最近，我们参与了阿波罗（Apollo）机载控制计算机
的修复工作 ，该计算机负责控制，导航和监视飞向月球的阿波罗飞行任务。 这台历史悠久的计算机是最早使用集成电路（IC）的计算机之一，其处理器完全基于NOR阀构建（第二种类型的IC，即读出放大器，用于计算机的内存中）。 在本文中，我将描述CPU的体系结构和设计。
阿波罗控制计算机架构
Apollo控制计算机的分开的托盘。 左托盘包含基于“或非”门的逻辑。 在右侧-内存和辅助组件。阿波罗制导计算机（AGC）于1960年代开发，允许阿波罗飞行任务飞向月球。 在大多数计算机占用一台全尺寸冰箱到整个房间的空间的时候，AGC是独一无二的-它足够小，可以装在阿波罗号飞船上，重32公斤，占用的空间不超过0.03 m
3 （30升）。
AGC计算机为15位。 遇到一个不是2的幂的单词大小，这很奇怪，但是在1960年代，甚至在字节流行之前，计算机就使用了各种单词大小。 15位提供了登陆月球的足够精度（并在必要时以两倍和三倍精度使用了数据），因此16位只会不必要地增加计算机的尺寸和重量。
AGC指令位于一个15位字中，由3位（指示操作代码）和12位（指示内存中的地址）组成。 不幸的是，这些数量仍然不够，因此计算机使用了许多技巧和变通办法，并且该体系结构相当笨拙。 一个12位的存储器地址只能访问4K字。 同时，AGC在主RAM中有2K个字，在核心存储器中有36K个字。 为了访问所有存储器，AGC使用了复杂的存储器组交换系统和多个寄存器。 换句话说，只能以256个字的块来访问存储器，而以稍大一些的ROM来访问。
操作码的3位不足以直接指示34条可能的指令，因此AGC使用了一些技巧，其中包括扩展指令值以及某些指令仅对某些存储单元有意义的事实。 此外，还使用了诸如存储器中的“魔术”地址之类的技巧-例如，写入“右移寄存器”单元执行了按位移位，因此不需要单独的“右移”指令。 也有指令同时组合多个动作。
即使按照1960年代的标准，AGC架构也非常简单。 尽管它是在复杂而强大的大型机时代创建的，但AGC的功能却非常有限。 在功率和架构方面，它可以与早期的微处理器相媲美。 它的优势在于其紧凑的尺寸和强大的功能，可提供实时数据输入和输出。
下面的架构图显示了AGC的主要组件。 我用彩色突出显示了我更详细介绍的部分。 AGC有一小组寄存器，还有一个仅处理加法的简单算术模块。 他只有ROM 36K字和RAM 2K字。 “写总线”是在组件之间传输数据的主要方式。 解码指令和序列发生器为AGC生成控制脉冲。
AGC框图该图的大约一半被内存占用，这反映了一个事实，即AGC架构在许多方面都是围绕其内存开发的。 像1960年代的大多数计算机一样，AGC也使用核存储器，将每个位存储在缠绕在丝网上的微小铁氧体环（核）中。 由于每个位都需要一个单独的物理核心，因此这种内存的数量从根本上少于现代半导体的数量。 内核上内存的一个显着特征是从内存中读取一个单词将其删除，因此在每次访问后都必须重写该值。 AGC还具有固定的ROM存储器，即著名的
缝合核 -它们用于存储程序，并通过电线进行物理缝合（请参见下文）。
针芯上的特写存储器NOR阀
AGC是最早使用IP的计算机之一。 这些第一批IP的可能性非常有限； 在AGC芯片上（下面），只有六个晶体管和八个电阻，它们一起实现了一个具有三个输入的NOR门。
双NOR阀，AGC提供三个输入。 晶体外部的十根线连接到IC的外部触点。NOR阀的示意图表示如下。 这是最简单的逻辑门：如果所有输入均等于零，则输出等于1。 您可能会感到惊讶，但是一个或非门足以创建一台计算机。 NOR是通用阀：可以在其基础上制造任何其他逻辑阀。 例如，当组合所有NOR输入时，我们得到一个反相器。 将逆变器放置在NOR的输出端后，我们得到一个OR阀。 通过将反相器放置在NOR门的输入端，我们得到一个AND门。 从这些门，您可以构建更复杂的逻辑：触发器，加法器和计数器。
NAND阀具有相同的多功能性。 在现代电路中，由于技术原因，与非门相比，与非门的使用更多。 在热门课程“
从NAND到Tetris ”中，介绍了如何从NAND阀创建计算机，直至实现“ Tetris”游戏。 首先，由NAND（NOT，AND，OR，XOR，多路复用器，多路分解器）构成一组逻辑门。 然后，从它们（触发器，加法器，计数器，ALU，寄存器）以及从它们（计算机）创建更大的构建块。
