La computadora digital del vehículo de lanzamiento ( LVDC ) era una computadora que proporcionaba el piloto automático para el cohete Saturno V desde el lanzamiento hasta la inserción en la órbita terrestre . Diseñado y fabricado por el Electronics Systems Center de IBM en Owego, Nueva York, fue uno de los componentes principales de la Unidad de Instrumentos , instalado en la etapa S-IVB de los cohetes Saturn V y Saturn IB . El LVDC también admitió la comprobación previa y posterior al lanzamiento del hardware de Saturn. Se utilizó junto con el adaptador de datos del vehículo de lanzamiento. (LVDA) que realizaba el acondicionamiento de la señal desde las entradas del sensor a la computadora desde el vehículo de lanzamiento.
Hardware
El LVDC fue capaz de ejecutar 12190 instrucciones por segundo . A modo de comparación, un microprocesador de la era de 2012 puede ejecutar 4 instrucciones por ciclo a 3 GHz, logrando 12 mil millones de instrucciones por segundo, un millón de veces más rápido.
Su reloj maestro corría a 2.048 MHz, pero las operaciones se realizaban en serie de bits, con 4 ciclos necesarios para procesar cada bit, 14 bits por fase de instrucción y 3 fases por instrucción, para un tiempo de ciclo de instrucción básico de 82 μs (168 ciclos de reloj ) para una simple adición. Algunas instrucciones (como multiplicar o dividir) requirieron varios múltiplos del ciclo de instrucción básica para ejecutarse.
La memoria estaba en forma de sílabas de 13 bits , cada una con un bit de paridad 14. [1] Las instrucciones tenían un tamaño de una sílaba, mientras que las palabras de datos tenían dos sílabas (26 bits). La memoria principal era un núcleo magnético de acceso aleatorio , en forma de módulos de memoria de 4.096 palabras. Hasta 8 módulos proporcionaron un máximo de 32,768 palabras de memoria. Las líneas de retardo ultrasónico proporcionaron almacenamiento temporal.
Para mayor confiabilidad, el LVDC usó lógica triple redundante y un sistema de votación. La computadora incluía tres sistemas lógicos idénticos. Cada sistema lógico se dividió en una tubería de siete etapas . En cada etapa del proceso, un sistema de votación tomaría una mayoría de votos sobre los resultados, y el resultado más popular pasaría a la siguiente etapa en todos los procesos. Esto significaba que, para cada una de las siete etapas, un módulo en cualquiera de las tres tuberías podía fallar y el LVDC aún produciría los resultados correctos. [2] El resultado fue una confiabilidad estimada del 99.6% en 250 horas de operación, que fue mucho más que las pocas horas requeridas para una misión Apolo.
Con cuatro módulos de memoria, con una capacidad total de 16.384 palabras, la computadora pesaba 72,5 libras (32,9 kg), tenía un tamaño de 29,5 por 12,5 por 10,5 pulgadas (750 mm × 320 mm × 270 mm) y consumía 137 W.
Arquitectura y algoritmos de software
Las palabras de instrucción LVDC se dividieron en un campo de código de operación de 4 bits (bits menos significativos) y un campo de dirección de operando de 9 bits (bits más significativos). Esto lo dejó con dieciséis valores de código de operación posibles cuando había dieciocho instrucciones diferentes: en consecuencia, tres de las instrucciones usaron el mismo valor de código de operación y usaron dos bits del valor de dirección para determinar qué instrucción se ejecutó.
La memoria se dividió en "sectores" de 256 palabras. 8 bits de la dirección especificaron una palabra dentro de un sector, y el noveno bit se seleccionó entre el "sector actual" seleccionable por software o un sector global llamado "memoria residual".
