阿波罗制导计算机的核心存储器

阿波罗制导计算机(AGC)在阿波罗飞往月球的航班上提供制导、导航和控制。这台历史悠久的计算机是最早使用集成电路的计算机之一，只包含两种类型的IC：用于逻辑电路的3输入NOR门和用于存储器的读出放大器IC。它还使用了许多由分立元件组成的模拟电路，采用不同寻常的软木结构。

阿波罗导航计算机。左边的空地容纳着核心绳索模块。右侧的连接器连接AGC和航天器。

我们正在修复上面所示的AGC。它是一个体积为1立方英尺的紧凑金属盒，重约70磅。按照现代标准，AGC的存储空间非常小：2048字的RAM存储在可擦除的核心存储器中，36864字的ROMIN核心绳索存储在存储器中。(在这篇博客文章中，我将只讨论可擦除核心存储器。)核心绳索ROM模块(我们没有)2将安装在左边的空白处。在AGC的右侧，您可以看到将AGC连接到航天器其他部件的两个连接器，包括DSKY(显示器/键盘)。3个。

通过拆下将两个托盘固定在一起的螺栓，我们可以拆卸AEg将两半分开，因为中间有三个连接两个托盘的连接器，所以力量大得惊人。左边的托盘是容纳逻辑和接口模块的托盘。托盘左侧缠绕的电线是开关电源，可将航天器的28伏电压转换为4伏和14伏，用于自动增益控制。右侧的托盘是B托盘，用于存放存储电路、振荡器和报警器。在这张图片中，核心存储模块被移除；它放在B托盘中间的空插槽中。

AGC由两个托盘中的数十个模块实现。托盘通过中间的三个接头连接。

从20世纪50年代到70年代初，核心存储器一直是计算机存储的主导形式，直到70年代初被半导体存储芯片所取代。核心存储器是由称为核心的微小铁氧体环建造的，每个核心中存储一位。核心以网格或平面的形式排列，如下图所示。每个平面存储一位字，因此一台16位的计算机将使用16个核心平面的堆栈。每个核心通常有4条线穿过它：网格中的X和Y线用于选择核心，图。4.。

每个磁芯通过顺时针或逆时针磁化来存储位。通过磁芯模组的导线中的电流以与电流方向相匹配的磁化方向磁化磁芯。为了读取磁芯的值，磁芯翻转到0状态。如果磁芯先前处于1状态，则变化的磁场在穿过磁芯的感测导线中产生电压。但是如果磁芯在启动时处于0状态，则感测线路不会拾取。如果磁芯先前处于1状态，则变化的磁场在穿过磁芯的感测导线中产生电压。但是，如果磁芯启动时处于0状态，则感测线路不会拾取。如果磁芯先前处于1状态，则变化的磁场在穿过磁芯的感测导线中产生电压。

磁芯的一个关键属性是磁滞：小电流对磁芯没有影响；电流必须高于阈值才能翻转磁芯。这一点非常重要，因为它允许由X和Y线组成的栅格从栅格中选择一个磁芯。通过分别以所需电流的一半激励一条X线和一条Y线，只有两条线相交的磁芯才能获得足够的电流来翻转，而其他磁芯不会受到影响。这种电流重合技术制造了磁芯存储器。

AGC采用B托盘中的多个模块来实现核心存储器，可擦除存储器模块(B12)包含实际的核心，32768个核心支持2,048个字，每个字是15位加1个奇偶校验位，多个模块包含存储器的支持电路。5本文的其余部分将描述这些模块。

阿波罗制导计算机中的可擦除存储模块，其旁边是支持模块。图片由迈克·斯图尔特提供。

下面的照片显示了从托盘中取出可擦除存储模块后的情况。与其他模块不同的是，该模块有一个黑色金属外壳。内核内部用硅橡胶(硅橡胶)封装，然后用环氧树脂封装。这是为了保护里面脆弱的内核，但NASA花了几次时间才把封装正确。早期的模块(包括我们的模块)很容易因为振动而断线，在模块的底部是插入背板的镀金针脚。

核心存储器使用核心平面，字中的每个位对应一个平面。AGC有16个平面(称为MAT)，每个平面在64×32网格中存储2048位。请注意，每个垫子由8个16×16正方形组成。下图显示了通过垫子的单条感测线路的布线。X/Y线是水平和垂直布线，抑制线穿过垫子中的所有核心；与对角感测线不同，它是垂直布线的。

