A holdutazás fedélzeti számítógépe (5. rész)
(Rovat: Az Apollo holdprogram - 2012.09.25 08:45.)

Itt jönnek a további részletek: NOR kapu, RTL – ezek az Apollo űrhajók fedélzeti számítógépének bemutatásra következő részei.

Az alapelem: a NOR kapu

Valószínűleg ezek voltak az első olyan számítógépek, amelyek logikai hálózatát monolit integrált áramkörökből építették fel. Abban az időszakban már léteztek nagyobb bonyolultságú IC-k, de túlságosan kockázatosnak tartották az alkalmazásukat, ill. az igazán jól használható típuscsaládok talán túl későn jelentek meg a piacon. Igaz, a Texas Instruments már 1960-ban gyártotta az SN510 bináris számlálót és az SN514 RS-flipflopot, 10 kivezetéses Flatpack tokban. A csipeket az akkoriban szokásos, diszkrét elemekből felépített, kondenzátorokat is tartalmazó tranzisztoros logikai áramkörök analógiájára alakították ki. Ezeket később a NASA is vizsgálta, de végül az Apollo programban nem használta fel. A Sylvania 1963-ban hozta forgalomba HLL áramkörcsaládját (nevének rövidítése: SUHL), amelyet pl. a Phoenix levegő-levegő rakéták vezérlő egységébe is beépítettek. Az igazi átütő sikert azonban a Texas Instruments érte el, először az 54xx (katonai; 1964), majd a 74xx (általános célú ill. a 84xx ipari alkalmazásokra szánt; 1966) TTL logikai áramkörcsaládjával. Ezekkel kitűnő, az akkori viszonyok között kis méretű számítógépeket lehetett építeni.

A neten kutakodva kiderült, hogy többen foglalkoznak az AGC funkcionális utánépítésével, a továbbfejlesztett LSTL áramkörökből. Egy ilyen konstrukció részletes ismertetése itt olvasható.

Akik tanulták, vagy csak tanulmányozták a logikai algebrát, azok tudják, hogy bármely logikai kapu, logikai alapáramkör megépíthető csupán NAND (NEM ÉS) vagy NOR (NEM VAGY) kapukból. Ebből következően e két kaputípus valamelyikéből bármilyen bonyolult logikai hálózat, struktúra, pl. számítógép is felépíthető. A két kaputípus hasonló viselkedése a De Morgan- azonosságból is következik:

A₁·A₂·A₃·...·A_n = A₁+A₂+A₃+...+A_n

Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy ugyanazt a topológiájú kapcsolást akár NAND, akár NOR kapukból felépíthetjük. A működésük azonos lesz, csupán a be- és kimeneti szintek fordulnak meg, ill. dinamikus áramköröknél a lefutó élek helyett a felfutók vezérlik a bemeneteket.

Mind a CM, mind az LM fedélzeti számítógépének teljes logikai hálózatát hárombemenetű NOR kapukat tartalmazó tokokból rakták össze! Az E-1880 számú NASA dokumentum ki is hangsúlyozza, hogy csupán ezen kapuáramkörök célszerű összekapcsolásával bármely logikai funkció megvalósítható, külön ellenállások, kondenzátorok és egyéb alkatrészek alkalmazása nélkül. Ez nagyon modern szemléletet tükröz, hiszen elvet mindenféle RC differenciálótagot, tranziensvágó diódákat és hasonló, a korabeli tranzisztoros logikai áramkörökben szokásos megoldást. Jól illusztrálja ezt az AGC kapcsolási rajzain gyakran előforduló bináris osztófokozat, ami egy, a szakirodalomban nemigen publikált, teljesen szimmetrikus felépítésű master-slave élvezérelt T (Toggle, billegő) flipflop, azaz olyan billenőáramkör, amelynek az „igazi” bemeneteit nem vezették ki, csupán az órajelbemenete kap külső vezérlést. A másik érdekessége, hogy a következő fokozat órajelbemenetére nem a slave, hanem a master fokozatból vezetik az impulzusokat (az alábbi ábra részlet a MIT-MSC 80230/2005259 számú rajzból).

Ezt a szokatlan, sehol máshol nem látott, teljesen szimmetrikus kapcsolást magam is összeállítottam egy 74LS27 – és hogy ne kelljen annyi bemenetet földelni – egy 74LS02 tok felhasználásával, és természetesen működött. Ezen a rajzrészleten a NOR kapu eredeti jelölésével találkozhatunk.

