El Hombre en la Luna. Ep. 4: La Computadora de Vuelo.

El cuarto personaje involucrado en nuestra historia es la computadora de vuelo.

“Gran cosa” dirán ustedes en tono irónico.

“Gran cosa, efectivamente” diré yo con esa seriedad que me caracteriza.

Porque del Apolo todo mundo recuerda a Armstrong y a Aldrin (y a Collins en un lejano tercer lugar) y la computadora es una simple anécdota más. Hoy hablaremos del Sistema de Guía y Navegación Apolo, mejor conocido como la Computadora de Vuelo.

La Computadora de Vuelo fue un reto increíble, y cuando digo un reto, es un reto, no eufemismos. Se encesitaba una computadora capaz de controlar una nave de 13 000 kilogramos, orbitando a 3 500 kilómetros por hora sobre un cuerpo que tenía apenas la sexta parte de la gravedad terrestre, que debía acertar a un blanco de apenas 10 meros de ancho, y regresar a un punto móvil y acoplarse exitosamente con él. Y todo a la primera, sin posibilidad de fallas, y controlando el consumo de combustible con exactitud: mucho consumo: no regresas. Poco consumo: no llegas. La computadora como la que la NASA utilizó en el Programa Espacial Apolo era, en su tiempo, una maravilla de la técnica. Un prodigio de la miniaturización. El epítome de la ciencia moderna. Un aparato que costó US$150 000 (ciento concuenta mil dólares americanos, de aquella época) y que ahora los ingenieros electrónicos fabrican en primer semestre de la carrera… por 40 pesos.

La Computadora fue construída (¿dónde más?) en el MIT Instrumentation Lab. Fue producto de las brillantes manos y mentes de Charles Stark Draper, Eldon Hall, Peter Adler y Don Eyles. Un sistema de 30 kilogramos de peso que contaba con la pasmosa y asombrosa cantidad de 5 000 circuitos integrados (en su mayor parte compuertas lógicas) con 74 kilobytes de memoria, de los cuales sólo 4 kilobytes eran de memoria reescribible. Memoria que había sido ensamblada manualmente aro con aro.

¿Aro con aro, dije? Sí: ¡Aro con aro!

Éstos son los núcleos de ferrita utilizados para ensamblar la memoria de TODAS las computadoras de los sesentas. Miden poco más de un milímetro de diámetro y entre sus propiedades se encuentran el poder almacenar un bit de información según si su magnetismo está orientado hacia el norte o hacia el sur. Ese magnetismo se puede leer a través de una variación en una corriente eléctrica, y puede ser cambiado con la aplicación de otra corriente eléctrica. Para ello, es imprescindible ensamblar cada arito en una malla de soporte, que entre otras cosas nos permita leer y variar su orientación magnética. Para ello, se emplea un arreglo como el siguiente:

Aquí tenemos un arreglo, o plano, consistente en cuatro cables: X, Y, Sense e Inhibit. Seleccionamos una fila energizando X, una columna seleccionando Y, y el aro en la intersección está listo para ser leído. Entonces se lee usando el cable Sense. Para poder trabajar con una mayor cantidad de bits a la vez, se empleaban múltiples planos, para formar nibbles (4 bits), bytes (8 bits) o words (15 bits).

