1980年Spacelab计算机电路逆向工程

# 逆向工程：1980年Spacelab计算机电路揭秘 来源：https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html Spacelab 是一种可重复使用的实验室，可装载于航天飞机的货舱内，为宇航员及科学实验提供实验空间。Spacelab 由一台法国制造的小型计算机控制，名为 \*Mitra 125 MS\*。与现代计算机不同，这台计算机并未采用微处理器芯片。相反，其 16 位处理器由数块电路板上的芯片构成。在本文中，我将对其中一块处理器板进行逆向工程（如下图所示），该板是计算机算术/逻辑单元（ALU）的一部分。 由 CIMSA 制造的 Mitra 125 MS 计算机，图中显示了一块 ALU/寄存器卡。（https://static.righto.com/images/cimsa/cimsa-diagram2.jpg） 由 CIMSA 制造的 Mitra 125 MS 计算机，图中显示了一块 ALU/寄存器卡。 Spacelab 由一个加压圆柱形实验室构成，内部容纳实验设备、计算机以及研究人员的工作区域。一条通道将实验室与航天飞机连接起来，方便研究者在航天飞机与 Spacelab 之间移动。Spacelab 最多可支持五个暴露在太空中的非加压“货盘”，用于安装望远镜和传感器等实验设备。下图展示了通道、Spacelab 实验室以及安装在航天飞机货舱内的一个货盘。¹（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:spacelab） Spacelab-3 任务示意图。来源：NASA。（https://static.righto.com/images/cimsa/spacelab-3.jpg） 由于 Spacelab 是欧洲项目，因此使用了欧洲计算机——Mitra 125 MS。Mitra 系列始于 1971 年，当时法国公司 CII 推出了 Mitra 15 小型计算机，这是一台 16 位计算机，采用磁芯存储器。Mitra 是一个法语缩写²（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:acronyms），意为“用于实时和自动计算的小型机器”。顾名思义，Mitra 既小巧又专为实时计算设计，非常适合控制实验。Mitra 15 是一款流行的计算机，销量近 8000 台。 1975 年，CII 推出了其后续型号 Mitra 125。Mitra 125 在 Mitra 15 的基础上增加了内存管理、I/O 处理器，性能更高，指令集也更丰富。Spacelab 使用的是 Mitra 125 MS 小型计算机³（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:ground），这是 Mitra 125 的军用级变体，由 CIMSA 公司生产。一次 Spacelab 任务配备了三台此类计算机：子系统计算机负责控制和管理 Spacelab 本身，实验计算机则处理实验任务。备份计算机可在任一计算机发生故障时接管工作。¹（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:spacelab）这些计算机是 Spacelab 指令与数据管理子系统的一部分，负责控制实验并收集数据。⁴（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:cdms） 这三台计算机通常安装在 Spacelab 实验室工作台架下方的机柜内（详情见（https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19900066918/downloads/19900066918.pdf#page=44））。计算机通过键盘和彩色 CRT 显示器（https://catalog.archives.gov/id/22556994）进行控制，该显示器称为数据显示系统（DDS）。下图中的照片展示了计算机安装情况和一台 DDS。 这张照片显示宇航员在 Spacelab 内部（但并非在太空中）。Spacelab 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。照片为 1984 年的 STS-51B 乘组肖像。（https://static.righto.com/images/cimsa/computers-in-spacelab.jpg） 这张照片显示宇航员在 Spacelab 内部（但并非在太空中）。Spacelab 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。照片为 1984 年的 STS-51B 乘组肖像（https://www.nasa.gov/image-detail/amf-s84-43852/）。 在某些 Spacelab 任务中，实验室被完全省略，以便为实验货盘腾出更多空间。