AGC核心平面(MAT)中的感测线路布线。2048个核心位于64×32网格中。

大多数计算机在物理上将核心平面堆叠在一起，但AGC使用了不同的机械结构，折叠垫子(平面)以紧凑地安装在模块中。垫子被手风琴折叠，以紧密地安装在模块中，如下图所示。(16个垫子中的每一个都用青色勾勒出来。)折叠时，垫子形成一个块(在下图中垂直定向)，水平安装在核心模块中。

这张折叠图显示了如何将16个垫子折叠到核心模块中。(每个青色矩形表示一个垫子。)。

下图显示了卸下盖板后的内存模块。(这是在CHM展出的一个模块，不是我们的模块。)大部分模块是用环氧树脂封装的，所以看不到芯子。最引人注目的特征是顶部的L形导线。它们将X和Y引脚连接到192个二极管。(二极管的用途将在后面解释。)二极管隐藏在布线下面的两层，水平安装在软木结构中。当二极管出现并连接到黑色环氧树脂顶部的端子时，可以看到它们的引线。(二极管的用途将在后面解释。)二极管隐藏在布线下面，水平安装在软木结构中，当它们露出并连接到黑色环氧树脂上的端子时，可以看到二极管引线。

卸下盖子后的AGC内存模块。该模块在CHM展出。照片由迈克·斯图尔特提供。

马克拍摄了模块的X光，我将照片缝合在一起(如下所示)，形成了一张俯视模块的图像。折叠图中的四排铁芯垫对应着四个深色的块，你还可以看到两排二极管是两条较深的水平条纹，在这种分辨率下，穿过铁芯的导线和到引脚的纠结的导线是看不见的，这些导线是非常细的38号导线，比到二极管的导线要细得多。

核心内存模块的复合X射线图像。拼接在图像中并不完美，因为视差和透视在每张图像中都有所不同。特别是，针脚看起来在不同的方向上是歪斜的。

下图显示了内存模块的横截面。(上面模块的前面对应于图的右侧。)该图显示了两层二极管(蓝色)是如何在顶部布置的，并通过馈线(红色)连接到芯堆(绿色)。还请注意模块底部的引脚(黄色)是如何通过环氧树脂向上上升，并通过导线(红色)连接到芯堆的。

内存模块的横截面，显示内部布线。摘自“阿波罗计算机设计评论”第9-39页(原版II设计。)。

AGC的核心存储器在64×32矩阵中可容纳2048个字。为了选择一个字，64条X选择线中的一条与32条Y选择线中的一条一起被通电。核心存储器系统的挑战之一是驱动X和Y选择线。这些线需要在高电流(100毫安)下驱动。此外，读和写电流方向相反，所以这些线需要双向驱动器。最后，X和Y线的数量相当大(AGC为64+32)，因此在每条线上都使用复杂的驱动电路。我将描述为特定地址的右选择线供电的AGC中的电路。

AGC使用一种巧妙的技巧来最小化驱动X和Y选择线所需的硬件。AGC不再使用64个X线路驱动器，而是在矩阵顶部有8个X驱动器，在矩阵底部有8个驱动器。64条选择线中的每条都连接到不同的顶部和底部驱动器对。因此，激励顶部驱动器和底部驱动器通过一条X选择线产生电流。因此，只需要8+8个X驱动器，而不是64个。6Y驱动器是相似的，一侧使用4个，另一侧使用8个。这种方法的缺点是需要192个二极管来防止通过多条选择线的潜行路径。7个。

说明顶部和底部驱动程序如何协同工作以选择通过核心矩阵的单行。原图在这里。

上图演示了假想的9×5核心阵列中垂直线的这种技术。有三个顶部驱动器(A、B和C)和三个底部驱动器(1、2和3)。如果驱动器B为正激励，而驱动器1为负激励，则电流流经以红色突出显示的核心线。反转驱动器的极性会使电流反向，为不同的驱动器供电会选择不同的线路。要了解对二极管的需求，请注意，在上图中，电流可以从B流向2，再向上。

