Počítač, ktorý pracoval v rakete-nositeľovi (Launch Vehicle Digital Computer, LVDC), zohral kľúčovú úlohu v lunárnom programe „Apollo“, riadiac raketu Saturn 5. Tak ako väčšina počítačov tej doby, uchovával údaje v miniatúrnych magnetických jadierkach. V tomto článku Cloud4Y hovorí o pamäťovom module LVDC z luxusnej Stevea Jurvetsona.
Tento pamäťový modul bol vylepšený v polovici 60. rokov. Na jeho výrobu boli použité komponenty pre povrchovú montáž, hybridné moduly a flexibilné spojenia, čo ho učinilo podstatne menším a ľahším, než bežná počítačová pamäť tej doby. Napriek tomu modul umožňoval uchovávať iba 4096 slov po 26 bitov.
Pamäťový modul na magnetických jadierkach. Tento modul uchováva 4K slov z 26 bitových údajov a 2 bitov parít. S štyrmi pamäťovými modulmi, čo dáva celkovú kapacitu 16 384 slov, váži 2,3 kg a má rozmery 14 cm × 14 cm × 16 cm.
Let na Mesiac začal 25. mája 1961, keď prezident Kennedy vyhlásil, že Amerika vysadí človeka na Mesiaci do konca desaťročia. Na tento účel bola použitá trojstupňová raketa Saturn 5, najvýkonnejšia raketa, aká bola kedy vytvorená. Saturn 5 bol riadený a kontrolovaný počítačom (tu o ňom) tretej stupňa rakety-nositeľa, začínajúc od vzletu na orbitu Zeme, a potom pri pohybe k Mesiacu. (Lunar Module „Apollo“ sa v tomto okamihu oddelil od rakety „Saturn-5“, a úloha LVDC bola splnená).
LVDC je nainštalovaný v opornej ráme. Okrúhle konektory sú viditeľné na prednej strane počítača. Používalo sa 8 elektrických konektorov a dva konektory pre kvapalinové chladenie.
LVDC bol len jedným z niekoľkých počítačov na palube „Apollo“. LVDC bol pripojený k systému kontroly letu, 45-kilogramovému analogovému počítaču. Palubný navigačný počítač „Apollo“ (Apollo Guidance Computer, AGC) usmerňoval vesmírnu loď k povrchu Mesiaca. Veliteľský modul mal jeden AGC, zatiaľ čo lunárny modul obsahoval druhý AGC spolu so systémom navigácie Abort, záložným havarijným počítačom.
Na palube Apolla bolo niekoľko počítačov.
Jednotky logiky (ULD)
LVDC bolo vytvorené pomocou zaujímavej hybridnej technológie nazvanej ULD, unit load device. Hoci sa vonkajšie podobali integrovaným obvodom, moduly ULD obsahovali niekoľko komponentov. Používali jednoduché kremíkové kryštály, z ktorých každý mal len jeden tranzistor alebo dva diódy. Tieto matice spolu s potlačovými hrubovrstvovými rezistormi boli umiestnené na keramickej doske na realizáciu schém podobných logickým bránam. Tieto moduly boli variantom modulov SLT (), vyvinutých pre počítače IBM populárnej série S/360. IBM začala vývoj modulov SLT v roku 1961, predtým, než sa integrované obvody stali komerčne efektívnymi, a do roku 1966 IBM vyrábala viac ako 100 miliónov modulov SLT ročne.
Moduly ULD boli výrazne menšie ako moduly SLT, ako je vidieť na fotografii nižšie, čo ich robilo vhodnejšími pre kompaktný vesmírny počítač. Moduly ULD používali keramické pokryté dosky namiesto kovových kolíkov v SLT a mali kovové kontakty na hornej ploche namiesto pinov. Držaky na doske udržiavali modul ULD na mieste a spojili sa s týmito kontaktmi.
