❕ 🕵🏾 👙 PCB del cohete Saturn-5: ingeniería inversa con explicaciones 💆🏿 👨🏽‍🤝‍👨🏻 🎌

Traducción de un artículo del blog de Ken Shirrif

En las misiones lunares de Apolo, el cohete Saturn-5 fue controlado por una computadora a bordo avanzada desarrollada por IBM. El sistema se ensambló a partir de módulos híbridos, similares a los circuitos integrados, pero que contienen componentes separados. Realicé el desarrollo inverso de la placa de circuito impreso de este sistema y descubrí su propósito: en el módulo de entrada / salida de la computadora, esta placa seleccionó la fuente de datos deseada.

Cuando esta placa con Saturn 5 vino a mí, estaba parcialmente desmontada y carecía de chips.

En este artículo explicaré cómo funcionaba la placa, desde pequeños cristales de silicio dentro de módulos híbridos hasta la placa de circuito y su conexión al cohete. El primero en estudiarloFran Planch en Apollo Saturn V LVDC. Se hizo un video sobre ella en el blog EEVblog . Ahora es mi turno.

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

Lunar RaceComenzó el 25 de mayo de 1961, cuando el presidente Kennedy anunció que Estados Unidos enviaría a un hombre a la luna antes del final de la década [a Kennedy no le gustó el retraso detrás de la URSS, e inicialmente le ofreció a Jruschov una misión conjunta a la luna, pero se negó debido al secreto / aprox. traducción]. La misión requería un cohete Saturn-5 de tres etapas, el más poderoso de todos construido en ese momento. El cohete fue dirigido y controlado por la computadora de lanzamiento digital Launch Vehicle Digital Computer (LVDC), que lo puso en órbita alrededor de la Tierra y luego en la trayectoria hacia la luna. En una época en que la mayoría de las computadoras iban desde un refrigerador a una habitación, el LVDC era muy compacto y pesaba solo unos 40 kg. Su punto negativo fue una velocidad muy baja: realizó solo 12,000 instrucciones por segundo.

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LVDC . – ACME ( ). .

LVDC trabajó en conjunto con el Adaptador de lanzamiento de datos del vehículo (LVDA), que proporcionó entrada / salida para la computadora. Toda la comunicación entre la computadora y el cohete pasó por LVDA, que convirtió las señales analógicas del cohete y las señales de control de 28 V en datos binarios en serie requeridos por la computadora. LVDA tenía memorias intermedias (en líneas de retardo de vidrio ) y registros de control para sus diversas funciones. LVDA tenía convertidores de analógico a digital para leer datos de un módulo inercial con sus giroscopios, y convertidores de digital a analógico para suministrar señales de control a misiles. También procesó señales de telemetría enviadas a la Tierra y recibió comandos de la Tierra que estaban destinados a la computadora. Y finalmente, LVDC fue alimentado por el cambio de fuentes de alimentación con redundancia de LVDA.

El LVDA de Saturn 5 era una caja de 80 libras que proporcionaba entrada / salida de LVDA. Tenía 21 conectores redondos para cables a otras partes del cohete.

Como LVDA tenía tantas funciones diferentes, era casi el doble de grande que LVDC. A continuación se muestra un diagrama de todos los esquemas comprimidos en 80 kg LVDA. Se divide en 2 secciones llenas de placas de circuito impreso, o "páginas": la sección lógica frontal y la sección lógica posterior (la placa de la sección frontal cayó en mis manos). Los filtros y las fuentes de alimentación estaban en la sección central. El refrigerante a base de metanol se bombeó a través de los canales LVDA. LVDA se conectó a LVDC y otras partes del cohete a través de 21 conectores redondos.

LVDA Esquema detallado de trabajo

Lógica de transistor de diodo

Las puertas lógicas se pueden crear de muchas maneras. Para LVDC y LVDA, utilizaron tecnología como " lógica de diodo-transistor " (DTL), que le permite hacer una puerta de diodos y un transistor. Esta era una tecnología más avanzada en comparación con la lógica de resistencia-transistor (RTL) utilizada en la computadora de control a bordo Apollo, pero era inferior a la lógica de transistor-transistor (TTL), que se hizo muy popular en la década de 1970.

La puerta lógica estándar en LVDC era AND-OR-INVERT (AOI), que implementa una función lógica como (A • B + C • D) '. Se llama así porque aplica la función lógica AND al conjunto de datos de entrada, luego OR, y luego cambia el resultado a lo opuesto. La válvula AOI era funcional, ya que era posible formar elementos con un número diferente de entradas, por ejemplo, (A • B + C • D • E + F • G • H) '. Y aunque la válvula AOI puede parecerle complicada, solo se necesitó un transistor para implementarla, lo cual fue importante en una era en la que tenía que ahorrar en su cantidad.

