🕛 🚴🏿 🐛 PCB do foguete Saturn-5 - engenharia reversa com explicações 👨‍⚖️ 👈 ⏫

Tradução de um artigo do blog de Ken Shirrif

Nas missões lunares da Apollo, o foguete Saturn-5 era controlado por um computador de bordo avançado desenvolvido pela IBM. O sistema foi montado a partir de módulos híbridos, semelhantes aos circuitos integrados, mas contendo componentes separados. Realizei o desenvolvimento reverso da placa de circuito impresso a partir desse sistema e descobri sua finalidade: no módulo de entrada / saída do computador, essa placa selecionou a fonte de dados desejada.

Quando esta placa com Saturn-5 chegou até mim, ela estava parcialmente desmontada e sem chips.Neste

artigo, explicarei como a placa funcionava - desde pequenos cristais de silício dentro de módulos híbridos até a placa de circuito e sua conexão com o foguete. O primeiro a estudá-loFran Planch em Apollo Saturn V LVDC. Foi feito um vídeo sobre ela no blog do EEVblog . Agora é minha vez.

Booster Digital Launch Computer (LVDC) e Corrida Lunar do Booster Data Adapter (LVDA)

Tudo começou em 25 de maio de 1961, quando o presidente Kennedy anunciou que os Estados Unidos mandariam um homem para a lua antes do final da década [Kennedy não gostou do atraso da URSS, e ele inicialmente ofereceu a Khrushchev uma missão conjunta à lua, mas recusou por sigilo / aprox. transl.]. A missão exigia um foguete Saturn-5 de três estágios, o mais poderoso de todos os construídos na época. O foguete foi dirigido e controlado pelo computador de lançamento digital LVDC (Launch Vehicle Digital Computer), que o colocou em órbita ao redor da Terra e depois na trajetória em direção à lua. Numa época em que a maioria dos computadores variava de uma geladeira a uma sala, o LVDC era muito compacto e pesava apenas 40 kg. Seu ponto negativo era uma velocidade muito baixa - ele executava apenas 12.000 instruções por segundo.

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LVDA LVDC , .

LVDC . – ACME ( ). .

O LVDC trabalhou em conjunto com o LVDA (Launch Vehicle Data Adapter), que forneceu entrada / saída para o computador. Toda a comunicação entre o computador e o foguete passou pelo LVDA, que converteu os sinais do foguete analógico e os sinais de controle de 28 V em dados binários seriais exigidos pelo computador. O LVDA tinha buffers (nas linhas de atraso do vidro ) e registros de controle para suas várias funções. O LVDA tinha conversores analógico-digitais para ler dados de um módulo inercial com seus giroscópios e conversores digital-analógico para fornecer sinais de controle para mísseis. Ele também processou sinais de telemetria enviados para a Terra e recebeu comandos da Terra destinados ao computador. E, finalmente, o LVDC foi alimentado trocando as fontes de alimentação com redundância do LVDA.

O LVDA do Saturn 5 era uma caixa de 80 libras que fornecia entrada / saída de LVDA. Ele tinha 21 conectores redondos para cabos em outras partes do foguete.

Como o LVDA tinha tantas funções diferentes, era quase o dobro do LVDC. Abaixo está um diagrama de todos os esquemas compactados em 80 kg de LVDA. É dividido em 2 seções preenchidas com placas de circuito impresso, ou “páginas”: a seção lógica frontal e a seção lógica traseira (a placa da seção frontal caiu em minhas mãos). Filtros e fontes de alimentação estavam na seção central. O refrigerante à base de metanol foi bombeado pelos canais LVDA. O LVDA foi conectado ao LVDC e a outras partes do foguete através de 21 conectores redondos.

Esquema detalhado de trabalho da LVDA

Lógica do transistor de diodo

As portas lógicas podem ser criadas de várias maneiras. Para o LVDC e o LVDA, eles usavam tecnologia como " lógica de diodo-transistor " (DTL), que permite criar uma porta de diodos e um transistor. Essa era uma tecnologia mais avançada em comparação com a lógica resistor-transistor (RTL) usada no computador de controle Apollo de bordo, mas era inferior à lógica transistor-transistor (TTL), que se tornou muito popular na década de 1970.

A porta lógica padrão no LVDC era AND-OR-INVERT (AOI), que implementa uma função lógica como (A • B + C • D) '. É chamado assim porque aplica a função lógica AND ao conjunto de dados de entrada, depois OR e altera o resultado para o oposto. A válvula AOI estava funcional, pois era possível formar elementos com um número diferente de entradas, por exemplo, (A • B + C • D • E + F • G • H). E embora a válvula AOI possa parecer complicada para você, foram necessários apenas um transistor para implementá-la, o que foi importante em uma época em que você tinha que economizar em sua quantidade.

