🔲 ⚠️ 🏂🏿 Saturn-5火箭的PCB-反向工程及其说明 🏤 👩🏽‍⚖️ ⛱️

Ken Shirrif博客的文章翻译

在阿波罗登月任务中，土星5号火箭由IBM开发的先进车载计算机控制。该系统由类似于集成电路的混合模块组装而成，但包含单独的组件。我从该系统对印刷电路板进行了逆向开发，并弄清了它的用途：在计算机的输入/输出模块中，该电路板选择了所需的数据源。

当这块带有土星5号的板来到我身边时，它被部分分解并且缺少芯片，

在本文中，我将解释该板的工作原理-从混合模块中的微小硅晶体到电路板以及它与火箭的连接。第一个研究它阿波罗土星V LVDC的Fran Planch。在EEVblog博客上制作了关于她的视频。现在该我了。

Booster数字发射计算机（LVDC）和Booster数据适配器（LVDA）

月球竞赛它始于1961年5月25日，当时肯尼迪总统宣布美国将在十年末之前将一个人送上月球[肯尼迪不喜欢苏联的落后，他最初向赫鲁晓夫提供了联合登月任务，但由于保密/大约而他拒绝了。翻译]。该任务需要三级Saturn-5火箭，这是当时制造的最强大的火箭。火箭由运载火箭数字计算机（LVDC）数字发射计算机发射和指挥，该火箭将其送入环绕地球的轨道，然后进入朝向月球的轨道。在大多数计算机从冰箱到房间不等的时代，LVDC非常紧凑，重量仅为40千克。它的负值是非常低的速度-每秒仅执行12,000条指令。

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LVDC . – ACME ( ). .

LVDC与运载火箭数据适配器（LVDA）配合使用，后者为计算机提供输入/输出。计算机与火箭之间的所有通信均通过LVDA进行，LVDA将模拟火箭信号和28 V控制信号转换为计算机所需的串行二进制数据。 LVDA具有缓冲器（位于玻璃延迟线上）和用于其各种功能的控制寄存器。 LVDA具有用于从惯性模块中通过陀螺仪读取数据的模数转换器，以及用于向导弹提供控制信号的数模转换器。他还处理了发送到地球的遥测信号，并从地球接收了发往计算机的命令。最后，LVDC由具有LVDA冗余功能的开关电源供电。

土星5的LVDA是一个80磅的盒子，提供LVDA输入/输出。他有21个圆形连接器，用于连接火箭的其他部分。

由于LVDA具有许多不同的功能，因此它几乎是LVDC的两倍。下图是将所有方案压缩到80千克LVDA中的示意图。它分为两部分，其中填充有印刷电路板或“页面”：前逻辑部分和后逻辑部分（前部分的电路板落入我的手中）。滤波器和电源位于中间部分。甲醇基冷却剂被泵送通过LVDA通道。LVDA通过21个圆形连接器连接到LVDC和火箭的其他部分。

LVDA 详细工作计划

二极管晶体管逻辑

逻辑门可以通过多种方式创建。对于LVDC和LVDA，他们使用了诸如“ 二极管晶体管逻辑 ”（DTL）之类的技术，该技术使您可以制造二极管和晶体管的栅极。与Apollo车载控制计算机上使用的电阻-晶体管逻辑（RTL）相比，这是一种更先进的技术，但它不如1970年代非常流行的晶体管-晶体管逻辑（TTL）。

LVDC中的标准逻辑门是AND-OR-INVERT（AOI），它实现了逻辑功能，例如（A•B + C•D）'。之所以这样称呼，是因为它将逻辑函数AND应用于输入数据集，然后应用于OR，然后将结果改为相反。 AOI阀具有功能性，因为它可以用不同数量的输入来形成元件，例如（A•B + C•D•E + F•G•H）'。而且，尽管AOI阀门对您来说似乎很复杂，但仅需一个晶体管即可实现，这在必须节省数量的时代非常重要。

要了解阀门的工作原理，请参考下图。它显示了具有四个输入和两个AND成员的AOI阀。第一个负责输入A和B，目前其值为1（高电压）。上拉电阻上拉“与”值（红色，1）。在底部的AND门中，输入C为0，因此电流流过输入C，从而将AND值拉低（蓝色，0）。这样，二极管和上拉电阻实现了“与”门。现在让我们看一下“或”步骤。顶部与（红色）的电流拉动或（1）。最终，该电流导通晶体管，将输出拉低（蓝色，0）并提供反相。如果两个AND步均为0，则OR步将不会上拉。相反，上拉电阻会将OR值下拉（0），从而关闭晶体管，结果，输出将被拉高（1）。