在这种情况下，计算机会安装在一个称为“igloo”（https://airandspace.si.edu/collection-objects/spacelab-subsystems-igloo/nasm_A19990001003）的小型加压圆筒内。研究人员留在航天飞机内，通过安装在航天飞机后部飞行甲板上的两个数据显示系统（照片见 https://catalog.archives.gov/id/355203887）来控制实验。 ## 74181 ALU 芯片 Spacelab 计算机没有使用微处理器芯片。相反，与当时大多数小型计算机一样，它由简单的集成电路组合构建而成，以实现计算机的电路。与现代 CMOS 集成电路不同，这些芯片采用双极型晶体管，速度快但体积大且功耗高，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 计算机使用的是这些芯片的军用级版本——5400 系列。 计算机中最复杂的芯片可能是 '181 算术/逻辑单元（ALU）芯片，包含约 170 个晶体管。算术/逻辑单元是计算机的核心，负责执行算术运算和布尔逻辑运算。1970 年，德州仪器将完整的 4 位算术/逻辑单元集成到单芯片上，命名为 74181。由于该芯片速度快、体积小、价格低廉，因此被广泛使用，从流行的 PDP-11 和 Xerox Alto 到强大的 VAX-11/780“超级小型计算机”，其 ALU 均采用了该芯片。 74181 提供全套二进制逻辑运算，包括 AND、OR、XOR 和补码。在算术方面，它支持加法、减法、递增和递减。⁵（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:74181）不便之处在于，74181 不支持右移。此外，乘法和除法过于复杂，无法集成到 74181 中。因此，处理器通过重复的加法或减法并结合移位来实现乘法和除法。同样，浮点运算远远超出 74181 的能力范围，但处理器在执行浮点运算的步骤时可以使用 74181。 尽管 74181 仅处理四位，但多个 74181 芯片可以组合起来处理更大的字长，例如 16 位或 32 位。为了处理进位，可以将芯片串联，前一个芯片的进位输出馈入后一个芯片的进位输入。这种方法简单但速度慢，因为进位必须“行波”通过所有芯片才能得到结果。通过使用名为 74182 的进位超前进位芯片可以加速进位过程，该芯片并行计算四个 74181 芯片（即 16 位）的进位，从而加快加法运算。 ## Mitra 的 ALU/寄存器板 Spacelab 计算机使用八个 '181 ALU 芯片来实现 32 位加法器。⁶（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:hmsg）（具体来说，这些芯片是 54S181，是 74181 的一种变体：“54”表示芯片适用于军用温度范围，“S”表示芯片采用高速肖特基逻辑制造。）然而，ALU 板还需要大量额外的芯片。根据指令的不同，可以为 ALU 选择八种不同的输入。称为多路复用器的芯片负责选择所需的值，这需要 32 个多路复用器芯片。三个 32 位寄存器为 ALU 的输入和输出提供存储，需要 24 个芯片。两个 54S182 进位超前进位芯片提供快速进位计算。最后，一些简单的逻辑芯片（反相器和与非门）将各部分连接在一起。 由于所需的芯片数量较多，ALU/寄存器电路分布在三块板上，如下图所示。（我对右侧的板进行了逆向工程。）'181 芯片立即可见，因为它们比其他芯片大得多；它们有 24 个引脚，而其他芯片只有 14 或 16 个引脚。第一块板有两个 '181 芯片，而后两块板各有三个 '181 芯片。后两块板相似但不完全相同。 Spacelab 计算机的三块 ALU/寄存器板。点击此图片（或任何其他图片）可查看大图。（https://static.righto.com/images/cimsa/three-boards.jpg） Spacelab 计算机的三块 ALU/寄存器板。点击此图片（或任何其他图片）可查看大图。 发现一个 32 位 ALU 让我颇感意外，因为这台计算机是 16 位计算机。扩展 ALU 很可能是为了提高性能。两个 16 位数相乘会产生 32 位结果，因此 32 位 ALU 能使乘法更快。此外，计算机支持 32 位浮点数，因此 32 位 ALU 大概也能加速浮点运算。 下图展示了计算机 32 位 ALU 系统的架构。中间是 ALU 本身，对两个 32 位操作数 `A` 和 `B` 进行操作。左侧是用于为 `A` 和 `B` 各选择一个值的多路复用器（“mux”）。右侧，ALU 的输出可以存储在三个 32 位寄存器中，或者通过总线发送到计算机的其他部分。前两个寄存器是移位寄存器，允许值左移或右移，而第三个寄存器仅通过触发器保持值。前两个寄存器通过总线与计算机的其他部分相连，而第三个寄存器的值只能通过将其用于另一个算术运算来访问。⁸（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:schematic）我怀疑移位寄存器用于乘法和除法，以便在每一步中移位参数。 ALU/寄存器板的框图。（https://static.righto.com/images/cimsa/block-diagram.jpg） ALU/寄存器板的框图。 