Prečo IBM používala moduly SLT namiesto integrovaných obvodov? Hlavným dôvodom bolo to, že integrované obvody boli ešte v začiatkoch, vynájdené v roku 1959. V roku 1963 mali moduly SLT výhody v cene a výkonnosti v porovnaní s integrovanými obvodmi. Napriek tomu boli moduly SLT často považované za pozadu v porovnaní s integrovanými obvodmi. Jednou z výhod modulov SLT nad integrovanými obvodmi bolo to, že rezistory v SLT boli oveľa presnejšie ako v integrovaných obvodoch. Počas výroby hrubovrstvové rezistory v moduloch SLT prechádzali dôkladným pieskovaním na odstránenie rezistívneho filmu, kým nedosiahli požadovaný odpor. Moduly SLT boli tiež lacnejšie ako porovnateľné integrované obvody v 60. rokoch.
LVDC a s tým spojené zariadenia používali viac ako 50 rôznych typov ULD.
Moduly SLT (vľavo) sú výrazne väčšie ako moduly ULD (vpravo). Veľkosť ULD je 7,6 mm × 8 mm
Na fotografii nižšie sú zobrazené vnútorné komponenty modulu ULD. Vľavo na keramickej doske sú vidieť vodiče pripojené k štyrom malým štvorcovým kremíkovým kryštálom. Vyzerá to ako tlačená doska, ale majte na pamäti, že je omnoho menšia ako necht. Čierne obdĺžniky vpravo sú hrubovrstvé rezistory, vytlačené na spodnej strane dosky.
ULD, pohľad z hora a z dola. Vidieť kremíkové kryštály a rezistory. Zatiaľ čo moduly SLT mali rezistory na hornej ploche, moduly ULD mali rezistory dole, čo zvyšovalo hustotu a tiež náklady.
Na fotografii nižšie je vidieť kremíkový kryštál z modulu ULD, ktorý realizoval dva diódové. Rozmery sú mimoriadne malé, pre porovnanie sú vedľa neho kryštáliky cukru. Kryštál mal tri vonkajšie pripojenia cez medené guľôčky pripájané k trom kruhom. Dve dolné kruhy (anódy dvoch diód) boli legované (tmavšie oblasti), zatiaľ čo horný pravý kruh bol katód, pripojený k základu.
Fotografia diódového kremíkového kryštálu vedľa kryštálikov cukru.
Ako funguje pamäť na magnetických jadrach.
Pamäť na magnetických jadrach bola hlavnou formou uloženia dát na počítačoch od 50. rokov 20. storočia, kým v 70. rokoch nebola nahradená polovodičovými pamäťovými zariadeniami. Pamäť bola vytvorená z drobných feritových prstencov, nazývaných jadrá. Feritové prstene boli usporiadané do obdĺžnikovej matice a cez každý prstenec prechádzalo od dvoch do štyroch vodičov na čítanie a zápis informácií. Prstene umožňovali ukladať jeden bit informácií. Jadro sa na magnetizovalo pomocou impulzu prúdu cez vodiče prechádzajúce feritovým prstencom. Smer magnetizácie jedného jadra bolo možné zmeniť, ak sa poslal impulz v opačnom smere.
Na prečítanie hodnoty magnetického jadra sa prúdové impulzy nastavili na stav 0. Ak bolo jadro predtým v stave 1, menené magnetické pole vytvorilo napätie v jednom z vodičov prechádzajúcich jadrami. Ale ak by bolo jadro už v stave 0, magnetické pole by sa nezmenilo a v prečítavacom vodiči by sa napätie nezvýšilo. Takže hodnota bitu v jadre sa čítala resetovaním na nulu a kontrolou napätia na prečítavacom vodiči. Dôležitou vlastnosťou pamäte na magnetických jadrach bolo, že proces čítania ferritového kruhu ničil jeho hodnotu, takže jadro bolo potrebné „prepísať“.
