スペースシャトルのI/Oプロセッサの回路基板を調査する

スペースシャトルのI/Oプロセッサの回路基板を調査する。スペースシャトルの5つの汎用コンピュータは、各フライトにおいてエンジンの制御、数千のセンサーの監視、宇宙飛行士へのデータ表示、シャトルのナビゲーションといった重要な役割を果たしました。各コンピュータは2つの60ポンドのアルミニウム合金製ボックスで構成されていました。右側のボックスはCPUで、毎秒42万命令を実行する32ビットプロセッサです。これらのコンピュータはマイクロプロセッサが普及する前に設計されたため、プロセッサは多数のシンプルなチップを詰め込んだ複数のボードで構築されており、DRAMチップではなく磁気コアメモリを使用していました。スペースシャトルのIOPとCPU（AP-101B）。写真提供：RRオークション。左側のボックスはI/Oプロセッサ（IOP）で、CPUとシャトルの他の部分との間のリンクです。これはコンピュータの入出力機能を実装しており、主にコンピュータをシャトルのシステムやセンサーに接続する24の高速ネットワークを提供していました。しかし、IOPは単なる周辺機器ではなく、メインCPUよりも複雑な独立したプログラム可能なコンピュータでした。IOPは珍しいアーキテクチャを持っており、25の仮想プロセッサ（2つの全く異なる命令セットを持つ）を1つの物理プロセッサで実行する、初期のマルチスレッドコンピュータの1つでした。 私はI/Oプロセッサから2枚の回路カードを入手しました。それぞれ9インチ×3インチの長方形で、小さなチップやその他のコンポーネントがぎっしり詰まっています。IBMの用語では、各カードは「ページ」と呼ばれます（この用語を覚えておいてください）。上のページはネットワークインターフェースで、1秒あたり100万ビットを処理する4つのネットワーク接続を提供しています。（IOPには、24のネットワーク接続のためにこれらのカードが6枚含まれていました。）下のページはIOPのプロセッサ用のマイクロコード、つまり各命令を定義する低レベルのコードを保持していました。白と金のチップの列は、小さな金属ヒューズにマイクロコードのビットを保存し、1ビットごとにヒューズを飛ばすことでプログラムされていました。この記事では、I/Oプロセッサがどのように機能したか、そしてこれら2つのページの役割について説明します。 スペースシャトルのI/Oプロセッサの2つのページ：「MIA」インターフェースページとPROMページ。 MIAインターフェースページ スペースシャトルには、コンピュータをシャトルの他の部分にリンクする28のデータバスネットワークがあり、各コンピュータは24のネットワークに接続されていました。多数のネットワークは、高い性能と信頼性の両方を提供し、コンピュータとシャトルのシステム間には少なくとも2つのネットワークがありました。8つのネットワークは飛行に不可欠なシステムに割り当てられ、各CRTディスプレイとエンジンコントローラは冗長性のために4つのネットワークに接続されていました。下のページは、I/Oプロセッサ内の6つのネットワークインターフェースページのうちの1つです。スペースシャトルのエンジニアは頭字語を好んだため、このページは「Multiplexer Interface Adapter」のMIAという謎めいた名前が付けられています。（多くのネットワークは、ネットワークとスペースシャトルの多様なアナログおよびデジタルコンポーネント間のリンクを提供する「Multiplexer/Demultiplexer」と呼ばれるボックスに接続されていました。）MIAインターフェースページには、集積回路やその他のコンポーネントがぎっしり詰まっています。このページには、両面に1枚ずつ、2枚のプリント基板が搭載されています。上の写真と下の写真を比較するとわかるように、両側の基板はほぼ同じです。（主な違い：コネクタが反対側にあること。）ネットワークインターフェースページ、MIA（Multiplex Interface Adapter）と呼ばれています。このページには大規模な手直しが施されており、エラーを修正したり、更新を実装するために薄い茶色の「ボッジ」ワイヤーがページ中に這っています。各ボードは2つのネットワークインターフェースを実装しているため、このページは4つのネットワークをサポートします。各ネットワークは、同軸ケーブルではなく、ねじり合わせられシールドされた一対のワイヤを介してデータを伝送します。ネットワークはデジタルデータを伝送しますが、ネットワークを介して伝送される信号は、距離によって弱まり、歪みやノイズが発生する物理電圧です。したがって、インターフェースページはこれらのアナログ信号を0と1に変換し直す必要があります。