㊙️ 🕴🏾 🚷 Leiterplatte der Saturn-5-Rakete - Reverse Engineering mit Erläuterungen 🛌🏻 👞 🧥

Übersetzung eines Artikels aus Ken Shirrifs Blog

In Apollos Mondmissionen wurde die Saturn-5- Rakete von einem fortschrittlichen Bordcomputer gesteuert, der von IBM entwickelt wurde. Das System wurde aus Hybridmodulen zusammengesetzt, ähnlich wie integrierte Schaltkreise, enthielt jedoch separate Komponenten. Ich habe die umgekehrte Entwicklung der Leiterplatte aus diesem System durchgeführt und ihren Zweck herausgefunden: Im Eingabe- / Ausgabemodul des Computers hat diese Karte die gewünschte Datenquelle ausgewählt.

Als diese Platine mit Saturn-5 zu mir kam, war sie teilweise zerlegt und es fehlten Chips.

In diesem Artikel werde ich erklären, wie die Platine funktioniert - von winzigen Siliziumkristallen in Hybridmodulen über die Leiterplatte bis hin zur Verbindung mit der Rakete. Der erste, der es studiertFran Planch bei Apollo Saturn V LVDC. Auf dem EEVblog-Blog wurde ein Video über sie gemacht . Jetzt bin ich dran.

Booster Digital Launch Computer (LVDC) und Booster Data Adapter (LVDA)

Lunar RaceEs begann am 25. Mai 1961, als Präsident Kennedy ankündigte, dass die Vereinigten Staaten vor Ende des Jahrzehnts einen Mann zum Mond schicken würden. übersetzt.]. Die Mission erforderte eine dreistufige Saturn-5-Rakete, die stärkste aller damals gebauten. Die Rakete wurde vom digitalen Startcomputer LVDC (Launch Vehicle Digital Computer) gesteuert und gesteuert, der sie in die Umlaufbahn um die Erde und dann in die Flugbahn zum Mond brachte. In einer Zeit, in der die meisten Computer vom Kühlschrank bis zum Raum reichten, war der LVDC sehr kompakt und wog nur etwa 40 kg. Das Minus war eine sehr niedrige Geschwindigkeit - es führte nur 12.000 Anweisungen pro Sekunde aus.

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LVDC . – ACME ( ). .

LVDC arbeitete mit dem Launch Vehicle Data Adapter (LVDA) zusammen, der die Eingabe / Ausgabe für den Computer bereitstellte. Die gesamte Kommunikation zwischen dem Computer und der Rakete erfolgte über LVDA, das die analogen Raketensignale und 28-V-Steuersignale in vom Computer benötigte serielle Binärdaten umwandelte. Lvda hatte Puffer (auf Glasverzögerungsleitungen ) und Steuerregister für seine verschiedenen Funktionen. LVDA verfügte über Analog-Digital-Wandler zum Lesen von Daten aus einem Trägheitsmodul mit seinen Gyroskopen und Digital-Analog-Wandler zur Lieferung von Steuersignalen an Raketen. Er verarbeitete auch Telemetriesignale, die an die Erde gesendet wurden, und empfing Befehle von der Erde, die für den Computer bestimmt waren. Und schließlich wurde LVDC durch Umschalten von Netzteilen mit Redundanz von LVDA angetrieben.

Die LVDA von Saturn 5 war eine 80-Pfund-Box mit LVDA-Ein- / Ausgabe. Er hatte 21 runde Stecker für Kabel zu anderen Teilen der Rakete.

Da LVDA so viele verschiedene Funktionen hatte, war es fast doppelt so groß wie LVDC. Unten sehen Sie ein Diagramm aller in 80 kg LVDA gepressten Schemata. Es ist in zwei Abschnitte unterteilt, die mit Leiterplatten oder „Seiten“ gefüllt sind: den vorderen Logikabschnitt und den hinteren Logikabschnitt (die Platine vom vorderen Abschnitt fiel mir in die Hände). Filter und Netzteile befanden sich im Mittelteil. Kühlmittel auf Methanolbasis wurde durch die LVDA-Kanäle gepumpt. LVDA wurde über 21 runde Verbinder mit LVDC und anderen Teilen der Rakete verbunden.