Používať samostatný vodič na zmenu magnetizácie každého jadra bolo nepraktické, ale v 50. rokoch 20. storočia sa vyvinula ferritová pamäť fungujúca na princípe matchingu prúdov. Schéma so štyrmi vodičmi — X, Y, čítanie, zákaz — sa stala bežnou. Technológia využívala osobitnú vlastnosť jadier, nazývanú hysteréza: malý prúd neovplyvňuje ferritovú pamäť, ale prúd nad prahovou hodnotou by jadro magnetizoval. Pri dodávaní napájania s polovičným potrebným prúdom na jeden vodič X a jeden vodič Y, len jadro, kde sa prekrývajú oba vodiče, dostávalo dostatočný prúd na premagnetizovanie, zatiaľ čo ostatné jadra zostávali nedotknuté.
Takto vyzerala pamäť IBM 360 Model 50. LVDC a model 50 používali jadra rovnakého typu, známe ako 19-32, pretože ich vnútorný priemer bol 19 mil (0,4826 mm) a vonkajší priemer bol 32 mil (0,8 mm). Na tomto obrázku je vidieť, že cez každé jadro prechádzajú tri vodiče, ale LVDC používal štyri vodiče.
Na nasledovnom obrázku je zobrazená jedna obdĺžniková maticová pamäť LVDC. Táto matica má 128 X-vodičov, ktoré idú vertikálne, a 64 Y-vodičov, ktoré idú horizontálne, s jadrom na každom prekrížením. Jediný vodič na čítanie prechádza všetkými vodičmi paralelne s Y-vodičmi. Vodič na zapisovanie a vodič na zákaz prechádzajú cez všetky vodiče paralelne s X-vodičmi. Vodiče sa prekrývajú v strede matice; to znižuje indukovaný šum, pretože šum z jednej polovice neutralizuje šum z druhej polovice.
Jedna matica feritovej pamäte LVDC, ktorá obsahuje 8192 bitov. Spojenie s inými maticami sa uskutočňuje pomocou pinov na vonkajšej strane.
Matica vyššie mala 8192 prvkov, z ktorých každý uchovával jeden bit. Na uchovanie pamäťového slova sa niekoľko základných matíc kombinovalo dokopy, po jednej pre každý bit v slove. Drôty X a Y prechádzali hadovito všetkými základnými maticami. Každá matica mala samostatnú čiaru na čítanie a samostatnú čiaru na zabránienie zápisu. Pamäť LVDC používala zásobník z 14 základných matíc (nižšie), ktoré uchovávali 13-bitový „slog“ spolu s paritným bitom.
Zásobník LVDC pozostáva zo 14 základných matíc.
Zápis do pamäte na magnetických jadrách vyžadoval dodatočné drôty, tzv. čiaru zabránienia. Každá matica mala jednu čiaru zabránienia, ktorá prechádzala všetkými jadrami v nej. Počas zápisu prúdi prúd cez čiary X a Y, premagnetizujúc vybrané prstence (po jednom na rovinu) do stavu 1, uchovávajúc všetky 1 v slove. Na zápis 0 na pozícii bitu sa línia napájala polovičným prúdom, opačným k línii X. V dôsledku toho ostali jadrá na hodnote 0. Tým pádom čára zabránienia nedovoľovala jadru prepnúť na 1. Akékoľvek požadované slovo mohlo byť zapísané do pamäte aktivovaním príslušných čiar zabránienia.
Modul pamäte LVDC.
Ako je modul pamäte LVDC fyzicky konštruovaný? V strede modulu pamäte sa nachádza zásobník zo 14 matíc ferromagnetickej pamäte, ktoré boli ukázané skôr. Je obklopený niekoľkými doskami s obvodmi na ovládanie drôtov X a Y a čiar zabránienia, čiar čítania bitov, detekcie chýb a generovania potrebných hodinových signálov.
Vo všeobecnosti sa väčšina obvodov súvisiacich s pamäťou nachádza v počítačovej logike LVDC, a nie v samotnom module pamäte. Konkrétne, logika počítača obsahuje registry na uchovávanie adresy a slova údajov a premenu medzi sériovým a paralelným. Obsahuje tiež obvod na čítanie z čiar čítania bitov, kontrolu chýb a taktovanie.
