⚛️ 👧🏿 💇🏿 PCB dari roket Saturn-5 - rekayasa terbalik dengan penjelasan 🍝 👨🏾‍🎨 🏳️‍🌈

Terjemahan sebuah artikel dari blog Ken Shirrif

Pada misi bulan Apollo, roket Saturn 5 dikendalikan oleh komputer canggih yang dikembangkan oleh IBM. Sistem ini dirakit dari modul hybrid, mirip dengan sirkuit terintegrasi, tetapi mengandung komponen terpisah. Saya melakukan pengembangan terbalik papan sirkuit cetak dari sistem ini dan mengetahui tujuannya: dalam modul input / output komputer, papan ini memilih sumber data yang diinginkan.

Ketika papan ini dengan Saturn 5 datang kepada saya, itu sebagian dibongkar dan tidak memiliki chip.Pada

artikel ini saya akan menjelaskan bagaimana papan bekerja - dari kristal silikon kecil di dalam modul hybrid ke papan sirkuit dan hubungannya dengan roket. Yang pertama mempelajarinyaFran Planch di Apollo Saturn V LVDC. Sebuah video dibuat tentang dia di blog EEVblog . Sekarang, giliranku.

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

Lunar RaceItu dimulai pada 25 Mei 1961, ketika Presiden Kennedy mengumumkan bahwa Amerika Serikat akan mengirim seorang pria ke bulan sebelum akhir dekade [Kennedy tidak suka ketinggalan di belakang USSR, dan dia awalnya menawarkan Khrushchev misi bersama ke bulan, tetapi dia menolak karena kerahasiaan / kira-kira. diterjemahkan.]. Misi tersebut membutuhkan roket Saturn-5 tiga tahap, yang paling kuat dari semua yang dibangun pada saat itu. Roket diarahkan dan dikendalikan oleh komputer peluncuran digital Digital Vehicle Vehicle (LVDC), yang menempatkannya di orbit di sekitar Bumi, dan kemudian ke lintasan ke arah bulan. Di era ketika kebanyakan komputer berkisar dari kulkas ke kamar, LVDC sangat kompak dan beratnya hanya sekitar 40 kg. Kekurangannya adalah kecepatan yang sangat rendah - hanya melakukan 12.000 instruksi per detik.

LVDC «». , . LVDC LVDA , 50- , .

LVDA LVDC , .

LVDC . – ACME ( ). .

LVDC bekerja bersama dengan Launch Vehicle Data Adapter (LVDA), yang menyediakan input / output untuk komputer. Semua komunikasi antara komputer dan roket melewati LVDA, yang mengubah sinyal roket analog dan 28 V sinyal kontrol ke data biner serial yang diperlukan oleh komputer. LVDA memiliki buffer (pada jalur tunda kaca ) dan register kontrol untuk berbagai fungsinya. LVDA memiliki konverter analog-ke-digital untuk membaca data dari modul inersia dengan giroskopnya, dan konverter digital-ke-analog untuk memasok sinyal kontrol ke rudal. Dia juga memproses sinyal telemetri yang dikirim ke Bumi, dan menerima perintah dari Bumi yang diperuntukkan bagi komputer. Dan akhirnya, LVDC diberdayakan dengan mengganti catu daya dengan redundansi dari LVDA.

Saturn 5 LVDA adalah kotak 80-pon yang menyediakan input / output LVDA. Dia memiliki 21 konektor bulat untuk kabel ke bagian roket lainnya.

Karena LVDA memiliki banyak fungsi yang berbeda, ukurannya hampir dua kali lebih besar dari LVDC. Di bawah ini adalah diagram dari semua skema yang diperas menjadi 80 kg LVDA. Ini dibagi menjadi 2 bagian diisi dengan papan sirkuit cetak, atau "halaman": bagian logika depan dan bagian logika belakang (papan dari bagian depan jatuh ke tangan saya). Filter dan catu daya berada di bagian tengah. Pendingin berbasis metanol dipompa melalui saluran LVDA. LVDA terhubung ke LVDC dan bagian lain dari roket melalui 21 konektor putaran.

