Datorn som arbetade i raketen (Launch Vehicle Digital Computer, LVDC) spelade en avgörande roll i Apollo-programmet genom att styra Saturn V-raketen. Precis som de flesta datorer från den tiden sparade den data i små magnetiska kärnor. I denna artikel berättar Cloud4Y om LVDC-minnesmodulen från den lyxiga Steve Jurvetsons.
Denna minnesmodul förbättrades i mitten av 1960-talet. För att skapa den användes ytmonterade komponenter, hybridmoduler och flexibla kopplingar, vilket gjorde att den blev mycket mindre och lättare än det vanliga minnet från den tiden. Modulen kunde dock bara lagra 4096 ord med 26 bitar.
Minnesmodul med magnetiska kärnor. Denna modul lagrar 4K ord med 26 bitars data och 2 paritetsbitar. Med fyra minnesmoduler, som ger en total kapacitet på 16 384 ord, väger den 2,3 kg och har måtten 14 cm × 14 cm × 16 cm.
Lunaräventyret inleddes den 25 maj 1961 när president Kennedy tillkännagav att Amerika skulle landa en människa på månen innan decenniets slut. För detta användes den tre-stegs Saturn V-raketen, den mest kraftfulla raket som någonsin byggts. Saturn V styrdes av datorn (läs ) i raketens tredje steg, från starten till omloppsbanan runt jorden och sedan på väg mot månen. (Apollo-farkosten separerade då från Saturn V-raketen, och LVDC:s uppgift var fullgjord).
LVDC installerad i stödramen. Runda kontakter kan ses på datorns framsida. Åtta elektriska kontakter och två vätskekylkontakter användes.
LVDC var bara en av flera datorer ombord på Apollo. LVDC var ansluten till det 45 kg tunga analoga kontrollsystemet. Det ombord navigationsdator för Apollo (Apollo Guidance Computer, AGC) vägledde rymdfarkosten till månens yta. Kommandomodulen innehöll en AGC medan månmodulen hade en andra AGC tillsammans med Abort navigationssystemet, en reservdator.
Det fanns flera datorer ombord på Apollo
Unit Logic-enheter (ULD)
LVDC skapades med hjälp av en intressant hybridteknologi kallad ULD, unit load device. Även om de utseendemässigt liknade integrerade kretsar innehöll ULD-moduler flera komponenter. De använde enkla kiselkristaller, var och en med endast en transistor eller två dioder. Dessa matriser, tillsammans med tryckta tjockfilmsresistorer, installerades på en keramikplatta för att realisera kretsar som logiska grindar. Dessa moduler var en variant av SLT-moduler (), som utvecklades för datorer i IBMs populära S/360-serie. IBM påbörjade utvecklingen av SLT-moduler 1961, innan integrerade kretsar blev kommersiellt gångbara, och 1966 producerade IBM mer än 100 miljoner SLT-moduler per år.
ULD-modulerna var betydligt mindre än SLT-modulerna, som syns på bilden nedan, vilket gjorde dem mer lämpade för en kompakt rymddator. ULD-moduler använde keramiska täckplattor istället för metallnålar i SLT, och hade metallkontakter på översidan istället för stift. Klämmorna på kortet höll ULD-modulen på plats och anslöt sig till dessa kontakter.
Varför använde IBM SLT-moduler istället för integrerade kretsar? Den främsta anledningen var att integrerade kretsar fortfarande var i sina tidiga stadier, de uppfanns 1959. År 1963 hade SLT-modulerna fördelar i kostnad och prestanda jämfört med integrerade kretsar. Trots detta betraktades SLT-moduler ofta som föråldrade jämfört med integrerade kretsar. En av fördelarna med SLT-modulerna över integrerade kretsar var att motstånd i SLT var mycket mer precisa än i integrerade kretsar. Under tillverkningen utsattes tjockfilmsresistorerna i SLT-modulerna för noggrann sandblästring för att avlägsna den resistiva filmen tills de uppnådde det önskade motståndet. SLT-modulerna var också billigare än jämförbara integrerade kretsar på 1960-talet.