LVDA Detailliertes Arbeitsschema

Diodentransistorlogik

Logikgatter können auf viele Arten erstellt werden. Für LVDC lvda und verwendeten sie Technologie wie „ Diode-Transistor-Logik “ (DTL), die man mit einem Gate von Dioden und einem Transistor machen kann. Dies war eine fortschrittlichere Technologie im Vergleich zur Widerstandstransistorlogik (RTL), die auf dem Apollo-Bordsteuerungscomputer verwendet wurde, aber sie war der Transistor-Transistor-Logik (TTL) unterlegen, die in den 1970er Jahren sehr populär wurde.

Das Standard-Logikgatter in LVDC war AND-OR-INVERT (AOI), das eine Logikfunktion wie (A • B + C • D) 'implementiert. Es wird so aufgerufen, weil es die logische Funktion AND auf den Eingabedatensatz anwendet, dann OR, und dann das Ergebnis in das Gegenteil ändert. Das AOI-Ventil war funktionsfähig, da daraus Elemente mit einer anderen Anzahl von Eingängen gebildet werden konnten, z. B. (A · B + C · D · E + F · G · H) '. Und obwohl Ihnen das AOI-Ventil kompliziert erscheinen mag, brauchte es nur einen Transistor, um es zu implementieren, was in einer Zeit wichtig war, in der Sie an Menge sparen mussten.

Informationen zur Funktionsweise des Ventils finden Sie in der folgenden Abbildung. Es zeigt ein AOI-Ventil mit vier Eingängen und zwei UND-Elementen. Der erste ist für die Eingänge A und B verantwortlich, deren Wert derzeit 1 (Hochspannung) beträgt. Ein Pull-up-Widerstand zieht den UND-Wert hoch (rot, 1). Im unteren UND-Gatter ist Eingang C 0, sodass Strom durch Eingang C fließt und den UND-Wert nach unten zieht (blau, 0). Auf diese Weise implementieren Dioden und ein Pull-up-Widerstand das UND-Gatter. Schauen wir uns nun den ODER-Schritt an. Der Strom von oben UND (rot) zieht den ODER-Schritt nach oben (1). Schließlich schaltet dieser Strom den Transistor ein, zieht den Ausgang nach unten (blau, 0) und sorgt für eine Inversion. Wenn beide UND-Schritte 0 sind, wird der ODER-Schritt nicht aufgerufen. Stattdessen zieht ein Pull-Up-Widerstand den ODER-Wert nach unten (0) und schaltet den Transistor aus.Infolgedessen wird der Ausgang hochgezogen (1).

Ein AOI-Gate kann aus mehr Widerständen oder Dioden bestehen und so viele Eingänge wie nötig bereitstellen. Es war zu erwarten, dass dieses Ventil auf einem einzelnen Chip implementiert ist. LVDC verwendete jedoch mehrere Chips für jedes Ventil. Verschiedene Chips haben unterschiedliche Kombinationen von Dioden, Widerständen und Transistoren, die flexibel verbunden sind, um die erforderlichen Logikgatter zu bilden.

Modulare Logikgeräte

LVDC und LVDA werden mithilfe einer interessanten Hybridtechnologie namens Unit Logic Devices (ULD) erstellt. Obwohl sie wie integrierte Schaltkreise aussahen, enthielten ULD-Module mehrere Komponenten. Sie verwendeten einfache Siliziumkristalle, von denen jeder nur einen Transistor oder zwei Dioden verkaufte. Diese Kristalle wurden zusammen mit Dickschichtwiderständen auf einem Keramiksubstrat mit einer Fläche von 2 cm² montiert. Diese Module waren eine Variation der Solid Logic Technology (SLT), die in den beliebten IBM S / 360-Computern verwendet wurde. IBM begann 1961 mit der Entwicklung von SLT-Modulen, bevor integrierte Schaltkreise wirtschaftlich rentabel waren, und produzierte 1966 100 Millionen SLT-Module pro Jahr.

ULD-Module waren deutlich kleiner als SLT-Module, wie auf dem Foto zu sehen, und waren daher besser für einen kompakten Weltraumcomputer geeignet. ULD-Module verwendeten flache Keramikbeutel anstelle von SLT-Metalldosen und hatten oben Metallkontakte anstelle von Stiften. Die Clips auf den Leiterplatten hielten die ULD-Module und waren mit diesen Pins verbunden. LVDC und LVDA verwendeten mehr als 50 verschiedene ULD-Typen.

Auf der rechten Seite befinden sich ULD-Module, die deutlich kleiner sind als SLT-Module oder modernere DIP-ICs (links). Das SLT-Modul war 13 mm lang und das ULD-Modul war 8 mm lang und viel dünner.