LVDA Skema kerja yang terperinci

Logika transistor dioda

Gerbang logika dapat dibuat dengan banyak cara. Untuk LVDC dan LVDA, mereka menggunakan teknologi seperti " diode-transistor logic " (DTL), yang memungkinkan Anda membuat gerbang dioda dan transistor. Ini adalah teknologi yang lebih maju dibandingkan dengan resistor-transistor logic (RTL) yang digunakan pada komputer kontrol on-board Apollo, tetapi itu lebih rendah daripada transistor-transistor logic (TTL), yang menjadi sangat populer di tahun 1970-an.

Gerbang logika standar di LVDC adalah AND-OR-INVERT (AOI), yang mengimplementasikan fungsi logika seperti (A • B + C • D) '. Disebut demikian karena menerapkan fungsi logis AND ke input data set, kemudian OR, dan kemudian mengubah hasilnya ke kebalikannya. Katup AOI berfungsi, karena dimungkinkan untuk membentuk elemen dengan jumlah input yang berbeda, misalnya, (A • B + C • D • E + F • G • H) '. Dan meskipun katup AOI mungkin terlihat rumit bagi Anda, hanya butuh satu transistor untuk mengimplementasikannya, yang penting di era di mana Anda harus menghemat kuantitasnya.

Untuk memahami cara kerja katup, lihat diagram berikut. Ini menunjukkan katup AOI dengan empat input dan dua anggota AND. Yang pertama bertanggung jawab untuk input A dan B, yang nilainya saat ini adalah 1 (tegangan tinggi). Resistor pull-up menarik nilai AND (merah, 1). Di gerbang AND bawah, input C adalah 0, sehingga arus mengalir melalui input C, menarik nilai AND ke bawah (biru, 0). Dengan cara ini, dioda dan resistor pull-up mengimplementasikan gerbang AND. Sekarang mari kita lihat langkah ATAU. Arus dari atas DAN (merah) menarik OR naik (1). Akhirnya, arus ini menyalakan transistor, menarik output ke bawah (biru, 0) dan memberikan inversi. Jika kedua langkah AND adalah 0, maka langkah OR tidak akan ditarik ke atas. Sebaliknya, resistor pull-up akan menarik nilai OR ke bawah (0), mematikan transistor,sebagai hasilnya, output akan ditarik ke atas (1).

Gerbang AOI dapat dibuat dari lebih banyak resistor atau dioda, memberikan input sebanyak yang diperlukan. Bisa diharapkan bahwa katup ini diimplementasikan pada satu chip, namun, LVDC menggunakan beberapa chip untuk setiap katup. Chip yang berbeda memiliki kombinasi dioda, resistor, dan transistor yang berbeda, terhubung secara fleksibel untuk membentuk gerbang logika yang diperlukan.

Perangkat Logika Modular

LVDC dan LVDA dibuat menggunakan teknologi hybrid yang menarik yang disebut Unit Logic Devices (ULD). Meskipun terlihat seperti sirkuit terpadu, modul ULD berisi beberapa komponen. Mereka menggunakan kristal silikon sederhana, yang masing-masing hanya menjual satu transistor atau dua dioda. Kristal-kristal ini, bersama-sama dengan resistor film tebal, dipasang pada substrat keramik dengan luas 2 cm2. Modul-modul ini adalah variasi dari Solid Logic Technology (SLT) yang digunakan dalam komputer IBM S / 360 yang populer. IBM mulai mengembangkan modul-modul SLT pada tahun 1961, sebelum sirkuit-sirkuit terintegrasi dapat dijalankan secara komersial, dan pada tahun 1966 menghasilkan 100 juta modul SLT per tahun.

Modul ULD secara signifikan lebih kecil daripada modul SLT, seperti yang terlihat di foto, dan sebagai hasilnya lebih cocok untuk komputer ruang kompak. Modul ULD menggunakan tas keramik pipih alih-alih kaleng logam SLT, dan memiliki kontak logam di bagian atas, bukan pin. Klip pada papan sirkuit menahan modul ULD dan terhubung ke pin ini. LVDC dan LVDA menggunakan lebih dari 50 jenis ULD.