Modul pamäte so zobrazením kľúčových komponentov. MIB (Multilayer Interconnection Board) – je 12-vrstvová doska plošných spojov.
Doska ovládača pamäte Y
Slovo v pamäti na magnetických jadierkach sa vyberá prechodom príslušných línií X a Y cez hlavnú hromadu dosiek. Začneme opisom schémy Y-drivers a toho, ako generuje signál cez jednu z 64 Y-línií. Namiesto 64 samostatných obvodov драйver modul znižuje počet schém vďaka použitiu 8 „vysokých“ драйverov a 8 „nízkych“ драйverov. Tieto sú pripojené v „mriežkovej“ konfigurácii, takže každá kombinácia vysokého a nízkeho драйvera vyberá rôzne prúdy. Týmto spôsobom 8 „vysokých“ a 8 „nízkych“ драйverov vyberá jednu z 64 (8 × 8) Y-línií.
Doska Y-drivers (predná časť) riadi výberové linky Y v hromade dosiek
Na obrázku nižšie môžete vidieť niektoré z modulov ULD (biele) a páry tranzistorov (zlaté), ktoré riadia výberové línie Y. Modul „EI“ je srdcom драйvera: poskytuje impulz konštantného napätia (E) alebo prepúšťa impulz konštantného prúdu (I) cez výberovú líniu. Výberová línia je riadená aktiváciou modulu EI v režime napätia na jednom konci línie a modulu EI v režime prúdu na druhom konci. Výsledkom je impulz s dostatočným napätím a prúdom na premagnetovanie jadra. Vyžaduje sa veľký impulz, aby sa otočilo; impulz napätia je fixovaný na 17 voltov a prúd sa pohybuje od 180 mA do 260 mA v závislosti od teploty.
Makrofoto dosky Y-drivers, na ktorom je zobrazených šesť modulov ULD a šesť párov tranzistorov. Každý modul ULD je označený číslom dielu IBM, typom modulu (napr. „EI“) a kódom, ktorý nebol objasnený
Doska je tiež vybavená modulmi na sledovanie chýb (ED), ktoré zistia, keď sa súčasne aktivuje viac ako jedna výberová línia Y. Modul ED používa jednoduché poloanaložné riešenie: sčíta vstupné napätia pomocou siete odporov. Ak výsledné napätie presiahne prah, relé sa aktivuje.
Pod doskou ovládača sa nachádza dióda matica, ktorá obsahuje 256 diód a 64 rezistorov. Táto matica prevádza 8 horných a 8 dolných párov signálov z dosiek ovládačov na spojenia s 64 Y-líniami, ktoré prechádzajú cez hlavnú zásobníkovú dosku. Flexibilné káble na vrchu a na spodnej strane dosky spájajú dosku s diódovou maticou. Dva flexibilné káble naľavo (na obrázku nie sú viditeľné) a dva zbernice napravo (jedna je viditeľná) spájajú diódovú maticu s poľom jadier. Flexibilný kábel viditeľný naľavo spája Y-dosku s ostatnou časťou počítača cez dosku vstupu a výstupu, a malý flexibilný kábel v pravom dolnom rohu sa spája s doskou generátora signálu.
Doska ovládača pamäte X
Schéma na riadenie línií X je podobná schéme Y, s tým rozdielom, že existuje 128 línií X a 64 línií Y. Pretože je X-vodičov dvakrát toľko, modul má druhú dosku X-ovládačov umiestnenú pod ňou. Aj keď majú dosky X a Y rovnaké komponenty, rozloženie je odlišné.
Táto doska a podobná pod ňou riadia vybrané X riadky v zásobníku dosiek s jadrami.
Na nižšie uvedenom obrázku je vidno, že na doske boli poškodené niektoré komponenty. Jeden z tranzistorov je posunutý, modul ULD je zlomený na pol a druhý je odtrhnutý. Rozloženie je viditeľné pri zlomenom module, tam sa tiež zjavuje jeden z malých kremíkových kryštálov (vpravo). Na tomto obrázku sú tiež viditeľné stopy vertikálnych a horizontálnych vodivých cest na 12-vrstvovej potlačenej doske.