Para comprender cómo funciona la válvula, consulte el siguiente diagrama. Muestra una válvula AOI con cuatro entradas y dos miembros AND. El primero es responsable de las entradas A y B, cuyo valor en este momento es 1 (alto voltaje). Una resistencia pull-up eleva el valor AND (rojo, 1). En la compuerta AND inferior, la entrada C es 0, por lo que la corriente fluye a través de la entrada C, bajando el valor AND (azul, 0). De esta manera, los diodos y una resistencia pull-up implementan la compuerta AND. Ahora veamos el paso OR. La corriente desde la parte superior AND (rojo) tira del paso OR hacia arriba (1). Finalmente, esta corriente enciende el transistor, bajando la salida (azul, 0) y proporcionando inversión. Si ambos pasos AND son 0, entonces el paso OR no se levantará. En cambio, una resistencia pull-up reducirá el valor OR (0), apagando el transistor,Como resultado, la salida se levantará (1).

Una compuerta AOI puede estar hecha de más resistencias o diodos, proporcionando tantas entradas como sea necesario. Podría esperarse que esta válvula se implemente en un solo chip, sin embargo, LVDC usó varios chips para cada válvula. Los diferentes chips tienen diferentes combinaciones de diodos, resistencias y transistores, conectados de manera flexible para formar las puertas lógicas necesarias.

Dispositivos lógicos modulares

LVDC y LVDA se crean utilizando una interesante tecnología híbrida llamada Unit Logic Devices (ULD). Aunque parecían circuitos integrados, los módulos ULD contenían varios componentes. Usaron cristales de silicio simples, cada uno de los cuales vendió solo un transistor o dos diodos. Estos cristales, junto con resistencias de película gruesa, se montaron sobre un sustrato cerámico con un área de 2 cm2. Estos módulos fueron una variación de la tecnología Solid Logic (SLT) utilizada en las populares computadoras IBM S / 360. IBM comenzó a desarrollar módulos SLT en 1961, antes de que los circuitos integrados fueran comercialmente viables, y en 1966 producía 100 millones de módulos SLT por año.

Los módulos ULD eran significativamente más pequeños que los módulos SLT, como se ve en la foto, y como resultado eran más adecuados para una computadora espacial compacta. Los módulos ULD usaban bolsas de cerámica planas en lugar de latas de metal SLT, y tenían contactos metálicos en la parte superior en lugar de pasadores. Los clips en las placas de circuito contenían los módulos ULD y se conectaban a estos pines. LVDC y LVDA utilizaron más de 50 tipos diferentes de ULD.

A la derecha están los módulos ULD, significativamente más pequeños que los módulos SLT o los IC DIP más modernos (izquierda). El módulo SLT tenía 13 mm de largo, y el módulo ULD tenía 8 mm, y era mucho más delgado.

El módulo ULD contenía hasta cuatro pequeños cristales cuadrados de silicio. Cada uno de ellos vendió dos diodos o un transistor. La foto a continuación muestra los componentes internos del módulo, junto al módulo sin tocar. A la izquierda, los caminos del circuito en un sustrato cerámico son visibles, conectados a cuatro pequeños cristales cuadrados de silicio. Parece una placa de circuito impreso, pero tenga en cuenta que el dispositivo es en realidad mucho más pequeño que un clavo. Se imprimieron resistencias de película gruesa en la parte inferior del módulo, por lo que no son visibles.

El INV tipo ULD está abierto para que sean visibles cuatro cristales de silicio. El superior derecho es un transistor, los otros tres son diodos dobles. El módulo estaba protegido por silicona rosa.

La foto microscópica a continuación muestra un cristal de silicio del módulo ULD que implementa dos diodos. El cristal es muy pequeño: los granos de azúcar se muestran en la foto a escala. El cristal tiene tres contactos externos: bolas de cobre soldadas a tres círculos. Se agregaron impurezas (áreas oscuras) a los dos círculos inferiores para formar los ánodos de los dos diodos, y el círculo superior era un cátodo conectado al sustrato. Tenga en cuenta que este cristal es mucho más simple que incluso el circuito integrado más simple.

Foto compuesta de un diodo de cristal de silicio junto a los granos de azúcar.

El siguiente diagrama muestra un diagrama dentro de un módulo INV. El lado izquierdo forma una puerta AOI con una entrada. Una válvula de entrada única puede parecer inútil, sin embargo, se pueden conectar entradas Y adicionales a la pata 1, y se pueden conectar válvulas OR adicionales a la pata 3. El lado derecho forma componentes que se pueden usar como entradas adicionales.

