De Launch Vehicle Digital Computer (LVDC) speelde een sleutelrol in het Apollo-maanprogramma en dreef de raket Saturnus 5. Zoals de meeste computers van die tijd, bewaarde hij gegevens in kleine magnetische kernen. In dit artikel vertelt Cloud4Y over de LVDC-geheugenmodule uit de deluxe Steve Jurvetson.
Deze geheugenmodule is halverwege de jaren zestig verbeterd. Het is gebouwd met componenten voor opbouwmontage, hybride modules en flexibele verbindingen, waardoor het een orde van grootte kleiner en lichter is dan conventioneel computergeheugen van die tijd. De geheugenmodule kon echter slechts 1960 woorden van 4096 bits opslaan.
Geheugenmodule met magnetische kern. Deze module slaat 4K woorden op van 26 databits en 2 pariteitsbits. Met vier geheugenmodules die een totale capaciteit van 16 woorden geven, weegt het 384 kg en meet het 2,3 cm x 14 cm x 14 cm.
De maanlanding begon op 25 mei 1961, toen president Kennedy aankondigde dat Amerika voor het einde van het decennium een man op de maan zou zetten. Hiervoor werd een drietraps Saturn 5-raket gebruikt, de krachtigste raket ooit gemaakt. Saturnus 5 werd bestuurd en bestuurd door een computer (hier over hem) de derde trap van een draagraket, beginnend bij het opstijgen in de baan van de aarde en vervolgens op weg naar de maan. (Het Apollo-ruimtevaartuig scheidde zich op dit punt af van de Saturn V-raket en de LVDC-missie was voltooid.)
De LVDC wordt geïnstalleerd in het basisframe. Ronde connectoren zijn zichtbaar aan de voorkant van de computer. Gebruikte 8 elektrische connectoren en twee connectoren voor vloeistofkoeling
De LVDC was slechts een van de vele computers aan boord van de Apollo. De LVDC was aangesloten op het besturingssysteem, een analoge computer van 45 kg. De ingebouwde Apollo Guidance Computer (AGC) leidde het ruimtevaartuig naar het maanoppervlak. De commandomodule bevatte één AGC, terwijl de maanmodule een tweede AGC bevatte, samen met het Abort-navigatiesysteem, een reserve-noodcomputer.
Er waren verschillende computers aan boord van de Apollo.
Eenheid logische apparaten (ULD)
LVDC is gemaakt met behulp van een interessante hybride technologie genaamd ULD, unit load device. Hoewel ze eruit zagen als geïntegreerde schakelingen, bevatten ULD-modules verschillende componenten. Ze gebruikten simpele siliciumchips, elk met maar één transistor of twee diodes. Deze arrays, samen met gedrukte dikke-film gedrukte weerstanden, werden op een keramische wafel gemonteerd om circuits zoals een logische poort te implementeren. Deze modules waren een variant van de SLT-modules () ontworpen voor de populaire computers uit de IBM S/360-serie. IBM begon met de ontwikkeling van SLT-modules in 1961, voordat geïntegreerde schakelingen commercieel levensvatbaar waren, en tegen 1966 produceerde IBM meer dan 100 miljoen SLT-modules per jaar.
De ULD-modules waren aanzienlijk kleiner dan de SLT-modules, zoals te zien is op de onderstaande foto, waardoor ze meer geschikt waren voor een compacte ruimtecomputer.De ULD-modules gebruikten keramische pads in plaats van de metalen pinnen in de SLT en hadden metalen contacten aan de bovenkant oppervlak in plaats van pinnen. Clips op het bord hielden de ULD-module op zijn plaats en verbonden met deze pinnen.
Waarom gebruikte IBM SLT-modules in plaats van geïntegreerde schakelingen? De belangrijkste reden was dat geïntegreerde schakelingen nog in de kinderschoenen stonden, aangezien ze in 1959 waren uitgevonden. In 1963 hadden SLT-modules kosten- en prestatievoordelen ten opzichte van geïntegreerde schakelingen. SLT-modules werden echter vaak gezien als inferieur aan geïntegreerde schakelingen. Een van de voordelen van SLT-modules ten opzichte van geïntegreerde schakelingen was dat de weerstanden in SLT's veel nauwkeuriger waren dan die in geïntegreerde schakelingen. Tijdens de fabricage werden de dikke filmweerstanden in de SLT-modules zorgvuldig gezandstraald om de resistieve film te verwijderen totdat ze de gewenste weerstand bereikten. SLT-modules waren in de jaren zestig ook goedkoper dan vergelijkbare geïntegreerde schakelingen.