Detail poškodeného miesta na doske
Pod doskami ovládačov X sa nachádza dióda matica X, ktorá obsahuje 288 diód a 128 rezistorov. X-diódová matica používa topológiu, ktorá sa líši od Y-diódovej dosky, aby sa predišlo zdvojeniu počtu komponentov. Rovnako ako Y-diódová doska, aj táto doska obsahuje komponenty umiestnené vertikálne medzi dvoma potlačenými doskami. Táto metóda sa nazýva „korďvúd“ a umožňuje husté balenie komponentov.
Makrofotografia diódy matice X ukazuje vertikálne umiestnené diódy podľa metódy korďvúd medzi 2 potlačenými doskami. Dve dosky ovládačov X sú nad diódovou doskou, oddelené od nich polyuretánovou penou. Všimnite si, že potlačené dosky sú umiestnené veľmi blízko k sebe.
Zosilňovače pamäte
Na obrázku nižšie je zobrazená doska zosilňovača čítania. Má 7 kanálov na čítanie 7 bitov z pamäťového zásobníka; identická doska nižšie spracováva ďalších 7 bitov, celkovo 14 bitov. Úlohou zosilňovača čítania je detekovať slabý signál (20 milivoltov), generovaný premagnetizovateľným jadrom, a premeniť ho na 1-bitový výstup. Každý kanál pozostáva z diferenčného zosilňovača a buffera, nasleduje diferenčný transformátor a výstupný stabilizátor. Vľavo je 28-žilový flexibilný kábel pripojený k pamäťovému zásobníku, ktorý privádza dva konce každého čítacieho vodiča k schéme zosilňovača, začínajúc modulom MSA-1 (zosilňovač čítania pamäte). Samostatnými komponentmi sú rezistory (hnedé valce), kondenzátory (červené), transformátory (čierne) a tranzistory (zlaté). Dáta vychádzajú z dosiek zosilňovača čítania cez flexibilný kábel vpravo.
Doska zosilňovača čítania v hornej časti pamäťového modulu. Táto doska zosilňuje signály z senzorových vodičov na vytváranie výstupných bitov.
Ovládač linky zákazu zápisu
Ovládače zákazu sú určené na zápis do pamäte a nachádzajú sa na spodnej strane hlavného modulu. Existuje 14 zákazu, po jednom pre každú maticu v zásobníku. Na to, aby sa zapísal 0 bit, sa aktivuje zodpovedajúci ovládač zamykania a tok cez zákonnú linku zabraňuje prepínaniu jadra na 1. Každú linku riadi modul ID-1 a ID-2 (ovládač linky zákazu zápisu) a pár tranzistorov. Vysokopresné rezistory 20,8 Ohmov v hornej a dolnej časti dosky regulujú tok zámku. 14-žilový flexibilný kábel vpravo spája ovládače s 14 zakazovacími vodičmi v zásobníku dosiek s jadrami.
Zakazovacia doska na spodnej strane pamäťového modulu. Táto doska generuje 14 zakazovacích signálov, ktoré sa používajú počas zápisu.
Pamäť ovládača hodiniek
Ovládač hodiniek je pár dosiek, ktoré generujú synchronizačné signály pre pamäťový modul. Hneď ako počítač začne operáciu s pamäťou, rôzne synchronizačné signály používané pamäťovým modulom generuje asynchrónne ovládač hodiniek modulu. Dosky ovládača hodiniek sú umiestnené v dolnej časti modulu, medzi zásobníkom a zakazovacou doskou, takže sú dosky zle viditeľné.
Dosky ovládača taktovacej frekvencie sú umiestnené pod hlavným pamäťovým blokom, ale nad blokom uzamknutia.