Las dieciocho posibles instrucciones LVDC fueron: [3] : 20–101
Instrucción | Código de operación | Función |
---|---|---|
HOP | 0000 | Transfiera la ejecución a una parte diferente del programa. A diferencia de una instrucción de 'salto' moderna, la dirección del operando en realidad no especificaba la dirección a la que saltar, sino que apuntaba a una 'constante HOP' de 26 bits que especificaba la dirección. |
MPY | 0001 | Multiplique el contenido de la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando por el contenido del registro acumulador. Esta instrucción tardó cuatro ciclos de instrucción en completarse, pero no detuvo la ejecución del programa, por lo que otras instrucciones podrían ejecutarse antes de que finalizara. El resultado se dejó en un registro conocido. |
SUB | 0010 | Reste el contenido de la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando del registro acumulador. |
DIV | 0011 | Divida el contenido de la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando en el acumulador. Esta instrucción tardó ocho ciclos de instrucción en completarse, pero no detuvo la ejecución del programa. |
TNZ | 0100 | Transfiere la ejecución de la instrucción a la dirección del operando especificada si el contenido del acumulador no es cero. |
MPH | 0101 | Multiplique el contenido de la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando por el contenido del registro acumulador. A diferencia de MPY, esta instrucción detiene la ejecución hasta que se completa la multiplicación. |
AND | 0110 | Lógicamente Y el contenido del acumulador con el contenido de la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando. |
ADD | 0111 | Agregue el contenido de la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando al registro del acumulador. |
TRA | 1000 | Transfiera la ejecución a la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando. La dirección está dentro del sector de instrucción actual; el noveno bit (residual) del operando selecciona la sílaba. |
XOR | 1001 | XOR lógicamente el contenido del acumulador con el contenido de la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando. |
PIO | 1010 | Entrada o salida de proceso: comunicarse con hardware externo a través del adaptador de datos. "Los bits de dirección de orden inferior, A1 y A2, determinan si la operación es una instrucción de entrada o salida. Los bits de dirección de orden superior, A8 y A9, determinan si el contenido de los datos se transfiere desde la memoria principal, la memoria residual o el acumulador". |
STO | 1011 | Almacene el contenido del registro del acumulador en la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando. |
TMI | 1100 | Transferir la ejecución a la dirección del operando especificada si el contenido del acumulador es negativo. |
RSU | 1101 | El contenido del acumulador se resta del contenido de la ubicación de memoria especificada en la dirección del operando y el resultado se deja en el acumulador. |
SHR | 01 1110 | El contenido del acumulador se desplaza hasta dos bits, según un valor en la dirección del operando. Esta instrucción también puede borrar el acumulador si los bits de la dirección del operando son cero. |
CDS | x0 1110 | Cambiar sector de datos. |
EXM | 11 1110 | Transfiera la ejecución a una de las ocho direcciones que dependen de la dirección del operando, que también especifica modificaciones a la dirección del operando de la siguiente instrucción antes de que se ejecute. |
CLA | 1111 | (Limpiar acumulador y) cargar memoria. |
Programas y algoritmos
En vuelo, el LVDC ejecutó un bucle de cálculo mayor cada 2 segundos para la guía del vehículo y un bucle menor 25 veces por segundo para el control de actitud. El bucle menor se activa mediante una interrupción dedicada cada 40 ms y tarda 18 ms en ejecutarse. [4]
A diferencia del software Apollo Guidance Computer , el software que se ejecutaba en el LVDC parece haber desaparecido. Si bien el hardware sería bastante simple de emular, las únicas copias restantes del software probablemente estén en la memoria central de los LVDC de la unidad de instrumentos de los cohetes Saturno V restantes que se exhiben en los sitios de la NASA. [ cita requerida ]
Interrupciones
El LVDC también podría responder a una serie de interrupciones provocadas por eventos externos.