Di sebelah kanan adalah modul ULD, jauh lebih kecil dari modul SLT atau IC DIP yang lebih modern (kiri). Modul SLT panjangnya 13 mm, dan modul ULD 8 mm, dan jauh lebih tipis.

Modul ULD berisi hingga empat kristal silikon persegi kecil. Masing-masing dari mereka menjual dua dioda atau satu transistor. Foto di bawah ini menunjukkan komponen internal modul, di sebelah modul yang tidak tersentuh. Di sebelah kiri, jalur sirkuit pada substrat keramik terlihat, terhubung ke empat kristal silikon persegi kecil. Itu terlihat seperti papan sirkuit tercetak, tetapi perlu diingat bahwa perangkat ini sebenarnya jauh lebih kecil dari paku. Resistor film tebal dicetak di bagian bawah modul, sehingga tidak terlihat.

Jenis ULD INV terbuka sehingga empat kristal silikon terlihat. Yang kanan atas adalah transistor, tiga lainnya adalah dioda ganda. Modul ini dilindungi oleh silikon merah muda.

Foto mikroskopis di bawah ini menunjukkan kristal silikon dari modul ULD yang mengimplementasikan dua dioda. Kristal sangat kecil - butiran gula ditampilkan pada foto untuk skala. Kristal memiliki tiga kontak eksternal - bola tembaga disolder ke tiga lingkaran. Kotoran (bercak gelap) ditambahkan ke dua lingkaran bawah untuk membentuk anoda dari dua dioda, dan lingkaran atas adalah katoda yang terhubung ke substrat. Perhatikan bahwa kristal ini jauh lebih sederhana daripada sirkuit terpadu yang paling sederhana.

Foto komposit kristal silikon dioda di sebelah butiran gula

Diagram berikut menunjukkan diagram di dalam modul INV. Sisi kiri membentuk gerbang AOI dengan satu input. Katup input tunggal mungkin tampak tidak ada gunanya, namun, input tambahan DAN dapat dihubungkan ke leg 1, dan katup OR tambahan dapat dihubungkan ke leg 3. Sisi kanan membentuk komponen yang dapat digunakan sebagai input tambahan.

Sirkuit modul inverter

Papan juga menggunakan modul AND gate (tipe AA dan AB). Perhatikan bahwa ini bukan gerbang independen, tetapi hanya komponen yang dapat dihubungkan ke chip INV untuk memberikan lebih banyak input DAN dan ATAU. Modul-modul ini terhubung secara fleksibel, dengan berbagai cara, tidak ada input dan output khusus. Salah satu opsi umum adalah menggunakan setengah chip AA sebagai gerbang AND dengan tiga input. Bagian dari chip AB dapat, jika perlu, memberikan dua input lagi.

Diagram DAN katup tipe AA dan AB.Foto

di bawah ini menunjukkan semikonduktor (dioda ganda) di dalam katup AA. Anda dapat mencocokkan komponen dengan sirkuit di atas; Yang paling menarik adalah kontak 1 dan 5. Perhatikan bahwa penomoran kontak tidak sesuai dengan rangkaian standar untuk IC.

ULD tipe AA dibuka untuk mengungkapkan empat kristal silikon. Ini adalah dioda ganda dengan katoda yang terhubung.

Diagram sirkuit PCB

Untuk memahami fungsi papan, saya menghabiskan pekerjaan yang membosankan yaitu menelepon dengan multimeter semua koneksi antara chip untuk menggambar diagram kabel. Namun, tak lama setelah itu, kami sampai di tangan instruksi LVDA dengan semua skema, itulah sebabnya upaya saya untuk melakukan reverse-engineering itu mubazir. Papan membentuk multiplexer dengan 7 input, memilih salah satu dari 7 input dan menyimpan nilai yang diterima dalam sebuah pemicu . Dan untuk teknologi tahun 1960-an, tindakan sederhana seperti itu membutuhkan penciptaan seluruh papan dengan beberapa chip.