地址解码器逻辑位于AGC的托盘"；A"；中，由多个逻辑模块实现。9AGC的逻辑完全由3输入NOR门(每个集成电路两个)组成，地址译码器也不例外。下图显示了逻辑模块A14。(其他逻辑模块看起来基本相同，但内部印刷电路板的布线不同。)所有逻辑模块都有类似的设计：每侧两排30个IC，总共120个IC，或240个3输入NOR门。(模块A14每侧有一个空白位置，总共118个IC。)逻辑模块通过底部的四排引脚插入AGC。10个。

大部分地址解码在逻辑模块A14中实现。照片由迈克·斯图尔特提供。

下图显示了产生选择信号之一的电路(XB6-X底部6)。11如果输入为110(即6)，NOR门输出1。其他选择信号用类似的电路产生，使用不同的地址位作为输入。

该地址解码电路产生选择信号之一。AGC有28个与此类似的解码电路。

每个集成电路都使用早期的逻辑家族RTL(电阻晶体管逻辑)实现了两个NOR门。这些集成电路价格不菲，每个售价20-30美元(按现值计算约为150美元)。每个集成电路内部没有多少东西，只有3个晶体管和8个电阻器。尽管如此，这些IC提供了比计划的核心-晶体管逻辑更好的附着性，使得AGC成为可能。在AGC中使用IC的决定是在1962年做出的，令人惊讶的是，就在IC发明四年后。AGC在1962-1965年间是IC的最大消费国，最终成为集成电路行业的主要驱动力。

下面的芯片照片显示了NOR门的内部结构；硅芯片的金属层最为明显。12上半部分是一个或非门，下半部分是另一个。金属线将芯片连接到10针封装。晶体管聚集在芯片的中间，由电阻包围。

AGC中使用的双3输入NOR门的芯片照片。引脚按逆时针方向编号；引脚3在P#34；P"；的右边。丽莎·杨摄，史密森尼。

接下来，可擦除驱动器模块将来自地址译码器的4伏逻辑电平信号转换为具有受控电流的14伏脉冲，AGC在插槽B9和B10中具有两个相同的可擦除驱动器模块。5由于信号数量较多，需要两个模块：28条选择线(X和Y，顶部和底部)，16条禁止线(每位一条)，以及十几个控制信号。

选择线驱动器电路是简单的晶体管开关电路：一个晶体管和两个电阻器。其他电路，如抑制线驱动器则稍微复杂一些，因为脉冲的形状和电流需要仔细地与核心模块匹配。该电路使用三个晶体管、一个电感和几个电阻和二极管，在制造过程中仔细选择电阻值以提供所需的电流。

与其他非逻辑模块一样，此模块也是使用软木结构构建的。在这种高密度结构中，组件被插入模块的孔中，从模块的一侧穿过模块的另一侧，其导线从模块的一侧延伸到另一侧。(晶体管除外，所有三条导线都在同一侧。)在模块的每一侧，点对点布线通过焊接连接连接组件。在下面的照片中，请注意晶体管(金色，标有Q)、电阻器(R)、二极管(Dio3)。在下面的照片中，请注意晶体管(金色，标有Q)、电阻器(R)、二极管(Dio3)。在下面的照片中，请注意晶体管(金色，标有Q)、电阻器(R)、二极管。电感器(L)和馈通(FT)。在组件上覆盖塑料片可以方便地给它们贴上标签；例如，#34；7Q1"；意为(重复电路的)电路7的晶体管Q1。这些标签与原理图上的名称相匹配。底部是与模块引脚的连接。航天器上飞行的模块用环氧树脂封装，以防止部件振动。幸运的是，我们的AGC是在地面使用的，大部分没有封装，因此部件是可见的。

可擦除驱动器模块的特写，显示了软木结构。照片由迈克·斯图尔特提供。

您可能会认为来自可擦除驱动器模块的14伏脉冲将驱动内核中的X和Y线路。但是，信号通过内核内存模块正上方插槽B11中的另一个模块，即电流开关模块。该模块生成X和Y线路所需的双向脉冲。

