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泰坦导弹制导计算机内部

2020-03-27    
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作者最近一直在研究 Titan II核导弹的制导计算机。这台小型计算机在 1970 年代用于引导 Titan II 核导弹对准目标,或将 Titan IIIC 火箭送入正确的轨道。该计算机与惯性测量单元(IMU)配合使用,惯性测量单元是一种陀螺仪和加速度计系统,用于跟踪火箭的位置和速度。

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顶部的多个连接器将计算机连接到 IMU 和火箭的其余部分

该计算机,称为魔术 352,是一个 20“×16”×9"黑盒子,称量 80 磅,非常惊讶这么重的东西用于火箭中。 在内部,该计算机被划分进入前三部分,前半部分容纳处理器和核心存储器存储;该计算机中没有微处理器,处理器由数百个简单的集成电路构成;计算机的后半部分容纳接口主板,主要是用于连接模拟电路火箭中的其余部分,中间部分却比较空。

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数字部分

计算机前盖由 18 颗螺钉固定。卸下它们将显示计算机的处理器板和核心内存。左侧是七个带 TTL 数字逻辑的电路板,中间是两个核心存储模块,每个模块包含 8192 个 24 位字,内存旁边有两个内存电子板,右侧是计算机的开关电源。

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显示电路板,核心内存模块和电源

下图显示了其中一个数字逻辑板,与其他数字板相似。每个板的两面都有集成电路,因此背面看起来差不多。电路板的每一侧都有 5 行 13 芯片的空间,每块电路板最多可容纳 130 芯片。印刷电路板似乎有六层;两侧各有两个布线层和一个接地层。两侧之间的连接是通过板顶部的 99 个连接而不是通孔完成的。电路板上覆盖有保护涂层以保护电路;几十年后,涂层仍然散发出松节油的强烈气味。板的边缘已金属化,并紧紧滑入卡槽中,因为没有风扇,因此提供了散热的路径。这些数字板的底部有一个 198 针连接器,可插入底板,而接口板具有一个较小的 128 针连接器。

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处理器板 PR1。

这些板上装有 TTL 芯片,可能是 MSI(中等规模集成)芯片,例如计数器,加法器或移位寄存器。请注意,该计算机不包含微处理器芯片,但具有由简单的构造块构建的处理器。(在 1970 年代,微型计算机通常由 TTL 芯片板构成。)从芯片上的部件号看,它们似乎是 Signetics 的 CC2100 系列产品。

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在芯片上可以看到 PCB 迹线,7802 日期代码指示它们是 1978 年第二周生产的

这些板卡的一个有趣功能是将它们锁定以确保不会将板卡插入错误的插槽中。通过将六角螺母对半分开来实现键控。电路板和背板连接器具有匹配的两半,因此电路板只能插入正确的插槽中。有六种方法可以将六角形螺母角对角分开,两个六角形螺母(一个在顶部,一个在底部),使 36 种可能的键组合成为可能。下图显示了背板的一部分,其中的板已卸下,因此可以看到连接器和半六角螺母。请注意,每个连接器都有不同角度的六角螺母用于键控。

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核心内存

该计算机使用磁芯内存进行存储(与早期的 Titan ASC-15 计算机不同,后者使用了旋转的磁鼓)。从 1950 年代开始,核心存储器一直是计算机存储的主要形式,直到 1970 年代被半导体存储芯片所取代。内核存储器由数千个称为内核的细铁氧体环构成,每个内核中存储一位。将磁芯顺时针或逆时针磁化以存储值。核心排列在称为核心平面的网格中。向特定的行线和列线通电会选择两条线交叉的特定磁芯。

下图显示了 Titan 计算机中微小磁芯的特写。每个芯线有四根导线:垂直和水平红色导线形成网格以选择芯线。两条彩色水平线穿过平面中的每个磁芯:检测线(用于读取)和禁止线(用于写入)。您可以在右侧看到这些导线在各行之间循环。

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不同中 19 针连接器将时钟连接到主控

在核心存储器中,多个平面堆叠在一起,一个字中的每个位对应一个平面。在大多数计算机中,核心平面都是焊接在一起或焊接成一个块,但 Titan 计算机的核心内存是采用一种不寻常的专利技术构建的:核心和电路安装在折叠的手风琴式长挠性印刷电路板上。这种构造技术允许像书本一样打开核心存储模块以访问核心和电路。

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核心模块像书一样展开

如果您将核心内存模块视为一本书,则每个“页面”都是由金属板构成的,柔性印刷电路板的两侧都包裹着。这些“页面”中有 6 个,因此有 12 个核心存储平面,与下面的页面相似。仔细计数显示,穿过芯平面的 128 条水平线和 128 条垂直线,因此下面有 16,384 条芯。在顶部和底部可以看到 128 根垂直导线,它们在平面之间不规则地延伸。请注意,这些是穿过纤芯的细线,它们不间断地连续穿过整个纤芯平面。将 128 条水平芯线聚集成束,以在平面之间延伸;左束向下进行,右束向上进行。

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核心内存中的一个平面具有 16,384 个核心。

完整的模块包含 24 位加一个奇偶校验位的字,模块中包含 8192 个字。该计算机具有两个核心模块,因此总共可容纳 16K 个字。

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此处将 128 条水平线连接到电路板上

核心内存

翻转计算机,即可看到背面板后面的电路板。这些接口板已连接至计算机顶部的连接器。通过这些接口,计算机从惯性测量单元(IMU)接收速度和姿态脉冲。计算机将模拟控制信号发送到各种执行器,并将离散(二进制)信号发送到火箭的其他部分,以进行推进器,登台和其他功能。 左侧是电源。电源通过计算机顶部的连接器和电缆连接到电源,从火箭接收电源。

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接口板具有各种各样的电路。CTL,MUI 和 ADL 板覆盖在 TTL 芯片中,类似于数字部分中的板。但是,其余的接口板都塞满了模拟组件,例如晶体管,电容器,电阻器,二极管,混合模块以及一些 TTL 芯片。

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下面的 VMX 板具有四个神秘的 6 针黑色混合模块以及大量大电容器。目前尚不清楚该板具有什么功能,或者为什么需要那么多电容器

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像其他板一样,它覆盖有厚实的保护涂层

电源

计算机使用开关电源将导弹的功率(可能为 28 伏)有效地转换为计算机所需的电压。电源非常重,大约 15 磅。由于没有风扇,因此大部分重量可能是散热所需的金属。

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在内部,电源中装有电感器和变压器,功率晶体管和电路板。下图左侧是大金属罐中的一堆滤波电容器。电感器和变压器看起来不像商用电源中的电感器,而是黑色方块。

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几个电路板控制电源。它们使用金属罐集成电路,与商用电源中的集成电路不同。这些集成电路上的零件号没有任何有用的信息,因此它们可能是定制的军用零件。板子上覆盖有保护涂层,以防止其受潮和其他威胁。保护涂层使集成电路具有金色的光泽。

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电源可能会为 TTL 芯片产生 5 伏电压,并产生更高的电压来驱动内核存储器,并为接口电路产生多个电压。

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航空航天计算机尽管使用了许多创新技术,但在计算机历史上通常被忽略。例如,这枚泰坦导弹的计算机在其核心内存中使用了柔性 PCB。它还具有表面贴装集成电路,比它们在商业电子产品中普及要早几年。但是,由于遵循摩尔定律,CMOS集成电路的功能呈指数级增长,因此使用 TTL 芯片构建计算机已成为技术上的死胡同。

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