1980 年太空实验室计算机中的逆向工程电路

1980 年 Spacelab 计算机中的逆向工程电路 Spacelab 是一个可重复使用的实验室，可以放在航天飞机的货舱中，为宇航员和实验提供实验室空间。太空实验室由法国制造的小型计算机 Mitra 125 MS 控制。与现代计算机不同，这台计算机不包含微处理器芯片。相反，它的 16 位处理器是由几块芯片板构成的。在本文中，我对其中一个处理器板进行了逆向工程，如下所示，它是计算机算术/逻辑单元 (ALU) 的一部分。由 CIMSA 制造的 Mitra 125 MS 计算机，其中显示了其中一张 ALU/寄存器卡。太空实验室由一个加压圆柱形实验室组成，里面有实验、计算机和研究人员的工作区。一条隧道将实验室与航天飞机连接起来，使研究人员能够在航天飞机和太空实验室之间移动。太空实验室还支持多达五个暴露在太空中的未加压“托盘”，用于容纳望远镜和传感器等实验。下图显示了隧道、Spacelab 实验室以及安装在航天飞机货舱中的托盘。 1 Spacelab-3 任务插图。来自美国宇航局。由于 Spacelab 是一个欧洲项目，因此它使用欧洲计算机 Mitra 125 MS。 Mitra 系列始于 1971 年，当时一家名为 CII 的法国公司推出了 Mitra 15 小型计算机，这是一种使用磁芯存储器的 16 位计算机。 Mitra 是法语缩写 2，翻译为“用于实时和自动计算的迷你机器”。顾名思义，Mitra 既小又专为实时计算而设计，使其适合控制实验。 Mitra 15 是一款很受欢迎的计算机，售出了近 8000 台。 1975 年，CII 生产了名为 Mitra 125 的后继产品。Mitra 125 在 Mitra 15 的基础上进行了改进，增加了内存管理、I/O 处理器、更高的性能和附加指令。 Spacelab 使用 Mitra 125 MS 小型计算机 3，这是 Mitra 125 的军用变体，由 CIMSA 公司生产。太空实验室任务拥有三台这样的计算机：子系统计算机控制和管理太空实验室本身，而实验计算机则处理实验。如果任一计算机出现故障，备用计算机可以接管。 1 这些计算机是太空实验室命令和数据管理子系统的一部分，用于控制实验和收集数据。 4 这三台计算机通常安装在 Spacelab 实验室的工作台架下方（详情）。计算机通过键盘和彩色 CRT 显示器（称为数据显示系统 (DDS)）进行控制。计算机安装和 DDS 如下图所示。这张照片显示了太空实验室内的宇航员（但不在太空中）。太空实验室计算机安装在工作台下方（右箭头）。数据显示系统（左箭头）提供了与计算机的接口。照片是 STS-51B 乘员肖像，1984 年。对于一些太空实验室任务，完全省略了实验室，为实验托盘提供了更多空间。在这种情况下，计算机安装在一个称为冰屋的小型加压圆筒中。研究人员留在航天飞机内，通过安装在航天飞机后飞行甲板上的两个数据显示系统控制实验（照片）。 74181 ALU 芯片 太空实验室计算机没有使用微处理器芯片。相反，像当时的大多数小型计算机一样，它是由简单的集成电路构建而成，这些集成电路组合在一起以实现计算机的电路。与现代 CMOS 集成电路不同，这些芯片包含双极晶体管，速度快，但体积大且耗电，这种技术称为 TTL（晶体管-晶体管逻辑）。一定年龄的电子爱好者会记得流行的7400系列TTL芯片。 Spacelab 计算机是使用这些军用级芯片 5400 系列构建的。计算机中最复杂的芯片可能是 '181 算术/逻辑单元 (ALU) 芯片，包含大约 170 个晶体管。算术/逻辑单元是计算机的心脏，执行算术运算以及布尔逻辑运算。 1970 年，德州仪器 (TI) 将完整的 4 位算术/逻辑单元放在一块芯片上，称为 74181。由于该芯片速度快、结构紧凑且价格低廉，因此得到了广泛的应用，为从流行的 PDP-11 和 Xerox Alto 到功能强大的 VAX-11/780“超级小型计算机”等计算机中提供 ALU。 74181 提供全套二进制逻辑运算，包括 AND、OR、XOR 和补码。对于算术来说，它包括加法、减法、递增和递减。 5 不方便的是，74181 不支持右移。此外，乘法和除法过于复杂，无法包含在 74181 中。相反，处理器通过重复加法或减法并结合移位来实现乘法和除法。同样，浮点运算也远远超出了