驱动器电路非常有趣，因为每个驱动器在电路中都包括一个开关核心。(这些核心比存储器本身的核心大得多。)13驱动器使用两个晶体管：一个用于读取电流，另一个用于相反方向的写入电流。开关核心的作用有点像隔离变压器，将驱动信号提供给晶体管。但是开关核心还记得使用的是哪条线。在读取阶段，地址解码器翻转其中一个核心。这会产生驱动晶体管的脉冲。在写入阶段，不涉及地址解码器。取而代之的是，通过所有驱动器内核发送复位信号。只有在前一阶段翻转的磁芯才会翻转回来，从而产生驱动另一个晶体管的脉冲，因此，驱动器磁芯提供哪条线路是活动的记忆，从而避免了对触发器或其他锁存器的需要。

当前的交换机模块。(这是来自CHM的，因为我们的是封装的，除了黑色的环氧树脂什么也看不到。)。照片由迈克·斯图尔特提供。

下图显示了其中一个电流开关的原理图。电路的核心是开关铁芯。如果驱动器输入为1，当设置的选通脉冲被触发时，绕组A将翻转铁芯。这将在其他绕组上产生脉冲；绕组B上的正脉冲将打开晶体管Q55，将输出X线拉低以供读取。14输出通过8个二极管通过磁芯连接到8个X个顶线，类似的底部选择开关(没有二极管)会将X个底线拉高；对于写入，复位线被拉低激励绕组D。如果磁芯早先翻转，它将在绕组C上产生脉冲，该脉冲将接通晶体管Q56，并将输出拉高。但是，如果磁芯没有早先翻转，则不会发生任何事情，并且输出保持不活动。与以前一样，将选择通过核心面的一条X线和一条Y线，但这一次电流在绕组C上，该脉冲将打开晶体管Q56，并将输出拉高。但是，如果磁芯没有早先翻转，则不会发生任何事情，并且输出保持不活动。与以前一样，将选择通过核心面的一条X线和一条Y线，但这一次电流在

AGC中一个电流开关的原理图。此开关是X顶线0的驱动程序。该示意图显示了连接到该驱动器的8对二极管中的一对。

下面的照片显示了其中一个电流开关电路及其软木结构，开关核心是晶体管之间的8针黑色模块。核心和绕过它的电线都是用环氧树脂封装的，所以没有太多可看的东西。在照片的底部，你可以看到连接模块和背板的马尔科迷你黄蜂引脚。

电流开关模块中一个开关电路的特写。开关核心(中心)的两边都有晶体管。

当磁芯翻转时，变化的磁场在相应的感测线中感应出弱信号。有16条读出线，每一位对应一个字。16个读出放大器接收这些信号，放大它们，并将它们转换为逻辑电平。读出放大器使用特殊的读出放大器IC实现。(AGC仅使用两个不同的IC，读出放大器和NOR门。)AGC在插槽B13和B14中有两个相同的读出放大器模块；模块B13由可擦除核心存储器使用，而B14由固定存储器(即用于ROM的芯绳)使用。

来自核心的信号首先通过隔离变压器。然后由IC放大，输出由选通晶体管选通。读出放大器依赖于精心控制的偏置和阈值电压电平。这些电压是由使用齐纳二极管进行调节的读出放大器模块上的电压调节器产生的。在制造过程中，通过选择电阻值和可选二极管来调节电压电平，使每个读出放大器模块与计算机核心存储模块的特性相匹配。

下面的照片显示了其中一个读出放大器模块。8个重复单元是8个读出放大器；其他8个读出放大器在模块的另一侧。红色的圆圈是脉冲变压器，下面的圆圈是读出放大器IC。电压调节在模块的中间和右侧。在模块的顶部(照片前面)，您可以看到连接电路的镍带的水平线；它有点类似于印刷电路板。

取下顶部的读出放大器模块。请注意模块顶部的镍带互连。

下面的照片显示了模块的特写。顶部是两个金属罐中的放大器集成电路，下面是两个微红色的脉冲变压器，脉冲变压器之间有一个输出驱动晶体管。15电阻器和电容器采用软木结构安装，因此组件的一端在模块的这一边是导线，另一端在另一端。请注意模块顶部的一排连接；这些连接连接到镍带互连。

AGC读出放大器模块的特写。读出放大器集成电路位于顶部，略带红色的脉冲变压器位于下方。引脚在底部，顶部的导线连接到镍带，这就像一个印刷电路板。

下图显示了每个读出放大器集成电路内部的电路。读出放大器芯片比NOR门IC复杂得多。芯片。

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