Реверсивно инженерство на една необичайна модемна платка на IBM от 1965 година

Оригиналът е на изключително популярния Кен Шириф (Ken Shirriff), който има още много други подобни статии. 

На тази ретро платка на IBM се вижда голям метален блок, който веднага привлече моето внимание и реших да я разгледам по-подробно. Оказа се, че тази платка е част от модем, а голямата метална кутия е трансформатор. Нека да се задълбочим повече в историята на модемите.

Тази платка всъщност е разширителната карта Standardized Modular System (SMS), само че е твърде необичайна. В края на 1950-те години IBM представи картите Standardized Modular System, които са неголеми печатни платки със съвсем опростени схеми, използвани за сглобяването на компютрите и периферните устройства в средата на 1960-те години. По това време идеята бе да се разработи неособено голям брой стандартни платки от подобен род, в които са реализирани различни логически функции и други базови схеми. Но броят на тези платки излезе извън контрол и се появиха хиляди всевъзможни разновидности на SMS картите. Навремето дори съставих база-данни на SMS картите, в която са описани над 1400 различни платки от подобен род.

Повечето SMS карти изглеждат както е показано по-горе и платката с металния блок ми се стори съвсем необичайна – не бях виждал нито една подобна карта с голяма желязна кутия, притисната между две платки – нещо, което веднага ме заинтригува.

Едно от моите предположения бе, че тази метална кутия е термично стабилизиран кварцов генератор (OCXO). Кварцовите генератори от подобен тип често се използват, когато е необходима честота с много висока точност. Честотата на кварца зависи от температурата и затова, когато е поставен в модул с регулируема температура, както е показано по-долу, може да се постигне много стабилна честота.

Само че направените бързи измервания показаха, че тази метална кутия е голям трансформатор със съотношение 1:1 и индуктивност около 8 mH. Снимката по-долу показва четирите контакта, свързани с намотките, а поставените отвън проводници, използвани и за закрепване на този трансформатор, заземяваха корпуса. Трансформаторът е тежък –  платката тежи около един фунт (453 грама) и най-вероятно е запълнен с масло.

Колко е древна тази платка може да се разбере по  германиевите транзистори, които се използваха преди силициевите да станат популярни. Повечето транзистори са PNP тип, явно защото  по това време PNP транзисторите бяха по-лесни за производство в сравнение с NPN.  По принцип, силициевите NPN транзистори са по-разпространени най-вече заради това, че електроните в NPN транзисторите се придвижват по-лесно в сравнение с дупките в PNP транзисторите, като по този начин NPN транзисторите са по-производителни.

В приложената документация открих, че тази платка е предавател за модем на IBM, който обменя данните чрез стандартна телефонна линия. Големият трансформатор се използва за свързване на модема към телефонните линии, като едновременно с това съгласува импеданса и осигурява галванично развързване. Модемът използва FSK честотна модулация, използвайки една честота за логическата 1 и друга честота за логическата 0. Направих реверсивно инженерство на тази платка, при което най-внимателно я изучих и разбрах, че тя генерира тези две необходими честоти чрез подаване на различно напрежение на нейния вход. Това потвърди моето първоначално впечатление, че платката е от предавател на модем.

Снимката по-долу показва долната страна на платката с пътечките, които съединяват различните компоненти. Платката е едностранна и има пътечки само от долната си страна. Това е и причината те да са доста блуждаещи и да има немалко мостчета от другата страна. В долната част се виждат два конектора с по 16 позлатени контакта, с помощта на които платката се съединява с общата система. Левият конектор осигурява захранването, а десният –  сигналите.

Резултатът от моето реверсивно инженерство е показан по-долу. Схемата изглежда сложна за една платка, която просто генерира променлива честота, но през тези далечни години бяха необходими много компоненти, за да се направи каквото и да било. В лявата част на схемата се виждат два входа: за подаване на двоичните данни, както и за подаването на сигнал, разрешаващ работата на генератора. Следва самият генератор и закъснителна линия за 13 милисекунди. Изходният сигнал на генератора преминава през филтър, който приближава неговата форма до синусоида. След това този сигнал се усилва и се подава на трансформатора.

Генераторът

Осцилограмата по-долу показва изходния сигнал,  който се появява на изхода на платката след включването на генератора. Синята линия показва входните данни, а тюркоазената над нея –  изхода с двете различни честоти. Лесно може да се забележи, че изходната честота е една за логическата 1 и друга за логическата 0, като по този начин се осъществява кодирането на данните.

Според стандарта, модемът трябва да генерира честоти 1020 Hz за логическата 1 и 2200 Hz за логическата 0. Но на моя осцилоскоп видях честоти 893 и 1920 Hz, което е с 13% по-малко. Всъщност съвсем разумна точност за компоненти, които са вече на цели 55 години.

Модемът работи със скорост до 600 бода. Това съответства на 100 символа в секунда за 6-битови символи или 75 символа в секунда за 8-битови символи. Осцилограмите по-долу показват сигнал със скорост 600 бода. При тази скорост един бит е представен чрез едва 1,7 цикъла от по-ниската честота, а това означава, че приемникът няма много информация, за да различи 0 и 1. Обърнете внимание и че формата на сигнала е доста изкривена и това не е чиста синусоида.