Para un Saturn IB, estas interrupciones fueron:
Bit de palabra de datos LVDC | Función |
---|---|
1 | Interna a LVDC |
2 | Repuesto |
3 | Error de memoria simultánea |
4 | Interrupción del decodificador de comandos |
5 | Publicación de referencia de orientación |
6 | Inicio manual del corte del motor S-IVB |
7 | Corte de motores fuera de borda S-IB |
8 | Motor S-IVB fuera |
9 | Interrupción RCA-110A |
10 | Sensores de bajo nivel de combustible S-IB secos |
11 | Interrupción RCA-110A |
Para un Saturno V, estas interrupciones fueron:
Bit de palabra de datos LVDC | Función |
---|---|
1 | Interrupción de bucle menor |
2 | Interruptor del selector de interruptor |
3 | Interrupción de la unidad de interfaz de computadora |
4 | Pérdida temporal de control |
5 | Interrupción del receptor de comando |
6 | Publicación de referencia de orientación |
7 | Agotamiento del propulsor S-II / Corte del motor |
8 | Agotamiento del propulsor S-IC / Corte del motor |
9 | Motor S-IVB fuera |
10 | Programa de reciclaje (interrupción RCA-110A) |
11 | Motor interno S-IC fuera |
12 | Comando LVDA / RCA-110A Interrupción |
Construcción
El LVDC tenía aproximadamente 30 pulgadas (760 mm) de ancho, 12,5 pulgadas (320 mm) de alto y 10,5 pulgadas (270 mm) de profundidad y pesaba 80 libras (36 kg). [5] El chasis estaba hecho de aleación de magnesio-litio LA 141, elegida por su alta rigidez, bajo peso y buenas características de amortiguación de vibraciones. [6] : 511 El chasis se dividió en una matriz de celdas de 3 x 5 separadas por paredes a través de las cuales se hizo circular el refrigerante para eliminar los 138 vatios [7] de potencia disipada por la computadora. Las ranuras en las paredes de la celda contenían "páginas" de componentes electrónicos. La decisión de enfriar el LVDC haciendo circular refrigerante a través de las paredes de la computadora fue única en ese momento y permitió que el LVDC y el LVDA (parcialmente enfriado usando esta técnica) se colocaran en una ubicación de placa fría debido al empaque tridimensional. Las placas frías utilizadas para enfriar la mayoría de los equipos en la unidad de instrumentos eran ineficaces desde el punto de vista del espacio, aunque eran versátiles para la variedad de equipos utilizados. IBM había utilizado la aleación LA 141 en el teclado Gemini, unidades de lectura y computadora en pequeñas cantidades, y el marco más grande del LVDC se produjo a partir de las palanquillas más grandes de LA 141 fundidas en ese momento y, posteriormente, se mecanizó con CNC en el marco. .
Una página constaba de dos placas de 2,5 a 3 pulgadas (64 a 76 mm) espalda con espalda y un marco de magnesio-litio para conducir el calor al chasis. Las placas de 12 capas contenían capas de señal, potencia y tierra, y las conexiones entre las capas se realizaron mediante orificios pasantes enchapados.
Hasta 35 cuadrados de alúmina de 0,3 por 0,3 por 0,07 pulgadas (7,6 mm x 7,6 mm x 1,8 mm) [8] podrían soldarse por reflujo a una placa. Estos cuadrados de alúmina tenían conductores serigrafiados en el lado superior y resistencias serigrafiados en el lado inferior. Se soldaron por reflujo chips semiconductores de 0,64 mm x 0,64 mm (0,025 por 0,025 pulgadas), cada uno de los cuales contenía un transistor o dos diodos, al lado superior. El módulo completo se denominó dispositivo lógico unitario. [9] El dispositivo lógico de la unidad (ULD) era una versión más pequeña del módulo Solid Logic Technology (SLT) de IBM , pero con conexiones de clip. [2] [10] [11] Se utilizaron bolas de cobre para los contactos entre los chips y los patrones conductores. [6] : 509
La jerarquía de la estructura electrónica se muestra en la siguiente tabla.
NIVEL | COMPONENTE | MATERIAL | Término de IBM |
---|---|---|---|
1 | Transistor, diodo | Silicio de 0,025 por 0,025 pulgadas (0,64 mm × 0,64 mm) | - |
2 | Hasta 14 transistores, diodos y resistencias | Alúmina de 0,3 por 0,3 por 0,07 pulgadas (7,6 mm × 7,6 mm × 1,8 mm) | ULD (dispositivo lógico de la unidad) |
3 | Hasta 35 ULD | Placa de circuito impreso de 2,5 por 3 pulgadas (64 mm × 76 mm) | MIB (placa de interconexión multicapa) |
4 | Dos MIB | Marco de magnesio-litio | Página |
Galería
Ver también
- Computadora de guía Apolo
- Sistema de guía de la nave espacial primaria Apollo PGNCS
- Computadora a bordo de la nave espacial Gemini (OBC)
Notas
- ↑ Burkey, Ronald (21 de agosto de 2009). "Virtual AGC - AGS - LVDC - Gemini: Computadora digital del vehículo de lanzamiento (LVDC): Saturn IB y Saturn V Rockets" . La última versión de este sitio está en ibiblio . Archivado desde el original el 28 de mayo de 2016 . Consultado el 28 de mayo de 2016 .