Das ULD-Modul enthielt bis zu vier winzige quadratische Siliziumkristalle. Jeder von ihnen verkaufte entweder zwei Dioden oder einen Transistor. Das Foto unten zeigt die internen Komponenten des Moduls neben dem unberührten Modul. Links sind die Wege der Schaltung auf einem Keramiksubstrat sichtbar, die mit vier winzigen quadratischen Siliziumkristallen verbunden sind. Es sieht aus wie eine Leiterplatte, aber denken Sie daran, dass das Gerät tatsächlich viel kleiner als ein Nagel ist. Auf der Unterseite des Moduls wurden Dickschichtwiderstände gedruckt, sodass sie nicht sichtbar sind.

Die INV-ULD ist offen, so dass vier Siliziumkristalle sichtbar sind. Der obere rechte ist ein Transistor, die anderen drei sind Doppeldioden. Das Modul wurde durch rosa Silikon geschützt.

Das mikroskopische Foto unten zeigt einen Siliziumkristall aus dem ULD-Modul, der zwei Dioden implementiert. Der Kristall ist sehr klein - Zuckerkörner sind auf dem Foto als Maßstab dargestellt. Der Kristall hat drei externe Kontakte - Kupferkugeln, die an drei Kreise gelötet sind. Verunreinigungen (dunkle Bereiche) wurden zu den beiden unteren Kreisen hinzugefügt, um die Anoden der beiden Dioden zu bilden, und der obere Kreis war eine mit dem Substrat verbundene Kathode. Beachten Sie, dass dieser Kristall viel einfacher ist als selbst die einfachste integrierte Schaltung.

Zusammengesetztes Foto eines Dioden-Siliziumkristalls neben Zuckerkörnern

Das folgende Diagramm zeigt ein Diagramm innerhalb eines INV-Moduls. Die linke Seite bildet ein AOI-Gatter mit einem Eingang. Ein Ventil mit einem Eingang mag sinnlos erscheinen, jedoch können zusätzliche Eingänge UND an Zweig 1 und zusätzliche ODER-Ventile an Zweig 3 angeschlossen werden. Die rechte Seite bildet Komponenten, die als zusätzliche Eingaben verwendet werden können.

Wechselrichtermodulschaltung

Die Karte verwendet auch UND-Gatter-Module (Typen AA und AB). Beachten Sie, dass dies keine unabhängigen Gatter sind, sondern nur Komponenten, die an den INV-Chip angeschlossen werden können, um mehr Eingänge UND und ODER bereitzustellen. Diese Module sind flexibel miteinander verbunden, es gibt keine speziellen Ein- und Ausgänge. Eine übliche Option ist die Verwendung des halben AA-Chips als UND-Gatter mit drei Eingängen. Ein Teil des AB-Chips kann bei Bedarf zwei weitere Eingänge bereitstellen.

Diagramm der UND-Gatter der Typen AA und AB.

Das Foto unten zeigt Halbleiter (Doppeldioden) im Inneren des Ventils AA. Sie können die Komponenten mit der obigen Schaltung abgleichen. Am interessantesten sind die Kontakte 1 und 5. Beachten Sie, dass die Nummerierung der Kontakte nicht mit der Standardschaltung für den IC übereinstimmt.

ULD vom AA-Typ öffnete sich und enthüllte vier Siliziumkristalle. Dies sind Doppeldioden mit angeschlossenen Kathoden.

Leiterplattenschaltplan

Um die Funktionen der Platine zu verstehen, habe ich mühsam mit einem Multimeter alle Verbindungen zwischen den Chips geklingelt, um einen Schaltplan zu zeichnen. Kurz darauf gelangten wir jedoch mit allen Schemata in die Hände der LVDA-Anweisungen, weshalb meine Versuche, ein Reverse Engineering durchzuführen, überflüssig waren. Die Karte bildet einen Multiplexer mit 7 Eingängen, wählt einen von 7 Eingängen aus und speichert den empfangenen Wert in einem Trigger . Und für die Technologie der 1960er Jahre erforderte eine solch einfache Aktion die Erstellung eines gesamten Boards mit mehreren Chips.