如果“或非”门在所有输入上都为0，则“或非”门为1；如果至少一个输入为1，则“或非”门为0。在AGC中，通常会遇到诸如RS触发（设置-重置，设置/重置）之类的组件。 该电路由两个或非门组成，并存储一个数据位。 位1存储在设置输入中，位0存储在复位输入中，即，施加到设置输入的脉冲1，关闭上阀并打开下阀，因此输出1变为输出。施加到复位输入的脉冲1，执行相反的操作。 如果两个输入都设为0，则触发器会记住其先前的状态，起到驱动器的作用。 在下一节中，我们将展示如何从触发器中创建寄存器。
两个或非门的RS触发器。 一个阀在打开时会关闭另一个。 其中一个输出上方的线表示它是另一输出的补充。寄存器
AGC有一小组寄存器，用于将值临时存储在主存储器之外。 主寄存器是许多算术运算中使用的驱动器（A）。 它还有一个计数器寄存器Z，算术块寄存器X和Y，缓冲区B，返回地址Q以及其他一些寄存器（在现代计算机中，堆栈用于调用例程并从例程中返回，但是在那个时代，程序员需要自己编写堆栈以进行递归） 为了访问存储器，有一个存储器地址寄存器S，对于数据有一个存储器缓冲寄存器G。而且，AGC在主存储器中有寄存器-例如，输入/输出计数器。
下图显示了AGC寄存器方案，针对只有一位和两个寄存器的情况进行了简化。 每个寄存器位都有一个使用前述方案（蓝色和紫色）的触发器。 数据通过写总线（红色）在寄存器之间来回传输。 要写入寄存器，触发器将通过清除信号（CQG或CZG，绿色）复位。 然后，“写”信号（WQG或WZG，橙色）允许沿写总线传输的数据设置相应的寄存器触发。 要读取寄存器，读取信号（RQG或RZG，青色）将触发输出通过记录放大器传递到记录总线，并在AGC的其他部分中使用。 全寄存器方案比较复杂，它具有几个16位寄存器，但是基本方案如下。
简化的AGC寄存器操作记数表说明了三个关键点。 首先，寄存器电路由“或非”门构建。 其次，围绕写总线建立数据移动。 最后，寄存器的动作取决于在正确的时间到达的某些控制信号。
算术模块
大多数计算机都有执行算术和布尔运算的
算术逻辑设备 。 与现代计算机相比，AGC的算术模块非常有限：它仅执行16位量的加法运算，因此它被称为算术模块，而不是算术逻辑模块（其余操作通过各种技巧执行；例如，通过加法执行减法，然后再进行加法运算）对于其中一个自变量，位将反转，依此类推）。
下图显示了AGC算术模块的一位。
全加法器 （红色）计算两位的总和并进位。 传输被传输到下一个加法器-通过这种方式，它们可以组合起来以添加更长的单词（以加快传输的传输速度，例如111111111111111 + 1，AGC使用带
传输跳过的加法器）。
寄存器X和Y（紫色和绿色）为加法器提供两个输入位。 它们是使用NOR阀上已经描述的触发器来实现的。 蓝色循环根据控制信号将值写入X和Y寄存器。 该方案非常复杂，因为它允许您通过在寄存器中进行移位来存储常量和值，但是我将不讨论该主题。 注意控制信号A2X，该信号将寄存器A的值传送到寄存器X。 我们待会儿再找他。
下图显示了AGC电路的物理实现。 该模块为寄存器和一个算术模块实现四个位。 黑色矩形是平面IP。 每个模块有两个板，每个板有60个芯片，以及总共240个NOR门。 算术模块和寄存器由四个相同的模块组装而成，每个模块处理四个位。 这类似于
微处理器部分 。
算术模块和寄存器由四个相同的模块组装而成。 模块安装在A8至A11的插槽中。指令执行
本节介绍了AGC执行该指令的操作顺序。 特别是，我将展示ADS（添加到存储）指令的工作方式。 该指令从存储器中读取值，并将其添加到驱动器（寄存器A），并将和保存在加法器和存储器中。 这是一条指令，但执行时AGC需要执行几个步骤，并且许多值在此处和此处移动。
指令计时器的实现归功于磁芯上的存储子系统。 特别是，从内存中读取值会擦除存储的值，因此，每次读取后，必须将值写回。 另外，访问存储器时，地址的指定和数据的接收之间存在延迟。 结果，每个时钟周期花费12个步骤进行读取和后续记录。 每个时间间隔（从T1到T12）持续不到一微秒，整个周期持续11.7μs，称为存储周期时间（MCT）。