LVDC och den relaterade utrustningen använde mer än 50 olika typer av ULD.
SLT-moduler (till vänster) är betydligt större än ULD-moduler (till höger). Storleken på ULD är 7,6 mm × 8 mm.
På bilden nedan visas de inre komponenterna i ULD-modulen. Till vänster på den keramiska plattan syns ledare som är anslutna till fyra små kvadratiska kiselkristaller. Det påminner om ett kretskort, men tänk på att det är mycket mindre än en nagel. De svarta rektanglarna till höger är tjockfilmsresistor som är tryckta på undersidan av plattan.
ULD, sett ovanifrån och underifrån. Kiselkristaller och resistorer syns. Medan SLT-moduler hade resistorer på ovansidan, hade ULD-modulerna resistorer på undersidan, vilket ökade densiteten samt kostnaden.
På fotografiet nedan syns en kiselkristall från ULD-modulen som hade två dioder. Dimensionerna är ovanligt små, för jämförelse finns det sockerkrystaller bredvid. Kristallen hade tre externa anslutningar via kopparkulor som var lödda till tre cirklar. De två nedre cirklarna (anoderna för de två dioderna) var legerade (de mörka områdena), medan den övre högra cirkeln var katoden, ansluten till basen.
Fotografi av en tvådioders kiselkristall bredvid sockerkrystaller.
Hur magnetkärnesminne fungerar.
Magnetkärnesminne var den primära formen av datalagring i datorer från 1950-talet fram till att det ersattes av halvledarminnen på 1970-talet. Minnet bestod av små ferritringar som kallas kärnor. Ferritringarna arrangerades i en rektangulär matris, och genom varje ring passerade två till fyra kablar för att läsa och skriva information. Ringarna möjliggjorde lagring av en bit information. Kärnan magnetiserades genom en strömpuls som passerade genom kablarna i ferritringen. Riktningen på magnetiseringen av en kärna kunde ändras genom att skicka en puls i motsatt riktning.
För att läsa värdet av en kärna satte strömimpulsen ringen i läge 0. Om kärnan tidigare var i läge 1 skapade det föränderliga magnetfältet en spänning i en av ledningarna som penetrerade kärnorna. Men om kärnan redan var i läge 0 skulle magnetfältet inte ha förändrats, och ingen spänning skulle ha uppstått i läsledningen. På så sätt lästes bitvärdet i kärnan genom att återställa den till noll och kontrollera spänningen på läsledningen. En viktig egenskap hos minnet på magnetiska kärnor var att läsningsprocessen förstörde dess värde, så kärnan behövde "skrivas om".
Att använda en separat ledning för att ändra magnetiseringen av varje kärna var opraktiskt, men på 1950-talet utvecklades ferritminne som fungerade på principen av strömöverensstämmelse. Kretsen med fyra ledningar – X, Y, läsning, förbud – blev allmänt accepterad. Tekniken utnyttjade en särskild egenskap hos kärnorna som kallas hysteres: en liten ström påverkar inte ferritminnet, men en ström över tröskelvärdet skulle magnetisera kärnan. När halvparten av den nödvändiga strömmen tillfördes till en X-linje och en Y-linje fick endast den kärna där båda linjerna korsades tillräcklig ström för att ommagnetisera, medan andra kärnor förblev orörda.
Så här såg IBM 360 Model 50-minnet ut. LVDC och model 50 använde kärnor av samma typ, kända som 19-32, eftersom deras inre diameter var 19 mil (0,4826 mm) och deras yttre diameter var 32 mil (0,8 mm). På detta foto syns det att tre ledningar passerar genom varje kärna, men LVDC använde fyra ledningar.
Bilden nedan visar en rektangulär minnesmatris av LVDC. Denna matris har 128 X-ledningar som går vertikalt och 64 Y-ledningar som går horisontellt, med en kärna vid varje korsning. Den enda läsledningen passerar genom alla trådar parallellt med Y-ledningarna. Skrivledningen och förbudsledningen passerar genom alla trådar parallellt med X-ledningarna. Ledningarna korsar varandra i mitten av matrisen, vilket minskar inducerat brus, eftersom bruset från ena halvan neutraliserar bruset från den andra halvan.