Das folgende Diagramm zeigt ein vereinfachtes Diagramm der Karte. Auf der linken Seite hat die Karte 7 Eingänge; Sechs davon sind 28-V-Signale, die gepuffert werden müssen, um logische Signale zu empfangen, und das siebte ist ein logisches 6-V-Signal. Eine der sieben Leitungen wird mit Strom versorgt, um den entsprechenden Eingang auszuwählen, und dann werden die Daten im Trigger gespeichert. Wenn Strom an "Multiplexer zurücksetzen" und "Multiplexeradresse" angelegt wird, wird der Trigger zurückgesetzt.

Vereinfachter Leiterplattenbetrieb Vollplatine. Rechtecke bezeichnen logische Elemente. NU zeigt nicht verwendete Eingänge an - es gibt Spuren auf der Platine, aber der Chip ist nicht angeschlossen.

Obwohl im Diagramm viele Logikgatter gezeichnet sind, wird alles mit nur zwei AOI-Gattern implementiert. Die gelben Ventile bilden ein großes AOI-Ventil und die blauen das zweite. Zwei gelbe OPs verschmelzen zu einem. Zwei Gates sind auf acht Chips implementiert - zwei INV-Chips, vier AA und zwei AB. Dies zeigt die Flexibilität und Erweiterbarkeit des AOI-Logikmodells sowie die Verwendung einer großen Anzahl von Chips durch die Schaltung. In der gesamten Schaltung werden nur zwei Transistoren verwendet - fast die gesamte Logik ist auf Dioden implementiert.

Pufferschema

Von den 26 Chips auf der Platine waren 18 analog und befassten sich mit der Pufferung und Verarbeitung von Eingangssignalen. Die Signale wurden dem Eingang 28 V zugeführt, und die Logik benötigte 6 V. Jeder Eingang (außer Nr. 7) durchlief eine „diskrete Schnittstellenschaltung“ (DIA), die den Eingang in ein logisches Signal umwandelte. Das folgende Diagramm zeigt eine Schaltung, die aus den Chips 321, 322 und 323 zusammengesetzt ist (für die meisten Chips auf der Platine sind die Bezeichnungen in alphabetischem Code wie INV, DLD und ED angegeben; für analoge Chips sind die Bezeichnungen jedoch digital und anscheinend nur die letzten drei Ziffern der Ersatzteilnummer). Das Foto zeigt den Inhalt jedes Chips. Da der 321-Chip nur aus Widerständen besteht (unten), sieht er von oben leer aus. Der Chip 322 besteht aus einer Diode und der Chip 323 besteht aus zwei Transistoren (in Foto 323 sind keine Kristalle vorhanden; dies sind die gleichen kleinen Quadrate wie auf 322).

Diskreter Eingangsschaltkreis Typ A (DIA). Das gegebene Anschlussschema 322 hat einen Fehler - zwei Kontakte Nr. 5.

Das folgende Diagramm zeigt die allgemeine Struktur der Platine. Die acht Logikchips in der Mitte sind grün eingekreist. Jeder der sechs Eingangspuffer besteht aus drei Chips (321, 322 und 323). Der Weg des durch sie hindurchtretenden Signals wird durch blaue Pfeile angezeigt. Es gibt 35 Plätze für Chips auf der Platine und 26 werden verwendet. Wenn Sie zusätzliche Chips an freien Stellen platzieren, kann dieselbe Platine für andere Zwecke verwendet werden.

Vorstandsrolle in der LVDA

Diese Karte war Teil eines Multiplexers im LVDA-Subsystem namens „System Data Sampler“, der Signale auswählt und sie entweder zur Telemetrie an einen Computer oder an die Erde sendet. SDS besteht aus einem Multiplexer, der eines von acht Signalen auswählt, und einem Serializer-Selektor, der 14-Bit-Daten in eine serielle Form umwandelt. Der Multiplexer verfügt über mehrere Datenquellen - den Bodencomputer RCA-110, der vor dem Start mit der Rakete verbunden war; "Befehlsempfangsgerät", das nach dem Abschuss einer Rakete Computerbefehle vom Boden empfing; Rückmeldung vom "Selektor", einem Satz von Relais, mit denen der Computer die Rakete gesteuert hat; Telemetrie aus dem Digital Data Acquisition System (DDAS) und Echtzeitdaten.