De LVDC en aanverwante apparatuur gebruikten meer dan 50 verschillende soorten ULD's.
SLT-modules (links) zijn aanzienlijk groter dan ULD-modules (rechts). ULD-formaat is 7,6 mm × 8 mm
De onderstaande foto toont de interne componenten van de ULD-module. Aan de linkerkant van de keramische plaat zijn geleiders verbonden met vier kleine vierkante siliciumkristallen. Het ziet eruit als een printplaat, maar houd er rekening mee dat het veel kleiner is dan een vingernagel. De zwarte rechthoeken aan de rechterkant zijn dikke filmweerstanden die op de onderkant van de plaat zijn gedrukt.
ULD, boven- en onderaanzicht. Siliciumkristallen en weerstanden zijn zichtbaar. Terwijl SLT-modules weerstanden aan de bovenkant hadden, hadden ULD-modules weerstanden aan de onderkant, wat zowel de dichtheid als de kosten verhoogde.
De onderstaande foto toont een siliciumchip van de ULD-module, die twee diodes heeft geïmplementeerd. De maten zijn ongewoon klein, ter vergelijking: er zijn suikerkristallen in de buurt. Het kristal had drie externe verbindingen door middel van koperen ballen die aan drie cirkels waren gesoldeerd. De onderste twee cirkels (de anodes van de twee diodes) waren gedoteerd (donkerdere gebieden), terwijl de cirkel rechtsboven de kathode was die met de basis was verbonden.
Foto van een siliciumkristal met twee dioden naast suikerkristallen
Hoe magnetisch kerngeheugen werkt
Magnetisch kerngeheugen was de belangrijkste vorm van gegevensopslag in computers vanaf de jaren vijftig totdat het in de jaren zeventig werd vervangen door solid-state opslagapparaten. Geheugen is gemaakt van kleine ferrietringen die kernen worden genoemd. Ferrietringen werden in een rechthoekige matrix geplaatst en twee tot vier draden gingen door elke ring om informatie te lezen en te schrijven. Door de ringen kon een stukje informatie worden opgeslagen. De kern werd gemagnetiseerd met behulp van een stroompuls door de draden die door de ferrietring gingen. De magnetisatierichting van één kern kan worden gewijzigd door een puls in de tegenovergestelde richting te sturen.
Om de waarde van de kern af te lezen, bracht een stroompuls de ring in toestand 0. Als de kern eerder in toestand 1 had gestaan, creëerde het veranderende magnetische veld een spanning in een van de draden die door de kernen lopen. Maar als de kern al in toestand 0 zou zijn, zou het magnetische veld niet veranderen en zou de spanning van de meetdraad niet stijgen. Dus de waarde van de bit in de kern werd uitgelezen door deze op nul te zetten en de spanning op de uitgelezen draad te controleren. Een belangrijk kenmerk van geheugen op magnetische kernen was dat het proces van het lezen van een ferrietring zijn waarde vernietigde, dus de kern moest worden "herschreven".
Het was onhandig om een aparte draad te gebruiken om de magnetisatie van elke kern te veranderen, maar in de jaren vijftig werd een ferrietgeheugen ontwikkeld dat werkte volgens het principe van het samenvallen van stromen. Het vierdraads circuit - X, Y, Sense, Inhibit - is gemeengoed geworden. De technologie maakte gebruik van een speciale eigenschap van kernen die hysteresis wordt genoemd: een kleine stroom heeft geen invloed op het ferrietgeheugen, maar een stroom boven een drempel zou de kern magnetiseren. Wanneer bekrachtigd met de helft van de vereiste stroom op één X-lijn en één Y-lijn, ontving alleen de kern waarin beide lijnen elkaar kruisten voldoende stroom om opnieuw te magnetiseren, terwijl de andere kernen intact bleven.
Zo zag het geheugen van de IBM 360 Model 50 eruit.De LVDC en de Model 50 gebruikten hetzelfde type kern, bekend als 19-32 omdat hun binnendiameter 19 mils (0.4826 mm) was en hun buitendiameter 32 mils (0,8mm). Je kunt op deze foto zien dat er drie draden door elke kern lopen, maar LVDC gebruikte vier draden.
De onderstaande foto toont een rechthoekige LVDC-geheugenarray. 8 Deze matrix heeft 128 X-draden die verticaal lopen en 64 Y-draden die horizontaal lopen, met een kern op elke kruising. Een enkele leesdraad loopt parallel aan de Y-draden door alle aders. De schrijfdraad en de blokkeerdraad lopen door alle kernen parallel aan de X-draden. De draden kruisen elkaar in het midden van de matrix; dit vermindert het geïnduceerde geluid omdat het geluid van de ene helft het geluid van de andere helft opheft.