Claro está que la lectura no es tan simple como lo que acabo de decir. Que caiga un rayo sobre la casa de mi enemigo más odiado si las cosas son alguna vez tan sencillas como eso. Porque la lectura de estos aros era destructiva. La operación de lectura consiste básiamente en llevar la memoria a cero. Si suena complejo, es porque lo es; me limitaré a describir lo que sucede y no por qué sucede. La operación de lectura consiste en escoger la fila y columna del arito que vamos a leer, y hacer circular una corriente eléctrica por sus respectivos cables en una dirección preestablecida (digamos, de arriba hacia abajo y de derecha a izquierda) que obligará al arito a cambiar su orientación magnética hacia la posición que será considerada como el 0 (digamos hacia el norte) independientemente de la dirección que tenga ahora. Si el arito estaba en la orientación 0, no pasa nada, y el sistema sabe que tiene un cero. Si el arito estaba en orientación 1 (ahacia el sur) entonces tendremos un breve pulso eléctrico en el cable Sense, con lo que nuestro sistema sabrá que tenía un uno. Obsérvese la palabra operativa: “tenía.” Porque el arito ya no tiene el uno. Ahora tiene un cero: su orientación fue cambiada de fea manera al momento de leerlo. Cada vez que leamos el arito, éste regresará a la posición de cero. Siempre. Por ello, la mayor parte de los sistemas acostumbraban volver a escribir el bit una vez leído. Escribir era como leer, pero esta vez para colocarlo en orientación 1. Para ello, se vuelve a energizar X y Y, esta vez con el doble de corriente y en dirección inversa, lo que causaba una orientación hacia el sur. Claro que si era necesario escribir un 0 y no un 1, entonces se activaba el cable Inhibit, por el cual corría una cantidad de corriente muy pequeña pero que contrarrestaba el impulso inicial hacia el sur, dejando, por tanto, el arito en posición norte. Dado que los cables Sense e Inhibit no se usaban nunca al mismo tiempo, posteriormente algún listillo cuyo nombre se ha perdido en las vicisitudes del tiempo combinó ambos cables en uno solo, con ayuda de otro multiplextor, y se ahorró horas de trabajo para cablear las estructuras. Que eran y siguen siendo muy pequeñas. La siguiente estructura, en tamaño real de 7 por 13 centímetros, mide apenas 2 kilobytes:

Gracias a Brian Walenz por su foto.

Pero sólo 4 KB eran escribibles en la Computadora. Para los otros bancos de memoria, que debían ser permanentes y no volátiles, se utilizó una estrategia mucho más sencilla: donde debía haber permanentemente un 1, habia un aro de ferrita. Donde no debía haberlo, había otro aro de ferrita en dirección contraria. Bit que debía ser 1, era alambrado a un arito tipo 1. Bit que debía ser 0, era alambrado a un arito tipo 0. Hasta 64 alambres apuntaban a cada arito. Imagínense el trabajo de cablear con sumo cuidado y a mano un banco de 74 kilobytes de núcleos de ferrita. Me dan hasta escalofríos. Un estornudo y había que empezar todo de nuevo. Un error y había que empezar todo de nuevo. Donde el asunto no funcionara como debiera y había que empezar todo de nuevo.

Peor aún. El sistema debía ser perfecto y funcionar a la primera. Debía ser capaz de controlar toda la nave, y estar totalmente aislada del exterior para evitar el que fuerzas ajenas (como señales de radio de los soviéticos) anularan su capacidad de trabajo. No había el menor margen de error disponible. De ese sistema dependía no sólo la vida de dos hombres, el prestigio de una agencia y la credibilidad de un país, sino el sueño de un hombre muerto: el presidente John F. Kennedy. *ay, güey*

Y don Peter y don Don se lanzaron al ruedo de la magna y colosal tarea de diseñar el software, mientras que don Stark y don Eldon se encargarían de miniaturizar una computadora a tamaños insospechados y nunca antes vistos. *ay, güey*

Evidentemente, con los recursos del MIT y el presupuesto de la NASA se podían hacer cosas maravillosas. La Computadora de Vuelo fue la primera en utilizar circuitos integrados, avance maravilloso que permitió la llegada de la computadora personal unos años después. Y no sólo hicieron una Computadora: hicieron dos, una para el Módulo Lunar y otra para el Módulo de Comando.