ボードの右半分にはアナログ回路が搭載されています。これは、46ピンを持つ「IBM」と記された大きな金色のモジュールが大部分を占めています。これはハイブリッドモジュールで、トランジスタダイ、抵抗器、コンデンサ、そして場合によってはICダイなどの微細なコンポーネントで構成されており、髪の毛よりも細いボンドワイヤで接続されています。これは完全に集積回路ではありませんが、セラミックウェハ上に個々のコンポーネントを実装したものです。ハイブリッドモジュールは、アナログコンポーネントのボードを1つの（高価な）モジュールに縮小できるため、航空宇宙用途で人気がありました。このモジュールには、2つのI/Oポート用のアナログ回路が含まれています。ネットワーク信号を送信するためのドライバと、信号を受信するためのアンプおよびコンパレータです。ハイブリッドモジュールの隣には、抵抗器、ガラスコンデンサ、インダクタ、小さな四角いトランスなどのさまざまなディスクリートコンポーネントが取り付けられています。トランスはインターフェースボードとネットワーク間の結合を提供します。イーサネットと同様に、トランスはコンピュータとネットワーク間の絶縁を提供し、電磁干渉をフィルタリングし、インピーダンスを整合させ、これらすべてが信頼性にとって重要です。 マンチェスターマーク1。ウィリアムズ教授は左から2番目。マンチェスター大学提供の写真。シャトルのネットワーキングの重要な部分は、1940年代にさかのぼります。1946年、フレデリック・ウィリアムズはマンチェスター大学の電気工学科長になりました。1949年までに、彼のチームは画期的なマンチェスターマーク1コンピュータを開発しました。その過程で、彼らはストアードプログラムコンピュータ、ウィリアムズ管（磁気コア登場前の最良のコンピュータメモリ）、そして現代のプロセッサでも加算に使用されているマンチェスター・キャリー・チェーンを発明しました。しかし、関連する発明は特許取得済みのマンチェスターエンコーディングであり、0と1のシーケンスを保存または送信するための方法です。マンチェスターエンコーディングでは、以下の図に示すように、各0ビットは「low-high」シーケンスに、各1ビットは「high-low」シーケンスに置き換えられます。このアイデアは些細なことに思えるかもしれませんが、フロッピーディスクやリモコンからイーサネットやRFIDタグに至るまで、あらゆるものに使用されており、IEEEマイルストーンとして認められています。マンチェスターエンコーディングを示す図。プロトタイプIOP機能説明書、P82より。バイナリデータをエンコードせずに送信する明白なアプローチには、2つの問題があります。第一に、0または1の長い文字列では、何ビット送信されたかを判断するのが困難です。「6ビットだったのか、それとも5ビットだけだったのか？」第二に、このようなシーケンスはアンバランスであるため、「DC成分」を持っています。このDC成分は、信号が磁気媒体に保存されたり、トランスを介して送信されたりする場合に問題を引き起こします。マンチェスターエンコーディングは、これら両方の問題を解決します。エンコードされたすべてのビットは中央に遷移があるため、ビットを分離するのは簡単です。さらに、エンコーディングは0と1が同数発生することを保証するため、DC成分はありません。これらの利点により、マンチェスターエンコーディングはスペースシャトルのデータバスネットワークに選択されました。IOPのネットワークインターフェースの主要な機能の1つは、シリアルビットとマンチェスターエンコーディング間の変換です。インターフェースのデジタル回路はかなり複雑ですが、ほとんどのロジックは4つの大きな金色の集積回路にあります。これらはカスタムのモトローラ製集積回路で、各ネットワークポートに送信チップと受信チップが1つずつあります。送信側では、チップはバイナリデータをネットワーク用のマンチェスターエンコードされた信号に変換します。回路はまた、各ワードの先頭に同期信号を挿入し、パリティを追加します。受信チップはこのプロセスを逆に行い、同期を検出し、マンチェスター信号をデコードし、パリティを検証し、エラーを報告します。小さな黒いチップはシンプルなTTLチップで、ほとんどがシフトレジスタです。（トランジスタ-トランジスタロジックは1970年代に非常に人気があり、高速で信頼性の高い回路を提供しました。）12個の4ビットシフトレジスタチップと16個の8ビットシフトレジスタがあります。シャトルのネットワークは24ビットワードをネットワーク経由で送信しました。6個の4ビットシフトレジスタチップを組み合わせることで24ビットシフトレジスタが生成され、これらの24ビットワードをシリアルデータに変換し、その逆も行いました。…