Circuito del módulo inversor

La placa también utiliza módulos de compuerta AND (tipos AA y AB). Tenga en cuenta que estas no son puertas independientes, sino solo componentes que pueden conectarse al chip INV para proporcionar más entradas AND y OR. Estos módulos están conectados de manera flexible, de varias maneras, no hay entradas y salidas especiales. Una opción común es usar la mitad del chip AA como puerta AND con tres entradas. Parte del chip AB puede, si es necesario, proporcionar dos entradas más.

Diagrama de compuertas AND de los tipos AA y AB

La foto a continuación muestra semiconductores (diodos dobles) dentro de la válvula AA. Puede unir los componentes con el circuito de arriba; Los más interesantes son los contactos 1 y 5. Tenga en cuenta que la numeración de los contactos no coincide con el circuito estándar para el IC.

El tipo AA ULD se abrió para revelar cuatro cristales de silicio. Estos son diodos duales con cátodos conectados.

Diagrama de circuito de PCB

Para comprender las funciones de la placa, pasé el tedioso trabajo de hacer sonar con un multímetro todas las conexiones entre los chips para dibujar un diagrama de cableado. Sin embargo, poco después, nos pusimos en manos de las instrucciones LVDA con todos los esquemas, por lo que mis intentos de realizar ingeniería inversa fueron redundantes. La placa forma un multiplexor con 7 entradas, selecciona una de las 7 entradas y guarda el valor recibido en un disparador . Y para la tecnología de la década de 1960, una acción tan simple requería la creación de una placa completa con varios chips.

El siguiente diagrama muestra un diagrama simplificado del tablero. A la izquierda, el tablero tiene 7 entradas; seis de ellas son señales de 28 V que deben almacenarse para recibir señales lógicas, y la séptima es una señal lógica de 6 V. Se aplica una corriente a una de las siete líneas para seleccionar la entrada correspondiente, y luego los datos se almacenan en el disparador. Cuando se aplica corriente para "restablecer multiplexor" y "dirección de multiplexor", se reinicia el disparador.

Operación de placa de circuito simplificada Placa de circuito completa. Los rectángulos denotan elementos lógicos. NU indica entradas no utilizadas: hay pistas en la placa, pero el chip no está conectado.

Aunque muchas puertas lógicas se dibujan en el diagrama, todo se implementa con solo dos puertas AOI. Las válvulas amarillas forman una válvula AOI grande, y las azules forman la segunda. Dos OR amarillas se fusionan en una. Se implementan dos puertas en ocho chips: dos chips INV, cuatro AA y dos AB. Esto demuestra la flexibilidad y extensibilidad del modelo lógico AOI, así como el uso de una gran cantidad de chips por el circuito. En todo el circuito, solo se usan dos transistores; casi toda la lógica se implementa en diodos.

Esquema de amortiguación

De los 26 chips en el tablero, 18 eran analógicos y se dedicaban al almacenamiento en búfer y al procesamiento de señales de entrada. Se introdujeron señales de 28 V, y la lógica requirió 6 V. Cada entrada (excepto el número 7) pasó a través de un "circuito de interfaz discreta" (DIA), que convirtió la entrada en una señal lógica. El siguiente diagrama muestra un circuito ensamblado a partir de los chips 321, 322 y 323 (para la mayoría de los chips en el tablero, las designaciones están en código alfabético, como INV, DLD y ED; sin embargo, para los chips analógicos, las designaciones son digitales y, aparentemente, solo las últimas tres dígitos del número de pieza) La foto muestra el contenido de cada una de las fichas. Como el chip 321 solo consta de resistencias (abajo), se ve vacío desde arriba. El chip 322 consta de un diodo, y el chip 323 consta de dos transistores (no hay cristales en la foto 323; estos son los mismos cuadrados pequeños que en 322).

Circuito de entrada discreta tipo A (DIA). El diagrama de conexión dado 322 tiene un error: dos contactos No. 5.

El siguiente diagrama da la estructura general del tablero. Los ocho chips lógicos en el medio están rodeados en verde. Cada uno de los seis buffers de entrada consta de tres chips (321, 322 y 323). El camino de la señal que pasa a través de ellos se muestra con flechas azules. Hay 35 lugares para las fichas en el tablero, y se usan 26. Si coloca chips adicionales en lugares libres, se puede usar el mismo tablero para otros fines.