多路复用器的输入提供了灵活性。例如，您可以将寄存器 1 与总线上的一个数相加，或者将右移后的寄存器 2 与寄存器 3 相加。（注意，这种移位是通过将多路复用器的输入接线左移或右移来实现的，与移位寄存器的移位完全独立。）“全 1”输入大概在二进制补码中充当 -1，提供递减功能。`B` 输入可以取自总线，从而允许值来自内存或通用寄存器。`mix` 输入是信号线、寄存器位、移位寄存器输入和一个上拉的混合体，无明显规律。我在脚注中描述了一些其他谜题；⁹（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:mysteries）大概如果我逆向整个计算机，这些谜题就能解开。 多路复用器、ALU 芯片和寄存器的功能取决于正在执行的指令。具体来说，计算机的微码引擎为计算机生成控制信号，包括 ALU/寄存器板的控制信号。其中一些控制信号选择使用哪个多路复用器输入。其他控制信号选择 ALU 的功能。最后，控制信号选择哪个寄存器接收 ALU 的输出。 我逆向的这块板实现了 ALU 和寄存器的 32 位中的 12 位。下图显示了板上每个芯片的作用。三个 4 位 ALU 芯片标为 2、1 和 0。每个 ALU 芯片有两个多路复用器芯片来选择四个 `A` 输入位，以及两个多路复用器芯片来选择四个 `B` 输入位。¹⁰（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:mux）因此，板上有 12 个多路复用器芯片。三个 12 位寄存器 `A`、`B` 和 `C` 各自由三个 4 位芯片实现。三个六反相器芯片和一个 4 输入与非门芯片完成了该板。¹¹（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:chips） 带有芯片标注的 ALU/寄存器板。（https://static.righto.com/images/cimsa/board-labeled.jpg） 带有芯片标注的 ALU/寄存器板。 这些印刷电路板（PCB）具有一些有趣的特征。在大多数电子产品中，电路板只在需要的位置开孔，但 Spacelab 板在固定网格图案上布满孔洞。（IBM 在 1960 年代的 System/360 计算机中使用了类似的板。¹²（https://www.righto.com/2026/05/reverse-engineering-spacelab-computer.html#fn:ibm-board））孔洞可以容纳 IC 引脚或其他元件。或者，孔洞可用作过孔，连接不同层的 PCB 走线。这些板的另一个有趣特征是集成电路下方的垂直金属条。这些金属条用于带走集成电路产生的热量。 板的背面（下图）可以看到更清晰的 PCB 走线。走线足够细，以至于在一对孔之间可以通过两条走线。注意黄色的“修补”线，用于纠正电路板上的错误。我认为这些错误在用于飞行的计算机中得到了修复。 ALU/寄存器板的背面。这是一块与我逆向的板不同的板，因为我想展示黄色导线。（https://static.righto.com/images/cimsa/board-back.jpg） ALU/寄存器板的背面。这是一块与我逆向的板不同的板，因为我想展示黄色导线。 每块板底部都有一个 96 引脚连接器，用于插入计算机的主板。注意连接器上伸出的三个圆柱形引脚。这些引脚带有键，以确保板只能插入正确的插槽。也就是说，每个引脚有一个金属卡舌，方向有六种之一。在主板上，连接器有相应的凹槽。如果卡舌与凹槽不匹配，则无法插入板。 连接器特写，显示了键控方式。另请注意，左侧的锯齿形引脚编号在右侧变为不规则编号。例如，引脚 52 意外地位于引脚 49 和 51 之间。（https://static.righto.com/images/cimsa/connector.jpg） 连接器特写，显示了键控方式。另请注意，左侧的锯齿形引脚编号在右侧变为不规则编号。例如，引脚 52 意外地位于引脚 49 和 51 之间。 Spacelab 计算机中的板密度很高，集成电路紧密排列以最小化计算机的体积。然而，这些板的密度远低于美国航空航天计算机。特别是，Spacelab 计算机使用了与消费电子产品相同的集成电路封装：通孔 DIP（双列直插式封装，有两排引脚）。相比之下，IBM 的 4 Pi 系列航空航天计算机使用了“扁平封装”集成电路，体积更小、更薄（详情见（https://www.righto.com/2026/03/ibm-4-pi-computer-history.html））。因此，IBM 的双面电路板可容纳 156 个集成电路，而尺寸大致相当的 Mitra 单面板仅容纳 30 个。 ## 法国计算机工业在此计算机之前的一段简史 Bull 是法国最早的计算机公司之一，成立于 1931 年。Bull 最初销售穿孔卡设备，与 IBM 竞争。到 20 世纪 60 年代，Bull 已成为一家主要的计算机公司，其产品包括晶体管化的 Gamma 60（https://en.wikipedia.org/wiki/Bull_Gamma_60）计算机，这是一款大型主机，据说……