التلامس بالرقاقة بأي من الطبقات الـ 12 للوحة الدائرة المطبوعة.

استنتاج

توضح لوحة الدوائر الصغيرة هذه العديد من الأشياء المتعلقة بأجهزة الكمبيوتر في الستينيات.

لا يستخدم المجلس الدوائر المتكاملة ، التي ظهرت فقط في ذلك الوقت ، ولكن تقنية الوحدات الهجينة. على الرغم من أنها قد تبدو متخلفة ، فقد أصبحت المفتاح لنجاح نظام IBM System / 360 line. تم تقديمه قبل 56 عامًا (7 أبريل 1964) ، واستخدم وحدات SLT الهجينة مع منطق AOI. سيطرت أجهزة الكمبيوتر هذه على السوق لسنوات عديدة ، ولا تزال بنية System / 360 مدعومة على أجهزة الكمبيوتر المركزية من IBM.

عملت LVDC و LVDA أيضًا على إنشاء خط IBM System / 4 من أجهزة الكمبيوتر الفضائية التي تم تقديمها في عام 1967. كما استخدمت أجهزة الكمبيوتر هذه نفس "الصفحات" والموصلات التي تستخدمها هذه اللوحة ، على الرغم من أنها تخلت عن وحدات ULD لصالح بطاقات TTL المسطحة. ثم تطور خط System / 4 Pi إلى أجهزة كمبيوتر مكوك الفضاء AP-101S.

وأخيرًا ، يُظهر المجلس مدى تحسن التكنولوجيا منذ الستينيات. تحتوي كل وحدة ULD على ما يصل إلى 4 ترانزستورات ، لذلك حتى بالنسبة لدائرة بسيطة مثل معدد الإرسال ، كان من الضروري إنشاء لوحة كاملة من الوحدات. يحتوي معالج iPhone اليوم على أكثر من 8 مليار ترانزستور. والمثير للدهشة أن هذه التكنولوجيا البدائية كانت قادرة على جلب الصاروخ إلى القمر.

ثنائي الفينيل متعدد الكلور من صاروخ زحل 5 - الهندسة العكسية مع التفسيرات