Tietokonelaitteistot NASA:n miehitetyillä lennoilla Geministä Skylabiin

3.3.2005

Sampo Luukkainen

Sisältö

Johdanto

Gemini-avaruuslennot

Apollo-projekti

Skylab-avaruusasema

Yhteenveto

1. Johdanto

tietokonelaitteistot olivat hyvin suuria v. 1958 kun NASA perustettiin

kalliita

tarvittiin paljon henkilökuntaa

60-luvulla tietokoneiden koko pieneni

voitiin ottaa mukaan avaruuslennoille

tulivat välttämättömiksi

Johdantoa (jatkoa 1)

tietokonetta tarvittiin mm.

avaruusalusten ohjauksessa ja navigoinnissa

asennon kontrolloinnissa

telakoitumisissa

nykyään PALJON enemmän tehtäviä

avaruudessa tiukat vaatimukset tietokoneille

koko + paino

nousuvaiheen rasitukset

toimintavarmuus

Johdantoa (jatkoa 2)

60-luvun tietokoneet sopivia NASA:n maanpäällisiin toimintoihin, mutta eivät sopivia avaruuteen

piti kehittää uutta teknologiaa

NASA:lla suuri merkitys tietokonelaitteistojen kehityksessä 60- ja 70-luvuilla

esityksessä käsitellään avaruusalusten tietokonelaitteistoja (Gemini – Skylab)

kantorakettien tietokonelaitteistot jäävät esityksen ulkopuolelle

2. Gemini-projekti

ennen Geminiä: Mercury-avaruusohjelma

USA:n ensimmäinen miehitetty avaruusohjelma

v. 1961 – 1963 kuusi lentoa (pisin alle 2 viikkoa)

ei digitaalista tietokonetta

ohjaus maastakäsin

Gemini-avaruuslennot

v. 1965 – 1966 10 lentoa maatakiertävälle radalle

muistutti ulkoisesti paljon edeltäjäänsä Mercuryä

kahden hengen avaruuskapseli

ensimmäinen digitaalisella tietokoneella varustettu miehitetty avaruusalus

yksi tietokone: navigointi ja ohjaus

toimi varajärjestelmänä Titanin tietokoneelle

Geminin varajärjestelmä sijaitsi maassa

Geminin tietokone (1/2)

NASA:n vaatimuksia täyttäviä kaupallisia tietokoneratkaisuja ei ollut

NASA sopimukseen IBM:n kanssa tietokoneen suunnittelemisesta ja rakentamisesta v. 1962

20 Gemini-konetta toimitettiin v. 1965 mennessä

koko: 50 cm x 35 cm x 30 cm, paino 27 kg

ei integroituja piirejä eikä väylää

kaikki puolijohteet ensimmäistä kertaa piistä

komponentteja ei kahdennettu

Geminin tietokone (2/2)

osat: aritmetiikka yksikkö, kontrolliyksikkö, keskusmuisti

massamuistiasema kuudennesta lennosta eteenpäin

prosessorin nopeus 7000 käskyä/sekunti

yhteenlasku 140, kertolasku 420 ja jakolasku 840 mikrosekuntia

aikanaan hidas kone, kehno laskentatarkkuus

yksinkertaisempi rakenne ja pienempi koko

Geminin keskusmuisti

perustui ferriittiytimien käyttöön

muisti ei tyhjentynyt, vaikka kone sammutettiin

muisti koostui 39:stä tasosta, jotka taulukoita kooltaan 64x64 (4096 osoitetta)

muistin koko 156 kilobittiä

sana 39 bittiä, tavu 13 bittiä

datan esitys 26 bittiä, käskyn pituus 13 bittiä

Geminin massamuisti (½)

60-luvulla magneettinauha oli yleisin

pitkä hakuaika

virhealttiita

levyihin perustuva tallennus

epävarmaa

vei tilaa

Geminissä päädyttiin lopulta magneettinauha-asemaan (6. lento ->)

Geminin massamuisti (2/2)

tallennuskyky n. 1140 kilobittiä

ohjelmat ladattiin tarpeen mukaan keskusmuistiin

yhden ohjelman lataus kesti n. 6 minuuttia

fyysinen koko 11 L

data tallennettiin nauhalle kolmeen kertaan -> virhetodennäköisyys 1/1000 000 000