Az RTL (Resistor-Transistor Logic, ellenállás-tranzisztor logika)

Ez az áramkörfajta egyike volt az első kereskedelmi IC-knek; a Fairchild hozta forgalomba 1961-ben. A TO-99 (vagy TO-47) 8 lábú kerek fémtokozású, μL9xx29 típusjelű áramkörcsalád közepes és kisteljesítményű eszközökből állt. Utóbbiakban nagyobb értékű ellenállásokat integráltak, és természetesen kisebb működési sebességre voltak képesek. Az IC-k névleges tápfeszültsége 3,6 V ± 10%. Az RTL IC-családot hamarosan több félvezetőgyártó is piacra dobta (pl. az SGS 599xx29 típusjelzéssel). Később a Fairchild ugyanezt az olcsóbb, „gomba” alakú kerek kerámia/plasztik tokozással (R-137) is forgalmazta. Hamarosan más cégek (pl. a Motorola) DIL-tokozással is gyártottak hasonló sorozatot. A család alapáramköre a 903-as, 3 bemenetű NOR kapu volt. Ezt „némi” késéssel a Tungsram is átvette, és talán gyártotta is, μL 903 típusjellel.

A kapuáramkör felépítése rendkívül egyszerű: a három, párhuzamosan kapcsolt tranzisztor egy közös munkaellenállásra dolgozik. A tranzisztorok bázisa egy-egy áramkorlátozó ellenálláson keresztül kapcsolódik a bemeneti pontokhoz, a kapu kimenete pedig a közös kollektorpont. Ha bármelyik bemenetet H szintre (a tápfeszültségre, ill. annak közelébe) emeljük, akkor a hozzá tartozó tranzisztor telítésbe vezérlődik, és a kimenetet L-re húzza. Ezzel teljesül az Y = A+B+C egyenlet, azaz a NOR működésmód.

A BLOCK-I logikai hálózatát a Fairchild 903 típusú, katonai célra bevizsgált NOR-kapuk alkották. E tokokat kiforrott gyártástechnológiájuk, sokrétű, alapos megbízhatósági tesztjük tette alkalmassá erre az alkalmazásra. A BLOCK-I paneljai összesen 4100 db ilyen IC-t tartalmaztak!

Időközben nagyon alapos megbízhatósági vizsgálatokon esett át az előbbihez képes miniatűr, sokkal kisebb tömegű tok, a Flatpack. Ez legjobban a mai felületszereléses SO-tokokhoz hasonlító, szintúgy 0,05" lábosztású, lapos, szalagkivezetéses, hermetikus fémkerámia tokozás, ami a hadiiparban már közkedveltségnek örvendett. Az AGC számára kifejlesztet új, 321527 típusjelű Fairchild-csipre 2 db 3 bemenetű RTL NOR-kaput integráltak (tehát 6 db bipoláris tranzisztort és 8 db diffundált ellenállást tartalmazott), amit 10 lábú Flatpack tokozással (TO-90) láttak el. A BLOCK-II-höz ebből a Micrologic fantázianevű IC-ből már „csak” 2800 kellett. Az új konstrukciónak így mind a mérete, mind a tömege csökkent elődjéhez képest. A csipek névleges tápfeszültsége +4 V-ra emelkedett.

Az RTL kapunak, bár lassú, kétségkívül vannak előnyei:
– rendkívül egyszerű, nagyon megbízható konstrukció,
– egyszerűen tesztelhető,
– a fogyasztása alacsonyabb a korabeli logikai áramkörökénél, már csak azért is, mert mindig csak az éppen aktív tranzisztor(ok)on folyik áram,
– mivel a kimenete nem ellenütemű, az átkapcsolás pillanatában nem keletkeznek olyan áramtranziensek, mint a TTL vagy akár a modern CMOS kapuknál,
– éppen az egyszerű, munkaellenállásos kimenet teszi lehetővé a kapuk közvetlen bővíthetőségét.

Utóbbi úgy történt, hogy a kapuk kimeneteit összekötötték, de csak az egyik tok kapott tápfeszültséget, a többi tranzisztorai az abban levő kapuk munkaellenállására dolgoztak. Azokat a – bővítő – kapukat, amelyek tápfeszültség nélkül maradtak, a kapcsolási rajzokon feketített kimenettel jelölték.

Részlet a MIT-MSC 80230/2005262 sz. rajzból.

Ez némileg megnehezíthette a nyáktervezést, lévén egy tokban két kapu volt, és vagy mindkettő tápra kapcsolódott, vagy egyik sem. A kapuk sebességének, az impulzusélek fel- és lefutási idejének vizsgálatára egy háromkapus gyűrűs oszcillátorkapcsolást írtak elő. A logikai hálózatokat egységes modulkeretekbe szerelt, többrétegű nyákokra telepítették. 24 ilyen modul volt az AGC-ben, modulonként legfeljebb 120 db 321527 típusú tokkal.

(Folytatjuk sorozatunk befejező részével, amelyben fény derül arra is, hogyan „szőtték” a számítógép memóriáját!)

Pálinkás Tibor

Az itt sorozatban közölt cikk eredeti, részletesebb, további képekkel és kapcsolási rajzokkal illusztrált változata a Rádiótechnika Évkönyve 2012-es számában jelent meg. Ezúton köszönjük az utánközlés lehetőségét. A más érdekes, köztük űrkutatási vonatkozású cikkeket is tartalmazó évkönyv kapható nyomtatott és digitális változatban is. További információ a kiadó Rádióvilág Kft. honlapján!