在阿波羅登月計(jì)劃中，土星五號(hào)火箭是由IBM制造的先進(jìn)機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引導(dǎo)的。這個(gè)系統(tǒng)是由混合模塊構(gòu)建的，類(lèi)似于集成電路，但包含了單獨(dú)的組件。我們從該系統(tǒng)對(duì)電路板進(jìn)行了反向工程，并確定了它的功能：在計(jì)算機(jī)的I / O單元內(nèi)部，電路板為計(jì)算機(jī)選擇了不同的數(shù)據(jù)源。

土星V LVDA的電路板。當(dāng)我收到該板時(shí)，該板已部分拆卸，并且缺少一些芯片。

這篇文章解釋了電路板的工作原理，從其混合模塊內(nèi)部的微小硅芯片到電路板的電路以及火箭中的接線(xiàn)。

運(yùn)載火箭數(shù)字計(jì)算機(jī)（LVDC）和運(yùn)載火箭數(shù)據(jù)適配器（LVDA）

登月競(jìng)賽始于1961年5月25日，當(dāng)時(shí)肯尼迪總統(tǒng)表示，美國(guó)將在10年內(nèi)將人送上月球。這項(xiàng)任務(wù)需要三級(jí)土星五號(hào)火箭，這是有史以來(lái)最強(qiáng)大的火箭。土星五號(hào)由運(yùn)載火箭數(shù)字計(jì)算機(jī)（下圖）引導(dǎo)和控制，從升空進(jìn)入地球軌道，然后沿著軌道飛向月球。缺點(diǎn)是它的速度非常慢，一秒鐘僅能執(zhí)行12,000條指令。

LVDC安裝在用于測(cè)試的支撐框架中。在操作員后面的是一個(gè)稱(chēng)為ACME（航空航天計(jì)算機(jī)手動(dòng)練習(xí)器）的測(cè)試系統(tǒng)。背面可以看到

運(yùn)載火箭數(shù)字計(jì)算機(jī)（LVDC）與運(yùn)載火箭數(shù)據(jù)適配器LVDA）配合使用，后者為計(jì)算機(jī)提供輸入/輸出功能。計(jì)算機(jī)與火箭之間的所有通信均通過(guò)LVDA進(jìn)行，LVDA將火箭的模擬信號(hào)和28伏控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所需的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)。LVDA包含用于其各種功能的緩沖器和控制寄存器。LVDA具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可從慣性測(cè)量單元的陀螺儀讀取數(shù)據(jù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器可為火箭提供控制信號(hào)。它還處理了發(fā)送到地面并接收到計(jì)算機(jī)的地面命令的遙測(cè)信號(hào)。最后，通過(guò)LVDA中的冗余開(kāi)關(guān)電源為L(zhǎng)VDC供電。

土星5號(hào) LVDA是一個(gè)176磅的盒子，可為L(zhǎng)VDA提供I / O。它有21個(gè)圓形連接器，用于連接火箭的其他部分。

由于LVDA有許多不同的功能，它的體積幾乎是LVDC計(jì)算機(jī)的兩倍。下圖顯示了塞在176磅重的LVDA中的電路。它有兩個(gè)部分，其中充滿(mǎn)了被稱(chēng)為 "頁(yè) "的電路板：正面邏輯部分和背面邏輯部分。(我們檢查的板子來(lái)自正面邏輯部分。) 電源和濾波器位于中間部分。甲醇冷卻劑溶液流經(jīng)LVDA中的通道以保持冷卻。LVDA通過(guò)兩端的21個(gè)圓形連接器連接到LVDC和火箭的其他部分。

LVDA的分解圖，來(lái)自NASA。

二極管晶體管邏輯

建立邏輯門(mén)的方法有很多。LVDC和LVDA使用一種稱(chēng)為二極管晶體管邏輯（DTL）的技術(shù)，該技術(shù)可通過(guò)二極管和晶體管構(gòu)建柵極。它比阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)使用的電阻晶體管邏輯（RTL）更先進(jìn)，但不如1970年代非常流行的晶體管晶體管邏輯（TTL）。

