IBM 4Pi航天计算机的兴衰：一部图解历史

# IBM 4 Pi 航空航天计算机的兴衰：图文历史 来源：http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html 1981年4月12日的早晨，恰逢尤里·加加林成为首次进入太空的人类20周年之际，航天飞机轰鸣着冲入佛罗里达天空。指令长杨和飞行员克里彭在航天飞机首次飞行升空时坐镇控制台。但发射过程，以及飞行中的大部分操作，实际上由乘员舱下一层的航空电子设备舱中的四台计算机控制。第五台计算机随时准备在灾难性计算机故障时接管控制。这些型号为AP-101B的计算机属于IBM System/4 Pi系列。  航天飞机 AP-101B 计算机。该单元曾多次飞行，包括 STS-38（1990）和 STS-40（1991）。照片由RR Auction (https://www.rrauction.com/auctions/lot-detail/345627206349590-space-shuttle-flown-general-purpose-computer-cpu-and-iop-20-missions/#mz-expanded-view-1659780331464) 提供。 System/4 Pi 系列于1967年左右推出，是一系列专为航空电子设计的紧凑、功能强大的计算机。军方将这些计算机用于从F-4战斗机和B-52轰炸机到潜艇声纳系统和鱼叉反舰导弹的各类装备。System/4 Pi 系列中的其他计算机在GPS开发和电传操纵飞行控制中扮演了更和平的角色。在太空中，System/4 Pi 计算机控制了美国第一个空间站天空实验室，以及由航天飞机搭载的可重复使用的实验室——空间实验室。 尽管 System/4 Pi 计算机扮演了重要角色，但关于它们的信息很难获取——维基百科 (https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_System/4_Pi) 完全省略了 CC、SP 和 ML 型号。¹ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:ai) 然而，我收到了一堆 4 Pi 营销手册和文章，因此我现在可以填补 System/4 Pi 历史中的许多空白。 ## 第一代 IBM System/360 大型机系列于1964年推出。System/360 凭借面向所有应用（商用与科学）的单一计算机家族概念，彻底改变了计算机行业。“360”这个名称象征着 System/360 覆盖了全方位的应用。而 4 Pi 这一名称将这一理念扩展到三维空间中的应用：4π 是构成一个完整球体的立体角弧度数。正如 IBM 所说：“System/4 Pi 同样填满了一个球体——即军用计算机需求的完整频谱，适用于空中、太空或舰载使用。” 最初，System/4 Pi 系列有三款型号：“TC 型（战术计算机）用于卫星、战术导弹、直升机及其他需要非常小巧轻便计算机的应用；CP 型（定制处理器）用于实时计算应用；EP 型（扩展性能）用于需要实时计算大量数据的应用。”² (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:yearbook) ### TC 战术计算机 TC 战术计算机是一款通用数字计算机，专为低成本和中档性能而设计（详情 (https://www.bitsavers.org/pdf/ibm/4pi/4PI_Overview.pdf#page=5)）。TC 的字长为16或32位，但为了降低成本使用了8位总线。它支持8 KB到64 KB的磁芯存储器。指令集简洁，共54条指令，包含乘法和除法。就像当时常见的设计一样，它没有用于子程序调用的堆栈，而是使用分支并存储指令。最初型号每秒执行48,500条指令。虽然按现代标准这慢得惊人，但在当时却具有大型机级别的性能，可与中端 IBM 360/40 大型机媲美。  TC 计算机的算术与控制子组件，配置用于战术导弹。图片来自《电子学》(https://www.worldradiohistory.com/Archive-Electronics/60s/67/Electronics-1967-03-06.pdf#page=113)，1967年3月6日。另见《电子学》(https://www.worldradiohistory.com/Archive-Electronics/60s/66/Electronics-1966-10-31.pdf#page=44)，1966年10月31日。 TC 最初封装在一个公文包大小的盒子中（9.75英寸 × 17.12英寸 × 4.0英寸）（下图），重17.3磅，但可根据不同应用重新封装。对于战术导弹，计算机采用如上所示的半圆形电路板实现。该计算机由安装在四层电路板上的 TTL（晶体管-晶体管逻辑）³ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:ttl) 扁平封装集成电路构成。