En LVDC-ferritminnesmatris som innehåller 8192 bitar. Anslutning till andra matriser sker via stift på den yttre sidan.
Matrisen ovan hade 8192 element, där varje element lagrade en bit. För att lagra ett minnesord kombinerades flera grundmatriser, en för varje bit i ordet. Ledningarna X och Y gick i en zigzag genom alla grundmatriser. Varje matris hade en egen läsledning och en separat skrivbegränsningsledning. LVDC-minnet använde en stapel av 14 grundmatriser (se nedan), som lagrade en 13-bits "staving" tillsammans med en paritetsbit.
LVDC-stapeln består av 14 grundmatriser.
Skrivning till minnet med magnetiska kärnor krävde extra ledningar, så kallade skrivbegränsningar. Varje matris hade en skrivbegränsningsledning som genomsyrade alla kärnor i den. Under skrivprocessen flöt ström genom ledningarna X och Y, och ommagnetiserade de valda ringarna (en per plan) till tillstånd 1, vilket sparade alla 1:or i ordet. För att skriva 0 i bitpositionerna matades ledningen med halv ström, motsatt till ledning X. Resultatet blev att kärnorna förblev i värdet 0. Sålunda förhindrade skrivbegränsningsledningen att kärnan vändes till 1. Ett önskat ord kunde skrivas till minnet genom att aktivera de motsvarande skrivbegränsningsledningarna.
LVDC-minnesmodul.
Hur är LVDC-minnesmodulen fysiskt konstruerad? I centrum av minnesmodulen finns en stapel av 14 ferromagnetiska minnesmatriser som visades tidigare. Den omges av flera kretskort som styr ledningarna X och Y samt skrivbegränsningsledningarna, ledningarna för bitläsning, felupptäckning och generering av nödvändiga klocksignaler.
Generellt sett finns största delen av kretarna relaterade till minnet i LVDC-datorlogiken istället för i själva minnesmodulen. Specifikt innehåller datorlogiken register för att lagra adresser och datord, samt för att omvandla mellan seriell och parallell. Den innehåller också en läslogik från bitläsningsledningarna, felcheckning och tidsstyrning.
Minnesmodul med avgörande komponenter. MIB (Multilayer Interconnection Board) är ett 12-lagerkretskort.
Minnesdrivrutinskortet Y.
Ordet i minnet på magnetiska kärnor väljs genom att passera lämpliga X- och Y-linjer genom den största stapeln av kretskort. Låt oss börja med att beskriva Y-drivrutinschemat och hur det genererar en signal genom en av de 64 Y-linjerna. Istället för 64 separata drivrutinsledningar minskar modulen antalet kretsar genom att använda 8 'höga' drivrutiner och 8 'låga' drivrutiner. De är anslutna i en 'matris' konfiguration, så varje kombination av höga och låga drivrutiner väljer olika linjer. På så sätt väljer 8 'höga' och 8 'låga' drivrutiner en av 64 (8 × 8) Y-linjer.
Y-drivrutinskortet (framsidan) styr urvalslinjerna Y i kretskortets stapel.
På bilden nedan kan du se några av ULD-modulerna (vita) och par av transistorer (guldaktiga) som styr urvalslinjerna Y. EI-modulen är hjärtat i drivrutinen: den skickar en konstant spänningsimpuls (E) eller släpper igenom en konstant strömimpuls (I) genom urvalsledningen. Urvalsledningen styrs av att aktivera EI-modulen i spänningsläge i ena änden av ledningen och EI-modulen i ström-läge i andra änden. Resultatet är en impuls med rätt spänning och ström, tillräcklig för att ommagnetisera kärnan. En stor impuls krävs för att vända den; spänningsimpulsen ställs in på 17 volt, och strömmen varierar från 180 mA till 260 mA beroende på temperaturen.
Makrofoto av Y-drivrutinskortet som visar sex ULD-moduler och sex par transistorer. Varje ULD-modul är märkt med IBM-delnr, modul-typ (t.ex. 'EI') och en kod vars värde är obestämt.