LVDC中的標(biāo)準(zhǔn)邏輯門(mén) 是執(zhí)行“（A·B + C·D）'”之類(lèi)的邏輯功能的“與非”門(mén)。它之所以得名，是因?yàn)樗鼘?duì)輸入集進(jìn)行“與”運(yùn)算，對(duì)它們進(jìn)行“或”運(yùn)算，最后將結(jié)果求反。AND-OR-INVERT門(mén)之所以強(qiáng)大，是因?yàn)樗梢杂稍S多輸入構(gòu)建，例如（A·B + C·D·E + F·G·H）'。盡管“或-或-反轉(zhuǎn)”門(mén)看似復(fù)雜，但它只需要一個(gè)晶體管，這在每個(gè)晶體管都計(jì)數(shù)的時(shí)代很重要。

如果您想了解門(mén)的內(nèi)部工作方式，請(qǐng)查看下圖。它顯示了具有兩個(gè)AND項(xiàng)的四輸入AND-OR-INVERT門(mén)。首先考慮輸入A和B，它們都設(shè)置為1（高）。上拉電阻4將AND值拉高（紅色，1）。相比之下，在較低的AND門(mén)中，輸入C為0，因此電流流經(jīng)輸入C，從而將AND值拉低（藍(lán)色，0）。因此，二極管和上拉電阻實(shí)現(xiàn)“與”門(mén)。接下來(lái)，查看“或”階段。頂部“與”（紅色）的電流將“或”級(jí)拉高（1）。最終，該電流使晶體管導(dǎo)通，將輸出拉低（藍(lán)色，0）并提供反相。如果兩個(gè)AND階段均為0，則OR階段不會(huì)被拉高。取而代之的是，下拉電阻會(huì)將OR值拉低（0），從而關(guān)閉晶體管并導(dǎo)致輸出拉高（1）。

AND-OR-INVERT門(mén)計(jì)算（A·B + C·D）'。由于輸入A和B均為高電平，因此輸出被拉低。

可以使用更多的電阻器或二極管來(lái)構(gòu)建一個(gè)“或非”門(mén)，以提供所需的盡可能多的輸入，每個(gè)“與”可能提供許多輸入，以及“或”在一起的許多模塊。您可能希望AND-OR-INVERT門(mén)將在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)，但是LVDC為每個(gè)門(mén)使用多個(gè)芯片，如下所示。不同的芯片具有二極管，電阻器和晶體管的各種組合，它們以靈活的方式連接起來(lái)以形成所需的邏輯門(mén)。

單元邏輯設(shè)備（ULD）

LVDC和LVDA是使用一種有趣的混合技術(shù)，稱(chēng)為ULD（單元邏輯設(shè)備）構(gòu)建的。盡管ULD模塊從表面上看類(lèi)似于集成電路，但它們包含多個(gè)組件。他們使用簡(jiǎn)單的硅芯片，每個(gè)芯片僅實(shí)現(xiàn)一個(gè)晶體管或兩個(gè)二極管。這些管芯與厚膜印刷電阻器一起安裝在0.3平方英寸的陶瓷晶片上。這些模塊是IBM流行的S / 360系列計(jì)算機(jī)中使用的SLT（固態(tài)邏輯技術(shù)）模塊的變體。IBM在集成電路于商業(yè)上可行之前的1961年開(kāi)始開(kāi)發(fā)SLT模塊，到1966年，IBM每年生產(chǎn)超過(guò)1億個(gè)SLT模塊。

如下圖所示，ULD模塊比SLT模塊小得多，這使其更適合于緊湊型空間計(jì)算機(jī)。ULD模塊使用扁平陶瓷包裝而不是SLT的金屬罐，并且在上表面具有金屬觸點(diǎn)而不是引腳。電路板上的夾子將ULD模塊固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫⑴c這些觸點(diǎn)相連。LVDC和LVDA使用了50多種不同類(lèi)型的ULD。