Para entender como a válvula funciona, consulte o diagrama a seguir. Ele mostra uma válvula AOI com quatro entradas e dois membros AND. O primeiro é responsável pelas entradas A e B, cujo valor no momento é 1 (alta tensão). Um resistor de pull-up aumenta o valor AND (vermelho, 1). Na porta AND inferior, a entrada C é 0, então a corrente flui através da entrada C, puxando o valor AND para baixo (azul, 0). Dessa maneira, diodos e um resistor de pull-up implementam a porta AND. Agora vamos dar uma olhada na etapa OR. A corrente do topo AND (vermelho) puxa a etapa OU para cima (1). Finalmente, essa corrente liga o transistor, puxando a saída para baixo (azul, 0) e fornecendo inversão. Se os dois passos AND forem 0, o passo OR não será puxado para cima. Em vez disso, um resistor de pull-up puxará o valor OR para baixo (0), desligando o transistor,como resultado, a saída será puxada para cima (1).

Uma porta AOI pode ser composta por mais resistores ou diodos, fornecendo quantas entradas forem necessárias. Pode-se esperar que essa válvula seja implementada em um único chip, no entanto, a LVDC usou vários chips para cada válvula. Microplaquetas diferentes têm combinações diferentes de diodos, resistores e transistores, conectados de forma flexível para formar as portas lógicas necessárias.

Dispositivos lógicos modulares

LVDC e LVDA são criados usando uma interessante tecnologia híbrida chamada Unit Logic Devices (ULD). Embora parecessem circuitos integrados, os módulos ULD continham vários componentes. Eles usavam cristais de silício simples, cada um dos quais vendia apenas um transistor ou dois diodos. Esses cristais, juntamente com os resistores de filme espesso, foram montados em um substrato de cerâmica com uma área de 2 cm2. Esses módulos eram uma variação da Solid Logic Technology (SLT) usada nos populares computadores IBM S / 360. A IBM começou a desenvolver módulos SLT em 1961, antes que os circuitos integrados fossem comercialmente viáveis, e em 1966 produziu 100 milhões de módulos SLT por ano.

Os módulos ULD eram significativamente menores que os módulos SLT, como visto na foto e, como resultado, eram mais adequados para um computador espacial compacto. Os módulos da ULD usavam sacolas planas de cerâmica em vez de latas de metal SLT e tinham contatos de metal na parte superior em vez de pinos. Os clipes nas placas de circuito continham os módulos ULD e conectados a esses pinos. O LVDC e o LVDA usaram mais de 50 tipos diferentes de ULD.

À direita estão os módulos ULD, significativamente menores que os módulos SLT ou os DIP ICs mais modernos (à esquerda). O módulo SLT tinha 13 mm de comprimento e o módulo ULD, 8 mm, e era muito mais fino.

O módulo ULD continha até quatro pequenos cristais quadrados de silício. Cada um deles vendeu dois diodos ou um transistor. A foto abaixo mostra os componentes internos do módulo, ao lado do módulo intocado. À esquerda, os caminhos do circuito em um substrato cerâmico são visíveis, conectados a quatro pequenos cristais quadrados de silício. Parece uma placa de circuito impresso, mas lembre-se de que o dispositivo é realmente muito menor que um prego. Resistores de filme espesso foram impressos na parte inferior do módulo, para que não fiquem visíveis.

O ULD do tipo INV é aberto para que quatro cristais de silício sejam visíveis. O canto superior direito é um transistor, os outros três são diodos duplos. O módulo foi protegido por silicone rosa.

A foto microscópica abaixo mostra um cristal de silício do módulo ULD que implementa dois diodos. O cristal é muito pequeno - os grãos de açúcar são mostrados na foto em escala. O cristal tem três contatos externos - bolas de cobre soldadas em três círculos. Impurezas (áreas escuras) foram adicionadas aos dois círculos inferiores para formar os ânodos dos dois diodos, e o círculo superior era um cátodo conectado ao substrato. Observe que este cristal é muito mais simples do que o circuito integrado mais simples.

Foto composta de um cristal de diodo de silício ao lado de grãos de açúcar

O diagrama a seguir mostra um diagrama dentro de um módulo INV. O lado esquerdo forma um portão AOI com uma entrada. Uma válvula de entrada única pode parecer inútil, no entanto, entradas adicionais AND podem ser conectadas à perna 1 e válvulas OU adicionais podem ser conectadas à perna 3. O lado direito forma componentes que podem ser usados como entradas adicionais.