- ^ a b Dr. Wernher von Braun. "Pequeños ordenadores dirigen los cohetes más poderosos" . Ciencia popular. Octubre de 1965. pág. 94-95; 206-208.
- ^ Vehículos de lanzamiento de Saturno TR X-881
- ^ Haeussermann 1970 , págs. 30-31.
- ^ Informe del estudio de Apolo, volumen 2, páginas 3-36 a 3-37. El libro de registro del LVDC en el Museo Nacional del Aire y el Espacio dice que las dimensiones eran 31x13,1x13 pulgadas y el peso era de 90 libras.
- ^ a b c M.M. Dickinson, JB Jackson, GC Randa. Centro de orientación espacial de IBM, Owego, NY. "Adaptador de datos y computadora digital para vehículos de lanzamiento Saturn V". Actas de la Conferencia Conjunta de Computación de Otoño, 1964
- ^ Informe del estudio de Apolo, volumen 2, página 3-4.
- ^ Informe del estudio de Apolo, volumen 2, página 2-37
- ^ Haeussermann 1970 , págs.23 .
- ^ Ken Shirriff. "Una placa de circuito del cohete Saturno V, con ingeniería inversa y explicada" . 2020.
- ^ Pugh, Emerson; Johnson; Palmer, John (1991). Sistemas 360 y Early 370 de IBM . Prensa del MIT. pag. 108 . ISBN 978-0262161237.
Referencias
- IBM, Saturn V Launch Vehicle Digital Computer, Volumen uno: Descripción general y teoría , 30 de noviembre de 1964
- IBM, Saturn V Guidance Computer, Informe de progreso semestral, 1 de abril - 30 de septiembre de 1963 , 31 de octubre de 1963; archivo
- Bellcomm, Inc, Requisitos de memoria para la computadora digital del vehículo de lanzamiento (LVDC) , 25 de abril de 1967
- Boeing, Saturn V Launch Vehicle Guidance Equations, SA-504 , 15 de julio de 1967
- Haeussermann, Walter (julio de 1970). Descripción y rendimiento del sistema de navegación, guía y control del vehículo de lanzamiento Saturn (PDF) . NASA TN D-5869 .
- NASA Marshall Spaceflight Center, Saturn V Flight Manual SA-503 , 1 de noviembre de 1968
- NASA Marshall Spaceflight Center, Skylab Saturn IB Flight Manual , 30 de septiembre de 1972
- MM Dickinson, JB Jackson, GC Randa. Centro de orientación espacial de IBM, Owego, NY. "Adaptador de datos y computadora digital para vehículos de lanzamiento Saturn V". Proceedings of the Fall Joint Computer Conference, 1964, páginas 501-516.
- S. Bonis, R. Jackson y B. Pagnani. Centro de orientación espacial de IBM, Owego, NY. "Embalaje mecánico y electrónico para una computadora de guía de vehículos de lanzamiento". Simposio internacional de empaquetado de circuitos electrónicos 21-24 de agosto de 1964. Páginas 226-241.
- IBM, Apollo Study Report, Volumen 2. IBM Space Guidance Center, Owego, NY, 1 de octubre de 1963. 133 páginas. También disponible en Virtual AGC (busque 63-928-130 ).
- NASA MSFC, Manual del sistema astriónico Vehículos de lanzamiento de Saturno Centro Marshall de vuelos espaciales de la NASA, 1 de noviembre de 1968. MSFC No. IV-4-401-1. IBM No. 68-966-0002. 419 páginas. El capítulo 15 trata sobre el LVDC y el adaptador de datos del vehículo de lanzamiento.
enlaces externos
- Archivos de IBM: Computadora de orientación de Saturno
- Fotos de alta resolución de componentes LDVC en la colección SpaceAholic del Módulo Lunar Apollo y artefactos de vuelos espaciales Saturno V