Eén LVDC-ferrietgeheugenmatrix met 8192 bits. De verbinding met andere matrices vindt plaats via pinnen aan de buitenkant
De bovenstaande matrix had 8192 elementen, die elk één bit bevatten. Om een geheugenwoord op te slaan, werden verschillende basismatrices bij elkaar opgeteld, één voor elk bit in het woord. Draden X en Y kronkelden door alle hoofdmatrices. Elke matrix had een aparte leeslijn en een aparte schrijfverbodlijn. LVDC-geheugen gebruikte een stapel van 14 basismatrices (hieronder) die een 13-bits "lettergreep" samen met een pariteitsbit opsloeg.
De LVDC-stack bestaat uit 14 hoofdmatrices
Voor het schrijven naar het magnetische kerngeheugen waren extra draden nodig, de zogenaamde inhibitielijnen. Elke matrix had één inhibitielijn die door alle kernen liep. Tijdens het schrijfproces gaat er stroom door de X- en Y-lijnen, waardoor de geselecteerde ringen (één per vlak) opnieuw worden gemagnetiseerd naar toestand 1, waarbij alle 1-en in het woord blijven. Om een 0 op de bitpositie te schrijven, werd de lijn bekrachtigd met de helft van de stroom tegengesteld aan de lijn X. Als resultaat bleven de kernen op 0. De blokkeerlijn stond dus niet toe dat de kern naar 1 omdraaide. woord kan in het geheugen worden geschreven door de overeenkomstige blokkeerregels te activeren.
LVDC-geheugenmodule
Hoe is een LVDC-geheugenmodule fysiek opgebouwd? In het midden van de geheugenmodule bevindt zich een stapel van 14 ferromagnetische geheugenarrays die eerder zijn getoond. Het is omgeven door verschillende borden met circuits om de X- en Y-draden aan te sturen en de blokkeerlijnen, bitleeslijnen, foutdetectie en het genereren van de noodzakelijke kloksignalen.
Over het algemeen bevinden de meeste geheugengerelateerde circuits zich in de LVDC-computerlogica, niet in de geheugenmodule zelf. Computerlogica bevat met name registers voor het opslaan van adressen en datawoorden en het omzetten tussen serieel en parallel. Het bevat ook circuits voor het lezen van de gelezen bitlijnen, foutcontrole en klokken.
Geheugenmodule met de belangrijkste componenten. MIB (Multilayer Interconnection Board) is een 12-laags printplaat
Y geheugen driver board
Een woord in het kerngeheugen wordt geselecteerd door de respectieve X- en Y-lijnen door de hoofdbordstapel te halen. Laten we beginnen met het beschrijven van het Y-drivercircuit en hoe het een signaal genereert via een van de 64 Y-lijnen. In plaats van 64 aparte drivercircuits reduceert de module het aantal circuits door gebruik te maken van 8 "high" drivers en 8 "low" drivers. Ze zijn bedraad in een "matrix"-configuratie, dus elke combinatie van hoge en lage drivers selecteert verschillende rijen. Dus 8 "hoge" en 8 "lage" stuurprogramma's selecteren een van de 64 (8 × 8) Y-lijnen.
Y-driverbord (voorkant) stuurt de Y-selectielijnen in de stapel borden aan
Op de onderstaande foto ziet u enkele van de ULD-modules (wit) en het paar transistors (goud) die de selectielijnen Y aansturen.De "EI"-module is het hart van de driver: hij levert een constante spanningspuls (E ) of geeft een constante stroompuls (I) door de selectielijn. De selectielijn wordt bestuurd door de EI-module in spanningsmodus aan het ene uiteinde van de lijn en de EI-module in stroommodus aan het andere uiteinde te activeren. Het resultaat is een puls met de juiste spanning en stroom, voldoende om de kern te hermagnetiseren. Er is veel vaart voor nodig om het om te draaien; de spanningspuls is vastgesteld op 17 volt en de stroom varieert van 180 mA tot 260 mA, afhankelijk van de temperatuur.
Macrofoto van het Y-stuurbord waarop zes ULD-modules en zes paar transistoren te zien zijn. Elke ULD-module is gelabeld met een IBM-onderdeelnummer, moduletype (bijvoorbeeld "EI") en een code waarvan de betekenis onbekend is
Het bord is ook uitgerust met foutmonitor (ED)-modules die detecteren wanneer er tegelijkertijd meer dan één Y-selectielijn wordt geactiveerd.De ED-module gebruikt een eenvoudige semi-analoge oplossing: het somt de ingangsspanningen op met behulp van een netwerk van weerstanden. Als de resulterende spanning boven de drempel ligt, wordt de sleutel geactiveerd.