两块电路板夹在一个提供支撑和散热的金属结构周围；这种三层组件被称为“页面”。一个页面可容纳约300个集成电路，因此计算机密度非常高。  TC-1 计算机在1973年发射的美国第一个空间站天空实验室中发挥了关键作用。⁴ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:skylab) 天空实验室的朝向需要精确控制，以瞄准其多台望远镜。为了节省推进剂，天空实验室通过改变三个巨大陀螺仪（每个重155磅）的转速来旋转。两台 TC-1 计算机控制这些陀螺仪，一台活跃，一台作为备份。每台16位计算机拥有16K字的存储空间，可通过磁带或无线电重新加载，每秒执行60,000次操作。每台天空实验室计算机占据2.2立方英尺（远大于公文包大小的TC），重97.5磅。天空实验室计算机作为载人航天器上首个全数字控制系统而引人注目。 TC-2 型号（下图）速度快得多（每秒125,000次操作），重80磅。它用于 A-7D/E 攻击战斗机的导航/武器投放系统。1976年，它被升级 (https://apps.dtic.mil/sti/tr/pdf/ADA073832.pdf) 为 TC-2A，速度更快（每秒454,000次操作），支持更多内存，并增加了12条指令。  TC-2 计算机，具体为测试设备控制计算机 CP-993/ASM。它与 A-7 飞机的 CP-952/ASN-91(V) 计算机外观相同。照片由Alex1970-14 (https://www.ebay.com/str/alex197014) 提供；该计算机目前正在eBay (https://www.ebay.com/itm/277305680776) 上出售，如果您想要的话。 与同时代的大多数计算机一样，TC 使用了磁芯存储器；每个比特存储在一个微小的锂镍铁氧体环形磁芯中，串在一个网格上。⁵ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:core) TC 及其他第一代 4 Pi 计算机中的磁芯平面边长约6英寸。每个平面有16,384个磁芯，可存储16 Kbits。因此，TC 中8千字节的内存需要堆叠四个磁芯平面。磁芯存储器的一个重要优势是，由于其磁性，即使断电数据也能保持。而且它对辐射有很强的抵抗力。  这个（略有损坏的）磁芯存储平面是早期一代 System/4 Pi 计算机中使用的商用版本。照片 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Museo_de_Inform%C3%A1tica_Hist%C3%B3rica_(MIH)_-_UNIZAR_-_Magnetic-core_memory_2Kbytes_IBM_360.jpg) 由 José Luis Briz Velasco 拍摄，采用CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en) 协议，已裁剪。 ### CP 定制处理器 比 TC 系列高一个档次的是 CP 定制处理器（曾短暂称为成本性能 Cost Performance）。⁶ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:cost-performance) 它使用16位 CPU，但具有宽达36位的内存总线以获得更高性能（包括两位奇偶校验位和两位存储保护⁷ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:protection) 位）。与 TC 系列不同，CP 系列（可选）内部采用微编码，因此指令集可以轻松定制。⁸ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:ros) CP 系统的指令格式与 TC 系统完全不同。¹⁰ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:politics) 基本型号有36条指令，每秒执行91,000条指令。CP 支持多种寻址模式，比 TC 系统的简单寻址方式更先进。TC 运行频率为330 kHz，而 CP 运行频率为2.4兆赫兹。CP 的性能提升并不像更快的时钟所暗示的那么大，因为两个系统都使用了慢速磁芯存储器。  IBM CP 计算机。来自“IBM System/4 Pi Model CP”手册，1967年。 System/4 Pi 的强项之一是输入/输出，使其能够实时与外部设备通信。CP-1 具有丰富的 I/O 能力：三个高速并行输入、一个高速并行输出、一个串行输出、24条离散输入线、144条离散输出线和24条中断线。为了支持所有这些 I/O 信号，CP-1 封装在两个盒子中：一个用于计算机本身，另一个用于 I/O 接口。下图是 CPU 盒；I/O 耦合器盒类似，但前面板有十几个用于 I/O 线的连接器。CP-1 被用于 EA-6B 徘徊者电子战飞机的导航/威胁分析系统中。