Rol de la junta en LVDA

Esta placa era parte de un multiplexor en el subsistema LVDA llamado "Muestra de datos del sistema", que selecciona las señales y las envía a una computadora o a la Tierra para telemetría. SDS consiste en un multiplexor que selecciona una de las ocho señales y un selector de serializador que convierte los datos de 14 bits en una forma serial. El multiplexor tiene varias fuentes de datos: la computadora de tierra RCA-110, que antes del lanzamiento estaba conectada al cohete; "Dispositivo receptor de comandos", que recibió comandos de la computadora desde el suelo después de lanzar un cohete; retroalimentación del "selector", un conjunto de relés que la computadora usó para controlar el cohete; telemetría del Sistema de adquisición de datos digitales (DDAS) y datos en tiempo real.

Físicamente, muchas de estas fuentes de datos eran cajas grandes ubicadas en un módulo de herramientas. Por ejemplo, el "distribuidor de control" era una caja de 17 kg montada al lado del LVDA y conectada a ella por un cable grueso. Las señales recibidas del "decodificador de comandos", una caja de 4 kg conectada a otras cajas involucradas en la recepción y transmisión de señales de radio, fueron ingresadas al "dispositivo receptor de comandos" LVDA. Como el LVDA estaba conectado por cables a muchos dispositivos de módulos de instrumentos diferentes, requería 21 conectores.

En qué parte del módulo del instrumento se ubicaron LVDA, LVDC, decodificador de comando y distribuidor de control.

Estructura fisica del tablero

Los tableros en LVDA y LVDC utilizaron técnicas de fabricación interesantes para soportar la gran aceleración y vibración del cohete, así como para enfriar los elementos. La placa que cayó en mis manos estaba dañada, no tenía sujetadores, pero la foto a continuación muestra un módulo completo llamado "página". El marco de la página está hecho de una aleación de magnesio con litio, un material duradero y liviano que conduce bien el calor. El calor de la placa atravesó el marco hasta el chasis LVDA y LVDC, que se enfrió con metanol líquido a través de los canales perforados en el chasis.

Página con marco de metal.

Cada página puede acomodar dos placas de circuito impreso, frontal y posterior. Una placa de circuito impreso tiene 12 capas, bastante para la década de 1960 (incluso en la década de 1970 generalmente había 2 capas en las placas de circuito impreso comerciales). La página tiene un conector para 98 contactos, 49 para cada una de las placas. Las tablas están conectadas por 30 patas que pasan a través, en la parte superior de las tablas. También hay 18 contactos de prueba en la parte superior de cada placa: hicieron posible verificar las placas cuando ya estaban instaladas. IBM luego reutilizó este diseño con "páginas" en las computadoras aeroespaciales System / 4 Pi.

El tablero que me llegó fue arrancado del otro tablero en la página con fuerza. La siguiente foto muestra su inverso. A través de los contactos son visibles en la parte superior: deben estar conectados a otra placa. A continuación se muestran 49 contactos de la placa faltante. Parte del aislamiento se elimina de la placa y se pueden ver 12 vías para cada módulo ULD en su lugar. Gracias a ellos, el contacto del chip se puede conectar a cualquiera de las 12 capas de la placa de circuito impreso.

Conclusión

Esta pequeña placa de circuito ilustra varias cosas relacionadas con las computadoras de la década de 1960.

La placa no utiliza circuitos integrados, que solo aparecieron en ese momento, sino la tecnología de módulos híbridos. Aunque pueda parecer al revés, se ha convertido en la clave del éxito de la línea IBM System / 360. Fue introducido hace 56 años (7 de abril de 1964) y utilizaba módulos SLT híbridos con lógica AOI. Tales computadoras han dominado el mercado durante muchos años, y la arquitectura System / 360 todavía es compatible con los mainframes de IBM.

LVDC y LVDA también sirvieron para crear la línea IBM System / 4 de computadoras aeroespaciales introducidas en 1967. Estas computadoras también usaron las mismas "páginas" y conectores que esta placa, aunque abandonaron los módulos ULD en favor de los circuitos integrados TTL. La línea System / 4 Pi luego evolucionó a las computadoras del transbordador espacial AP-101S.

Finalmente, el tablero muestra cuánta tecnología ha mejorado desde la década de 1960. Cada módulo ULD contenía hasta 4 transistores, por lo que incluso para un circuito tan simple como un multiplexor, era necesario hacer una placa completa de módulos. El procesador de iPhone de hoy contiene más de 8 mil millones de transistores. Sorprendentemente, una tecnología tan primitiva fue capaz de llevar el cohete a la luna.

PCB del cohete Saturn-5: ingeniería inversa con explicaciones