Käyttöliittymä

koostui kolmesta osasta

kontrolliyksikkö

manuaalinen tiedonsyöttöyksikkö

inkrementaalinen nopeusmittari

kontrolliyksiköllä valittiin ajettava ohjelma

manuaalinen tiedonsyöttöyksikkö

näppäimistö (10-järjestelmä)

seitsemän numeron näyttö (2 muistiosoitteelle, 5 muistin sisällölle)

inkrementaalinen nopeusmittari

3 lukemaa: nopeuden muutokset kunkin kolmen koordinaattiakselin mukaan

Rajapinnat muihin alijärjestelmiin

tietokone kytketty seuraaviin alijärjestelmiin

inertiaalimittausyksikkö

tutka

referenssiaikajärjestelmä

digitaalinen komentojärjestelmä

asennon hallintajärjestelmä

tiedonkeräysjärjestelmä

3. Apollo-projekti

miehitetyt Apollo-lennot v. 1968 – 1975

yhteensä 12 lentoa

oma tietokone välttämätön

suuri etäisyys maasta

laskeutuminen kuuhun

alun perin tarkoitus toteuttaa autonominen järjestelmä

päädyttiin lopulta ratkaisuun, jossa suuri osa laskennasta suoritettiin maassa

Apollo-projekti (jatkoa)

Apollon tietokoneet huolehtivat itsenäisesti:

kuunpinnalle laskeutuminen ja nousu

Telakoituminen

tarvittaessa paluu maahan

huomattavasti monimutkaisempi tietokonejärjestelmä kuin Geminissä,

Ohjaus- ja navigointijärjestelmät (1/3)

sopimus MIT:in (The Instrumentation Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology) kanssa v. 1961 ohjaus- ja navigointijärjestelmän toimittamiseksi

MIT suunnittelutyön ja ohjelmistot - Raytheonilta laitteisto

MIT:llä kokemusta Polariksesta

AGC Block I muistutti hyvin paljon Polarista

Ohjaus- ja navigointijärjestelmät (2/3)

Apolloon yhteensä 3 tietokonetta

identtiset AGC Block II koneet komentomoduuliin ja kuumoduuliin

MARCO 4418 (Man Rated Computer) kuumoduuliin

komentomoduulin AGC Block II kuului Apollon ohjaus- ja navigointijärjestelmään – varajärjestelmä maassa

kuumoduulin AGC Block II osa kuumoduulin ohjausjärjestelmään - MARCO 4418 kuului varajärjestelmään

Ohjaus- ja navigointijärjestelmät (3/3)

komentomoduulin ohjaus- ja navigointijärjestelmässä kolme alijärjestelmää: inertiaaliohjaus- ja optinen navigointijärjestelmä ja tietokone

kuumoduulin ohjaus-järjestelmässä:

erilainen optinen teleskooppi

ei sekstanttia

AGC Block II

koko 61 x 32 x 15 cm, paino 27 kg

sähkön kulutus 100 W

ka. vikaväli 4200 tuntia

rakennettiin yhteensä 75 kpl

koostui seitsemästä toiminnallisesta osasta:

ajastin

sekvenssigeneraattori

prosessori

muisti

prioriteettikontrolli

input/output

virtalähde

Prosessori (AGC Block II) (½)

toteutettu integroiduilla piireillä

sanakoko 16 bittiä

datalle 14 bitin esitys tarkkuus

4 bittiä käskyn operaatiokoodina (34 käskyä?)

14 bittiä suurempaan tarkkuuteen päästiin käyttämällä useita sanoja

12 bitillä viitattava muistiavaruus 4k (pienempi kuin keskusmuisti)

16-bittisyyden edut: pieni koko ja yksikertainen rakenne

16-bittisyyden haitat: muistiviittaukset

Prosessori (AGC Block II) (2/2)

nopeus n. 43000 käskyä sekunnissa

yhteenlasku 23.4 mikrosekuntia

kertolasku 46.8 mikrosekuntia

jakolasku 81.9 mikrosekuntia

prosessorissa vain yksi yhteenlaskupiiri

Keskusmuisti (1/3)

kahta erilaista muistia: pysyvää ja pyyhkiytymätöntä

molempien hakuaika sama 11.7 mikrosekuntia

pysyvä muisti:

36 kilosanaa (sanapituus 16 bittiä)

ohjelmat ja vakiot

toteutustapana: core rope

etuna suuri tallennustiheys: 2000 bittiä/kuutiotuuma

kirjoitus tehtaalla – ei voitu muuttaa

korvasi massamuistin

Keskusmuisti (2/3)

pyyhkiytyvä muisti:

2 kilosanaa (sanapituus 16 bittiä)

toteutustapa sama kuin Geminissä

pysyvä muisti jaettu 6144 sanan moduuleihin ja edelleen 1024 sanan pankkeihin

kaksi ensimmäistä pankkia:

pysyvä-pysyvä-muisti (fixed-fixed memory)

voitiin viitata käskyjen 12-bitin muistiosoiteosasta

Keskusmuisti (3/3)

pysyvään muistiin viittauksia varten prosessorissa 2 erityistä rekisteriä (osoittivat pankin) ja superpankkibitti

erasable bank register (3 bittiä)

fixed bank register (5 bittiä)

monimutkaiseen muistiin viittausratkaisuun päädyttiin koska

alkuperäisessä koneessa muisteja oli 4 kilosanaa ja 256 sanaa

yksinkertaisti prosessorin rakennetta

vähäinen muisti ja sen monimutkaisuus aiheuttivat ongelmia

Käyttäjärajapinta

AGC Block II koneisiin oli liitettynä näyttö- ja näppäimistöyksikkö DSKY (Display & Keyboard)

paino 3.5 kg

kahden numeron VERB ja NOUN näytöt + näppäimet (mm. ohjelmien valinta)