AOI门可以由更多的电阻器或二极管组成，并根据需要提供尽可能多的输入。可以预期该阀是在单个芯片上实现的，但是，LVDC为每个阀使用了多个芯片。不同的芯片具有二极管，电阻器和晶体管的不同组合，可以灵活地连接以形成必要的逻辑门。

模块化逻辑设备

LVDC和LVDA是使用一种有趣的混合技术（称为单元逻辑设备（ULD））创建的。虽然它们看起来像集成电路，但ULD模块包含几个组件。他们使用简单的硅晶体，每个晶体仅出售一个晶体管或两个二极管。这些晶体与厚膜电阻器一起安装在面积为2 cm2的陶瓷基板上。这些模块是流行的IBM S / 360计算机中使用的Solid Logic Technology（SLT）的变体。 IBM在集成电路于商业上可行之前的1961年开始开发SLT模块，到1966年，IBM每年生产1亿个SLT模块。

如图所示，ULD模块明显小于SLT模块，因此更适合于紧凑型空间计算机。 ULD模块使用扁平陶瓷袋代替SLT金属罐，并在顶部使用金属触点而不是引脚。电路板上的夹子固定住ULD模块并连接到这些引脚。 LVDC和LVDA使用了50多种不同类型的ULD。

右边是ULD模块，比SLT模块或更现代的DIP IC小得多（左）。 SLT模块长13毫米，ULD模块长8毫米，并且更薄。

ULD模块最多包含四个微小的方形硅晶体。他们每个人都卖了两个二极管或一个晶体管。下图显示了未触摸模块旁边模块的内部组件。在左侧，可见陶瓷基板上的电路路径，该路径连接到四个微小的方形硅晶体。它看起来像印刷电路板，但请记住，该设备实际上比钉子小得多。薄膜电阻器印在模块的底部，因此看不见。

INV型ULD是开放的，因此可以看到四个硅晶体。右上方的是一个晶体管，其他三个是双二极管。模块由粉红色硅胶保护。

下面的显微照片显示了来自ULD模块的硅晶体，该晶体实现了两个二极管。晶体很小-糖粒显示在刻度上。晶体具有三个外部触点-焊接到三个圆圈的铜球。将杂质（深色区域）添加到两个下部圆中以形成两个二极管的阳极，并且上部圆是连接至基板的阴极。注意，该晶体比最简单的集成电路要简单得多。

糖粒旁边的二极管硅晶体的复合照片

下图显示了INV模块内部的图。左侧形成一个输入的AOI门。单输入阀似乎毫无意义，但是，其他输入AND可以连接到支路1，其他OR阀可以连接到支路3。右侧形成可用作附加输入的组件。

逆变模块电路

该评估板还使用AND门模块（AA和AB型）。请注意，这些不是独立的门，而是仅可以连接到INV芯片以提供更多输入AND和OR的组件。这些模块灵活连接，没有各种特殊的输入和输出。一种常见的选择是将一半的AA芯片用作具有三个输入的AND门。如果需要，AB芯片的一部分可以提供两个以上的输入。

类型AA和AB的AND门的示意图下

图显示了阀AA内部的半导体（双二极管）。您可以将组件与上面的电路匹配；最有趣的是触点1和5。请注意，触点的编号与IC的标准电路不一致。

AA型ULD打开以显示四个硅晶体。这些是带有连接阴极的双二极管。

PCB电路图

为了了解电路板的功能，我花了乏味的工作，用万用表振铃芯片之间的所有连接，以绘制接线图。但是，不久之后，我们将所有方案都交给了LVDA指令，这就是为什么我进行反向工程的尝试是多余的。该板构成了一个具有7个输入的多路复用器，从7个输入中选择一个并将接收到的值保存在触发器中。对于1960年代的技术而言，如此简单的动作需要创建一个带有多个芯片的整个电路板。

下图显示了该板的简化图。在左侧，开发板有7个输入；其中六个是需要缓冲以接收逻辑信号的28 V信号，第七个是6 V逻辑信号。将电流施加到七行之一以选择相应的输入，然后将数据存储在触发器中。当电流施加到“复位多路复用器”和“多路复用器地址”时，触发器将复位。

简化的电路板操作整个电路板。矩形表示逻辑元素。 NU表示未使用的输入-板上有走线，但未连接芯片。

尽管在图中绘制了许多逻辑门，但只有两个AOI门可以实现所有功能。黄色的阀形成一个大的AOI阀，蓝色的阀形成另一个。两个黄色的OR合并为一个。在八个芯片上实现了两个门-两个INV芯片，四个AA和两个AB。这证明了AOI逻辑模型的灵活性和可扩展性，以及该电路对大量芯片的使用。在整个电路中，仅使用两个晶体管-几乎所有逻辑都在二极管上实现。