ULD模塊（右）比SLT模塊或更現(xiàn)代的DIP集成電路（左）小。SLT模塊的一側(cè)大約為0.5英寸，而ULD模塊的一側(cè)大約為0.3英寸，并且更薄。

在內(nèi)部，ULD模塊最多包含四個(gè)微型方形硅芯片。每個(gè)管芯實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二極管或一個(gè)晶體管。下圖顯示了完整的ULD模塊旁邊的ULD模塊的內(nèi)部組件。在左側(cè)，在陶瓷晶片上可見(jiàn)電路跡線(xiàn)，該晶片與四個(gè)微小的方形硅管芯相連。盡管它看起來(lái)像印刷電路板，但請(qǐng)記住，它比指甲小得多。厚膜電阻器印在模塊的底部，因此看不見(jiàn)。

打開(kāi)類(lèi)型為“ INV”的ULD以顯示內(nèi)部的四個(gè)硅芯片。右上角的芯片是晶體管，其他三個(gè)芯片是雙二極管。該模塊由粉紅色的硅膠保護(hù)，該硅膠已被移除以顯示電路。

下面的顯微鏡照片顯示了來(lái)自實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)二極管的ULD模塊的硅芯片，該裸片非常小。為了進(jìn)行比較，在裸片旁邊用糖粒進(jìn)行了對(duì)比。裸片有三個(gè)外部連接，通過(guò)銅球焊接到三個(gè)圓圈。摻雜兩個(gè)下部的圓（較暗的區(qū)域）以形成兩個(gè)二極管的陽(yáng)極，而上部的圓是連接到基板的陰極。請(qǐng)注意，這個(gè)裸片的復(fù)雜程度甚至比基本的集成電路還要低得多。

兩二極管硅片的照片,緊挨著糖晶體

下面的示意圖顯示了前面顯示的“ INV”模塊內(nèi)部的電路。左側(cè)形成一個(gè)具有單個(gè)輸入的AND-OR-INVERT門(mén)。具有單個(gè)輸入的門(mén)看似毫無(wú)意義，但可以將附加的AND輸入連接到引腳1，將附加的OR門(mén)連接到引腳3。原理圖的右側(cè)提供了可用作附加輸入的組件。

“ INV”逆變器模塊的示意圖。

該評(píng)估板還使用AND門(mén)模塊（類(lèi)型“ AA”和“ AB”），如下所示。請(qǐng)記住，這些不是獨(dú)立的門(mén)，而是可以連接到INV芯片以提供更多AND或OR輸入的組件。6 這些模塊可以通過(guò)許多靈活的方式進(jìn)行連接。沒(méi)有特定的輸入和輸出。一種常見(jiàn)的配置是將AA芯片的一半用作三輸入與門(mén)。如果需要，AB芯片的一部分可以提供兩個(gè)以上的輸入。

“ AA”型和“ AB”型與門(mén)的內(nèi)部示意圖。

下圖顯示了AA柵極內(nèi)的半導(dǎo)體（雙二極管）。您可以根據(jù)需要將組件與上面的示意圖匹配；引腳1和5（通用引腳）最為有趣。請(qǐng)注意，引腳編號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)IC方案不匹配。

打開(kāi)了類(lèi)型為“ AA”的ULD，以顯示內(nèi)部的四個(gè)硅芯片。四個(gè)管芯是連接了陰極的雙二極管。

電路板電路

為了確定電路板的功能，我們用萬(wàn)用表不厭其煩地測(cè)量出芯片之間的連接，以創(chuàng)建接線(xiàn)圖。該板用于實(shí)現(xiàn)7路輸入的多路復(fù)用器，選擇7條輸入線(xiàn)之一并將其值存儲(chǔ)在鎖存器中。借助1960年代的技術(shù)，此簡(jiǎn)單功能需要用到需要一整塊板子的芯片。

下面的原理圖是電路板的簡(jiǎn)化圖。在左邊，電路板接收7路輸入信號(hào)，其中6路是28伏的信號(hào)，需要緩沖后才能產(chǎn)生邏輯信號(hào)，而第7路已經(jīng)是6伏的邏輯信號(hào)。7條選擇線(xiàn)中的一條通電后選擇相應(yīng)的輸入，然后將其存儲(chǔ)在鎖存器中。當(dāng) "復(fù)位多路復(fù)用器 "信號(hào)和 "多路復(fù)用器地址 "導(dǎo)通時(shí)，鎖存器被復(fù)位。