Onder het driverboard bevindt zich een diode-array met 256 diodes en 64 weerstanden. Deze matrix zet de 8 bovenste en 8 onderste signaalparen van het driverbord om in 64 Y-lijnverbindingen die door de hoofdstapel van borden lopen. Flexibele kabels aan de boven- en onderkant van het bord verbinden het bord met de diode-array. Twee flexkabels aan de linkerkant (niet zichtbaar op de foto) en twee rails aan de rechterkant (een zichtbaar) verbinden de diodematrix met de reeks kernen. De flexkabel die links zichtbaar is, verbindt het Y-board met de rest van de computer via het I/O-board, terwijl de kleine flexkabel rechtsonder wordt aangesloten op het klokgeneratorboard.
X Geheugenstuurprogrammakaart
De lay-out voor het aansturen van de X-lijnen is hetzelfde als het Y-schema, behalve dat er 128 X-lijnen en 64 Y-lijnen zijn.Omdat er twee keer zoveel X-draden zijn, heeft de module een tweede X-driverkaart eronder. Hoewel de X- en Y-kaarten dezelfde componenten hebben, is de bedrading anders.
Dit bord en het bord eronder besturen X geselecteerde rijen in een stapel kernborden
Op onderstaande foto is te zien dat enkele onderdelen op het bord beschadigd waren. Een van de transistors is verplaatst, de ULD-module is doormidden gebroken en de andere is afgebroken. De bedrading is zichtbaar op de kapotte module, samen met een van de kleine siliciumkristallen (rechts). Op deze foto zie je ook de sporen van verticale en horizontale geleidende sporen op een 12-laags printplaat.
Close-up van het beschadigde gedeelte van het bord
Onder de X-driverborden bevindt zich een X-diodematrix met 288 diodes en 128 weerstanden. De X-diode-array gebruikt een andere topologie dan de Y-diode-kaart om verdubbeling van het aantal componenten te voorkomen. Net als het Y-diodebord bevat dit bord componenten die verticaal tussen twee printplaten zijn gemonteerd. Deze methode wordt "cordwood" genoemd en zorgt ervoor dat de componenten stevig kunnen worden verpakt.
Een macrofoto van een X-diode-array met verticaal gemonteerde cordwood-diodes tussen 2 printplaten. De twee X-driverborden zitten boven het diodebord, van hen gescheiden door polyurethaanschuim. Houd er rekening mee dat de printplaten zeer dicht bij elkaar liggen.
Geheugenversterkers
De onderstaande foto toont het uitleesversterkerbord. Heeft 7 kanalen voor het lezen van 7 bits uit de geheugenstack; het identieke bord hieronder verwerkt nog 7 bits voor een totaal van 14 bits. Het doel van de meetversterker is om het kleine signaal (20 millivolt) dat wordt gegenereerd door de remagnetiseerbare kern te detecteren en om te zetten in een 1-bits uitvoer. Elk kanaal bestaat uit een verschilversterker en buffer, gevolgd door een differentiaaltransformator en uitgangsklem. Aan de linkerkant wordt een 28-aderige flexkabel aangesloten op de geheugenstapel, die de twee uiteinden van elke detectiedraad naar een versterkercircuit leidt, te beginnen met de MSA-1 (Memory Sense Amplifier) -module. De afzonderlijke componenten zijn weerstanden (bruine cilinders), condensatoren (rood), transformatoren (zwart) en transistors (goud). De databits verlaten de sense-versterkerborden via de flexibele kabel aan de rechterkant.
Uitleesversterkerprint aan de bovenzijde van de geheugenmodule. Dit bord versterkt de signalen van de detectiedraden om uitvoerbits te creëren
Schrijf Inhibit Line Driver
Inhibit-stuurprogramma's worden gebruikt om naar het geheugen te schrijven en bevinden zich aan de onderkant van de hoofdmodule. Er zijn 14 inhibit-lijnen, één voor elke matrix op de stapel. Om een 0 bit te schrijven, wordt de overeenkomstige vergrendelingsdriver geactiveerd en de stroom door de blokkeerlijn voorkomt dat de kern naar 1 overschakelt. Elke lijn wordt aangestuurd door een ID-1- en ID-2-module (schrijfblokkeerlijnstuurprogramma) en een paar van transistoren. Precisieweerstanden van 20,8 ohm aan de boven- en onderkant van het bord regelen de blokkeerstroom. De 14-aderige flexkabel aan de rechterkant verbindt de drivers met de 14 inhibit-draden in de stapel kernkaarten.
