航天飞机计算机有多离谱？5台同时运行，还要互相“投票”

2026-05-14 13:29 来源：21ic电子网产业分析 13 次阅读

摘要：1981年4月12日，航天飞机“哥伦比亚”号首次升空。很多人记住的是火箭尾焰、宇航员和NASA，但真正控制这架航天飞机飞行的，其实是机舱下方电子设备舱里的五台IBM计算机。它们的名字叫：IBM System/4 Pi。计算机型号为AP-101B，属于IBM的System/4 Pi系列今天提起IBM，人们想到的大多是PC、服务器或者大型机。但在上世纪六七十年代，IBM还有一条极少被提及的产品

1981年4月12日，航天飞机“哥伦比亚”号首次升空。很多人记住的是火箭尾焰、宇航员和NASA，但真正控制这架航天飞机飞行的，其实是机舱下方电子设备舱里的五台IBM计算机。

它们的名字叫：IBM System/4 Pi。

计算机型号为AP-101B，属于IBM的System/4 Pi系列

今天提起IBM，人们想到的大多是PC、服务器或者大型机。但在上世纪六七十年代，IBM还有一条极少被提及的产品线——专门为战斗机、导弹、潜艇、航天飞机设计的航空航天计算机。

它们曾是美国军工体系的大脑。

“4π”这个名字是什么意思？

1964年，IBM推出著名的System/360大型机，号称覆盖“360度”所有应用场景。

而“4π”，则是一个更夸张的命名。

因为球体的立体角就是4π球面度数，IBM借此表达：这套计算机将覆盖整个三维世界——天空、太空、海洋，以及各种军用平台。

从名字就能看出，当年的IBM野心有多大。

第一代：塞进导弹里的计算机

1967年前后，IBM推出第一代System/4 Pi。

最经典的是TC系列（Tactical Computer，战术计算机）。

放到今天看，它的性能简直“感人”：

主频几十万赫兹，8位总线，54条指令，包括乘法和除法
每秒几万次运算
内存只有8KB~64KB

但在那个年代，这已经接近中型大型机水平。

战术导弹用TC计算机的算术和控制子组件

该计算机由安装在四层电路板上的 TTL（晶体管-晶体管逻辑）扁平封装集成电路构成。两块电路板夹在提供支撑和散热的金属结构周围，形成一个“三明治”结构；这种三层组件被称为“页”。一个页可以容纳大约 300 个集成电路，因此该计算机的密度非常高。

IBM 4 Pi TC 系统

TC-2 型速度更快（每秒 125,000 次运算），它用于 A-7D/E 攻击战斗机的导航/武器投放。1976 年，它升级为TC-2A，速度更快（每秒 454,000 次运算），支持更大的内存，并增加了 12 条指令。

TC-2计算机

更关键的是，它必须满足军工环境：

抗震动
抗高温
抗辐射
高可靠性

与当时大多数计算机一样，TC 使用磁芯存储器，每个比特都存储在一个微小的环形锂镍铁氧体磁芯中，这些磁芯排列在一个网格上。每个平面包含 16,384 个磁芯，因此每个平面可以存储 16 千比特。

这种存储器有个巨大优势：

断电不丢数据。

而且天然抗宇宙射线和核辐射。

这也是为什么，直到80年代很多军用系统还在坚持使用磁芯内存。

CP定制处理器

比TC系列更进一步的是CP定制处理器，它采用16位CPU，但拥有36位宽的内存总线，CP系统的指令格式与TC系统完全不同，基本型号拥有36条指令，每秒可执行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的运行频率为330 kHz，而CP的运行频率为2.4 MHz。由于两个系统都使用低速磁芯内存，CP的性能提升并没有像更高的时钟频率所预期的那样显著。

IBM CP 计算机

System/4 Pi 的优势之一在于其强大的输入/输出功能，使其能够与外部设备实时通信。CP-1 拥有丰富的 I/O 功能：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。

CP-1 计算机，型号为 CP-926/AYA-6

CP-2是F-111战斗机的导航/武器投放计算机，集成了雷达和武器系统。它的速度比CP-1更快，这或许是因为它没有采用微程序控制，每秒可执行15万条指令。磁芯存储器位于计算机中部，存储容量为 8K 到 16K。