電路板的簡(jiǎn)化原理圖。它是一個(gè)多路復(fù)用器，它選擇六個(gè)輸入之一并將其值存儲(chǔ)在鎖存器中。

雖然該原理圖顯示了許多邏輯門(mén)，但它僅由兩個(gè)AND-OR-INVERT門(mén)實(shí)現(xiàn)。黃色的門(mén)形成一個(gè)大的“或非”門(mén)，而藍(lán)色的門(mén)形成另一個(gè)。（兩個(gè)黃色的OR門(mén)合并為一個(gè)。）這兩個(gè)門(mén)在八個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)：兩個(gè)INV類(lèi)型的芯片，四個(gè)AA和兩個(gè)AB。這說(shuō)明了AND-OR-INVERT邏輯模型的靈活性和可擴(kuò)展性，但同時(shí)也表明電路使用許多芯片。注意，邏輯電路中只有兩個(gè)晶體管（每個(gè)INV芯片一個(gè)）。幾乎所有的邏輯都是用二極管實(shí)現(xiàn)的。

緩沖電路

板上的26個(gè)芯片中，有18個(gè)是模擬芯片，用于緩沖和處理輸入信號(hào)。輸入為28伏信號(hào)，而邏輯要求為6伏信號(hào)。每個(gè)輸入（＃7除外）都通過(guò)“開(kāi)關(guān)量接口電路”，該電路將輸入轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)。下圖是由321、322和323型芯片構(gòu)建的電路。由于321芯片只由電阻組成（在下部），所以從頂部看芯片是空的。322芯片包含一個(gè)二極管，而323芯片包含兩個(gè)晶體管。(323的照片中沒(méi)有裸片，和322一樣是小方塊)。

開(kāi)關(guān)量輸入電路，類(lèi)型A（DIA）

下圖總結(jié)了電路板的結(jié)構(gòu)。中間的八個(gè)邏輯芯片以綠色概述。六個(gè)輸入緩沖器中的每個(gè)緩沖器都由三個(gè)芯片（321、322和323）組成。通過(guò)這些芯片的信號(hào)流以藍(lán)色箭頭顯示。板上有35個(gè)芯片斑點(diǎn)，其中26個(gè)被使用。通過(guò)將芯片放在空的位置，可以將同一塊電路板重新用于功能稍有不同的功能。

電路板的輸入路徑為藍(lán)色，邏輯電路為綠色。原始照片由Fran Blanche提供。

LVDA線(xiàn)路板的作用

該評(píng)估板是LVDA子系統(tǒng)（稱(chēng)為“系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣器”）中多路復(fù)用器的一部分，該子系統(tǒng)選擇信號(hào)并將其發(fā)送到計(jì)算機(jī)或地面進(jìn)行遙測(cè)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣器由一個(gè)從八個(gè)信號(hào)中選擇一個(gè)的多路復(fù)用器和一個(gè)將14位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行形式的串行器選擇器組成。多路復(fù)用器有幾個(gè)數(shù)據(jù)源：RCA-110地面計(jì)算機(jī)，在發(fā)射前已與火箭連接；“命令接收器”，在火箭發(fā)射后從地面接收計(jì)算機(jī)命令；提供各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)的“控制分配器”盒； “備用開(kāi)關(guān)量輸入”；來(lái)自“開(kāi)關(guān)選擇器”的反饋，這是計(jì)算機(jī)用來(lái)控制火箭的中繼箱；來(lái)自數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DDAS）的遙測(cè)；和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