3 etumerkillä varustettua viiden numeron näyttöä (numeeristen arvojen lukeminen, 8- tai 10-järjestelmä)

19-näppäiminen näppäimistö (luvut 0-9, mutta ei aakkosia)

varoitusvaloja

4. Skylab-avaruusasema

maata kiertävä kolmen hengen avaruusasema

paino 90 tonnia ja etäisyys maasta n. 430 km

laukaistiin avaruuteen v. 1973

kolme eri miehistöä v. 1973-1974

ensimmäinen yhdysvaltalainen miehitetty avaruusalus, joka käytti aurinkoenergiaa

vaurioitui nousun aikana

Skylabin asento- ja
suuntaushallintajärjestelmä

NASA solmi v. 1969 IBM:n kanssa tietokonejärjestelmän toimittamisesta Skylabiin

kaksi samanlaista konetta (Apollo Telescope Mount Digital Computer - ATMDC), joissa oli sama ohjelmisto

toinen primäärikoneena ja toinen sekundaarisena koneena

redundanssinhallintaohjelmisto (normaalisti)

manuaalinen valintamahdollisuus

ATMDC-tietokonejärjestelmä

koostumus:

2 prosessoria

2 erillistä keskusmuistia

2 I/O-sektiota

ohjelmanlatausyksikkö

virtalähde

yleinen osa (redundanssin hallinta)

ensimmäinen todellinen digitaalinen kaksinnettu tietokonejärjestelmä avaruusaluksella

Prosessori

NASA päätyi aiemmista miehitetyistä lennoista poiketen kaupallisen prosessoriin

IBM 4Pi sarjan prosessorin 16-bittinen TC-l versio

perustui 60-luvun alun System 360 arkkitehtuuriin

Skylab-projektissa vältyttiin Geminin ja Apollon suurilta laitteisto-ongelmilta

IBM 4Pi:n 32-bittistä AP-101 versiota käytettiin myöhemmin mm. avaruussukkulassa

Keskusmuisti

kummassakin ATMDC-tietokoneessa oli omaa keskusmuistia 16384 sanaa

muisti jaettu kahteen moduuliin

käytössä oli muistimoduulin valitsin, koska muistiavaruuden laajuus oli vain 8192 osoitetta

muisti (destructive readout core memory) piti aina virkistää lukemisen jälkeen (bufferointi)

muisti ei kuitenkaan pyyhkiytynyt, kun koneesta katkaistiin virta

Ohjelmanlatausyksikkö

alun perin Skylabissa ei ollut massamuistia

ohjelmanlatausyksikkö lisättiin kuitenkin v. 1971

magneettinauha

sisälsi kopion keskusmuisteissa olevista ohjelmistoista -> lisää varmuutta

sisälsi myös 8 kilosanan pienoisversion ohjelmistosta (toimi jos ¾ muistista epäkunnossa)

latausaika 11 s

Skylabin loppuvaiheet (½)

ATMDC-koneita rakennettiin yhteensä 10 kpl

Skylabin tietokonejärjestelmä toimi hyvin

1. ja 2. toimintajakson pituus yli 600 päivää

sammutettiin välillä neljäksi vuodeksi

ei toimintavirheitä

Skylabin oletettiin pysyvän taivaalla 80-luvun puoliväliin asti

Skylabin loppuvaiheet (2/2)

odottamaton auringon aktiivisuuden surauksena alkoi menettää korkeutta

tietokonejärjestelmä aktivoitiin uudelleen ilman ongelmia

pelastussuunnitelmista jouduttiin lopulta luopumaan

syöksyi maahan kesällä 1979

5. Yhteenveto

kolme yhdysvaltojen ensimmäistä miehitettyä avaruuslentoa (Gemini, Apollo ja Skylab), joissa oli mukana digitaalinen tietokone

Gemini- ja Apollo-projektit

ei kaupallista prosessoria

kalliita

ongelmallisia

Skylab

kaupallinen prosessori

menestys

Yhteenveto (jatkoa)

NASA:lla oli hyvin suuri merkitys laitteistojen kehittämisessä 60- ja 70-luvuilla

seurausta avaruuslentojen asettamista tiukoista vaatimuksista

2005-03-01T18:47:18