CP-2 计算机，型号为 AN/AYK-6

CP-3计算机用于A-6E“入侵者”（1970年）及其他飞机的导航和武器投放，取代了早期使用磁鼓存储器且可靠性较差的利顿计算机。该计算机可与激光制导 “智能”炸弹集成。它与CP-2类似，性能相同，但输入/输出功能有所不同。

CP-3 计算机，型号为 CP-985/ASQ-133

与TC一样，CP也是由安装在称为“页”的电路板上的扁平封装TTL芯片构成。这种连接器样式与IBM在阿波罗计划中用于土星五号火箭运载数字计算机（LVDC）的连接器样式相同，IBM在数十年间一直采用这种页型。

下一代：高级系统/4 Pi

1970年初，IBM推出了Advanced System/4 Pi系列计算机。这些32位系统比之前的System/4 Pi计算机速度更快、体积更小、功能更先进。这些计算机采用了改进的集成电路，称为中规模集成电路（MSI）。与早期的小规模集成电路（SSI）芯片每个芯片只有1到10个门相比，这些集成电路每个芯片可以容纳10到100个门，这使得单个芯片能够实现更复杂的功能，例如移位寄存器、计数器或加法器。此外，这些计算机还使用了速度更快的磁芯存储器，将内存周期时间从2.5微秒缩短到1微秒。

AP-1计算机曾用于F-15战斗机的导航/武器投放和数据管理。日本也曾将其用于F-4战斗机。升级版的AP-1R计算机拥有256KB的内存，每秒可执行超过100万条指令，它于1983年被用于F-15E战斗机。

AP-1 计算机

AP-2 计算机在外观和功能上几乎与 AP-1 完全相同，仅在输入/输出功能方面有一些改动。

AP-101 计算机将 AP-1 的指令集从 83 条扩展到 151 条，并且配备了速度略快的磁芯存储器，该项目使用了 F-8 战斗机。

AP-101 计算机

大约在1975年，航天飞机研制出了AP-101B计算机，第一步是改进指令集，使其更好地支持“高级语言”，由此产生了AP-101A。接下来，采用了双倍密度磁芯存储器，由此诞生了航天飞机使用了多年的AP-101B。

为了提高可靠性，航天飞机配备了四台冗余的AP-101B计算机，它们并行运行并对每个输出进行投票，从而可以排除故障计算机的影响。此外，还有第五台计算机作为备份，它使用独立编程的软件，以防软件故障导致所有四台主计算机都发生故障。

这叫“四取三投票机制”。

航天飞机计算机拥有104K个32位字的内存。AP-101B包含十个内存页（即电路板），每个内存页包含16K×18位。

AP-101C 计算机（1977 年）进行了多项改进：四倍密度模块化磁芯存储器、升级的逻辑技术以及重新封装以降低成本。拥有 32K 字的存储空间，运行速度超过每秒 50 万次运算。

AP-101C 被用于 B-52D 数字轰炸和导航系统，AP-101C 的设计使其能够抵御辐射和电磁脉冲 (EMP) 的危害，采用了抗辐射加固电路和奇偶校验存储器。其“核规避”功能可在核事件发生后 50 毫秒内恢复运行。

AP-101C 计算机

AP-101C 开启了模块化计算机系列 (MCS) 的先河，MCS 页面采用模块化设计，支持 CPU、内存、时序、电源、测试等标准模块。

模块化计算机系列（MCS）页面组件

此后，又陆续研发了AP-101E，AP-101F（1982 年）。AP-101F还使用了 DRAM（动态随机存取存储器）半导体存储器，这种存储器比磁芯存储器速度更快、密度更高、功耗更低。

B-1B轰炸机使用了八台AP-101F计算机：分别用于制导与导航、武器投放、控制与显示、关键任务冗余、预处理和系统测试（CITS），另有两台计算机用于地形跟踪。B-1B最终采用了双架构的AP-101F计算机，并逐步将软件从汇编语言重写为标准的JOVIAL语言。

航天飞机的AP-101计算机于1972年研制成功，它的指令执行速度达到了每秒127万条（MIPS），是AP-101B的三倍，1991年，当AP-101S首次飞行时，摩托罗拉68040微处理器的指令执行速度达到了每秒44条指令，远远超过了AP-101S。到2011年航天飞机项目结束时，英特尔酷睿i7处理器的指令执行速度已经达到了惊人的每秒10万条指令。宇航员不得不使用笔记本电脑来弥补主计算机计算能力的不足，有一次飞行就携带了18台ThinkPad笔记本电脑。