Circuito do módulo inversor

A placa também usa módulos AND gate (tipos AA e AB). Observe que esses não são portões independentes, mas apenas componentes que podem ser conectados ao chip INV para fornecer mais entradas AND e OR. Esses módulos são conectados de forma flexível, de várias maneiras, não há entradas e saídas especiais. Uma opção comum é usar metade do chip AA como uma porta AND com três entradas. Parte do chip AB pode, se necessário, fornecer mais duas entradas.

Diagrama das portas AND dos tipos AA e AB

A foto abaixo mostra semicondutores (diodos duplos) dentro da válvula AA. Você pode combinar os componentes com o circuito acima; Os mais interessantes são os contatos 1 e 5. Observe que a numeração dos contatos não coincide com o circuito padrão para o IC.

ULD tipo AA abriu para revelar quatro cristais de silício. Estes são diodos duplos com cátodos conectados.

Diagrama de circuito PCB

Para entender as funções da placa, passei o tedioso trabalho de ligar com um multímetro todas as conexões entre os chips para desenhar um diagrama de fiação. No entanto, pouco depois, chegamos às mãos das instruções do LVDA com todos os esquemas, e é por isso que minhas tentativas de fazer engenharia reversa eram redundantes. A placa forma um multiplexador com 7 entradas, seleciona uma das 7 entradas e salva o valor recebido em um gatilho . E para a tecnologia da década de 1960, uma ação tão simples exigiu a criação de uma placa inteira com vários chips.

O diagrama abaixo mostra um diagrama simplificado do quadro. À esquerda, o painel possui 7 entradas; seis deles são sinais de 28 V que precisam ser armazenados em buffer para receber sinais lógicos e o sétimo é um sinal lógico de 6 V. Uma corrente é aplicada a uma das sete linhas para selecionar a entrada correspondente e, em seguida, os dados são armazenados no gatilho. Quando a corrente é aplicada ao "redefinir multiplexador" e "endereço do multiplexador", o gatilho é redefinido.

Operação simplificada da placa de circuito Placa de circuito completa. Retângulos indicam elementos lógicos. NU indica entradas não utilizadas - existem faixas na placa, mas o chip não está conectado.

Embora muitas portas lógicas sejam desenhadas no diagrama, tudo é implementado com apenas duas portas AOI. As válvulas amarelas formam uma válvula AOI grande e as azuis a segunda. Duas ORs amarelas se fundem em uma. Dois portões são implementados em oito chips - dois chips INV, quatro AA e dois AB. Isso demonstra a flexibilidade e extensibilidade do modelo lógico AOI, bem como o uso de um grande número de chips pelo circuito. Em todo o circuito, apenas dois transistores são usados - quase toda a lógica é implementada em diodos.

Esquema de buffer

Dos 26 chips da placa, 18 eram analógicos e estavam envolvidos no buffer e no processamento de sinais de entrada. Foram recebidos sinais de 28 V e a lógica exigia 6 V. Cada entrada (exceto o número 7) passava por um "circuito de interface discreta" (DIA), que transformava a entrada em um sinal lógico. O diagrama a seguir mostra um circuito montado a partir dos chips 321, 322 e 323 (para a maioria dos chips da placa, as designações estão no código alfabético, como INV, DLD e ED; no entanto, para chips analógicos, as designações são digitais e, aparentemente, apenas as três últimas dígitos do número da peça de reposição). A foto mostra o conteúdo de cada um dos chips. Como o chip 321 consiste apenas de resistores (embaixo), ele parece vazio por cima. O chip 322 consiste em um diodo e o chip 323 consiste em dois transistores (não há cristais na foto 323; esses são os mesmos pequenos quadrados que no 322).

Circuito de entrada discreta tipo A (DIA). O diagrama de conexão fornecido 322 tem um erro - dois contatos n ° 5.

O diagrama a seguir fornece a estrutura geral do quadro. Os oito chips lógicos no meio estão circulados em verde. Cada um dos seis buffers de entrada consiste em três chips (321, 322 e 323). O caminho do sinal que passa por eles é mostrado por setas azuis. Existem 35 lugares para fichas no tabuleiro e 26. Se você colocar fichas adicionais em locais livres, o mesmo tabuleiro poderá ser usado para outros fins.