Remmingsbord aan de onderkant van de geheugenmodule. Dit bord genereert 14 onderdrukkingssignalen die worden gebruikt tijdens het opnemen
Klok driver geheugen
De klokdriver is een paar kaarten die kloksignalen genereren voor de geheugenmodule. Zodra de computer een geheugenbewerking start, worden de verschillende kloksignalen die door de geheugenmodule worden gebruikt, asynchroon gegenereerd door de klokdriver van de module. De klokaandrijfborden bevinden zich aan de onderkant van de module, tussen de stapel en het inhibit-bord, zodat de borden moeilijk te zien zijn.
De klokdriverborden bevinden zich onder de hoofdgeheugenstapel maar boven het slotbord
De blauwe bordcomponenten op de bovenstaande foto zijn multi-turn potentiometers, vermoedelijk voor timing of spanningsaanpassing. Weerstanden en condensatoren zijn ook zichtbaar op de printplaten. Het diagram toont verschillende MCD-modules (Memory Clock Driver), maar er zijn geen modules zichtbaar op de kaarten. Het is moeilijk te zeggen of dit te wijten is aan beperkt zicht, een verandering van circuit of de aanwezigheid van een ander bord met deze modules.
Geheugen I/O-paneel
De laatste geheugenmodulekaart is de I/O-kaart, die signalen verdeelt tussen de geheugenmodulekaarten en de rest van de LVDC-computer. De groene 98-pins connector aan de onderkant wordt aangesloten op het LVDC-geheugenchassis en levert signalen en stroom van de computer. De meeste plastic connectoren zijn kapot, waardoor de contacten zichtbaar zijn. Het verdeelbord is aan de onderzijde verbonden met twee 49-pins flexibele kabels (alleen de voorste kabel is zichtbaar). Andere flexkabels verdelen signalen naar de X Driver Board (links), Y Driver Board (rechts), Sense Amplifier Board (boven) en Inhibit Board (onder). 20 condensatoren op het bord filteren de voeding die aan de geheugenmodule wordt geleverd.
De I/O-kaart tussen de geheugenmodule en de rest van de computer. De groene connector aan de onderkant wordt aangesloten op de computer en deze signalen worden via platte kabels naar andere delen van de geheugenmodule geleid
Uitgang
De belangrijkste LVDC-geheugenmodule bood compacte, betrouwbare opslag. In de onderste helft van de computer konden maximaal 8 geheugenmodules worden geplaatst. Hierdoor kon de computer 32 opslaan 26-bits woorden of 16 kilowoorden in redundante, zeer betrouwbare "duplex"-modus.
Een interessant kenmerk van LVDC was dat geheugenmodules konden worden gespiegeld voor betrouwbaarheid. In de "duplex" -modus werd elk woord opgeslagen in twee geheugenmodules. Als er een fout is opgetreden in een module, kan het juiste woord worden verkregen uit een andere module. Hoewel dit voor betrouwbaarheid zorgde, halveerde het de geheugenvoetafdruk. Als alternatief kunnen de geheugenmodules in "simplex"-modus worden gebruikt, waarbij elk woord één keer wordt opgeslagen.
LVDC biedt plaats aan maximaal acht CPU-geheugenmodules
De geheugenmodule met magnetische kern geeft een visuele weergave van de tijd dat voor 8 KB opslag een module van 5 kg nodig was. Deze herinnering was echter zeer perfect voor zijn tijd. Dergelijke apparaten raakten in de jaren zeventig in onbruik met de komst van halfgeleider-DRAM's.
De inhoud van RAM blijft bewaard wanneer de stroom wordt uitgeschakeld, dus het is waarschijnlijk dat de module nog steeds software opslaat van de laatste keer dat de computer werd gebruikt. Ja, ja, daar kun je zelfs decennia later iets interessants vinden. Het zou interessant zijn om te proberen deze gegevens te herstellen, maar de beschadigde schakelingen vormen een probleem, dus de inhoud zal waarschijnlijk pas over tien jaar uit de geheugenmodule kunnen worden gehaald.
Wat lees je nog meer op de blog?
→
→
→
→
→
Abonneer u op onze -kanaal, om het volgende artikel niet te missen! We schrijven niet meer dan twee keer per week en alleen voor zaken. We herinneren u er ook aan dat Cloud4Y veilige en betrouwbare toegang op afstand kan bieden tot bedrijfsapplicaties en informatie die nodig is voor bedrijfscontinuïteit. Werken op afstand vormt een extra barrière voor de verspreiding van het coronavirus. Details zijn van onze managers.
Bron: www.habr.com