缓冲方案

板上的26个芯片中有18个是模拟芯片，用于缓冲和处理输入信号。信号被馈送到输入28 V，逻辑输入为6V。每个输入（7号除外）都经过一个“离散接口电路”（DIA），该输入电路将输入转变为逻辑信号。下图显示了由芯片321、322和323组装而成的电路（对于板上的大多数芯片，其名称以字母代码表示，例如INV，DLD和ED；但是，对于模拟芯片，其名称为数字，并且显然是最后三个）备件号的位数）。照片显示了每个芯片的内容。由于321芯片仅包含电阻器（底部），因此从上方看它是空的。芯片322由一个二极管组成，芯片323由两个晶体管组成（照片323中没有晶体；它们是与322上相同的小方块）。

离散输入电路A型（DIA）。给定的连接图322出现错误-两个5号触点。

下图给出了该板的总体结构。中间的八个逻辑芯片以绿色圈出。六个输入缓冲器中的每个缓冲器均由三个芯片（321、322和323）组成。通过它们的信号路径由蓝色箭头表示。板上有35个放置芯片的地方，有26个被使用，如果在空闲的地方放置其他芯片，则同一块板也可以用于其他目的。

LVDA董事会成员

该评估板是LVDA子系统中称为“系统数据采样器”的多路复用器的一部分，该多路复用器选择信号并将其发送到计算机或地球进行遥测。 SDS包括一个从八个信号中选择一个的多路复用器，以及一个将14位数据转换为串行形式的串行器选择器。该多路复用器具有多个数据源-RCA-110地面计算机，该计算机在发射前已与火箭连接； “命令接收装置”，在发射火箭后从地面接收计算机命令；来自“选择器”的反馈，计算机用来控制火箭的一组继电器；来自数字数据采集系统（DDAS）的遥测和实时数据。

从物理上讲，这些数据源中的许多都是位于工具模块中的大盒子。例如，“控制分配器”是一个17千克的盒子，安装在LVDA旁边，并通过粗电缆连接到它。从“命令解码器”接收到的信号被输入到LVDA“命令接收设备”，该命令解码器是一个4公斤的盒子，与其他参与无线电信号接收和传输的盒子相连。由于LVDA通过电缆连接到许多不同的仪器模块设备，因此需要21个连接器。

仪器模块中的位置是LVDA，LVDC，命令解码器和控制分配器。

板的物理结构

LVDA和LVDC中的电路板使用了有趣的制造技术，以承受火箭的巨大加速和振动，并冷却元件。掉入我手中的电路板已损坏，没有紧固件，但下图显示了称为“页面”的整个模块。页框由镁与锂的合金制成-一种耐用，轻巧的材料，具有良好的导热性。来自电路板的热量通过框架到达LVDA和LVDC机箱，然后通过液态甲醇通过钻入机箱的通道进行冷却。

具有金属框架的页面。

每页可以容纳两个印刷电路板，正面和背面。印刷电路板有12层-在1960年代相当多（即使在1970年代，商用印刷电路板上通常也有2层）。该页面具有用于98个触点的连接器-每个板49个。板子通过板顶部的30条支脚相连。每块板的顶部也有18个测试触点-使它们在安装后即可检查板。然后，IBM将这种设计与System / 4 Pi航空航天计算机中的“页面”一起重用。

来到我面前的木板被页面上的另一个木板强行撕下。下图显示了它的逆向。贯通触点在顶部可见-它们必须连接到另一块板上。下面是丢失的电路板的49个触点。从板上移除了部分绝缘层，每个就位的ULD模块可见12个通孔。多亏了他们，芯片触点可以连接到印刷电路板的12层中的任何一层。

结论

这个小电路板说明了与1960年代计算机有关的几件事。

该开发板不使用当时才出现的集成电路，而是使用混合模块技术。尽管它看起来有些落后，但它已成为IBM System / 360系列成功的关键。它是56年前（1964年4月7日）推出的，它使用具有AOI逻辑的混合SLT模块。此类计算机已经在市场上占据了主导地位，并且IBM大型机仍支持System / 360体系结构。

LVDC和LVDA还帮助创建了1967年推出的IBM System / 4航空航天产品线。这些计算机还使用了与该板相同的“页面”和连接器，尽管它们放弃了ULD模块，转而使用TTL平面IC。然后，System / 4 Pi系列产品演变为AP-101S航天飞机计算机。

最后，董事会展示了自1960年代以来技术进步了多少。每个ULD模块最多包含4个晶体管，因此，即使对于诸如多路复用器之类的简单电路，也需要制造整个模块板。当今的iPhone处理器包含超过80亿个晶体管。令人惊讶的是，这种原始技术能够将火箭送上月球。

Saturn-5火箭的PCB-反向工程及其说明