Сърцето на този платка е генераторът с променлива честота. Подаваните цифрови входни данни променят управляващото напрежение на генератора и по този начин променят и неговата честота.

Схемата на самия генератор е схема на стандартен мултивибратор в който се използва транзисторна двойка. На показаната малко по-долу схема се вижда как работи всичко това. Да отбележа, че се използват PNP транзистори и цялата схема работи с -12 V, което може да обърка някого. Да предположим, че транзисторът Т1 е отпушен, а Т2 е запушен. В този случай кондензаторът С2 се разрежда през резистора R2, както е показано на схемата. Когато неговото напрежение стане около -0,6 V, транзисторът Т2 се отпушва. По този начин дясната страна на кондензатора С1 на практика се съединява с масата. Това принуждава лявата страна на С1 да получи потенциал почти +12 V, което отпушва транзистора Т1.

Същият процес се повтаря от другата страна на мултивибратора, като тогава кондензаторът С1 се разрежда чрез резистора R1 докато Т1  не се запуши, а Т2 не се отпуши. По този начин се генерира стабилен правоъгълен сигнал. Скоростта на разреждане на кондензаторите може да се регулира чрез промяната на техния капацитет, чрез промяната на резисторите R1 и R2, както и чрез управляващото напрежение, подадено на двата резистора.

Осцилограмите показани по-долу показват работата на генератора, сигналът на който е показан със син цвят. Жълтата линия демонстрира напрежението на лявата страна на кондензатора C2, синята –  напрежението на дясната страна на C2. С розов и син цвят са показани циклите на разреждане на кондензаторите: Колкото по-бързо се разреждат, толкова по-висока е изходната честота.

Сигналът на изхода на генератора е правоъгълен и затова преминава през няколко фази на филтриране с помощта на резистори и кондензатори, които го преобразуват до приблизително синусоиден сигнал.

Най-горната жълта линия показва изходния сигнал на генератора, а под нея –   същия сигнал след различните етапи на филтриране.  Сигналът все още е твърде изкривен, но вече е много по-плавен в сравнение с правоъгълния сигнал на изхода на генератора.

Закъснителната линия

Друга интересна част от голямата схема приема разрешаващия работата на генератора сигнал и го извежда с забавяне от 13 милисекунди. Когато правех реверсивното инженерство на тази схема, което е показана по-долу, в началото реших, че това е просто един буфер на сигнала, но ми се стори че е твърде сложна и затова измерих нейното поведение и разбрах, че с нейна помощ е реализирана точно определена латентност.

Схемата включва няколко буфера, но в основата си това е  резисторно-кондензаторна закъснителна линия. Когато се активира разрешаващия сигнал, кондензаторът бавно се зарежда до -12 V чрез резисторите, като по този начин се реализира съответната латентност. Снимката по-долу показва самия кондензатор и свързаните към него резистори.

Осцилограмата по-долу показва работата на тази схема. Когато инвертираният разрешаващ сигнал слезе в ниско ниво, изходният сигнал на закъснителната линия (син цвят) незабавно се появява, а разрешаващите изходи (жълт и розов цвят) се забавят с около 13 милисекунди.

Не можах да разбера за какво е необходима тази латентност. Може би по този начин се дава време на генератора да започне да работи стабилно след включването. Може би протоколът на модема използва 13 милисекунден сигнал, за да покаже че това е ново съобщение. Точна информация така и не намерих.

Няколко думи за модемите

Ако сте използвали компютри през 1990-те години, то навярно сте използвали и модем, подобен на показания по-долу, за да се свържете с провайдъра, който при мен бе AOL, като това ставаше чрез стандартната телефонна линия. Името модем е съкращения от MOdulator-DEModulator, понеже той модулира аналоговия сигнал за кодиране на цифровите битове и също така демодулира получения сигнал обратно в цифров. По този начин модемите от този род съгласуваха цифровите сигнали на компютрите с аналоговите честоти на телефонните линии.

Историята на модемите има много дълбоки корени. IBM представи това, което навремето нарече „телепроцесинг“ в началото на 1940-те години, преобразувайки данните от перфокартите на хартиена лента, като след това ги изпращаше по телеграфните линии за нуждите на армията на САЩ. В началото на 1950-те години устройството с име Data Transceiver премахна междинната хартиена лента от този процес, включвайки се директно към телефонната линия. С появата на мейнфрейма IBM System / 360  през 1964 година въпросният телепроцесинг получи много широко разпространение и се използваше по най-различни начини –  отдалечено въвеждане на данни и отдалечени заявки. Банките и летищата също използваха този процес. Потребителите можеха да получават достъп до мейнфреймите чрез отдалечени терминали, което доста напомня на днешните облачни услуги.

Заключение

Може моят анализ на някаква случайна печатна платка да ви се стори твърде подробен. Но на мен ми беше интересно да разбера какво точно е това предимно заради необичайния трансформатор. Също така реших, че ще ми е интересно да направя реверсивно инженерство на тази платка, за да разбера какви аналогови схеми е използвала IBM през 1960-те години. Това увеличи моите познания и сега съм по подготвен и полезен в своята ежедневна работа.