Diagram di bawah ini menunjukkan diagram papan yang disederhanakan. Di sebelah kiri, dewan memiliki 7 input; enam dari mereka adalah 28 V sinyal yang perlu buffered untuk menerima sinyal logis, dan yang ketujuh adalah 6 V sinyal logis. Arus diterapkan ke salah satu dari tujuh baris untuk memilih input yang sesuai, dan kemudian data disimpan dalam pelatuk. Ketika saat ini diterapkan ke "reset multiplexer" dan "alamat multiplexer", pemicunya diatur ulang.

Pengoperasian papan sirkuit sederhana Papan sirkuit penuh. Persegi panjang menunjukkan elemen logis. NU menunjukkan input yang tidak digunakan - ada trek di papan tulis, tetapi chip tidak terhubung.

Meskipun banyak gerbang logika digambar pada diagram, semuanya diimplementasikan hanya dengan dua gerbang AOI. Katup kuning membentuk satu katup AOI besar, dan yang biru membentuk katup kedua. Dua OR kuning bergabung menjadi satu. Dua gerbang diimplementasikan pada delapan chip - dua chip INV, empat AA dan dua AB. Ini menunjukkan fleksibilitas dan ekstensibilitas dari model logika AOI, serta penggunaan sejumlah besar chip oleh sirkuit. Di seluruh rangkaian, hanya dua transistor yang digunakan - hampir semua logika diimplementasikan pada dioda.

Skema penyangga

Dari 26 chip di papan, 18 adalah analog, dan terlibat dalam buffering dan pemrosesan sinyal input. Sinyal diumpankan ke input 28 V, dan logika diperlukan 6 V. Setiap input (kecuali No. 7) melewati "sirkuit antarmuka diskrit" (DIA), yang mengubah input menjadi sinyal logis. Diagram berikut menunjukkan sirkuit yang dirakit dari chip 321, 322 dan 323 (untuk sebagian besar chip di papan tulis, penandaannya dalam kode alfabet, seperti INV, DLD dan ED; namun, untuk chip analog, penandaannya digital, dan, tampaknya, hanya tiga yang terakhir digit nomor suku cadang). Foto menunjukkan isi dari masing-masing chip. Karena chip 321 hanya terdiri dari resistor (bawah), terlihat kosong dari atas. Chip 322 terdiri dari satu dioda, dan chip 323 terdiri dari dua transistor (tidak ada kristal dalam foto 323; ini adalah kotak kecil yang sama seperti pada 322).

Sirkuit masukan diskrit tipe A (DIA). Diagram koneksi yang diberikan 322 memiliki kesalahan - dua kontak No. 5.

Diagram berikut memberikan struktur umum dewan. Delapan chip logika di tengah dilingkari hijau. Masing-masing dari enam buffer input terdiri dari tiga chip (321, 322, dan 323). Jalur sinyal yang melewatinya ditunjukkan oleh panah biru. Ada 35 tempat untuk chip di papan tulis, dan 26 digunakan. Jika Anda menempatkan chip tambahan di tempat kosong, papan yang sama dapat digunakan untuk tujuan lain.

Peran dewan dalam LVDA

Papan ini adalah bagian dari multiplexer dalam subsistem LVDA yang disebut "System Data Sampler", yang memilih sinyal dan mengirimkannya ke komputer atau ke Bumi untuk telemetri. SDS terdiri dari multiplekser yang memilih satu dari delapan sinyal, dan pemilih-serial yang mengubah data 14-bit menjadi bentuk serial. Multiplexer memiliki beberapa sumber data - komputer ground RCA-110, yang sebelum diluncurkan terhubung ke roket; "Perangkat penerima perintah", yang menerima perintah komputer dari tanah setelah meluncurkan roket; umpan balik dari "selector", satu set relay yang digunakan komputer untuk mengendalikan roket; telemetri dari Sistem Akuisisi Data Digital (DDAS) dan data real-time.