Papel da diretoria na LVDA

Essa placa fazia parte de um multiplexador no subsistema LVDA chamado “System Data Sampler”, que seleciona sinais e os envia para um computador ou para o Earth para telemetria. O SDS consiste em um multiplexador que seleciona um dos oito sinais e um seletor de serializador que converte dados de 14 bits em um formato serial. O multiplexador possui várias fontes de dados - o computador de terra RCA-110, que antes do lançamento era conectado ao foguete; “Dispositivo receptor de comando”, que recebeu comandos do computador do solo após o lançamento de um foguete; feedback do "seletor", um conjunto de relés que o computador usou para controlar o foguete; telemetria do Sistema de Aquisição de Dados Digitais (DDAS) e dados em tempo real.

Fisicamente, muitas dessas fontes de dados eram grandes caixas localizadas em um módulo de ferramenta. Por exemplo, o “distribuidor de controle” era uma caixa de 17 kg montada ao lado do LVDA e conectada a ele por um cabo grosso. Os sinais recebidos do “decodificador de comando”, uma caixa de 4 kg conectada a outras caixas envolvidas na recepção e transmissão de sinais de rádio, foram inseridos no “dispositivo receptor de comando” do LVDA. Como o LVDA foi conectado por cabos a muitos dispositivos diferentes de módulos de instrumentos, foram necessários 21 conectores.

Onde estavam localizados no módulo do instrumento LVDA, LVDC, decodificador de comando e distribuidor de controle.

Estrutura física da placa

As placas do LVDA e do LVDC usaram técnicas interessantes de fabricação para suportar a grande aceleração e vibração do foguete, bem como para resfriar os elementos. A placa que caiu nas minhas mãos estava danificada, não tinha fixadores, mas a foto abaixo mostra um módulo inteiro chamado “página”. A moldura da página é feita de uma liga de magnésio com lítio - um material leve e durável que conduz bem o calor. O calor da placa passou pelo chassi até o chassi LVDA e LVDC, que foi resfriado por metanol líquido através dos canais perfurados no chassi.

Página com armação de metal.

Cada página pode acomodar duas placas de circuito impresso, frontal e traseira. Uma placa de circuito impresso possui 12 camadas - bastante para a década de 1960 (mesmo na década de 1970, geralmente havia duas camadas nas placas de circuito impresso comerciais). A página possui um conector para 98 contatos - 49 para cada uma das placas. As pranchas são conectadas por 30 pernas passando, na parte superior das pranchas. Também existem 18 contatos de teste na parte superior de cada placa - eles possibilitaram verificar as placas quando elas já estavam instaladas. A IBM reutilizou esse design com "páginas" nos computadores aeroespaciais do System / 4 Pi.

A placa que veio a mim foi arrancada da outra placa na página com força. A foto a seguir mostra seu inverso. Através dos contatos são visíveis na parte superior - eles devem estar conectados a outra placa. Abaixo estão visíveis 49 contatos da placa ausente. Parte do isolamento é removida da placa e 12 vias são visíveis para cada módulo ULD em vigor. Graças a eles, o contato do chip pode ser conectado a qualquer uma das 12 camadas da placa de circuito impresso.

Conclusão

Esta pequena placa de circuito ilustra várias coisas relacionadas aos computadores da década de 1960.

A placa não usa circuitos integrados, que só apareceram na época, mas a tecnologia de módulos híbridos. Embora possa parecer atrasado, tornou-se a chave para o sucesso da linha IBM System / 360. Foi introduzido há 56 anos (7 de abril de 1964) e utilizava módulos SLT híbridos com lógica AOI. Esses computadores dominam o mercado há muitos anos, e a arquitetura System / 360 ainda é suportada nos mainframes da IBM.

O LVDC e o LVDA também serviram para criar a linha IBM System / 4 de computadores aeroespaciais, lançada em 1967. Esses computadores também usavam as mesmas “páginas” e conectores que esta placa, apesar de terem abandonado os módulos ULD em favor dos ICs planos TTL. A linha System / 4 Pi evoluiu para os computadores AP-101S do ônibus espacial.

Finalmente, o conselho mostra quanta tecnologia melhorou desde a década de 1960. Cada módulo ULD continha até 4 transistores; portanto, mesmo para um circuito tão simples como um multiplexador, era necessário fazer uma placa inteira de módulos. O processador para iPhone de hoje contém mais de 8 bilhões de transistores. Surpreendentemente, essa tecnologia primitiva foi capaz de trazer o foguete para a lua.

PCB do foguete Saturn-5 - engenharia reversa com explicações