Kretskortet är också utrustat med felövervakningsmoduler (ED) som upptäcker när mer än en Y-urvalsled aktivt är på. ED-modulen använder en enkel halvanalog lösning: den summerar ingångsspänningarna med hjälp av ett nät av resistorer. Om den resulterande spänningen överstiger tröskeln aktiveras nyckeln.
Under the driver board is a diode matrix containing 256 diodes and 64 resistors. This matrix converts 8 upper and 8 lower signal pairs from the driver board into connections with 64 Y-lines that run through the main stack of boards. Flexible cables at the top and bottom of the board connect the board to the diode matrix. Two flexible cables on the left (not visible in the photo) and two buses on the right (one is visible) connect the diode matrix to the core array. The visible flexible cable on the left connects the Y-board to the rest of the computer via the input-output board, while a small flexible cable in the lower right corner connects to the clock generator board.
Minne X-drivertavla
The circuit for controlling the X lines is similar to the Y circuit, except that there are 128 X lines and 64 Y lines. Since there are twice as many X conductors, the module has a second X driver board located below it. Although the X and Y boards have identical components, the wiring is different.
This board and the similar one below it control the selected X rows in the stack of boards with cores.
The photo below shows that some components on the board were damaged. One of the transistors is misaligned, the ULD module is broken in half, and another one is chipped. The wiring is visible at the broken module, and one of the tiny silicon crystals is also visible (on the right). This photo also provides a look at the traces of vertical and horizontal conductive tracks on the 12-layer printed circuit board.
Close-up of the damaged area of the board
Under the X driver boards is the X diode matrix, containing 288 diodes and 128 resistors. The X diode matrix uses a different topology from the Y diode board to avoid doubling the number of components. Like the Y diode board, this board contains components installed vertically between two printed circuit boards. This method is called 'cordwood' and allows for dense packing of components.
Macro photo of the X diode matrix shows vertically mounted diodes using the cordwood method between 2 printed circuit boards. The two X driver boards are above the diode board, separated from them by polyurethane foam. Note that the printed circuit boards are positioned very close to each other.
Minne förstärkare
På bilden nedanför visas kortet för läsförstärkaren. Det har 7 kanaler för att läsa 7 bitar från minnesstapeln; det identiska kortet nedan behandlar ytterligare 7 bitar, totalt 14 bitar. Syftet med läsförstärkaren är att upptäcka en svag signal (20 millivolt) som genereras av den ommagnetiserade kärnan och omvandla den till en 1-bits utgång. Varje kanal består av en differentiell förstärkare och en buffert, följt av en differentieltransformator och en utgångsfixare. Till vänster ansluts en 28-trådig flexibel kabel till minnesstapeln, vilket förbinder båda ändarna av varje länkledning till förstärkarens krets, börjar med modulen MSA-1 (minnesläsförstärkare). Separata komponenter är resistorer (bruna cylindrar), kondensatorer (röda), transformatorer (svarta) och transistorer (gyllene). Data bitar utgår från läsförstärkarens kort genom den flexibla kabeln till höger.
Läsförstärkarens kort i den övre delen av minnesmodulen. Detta kort förstärker signalerna från sensortrådarna för att skapa utgångsbit.
Skrivförbudets linjedrivare
Skrivförbudets drivare används för minnesinspelning och finns på undersidan av huvudmodulen. Det finns 14 skrivförbudslinjer, en för varje matris i stapeln. För att skriva 0 bitar aktiveras motsvarande skrivförbuddrivare, och strömmen genom skrivförbudslinjen förhindrar att kärnan växlas till 1. Varje linje drivs av modulerna ID-1 och ID-2 (skrivförbudets linjedrivare) samt ett par transistorer. Högnoggranna resistorer på 20,8 Ohm på kortets övre och nedre del reglerar skrivförbudets ström. Den 14-trådiga flexibla kabeln till höger kopplar drivarna till de 14 skrivförbudstrådarna i stapeln med kärnor.