Secara fisik, banyak dari sumber data ini adalah kotak besar yang terletak di modul alat. Misalnya, "distributor kontrol" adalah kotak 17 kg yang dipasang di sebelah LVDA dan dihubungkan dengan kabel tebal. Sinyal yang diterima dari "decoder perintah", kotak 4 kg yang terhubung ke kotak lain yang terlibat dalam penerimaan dan transmisi sinyal radio, adalah input ke "perangkat penerima perintah" LVDA. Karena LVDA dihubungkan oleh kabel ke banyak perangkat modul instrumen yang berbeda, maka diperlukan 21 konektor.

Di mana dalam modul instrumen terletak LVDA, LVDC, perintah decoder dan distributor kontrol.

Struktur fisik papan

Papan di LVDA dan LVDC menggunakan teknik pembuatan yang menarik untuk menahan akselerasi dan getaran roket yang hebat, serta untuk mendinginkan elemen. Papan yang jatuh ke tangan saya rusak, tidak memiliki pengencang, tetapi foto di bawah ini menunjukkan seluruh modul yang disebut "halaman". Bingkai halaman terbuat dari paduan magnesium dengan lithium - bahan yang tahan lama dan ringan yang menghasilkan panas yang baik. Panas dari papan melewati rangka ke sasis LVDA dan LVDC, yang didinginkan oleh metanol cair melalui saluran yang dibor ke sasis.

Halaman dengan bingkai logam.

Setiap halaman dapat menampung dua papan sirkuit cetak, depan dan belakang. Papan sirkuit cetak memiliki 12 lapisan - cukup banyak untuk tahun 1960-an (bahkan pada tahun 1970-an biasanya ada 2 lapisan pada papan sirkuit cetak komersial). Halaman ini memiliki konektor untuk 98 kontak - 49 untuk masing-masing papan. Papan dihubungkan dengan 30 kaki melewati, di bagian atas papan. Ada juga 18 kontak uji di bagian atas setiap papan - mereka memungkinkan untuk memeriksa papan ketika mereka sudah dipasang. IBM kemudian menggunakan kembali desain ini dengan "halaman" di komputer sistem / 4 Pi aerospace.

Papan yang datang kepada saya dirobek dari papan lain di halaman dengan paksa. Foto berikut menunjukkan kebalikannya. Melalui kontak terlihat di bagian atas - mereka harus terhubung ke papan lain. Di bawah ini terlihat 49 kontak dari papan yang hilang. Bagian dari insulasi dikeluarkan dari papan, dan 12 vias terlihat untuk setiap modul ULD yang ada. Berkat mereka, kontak chip dapat dihubungkan ke salah satu dari 12 lapisan papan sirkuit cetak.

Kesimpulan

Papan sirkuit kecil ini menggambarkan beberapa hal yang berkaitan dengan komputer tahun 1960-an.

Papan tidak menggunakan sirkuit terintegrasi, yang hanya muncul pada waktu itu, tetapi teknologi modul hybrid. Meskipun mungkin tampak terbelakang, itu telah menjadi kunci keberhasilan garis IBM System / 360. Ini diperkenalkan 56 tahun yang lalu (7 April 1964), dan menggunakan modul hybrid SLT dengan logika AOI. Komputer seperti itu telah mendominasi pasar selama bertahun-tahun, dan arsitektur System / 360 masih didukung pada mainframe IBM.

LVDC dan LVDA juga berfungsi untuk menciptakan IBM System / 4 line komputer dirgantara yang diperkenalkan pada tahun 1967. Komputer ini juga menggunakan "halaman" dan konektor yang sama dengan papan ini, meskipun mereka meninggalkan modul ULD demi IC datar TTL. Garis System / 4 Pi kemudian berevolusi ke komputer pesawat ulang-alik AP-101S.

Akhirnya, dewan menunjukkan seberapa banyak teknologi telah meningkat sejak 1960-an. Setiap modul ULD berisi hingga 4 transistor, sehingga bahkan untuk rangkaian sederhana seperti multiplexer, perlu untuk membuat seluruh papan modul. Prosesor iPhone saat ini mengandung lebih dari 8 miliar transistor. Anehnya, teknologi primitif semacam itu mampu membawa roket ke bulan.

PCB dari roket Saturn-5 - rekayasa terbalik dengan penjelasan