Modré komponenty dosky na fotografii hore predstavujú viacotočné potenciometre, pravdepodobne na úpravu času alebo napätia. Rezistory a kondenzátory sú tiež viditeľné na doskách. Schéma zobrazuje niekoľko modulov MCD (Memory Clock Driver), ale žiadne moduly na doskách nie sú viditeľné. Ťažko povedať, či to súvisí s obmedzenou viditeľnosťou, zmenou schémy alebo prítomnosťou inej dosky s týmito modulmi.
Panel I/O pamäte
Poslednou doskou pamäťového modulu je panel I/O, ktorý distribuuje signály medzi doskami pamäťového modulu a zvyškom počítača LVDC. Zelený 98-kontaktný konektor na dne sa pripája k šasi pamäte LVDC, pričom zabezpečuje signály a napájanie z počítača. Väčšina plastových konektorov je zlomená, a preto sú viditeľné kontakty. Distribučná doska je s týmto konektorom spojená dvoma 49-kontaktnými flexibilnými káblami dole (viditeľný je iba predný kábel). Iné flexibilné káble distribuujú signály na dosku X-ovladača (vľavo), dosku Y-ovladača (vpravo), dosku zosilňovača čítania (hore) a dosku blokovania (dole). 20 kondenzátorov na doske filtruje napájanie dodávané na pamäťový modul.
Doska I/O medzi pamäťovým modulom a zvyškom počítača. Zelený konektor na dne sa pripája k počítaču a tieto signály sú nasmerované cez ploché káble do iných častí pamäťového modulu.
Záver
Hlavný pamäťový modul LVDC zabezpečoval kompaktné, spoľahlivé úložisko. Do dolnej polovice počítača sa mohlo umiestniť až 8 pamäťových modulov. To umožnilo počítaču uchovávať 32 26-bitových slov alebo 16 kilobytov v redundantnom vysoko spoľahlivom „duplexnom“ režime.
Zaujímavou vlastnosťou LVDC bolo, že pamäťové moduly mohli byť zrkadlené pre vyššiu spoľahlivosť. V „duplexnom“ režime bolo každé slovo uchovávané v dvoch pamäťových moduloch. Ak došlo k chybe v jednom module, správne slovo mohlo byť získané z druhého modulu. Aj keď to zabezpečilo spoľahlivosť, znížilo to objem pamäte na polovicu. Alternatívne môžu byť pamäťové moduly používané v „simplexnom“ režime, pričom každé slovo je uchovávané len raz.
LVDC mohol obsahovať až osem pamäťových modulov centrálneho procesora
Modul pamäte na magnetických jadrách poskytuje názornú predstavu o čase, keď na uloženie 8 kB bol potrebný 5-kilogramový (2,3 kg) modul. Napriek tomu bola táto pamäť pre svoje obdobie veľmi pokročilá. Podobné zariadenia prestali byť používané v 70-tych rokoch 20. storočia s príchodom polovodičových DRAM.
Obsah operačnej pamäte sa uchováva aj pri vypnutí napájania, preto je veľmi pravdepodobné, že modul stále uchováva programové vybavenie z posledného použitia počítača. Áno, tam môžeme nájsť niečo zaujímavé aj po desaťročiach. Bolo by zaujímavé pokúsiť sa obnoviť tieto údaje, ale poškodený obvod vytvára problém, a preto pravdepodobne nebude možné obsah extrahovať z pamäťového modulu ešte niekoľko desaťročí.
Čo ďalšie užitočné si môžete prečítať na blogu
→
→
→
→
→
Prihláste sa na náš -kanál, aby ste nepremeškali ďalší článok! Píšeme maximálne dvakrát týždenne a iba ak ide o vec. A tiež pripomíname, že Cloud4Y môže poskytnúť bezpečný a spoľahlivý vzdialený prístup k podnikovým aplikáciám a informáciám potrebným na zabezpečenie kontinuity podnikania. Práca z diaľky je ďalšou prekážkou šírenia koronavírusu. Podrobnosti u našich manažérov.
Zdroj: habr.com