Skrivförbudskortet i den nedre delen av minnesmodulen. Detta kort genererar 14 skrivförbudssignaler som används under skrivprocessen.
Klockdrivarminnet
Klockdrivaren är ett par kort som genererar synkroniseringssignaler för minnesmodulen. Så snart datorn påbörjar en operation med minnet, genereras de olika synkroniseringssignalerna som används av minnesmodulen asynkront av klockdrivaren. Klockdrivarkorten finns i den nedre delen av modulen, mellan stapeln och skrivförbudskortet, så korten är svåra att se.
Klockdrivarkort ligger under huvudminnesstapeln, men ovanför låskortet
De blå komponenterna på kortet i bilden ovan representerar mångvrediga potentiometrar, sannolikt för justering av tid eller spänning. Resistor och kondensatorer är också synliga på korten. Schemat visar flera MCD-moduler (Memory Clock Driver), men det finns inga moduler synliga på korten. Det är svårt att säga om detta beror på begränsad sikt, ändring av schemat eller närvaron av ett annat kort med dessa moduler.
Minnets in- och utgångspanel
Det sista kortet i minnesmodulen är in- och utgångspanelen, som distribuerar signaler mellan minnesmodulen och resten av datorn LVDC. Den gröna 98-poliga kontakten längst ner är ansluten till LVDC-minneschassit, vilket tillhandahåller signaler och ström från datorn. Största delen av de plastiga kontakterna är trasiga, vilket gör att kontakterna är synliga. Fördelningskortet är anslutet till denna kontakt med två 49-poliga flexkablar längst ner (endast den främre kabeln är synlig). Andra flexkablar distribuerar signalerna till X-drivarkortet (till vänster), Y-drivarkortet (till höger), läs-förstärkarens kort (ovan) och avstängningskortet (nedan). 20 kondensatorer på kortet filtrerar strömmen som matas till minnesmodulen.
In- och utgångskortet mellan minnesmodulen och resten av datorn. Den gröna kontakten längst ner är ansluten till datorn, och dessa signaler dirigeras genom platta kablar till andra delar av minnesmodulen.
Utdata
Huvudminnesmodulen LVDC tillhandahöll kompakt, pålitlig lagring. I den nedre halvan av datorn kunde upp till 8 minnesmoduler placeras. Detta gjorde att datorn kunde lagra 32 26-bitars ord eller 16 kiloword i ett överskottshögtjänst "duplex-läge".
En intressant funktion hos LVDC var att minnesmodulerna kunde speglas för pålitlighet. I "duplex-läget" sparades varje ord i två minnesmoduler. Om det inträffade ett fel i en modul kunde det korrekta ordet hämtas från den andra modulen. Även om detta säkerställde pålitlighet minskade det minneskapaciteten med hälften. Alternativt kan minnesmodulerna användas i "simplex-läge", där varje ord sparas en gång.
LVDC kunde rymma upp till åtta moduler för centralprocessorns minne
Minnen med magnetiska kärnor ger en tydlig bild av tiden när 8 KB krävde en 5-punds (2,3 kg) modul. Ändå var detta minne ganska avancerat för sin tid. Liknande enheter upphörde att användas på 1970-talet med framkomsten av halvledardram.
Innehållet i det primära minnet sparas när strömmen stängs av, så det är helt möjligt att modulen fortfarande innehåller programvara från sista gången datorn användes. Ja, där kan man hitta något intressant även efter årtionden. Det skulle vara spännande att försöka återställa dessa data, men den skadade kretsen skapar problem, så innehållet kommer sannolikt inte att kunna extraheras från minnesmodulen på flera årtionden.
Vad mer intressant kan man läsa i bloggen
→
→
→
→
→
Prenumerera på vår -kanal för att inte missa nästa artikel! Vi skriver max två gånger i veckan och endast när det är nödvändigt. Vi påminner också om att Cloud4Y kan erbjuda säker och pålitlig fjärråtkomst till affärsappar och information som är nödvändig för att säkerställa affärscontinuity. Fjärrarbete är en extra barriär mot spridningen av coronaviruset. Detaljer finns hos våra säljare.
Källa: habr.com