從物理上講，這些數(shù)據(jù)源中很多都是儀器單元中的大盒子。例如，“控制分配器”是LVDA旁邊的一個(gè)35磅重的盒子，通過(guò)一條粗電纜連接。LVDA的“命令接收器”輸入來(lái)自“命令解碼器”，這是一個(gè)7.5磅的盒子，與提供無(wú)線(xiàn)電輸入和輸出的其他盒子相連。由于LVDA已通過(guò)電纜連接到儀器裝置中的許多不同設(shè)備，因此需要21個(gè)連接器。

LVDA，LVDC，命令解碼器和控制分配器在儀器單元中的位置。

電路板的物理結(jié)構(gòu)

LVDA和LVDC中的電路板使用了有趣的構(gòu)造技術(shù)來(lái)承受火箭的高加速度和振動(dòng)，并保持電路的冷卻。我檢查的電路板已損壞，沒(méi)有安裝框架，但下面的照片顯示了一個(gè)完整的單元，稱(chēng)為“頁(yè)面”。頁(yè)面的框架由鎂鋰合金制成，兼具輕質(zhì)，強(qiáng)度和良好的傳熱性能。來(lái)自電路板的熱量通過(guò)框架流到LVDA或LVDC的機(jī)架，該機(jī)架通過(guò)甲醇流過(guò)機(jī)架中鉆出的通道而被液體冷卻。

在LDVC中實(shí)現(xiàn)了投票電路

每頁(yè)可容納兩個(gè)電路板，一個(gè)在前面，一個(gè)在后面。印刷電路板有12層，這在1960年代是非常高的。（即使在1970年代，商用PCB通常也只有兩層。）頁(yè)面上有98針的連接器，每個(gè)PCB都有49個(gè)連接。兩個(gè)板通過(guò)板頂部的30個(gè)“直通針”連接。每塊板的頂部還具有18個(gè)測(cè)試連接。這些允許在安裝板時(shí)探測(cè)信號(hào)。（IBM在其系統(tǒng)/ 4 航天計(jì)算機(jī)重用此頁(yè)面構(gòu)造。）

我們檢查過(guò)的電路板已與頁(yè)面中的其他電路板強(qiáng)行分開(kāi)。下圖顯示了板子的背面。通孔銷(xiāo)在頂部可見(jiàn)；他們將被連接到另一塊板上。在底部，可以看到從連接器到缺少的板的49個(gè)連接。電路板的一些絕緣層已被去除，在每個(gè)ULD模塊位置顯示了12個(gè)過(guò)孔。這些提供了從芯片引腳到電路板12個(gè)層中任何一層的連接。

LVDA板的背面。最初在此側(cè)安裝了第二塊板，但已卸下。

結(jié)論

這個(gè)小電路板展示了1960年代有關(guān)計(jì)算的幾個(gè)故事。

該板使用混合模塊，而不是全新的集成電路。盡管該技術(shù)可能看起來(lái)很落后，但這是IBM在IBM System / 360系列產(chǎn)品上取得成功的關(guān)鍵。這些計(jì)算機(jī)幾乎是56年前（1964年4月7日）問(wèn)世的，它使用具有“與-或-非”邏輯的混合SLT模塊。這些計(jì)算機(jī)多年來(lái)一直在市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位，而System / 360架構(gòu)仍受IBM大型機(jī)的支持。

LVDC和LVDA也導(dǎo)致了1967年宣布的IBM的System / 4 Pi航天計(jì)算機(jī)產(chǎn)品線(xiàn)。這些計(jì)算機(jī)使用了與該板相同的“頁(yè)面”設(shè)計(jì)和連接器，即使它們放棄了用于扁平封裝TTL集成電路的ULD模塊。System / 4 Pi系列計(jì)算機(jī)演變?yōu)楹教祜w機(jī)上使用的AP-101S計(jì)算機(jī)。

最后，該電路板顯示了自20世紀(jì)60年代以來(lái)技術(shù)的顯著改進(jìn)。每個(gè)ULD模塊最多包含4個(gè)晶體管，因此即使是像多路復(fù)用器這樣的基本電路也需要一整塊模塊板。現(xiàn)在，一個(gè)iPhone處理器有超過(guò)80億個(gè)晶體管。如此簡(jiǎn)單的技術(shù)，竟然足以登上月球。