AGC的可擦写磁芯存储模块。 它存储2公斤，每个位使用单独的微型铁氧体环存储。MCT是执行指令的基本内存单元。 典型的指令需要两个时钟周期：一个从内存中提取指令，第二个执行操作。 因此，一条典型指令需要两个MCT（23.4μs），每秒可给我们43,000条指令（与现代处理器及其每秒数十亿条指令相比，这非常慢）。
AGC处理指令，将它们分成子命令，每个子命令占用一个内存时钟周期。 例如，一条ADS指令由两个子命令组成：ADS0（加法）和STD2（调用下一条指令）。 下图显示了AGC中数据的移动，以执行ADS0指令。 从左到右有12个小节。
最重要的步骤如下：
T1：操作数地址从指令寄存器B复制到存储器地址寄存器S，以开始从存储器读取。
T4：操作数从存储器读到存储器数据寄存器G。
T5：操作数从G复制到加法器Y。驱动器A的值复制到加法器X。
T6：加法器计算和U，并将其复制到存储器G的数据寄存器中。
T8：程序计数器Z被复制到存储器地址寄存器S，以准备从存储器接收下一条指令。
T10：来自存储器G的数据寄存器的总和被写回到存储器中。
T11：将金额U复制到驱动器A。
尽管这是一条简单的求和指令，但是在此处的12个时隙中，会不断传输大量数据。 并与这些动作的每一个相关联的是特定的控制信号。 例如，间隔T5中的信号A2X将值从驱动器A复制到寄存器X。要将寄存器G复制到寄存器Y，需要两个控制脉冲：RG（读G）和WY（写Y）。 在下一节中，我将解释AGC控制模块如何为每个指令生成必要的控制信号。
控制模块
像大多数计算机一样，AGC控制模块对每条指令进行解码并生成控制信号，以告知处理器的其余部分需要做什么。 AGC使用由NOR阀组成的预编程控制模块来生成信号。 AGC不使用微码； 他没有微指令和控制存储器，因为这会占用过多的物理空间。
AGC控制模块的核心称为交叉点生成器。 它需要一个子命令和一个时间段，并为此组合生成控制信号。 可以想象成格子的形式，子命令在一个方向上传播，子命令在另一个方向上传播，每个交点都有自己的控制信号。
交集生成器需要很多组件，并分为三个模块。 这是A6模块。 注意增加的导线会改变电路。 这是用于地面测试的模块的早期版本； 飞行模块已经没有电线。为了提高效率，最终控制模块进行了高度优化。 具有相似行为的指令将由相交生成器组合并一起处理，从而减小了所需电路的大小。 例如，AGC的指令为“添加到具有双精度的驱动器”（DAS）。 由于它大约等于单个单词的两个加法，因此交集生成器中的DAS1和ADS0子命令具有公共逻辑。 下图显示了时间间隔T5的交集生成器电路，并且突出显示了ADS0子命令（使用信号DAS1）的逻辑。 例如，从DAS1和T5的组合生成5K信号。
但是5K和5L信号是什么？ 这是另一个优化。 许多控制脉冲通常被馈送在一起，因此相交生成器不是直接生成控制脉冲，而是生成相交的中间信号。 例如，5K产生控制脉冲A2X和RG，5L产生控制脉冲WY。 下图显示了如何生成A2X信号：8个不同信号（包括5K）中的任何一个都生成A2X。 类似的电路会生成其他控制信号。 这些优化使减小交集生成器的大小成为可能，但它仍然很大，并增加到多达三个模块。
综上所述，我们可以说控制模块负责告诉CPU如何执行指令。 首先，指令被分解为子命令。 交集发生器为每个时间间隔和子命令生成必要的控制脉冲，告诉寄存器，运算模块和存储器它们需要做什么。
通常，指令由两个子命令组成，但也有例外。 一些指令（例如乘法或除法）需要使用许多子命令，因为它们包含许多步骤。 相反，TC处的跳转指令只使用一个子命令，因为它只需要调用下一条指令。
其他处理器使用不同的方法来生成控制信号。 6502和许多其他早期的微处理器使用可编程逻辑阵列（PLA）对指令进行解码，该阵列通过只读存储器实现AND / OR逻辑。
微处理器6502。结论
这是对Apollo车载控制计算机的一次激动人心的参观。 为了避免过多拉伸，我集中介绍了ADS添加指令和一些控制脉冲（A2X，RG和WY）。 我希望您对如何使用NOR阀这样的原始元素组装计算机有所了解。
架构中最明显的部分是数据路径：算术模块，寄存器和数据总线。 AGC寄存器基于NOR门的简单触发。 尽管AGC算术模块只能执行加法运算，但计算机仍可以处理整个运算集，包括乘法，除法和布尔运算。
但是，数据路径仅是计算机的一部分。 , , . , AGC, , .
, AGC , «», . , 60% 1963. AGC NOR-.
AGC , Tektronix