Physikalisch waren viele dieser Datenquellen große Kästchen in einem Werkzeugmodul. Zum Beispiel war der „Steuerverteiler“ eine 17-kg-Box, die neben dem LVDA montiert und über ein dickes Kabel mit diesem verbunden war. Die vom „Befehlsdecoder“ empfangenen Signale, einer 4-kg-Box, die mit anderen Boxen verbunden ist, die am Empfang und Senden von Funksignalen beteiligt sind, wurden in das LVDA-Befehlsempfangsgerät eingegeben. Da der LVDA über Kabel mit vielen verschiedenen Instrumentenmodulen verbunden war, waren 21 Anschlüsse erforderlich.

Wo sich im Instrumentenmodul LVDA, LVDC, Befehlsdecoder und Steuerverteiler befanden.

Physische Struktur des Boards

Die Platten in LVDA und LVDC verwendeten interessante Herstellungstechniken, um einer starken Beschleunigung und Vibration der Rakete standzuhalten und die Elemente zu kühlen. Das Board, das mir in die Hände fiel, war beschädigt, es hatte keine Befestigungselemente, aber das Foto unten zeigt ein ganzes Modul namens "Seite". Der Seitenrahmen besteht aus einer Legierung aus Magnesium mit Lithium - einem haltbaren, leichten Material, das Wärme gut leitet. Die Wärme von der Platine ging durch den Rahmen zum LVDA- und LVDC-Chassis, das durch flüssiges Methanol durch die in das Chassis gebohrten Kanäle gekühlt wurde.

Seite mit einem Metallrahmen.

Jede Seite kann zwei Leiterplatten aufnehmen, vorne und hinten. Eine Leiterplatte hat 12 Schichten - ziemlich viel für die 1960er Jahre (selbst in den 1970er Jahren gab es normalerweise 2 Schichten auf kommerziellen Leiterplatten). Die Seite hat einen Anschluss für 98 Kontakte - 49 für jede der Karten. Die Bretter sind durch 30 durchgehende Beine oben auf den Brettern verbunden. Es gibt auch 18 Testkontakte oben auf jeder Karte - sie ermöglichten es, die Karten zu überprüfen, als sie bereits installiert waren. IBM hat dieses Design dann mit „Seiten“ in System / 4 Pi-Luft- und Raumfahrtcomputern wiederverwendet.

Das Brett, das zu mir kam, wurde mit Gewalt vom anderen Brett auf der Seite gerissen. Das folgende Foto zeigt die Umkehrung. Durchkontakte sind oben sichtbar - sie müssen mit einer anderen Karte verbunden werden. Unten sind 49 Kontakte der fehlenden Platine sichtbar. Ein Teil der Isolierung wird von der Platine entfernt, und für jedes vorhandene ULD-Modul sind 12 Durchkontaktierungen sichtbar. Dank ihnen kann der Chipkontakt mit jeder der 12 Schichten der Leiterplatte verbunden werden.

Fazit

Diese kleine Leiterplatte zeigt verschiedene Dinge, die mit Computern der 1960er Jahre zusammenhängen.

Die Platine verwendet keine integrierten Schaltkreise, die erst zu diesem Zeitpunkt erschienen, sondern die Technologie von Hybridmodulen. Obwohl es rückwärts zu sein scheint, ist es der Schlüssel zum Erfolg der IBM System / 360-Linie geworden. Es wurde vor 56 Jahren (7. April 1964) eingeführt und verwendete Hybrid-SLT-Module mit AOI-Logik. Solche Computer dominieren seit vielen Jahren den Markt, und die System / 360-Architektur wird weiterhin von IBM-Mainframes unterstützt.

LVDC und LVDA dienten auch zur Entwicklung der 1967 eingeführten IBM System / 4-Reihe von Luft- und Raumfahrtcomputern. Diese Computer verwendeten auch dieselben „Seiten“ und Anschlüsse wie diese Karte, obwohl sie ULD-Module zugunsten von TTL-Flach-ICs aufgaben. Die System / 4 Pi-Linie entwickelte sich dann zu den Space-Shuttle-Computern AP-101S.

Schließlich zeigt das Board, wie viel Technologie sich seit den 1960er Jahren verbessert hat. Jedes ULD-Modul enthielt bis zu 4 Transistoren. Selbst für eine so einfache Schaltung wie einen Multiplexer war es erforderlich, eine ganze Modulplatine herzustellen. Der heutige iPhone-Prozessor enthält über 8 Milliarden Transistoren. Überraschenderweise konnte eine solche primitive Technologie die Rakete zum Mond bringen.

Leiterplatte der Saturn-5-Rakete - Reverse Engineering mit Erläuterungen