⁹ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:nomenclature)  CP-1 计算机，型号 CP-926/AYA-6。来自“IBM System/4 Pi and Advanced System/4 Pi Computers”手册，1973年8月。 CP-2 是 F-111 战斗机的导航/武器投放计算机，集成了雷达和武器。它比 CP-1 更快，可能是因为没有采用微编程，每秒执行150,000条指令。它也更小，只有一个47磅重的盒子，不过 I/O 支持较少。不幸的是，这台 F-111 计算机据称 (https://www.ausairpower.net/TE-MPU-Technology.html) 在运行上是一场灾难，因为计算机存在可靠性问题且性能有限。CP-2 后来被增强型 CP-2EX 取代。  CP-2 计算机，型号 AN/AYK-6。前面板上的三位拨盘在使用前被覆盖并用安全线固定，所以它一定很重要。磁芯存储堆栈位于计算机中部，存储容量为8K到16K字。电路页面在前方。照片来自 IBM 的Thread (https://www.threads.com/@ibm/post/C4f8ldEOb2T)，其中还展示了一台拆开的 TC-2 计算机。 CP-3 计算机（下图）用于 A-6E 入侵者（1970年）及其他飞机的导航和武器投放系统，取代了此前 Litton 公司一台使用不可靠的磁鼓存储器 (https://www.worldradiohistory.com/Archive-Electronics/70s/72/Electronics-1972-05-22.pdf#page=74) 的计算机。该计算机可与激光制导“智能”炸弹 (https://www.worldradiohistory.com/Archive-Electronic-Design/1972/Electronic-Design-V20-N20-1972-0928.pdf#page=36) 集成。它与 CP-2 类似，性能相同，但 I/O 功能不同。  CP-3 计算机，型号 CP-985/ASQ-133。来自“IBM System/4 Pi and Advanced System/4 Pi Computers”手册，1973年8月。 与 TC 一样，CP 也是由安装在称为“页面”的电路板上的扁平封装 TTL 芯片构成。不过，CP 使用了更小的页面，有六层而不是四层；每块双面页面最多可容纳156个集成电路。每个页面有两个98针连接器，沿用了 IBM 在阿波罗计划中用于土星 V 火箭的数字发射车载计算机（LVDC）的连接器样式。IBM 几十年来一直将此类型页面标准化；下面的页面用于 AWACS 计算机（1991年），与1967年 CP 计算机中的页面几乎相同。  标准的 IBM System/4 Pi 页面组件。来自“AWACS Data Processing Subsystem”手册，1991年。 ### EP（扩展性能）计算机 EP 是原始 System/4 Pi 计算机中功能最强大的。它是一台32位计算机，与 IBM System/360 大型机（具体为 360 Model 44）兼容。¹¹ (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:360) 在输入/输出方面，EP 使用了与 System/360 大型机相同的 I/O 通道架构。为了支持复杂的 360 指令集，EP 采用了微编码。它每秒执行190,000条指令，重75磅。浮点支持作为选件提供。  EP 的多处理器版本 EP/MP 支持最多三个 CPU 共享内存。它被交付给空军的载人轨道实验室（MOL）项目，但 MOL 项目被取消（详情 (https://archive.org/details/NASA_NTRS_Archive_19700031922/page/n43/mode/2up)）。该多处理器系统还用于 VS ANEW 反潜研究项目，该项目是 VSX 计划 (https://www.google.com/books/edition/Hearings/fTH0NXe6tJYC?hl=en&gbpv=1&dq=navy+%22vs+anew%22&pg=RA1-PA959&printsec=frontcover) 的一部分，最终促成了洛克希德 S-3 维京反潜机，该飞机使用的是 System/4 Pi SP-0A 计算机而不是 EP。 ## 下一代：高级 System/4 Pi 1970年初，IBM 创建了高级 System/4 Pi 系列。¹² (http://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html#fn:AP) 这些32位系统比之前的 System/4 Pi 计算机更快、更小、更先进。这些计算机利用了称为中规模集成（MSI）的改进型集成电路。这些集成电路容纳了10到100个门电路