Había muchas cosas que tener en cuenta para la construcción de la Computadora. Había limitaciones de espacio, de poder, y de capacidad. La Computadora debía ser autocontenida, con la mayor potencia de cómputo posible, y tener integrados los dispositivos de entrada y salida de información. La memoria estaría limitada, tanto por el consumo de energía como por el espacio disponible. Los aritos de ferrita y sus respectivos cables ocupan su buen espacio, no crean que no. Stark y su equipo de miniaturización consiguiron los alambres más delgados que pudieron y los aritos de ferrita más pequeños que pudieron, y aún así sabían que debían colocar el mínimo indispensable. Entre los programas de Don y Peter, mas las constantes y las coordenadas fijas, y reduciendo al mínimo posible todo el espacio (Pi, por ejemplo, se representaba como la división de 22 entre 7, que da 3.1428) se las arreglaron para colocar todo en 36 864 palabras de 15 bits de longitud, mas otras 2048 palabras de 15 bits como memoria reescribible. Si hacemos cuentas tenemos apenas 72 kilobytes de memoria. Si contamos los dos kilobytes que eran la paridad del sistema, para confirmar que los datos estuieran correctamente almacenados, tenemos 74 kilobytes. Todo el sistema funcionaba en 74 kilobytes. Entre procesador central y memoria el sistema pesaba 30 kilos. Y era la cosa más ligera que uno hubiera podido ver, en una época en que una computadora pequeña medía lo mismo que un refrigerador pequeño.
Señoras y señores, damas y caballeros, niñas y niños, macuarros en general: SE LLEGÓ A LA LUNA CON APENAS 74 KB. ¿Por qué eufemismos entonces Windows Vista, en cuestiones de memoria, chupa más que la Lewinsky? Oh, preguntas sin respuesta… pero me desvío de mi tema.
Para poder utilizar la computadora era necesario diseñar un sistema de entrada y salida de datos. Evidentemente, esto eliminó el uso de lectoras de tarjetas perforadas y de cintas magnéticas, además de las impresoras o las perforadoras. Las únicas opciones disponibles eran un monitor y un teclado. Y se diseñaron, gracias al avance fabuloso de los LEDs de bajo consumo, de manera tal que en sólo 10 kilos (ultraligero para la época) ya estaba listo el Disky.

Disky, en realidad DSKY, acrónimo de Display and Keyboard Unit, era el sistema de entrada y salida de datos. No era un teclado QWERTY, mucho menos un teclado DVORAK. Simplemente era un teclado numérico con algunas funciones adicionales, como Mas, Menos, Verbo y Adjetivo. Para ingresar un comando o un acción, el usuario debía presionar el botón “Verbo” seguido del número de la función. Para ingresar un dato, se presionaba “Adjetivo” seguido del dato. Era una solución ingeniosa y muy elegante, por lo que resultaba muy sencilla y eficiente.

La computadora, como es de esperar, era lenta en términos actuales. Su velocidad se medía en kilohertz, y mientras que ahora 3 gigahertz te parecen lentos, en aquellos tiempos 20 kilohertz eran increíblemente rápidos. La memoria funcionaba a la pasmosa velocidad de 12 microsegundos (la memoria de su computadora actual, por si se lo preguntan, opera en apenas 5 nanosegundos y sigue descendiendo). El procesador funcionaba con un reloj oscilador de 2.048 megahertz, que era dividido en dos pulsos con desfasamiento, lo que producía una señal oscilante de 1.024 MHz en cuatro pasos, que a su vez era dividida en dos pulsos de 512 KHz, para obtener la frecuencia maestra con la que se sincronizaban todos los componentes de la nave. La velocidad interna del procesador era de 1 Mhz. La señal maestra era dividida 5 veces para obtener una frecuencia de 102.4 Khz, que a su vez era dividida 17 veces para obtener frecuencias que iban desde los 51.2 Khz (F1) hasta 0.78125 Hz (F17) pasando por F10, que producía una frecuencua exacta de 100 Hz y servía para mantener activo el reloj en tiempo real. El procesador, que estaba hecho a mano a base de compuertas NOR del tipo RTL (Lógica de resistor a transistor), contaba con la asombrosa cantidad de 11 instrucciones, a saber: TC, CCS, INDEX, XCH, CS, TS, AD, y MASK (básicas); mas SU, MP, y DV (extras). Las básicas podías ser usadas usando un simple operador de tres bits, mientras que las extras debían utilizar primero el operador INDEX en modo EXTEND antes de poder ejecutar esas instrucciones. Las instrucciones eran:

• TC (Transfer Control): Equivalente en términos crudos al Goto de BASIC, con la diferencia de que al terminar la ejecución de la siguiente instrucción se regresaba automáticamente al programa que había solicitado el salto.
• CCS (Count, Compare, and Skip): Equivalente al WHILE DO de BASIC. La primera parte ejecutaba un contador, la segunda parte comparaba los valores y en su caso saltaba a otra instrucción. Sin embargo, aquí tenemos dos valores de cero: toda una palabra en 0 era un “Cero Positivo” y toda una palabra en 1 era un “Cero Negativo”. Así, aunque se usaran números positivos o negativos siempre se sabía cuándo una instrucción se acercaba o se alejaba de cero.
• INDEX: Añade el dato de una dirección a la dirección especificada, a fuera sumando o restando un valor indice. Esto permitía implementar tablas y arreglos de datos.
• RESUME: Un caso especial de INDEX (INDEX 25) que permitía ejecutar una interrupción y regresar al sitio de donde salió.
• XCH (Exchange): Intercambiaba una palabra de la memoria con el contenido del registro de datos A. Si la memoria leida era de solo lectura, evidentemente no pasaba nada y sólo se cargaba en memoria el registro A.
• CS (Clear and Subtract): Cargaba el registro A con el complemento de datos, según la referencia especificada.
• TS (Transfer to Storage): Graba el registro A en la dirección especificada.
• AD (Add): Suma la dirección especificada al registro A y guarda el resultado en A.
• MASK: Ejecuta la operación lógica AND (”Y”) entre la dirección especificada y el registro A, guardando el resultado en el registro A.
• MP (Multiply): Multiplica el contenido del registro A y el dato contenido en una dirección de memoria, almacenando una parte del resultado en el registro A y otra parte en el registro LP.
• DV (Divide): Divide el contenido del registro A entre el contenido de la dirección especificada. Guarda el cociente en el registro A y el resto en el registro Q.
• SU (Subtract): Resta el dato de la memoria especificada del contenido del registro A y guarda el dato en el registro A.

Con esas instrucciones se hicieron maravillas. Porque el sistema operativo empleado era también un prodigio. Mucho antes que Multics, Unix y sus clones volaran al espacio, el MIT desarrolló un sistema operativo multitarea en tiempo real. El sistema estaba basado en interrupciones, y las tareas tenían asignado un tiempo de ejecución basado en su prioridad. Esto garantizaba que las etapas críticas, como encender los impulsores, se encendieran siempre a tiempo. Cada trabajo tenía asignada su propio espacio de memoria borrable para usar mientras se ejecutaba, y la memoria estaba compartida. En palabras de Peter Adler:

Con tan poca memoria borrable disponible, estábamos forzados a usar la misma dirección de memoria para diferentes propósitos a diferentes tiempos. Así pues, una localidad cuyo contenido pudiera ser la altitud sobre la superficie lunar durante la etapa de aterrizaje, podría contener los resultados de la alineación por sextante del sistema navegacional estelar del programa de localización. Creo que había piezas de memoria que estaban compartidas siete veces. Pueden imaginarse las pruebas que tuvimos que hacer para asegurarnos de que la misma localidad de memoria no estaba siendo usada más de un programa en un momento dado.

Todas las pruebas hechas por el grupo de diseño del MIT estaban enfocadas a desarrollar un sistema a prueba de errores, que fuera capaz de retener la información crucial del sistema en caso de que fuera necesario reiniciar el equipo. Esta útil característica le permitía procesar información si una tarea se trababa: el subsistema de prioridad se encargaba de iniciar el procesamiento de una tarea crítica, en caso de que una aplicación no devolviera el control del procesador a tiempo. Para ello, se utilizaban dos programas principales: Executive (Ejecutivo) y Waitlist (Lista de Espera). Waitlist manejaba hasta nueve tareas a la vez, siempre y cuando éstas se ejecutaran en cuatro milisegundos o menos. Las tareas que tomarían más tiempo serían enviadas al Executive, que podía manejar hasta 7 tareas. Cada 20 milisegundos el Executive verificaría la lista de prioridad de tareas y ejecutaría aquella con la prioridad más alta, independientemente de su orden en la pila de trabajo. Esto le permitía a la computadora mantener operativas las tareas críticas, como el piloto automático, incluso si había programas que fallaran o cusaran problemas. Ésta capacidad sería puesta a prueba a fondo por el Apolo 11 en condiciones reales de operación.

Porque no era tan fácil como parece verificar que los programas funcionaran adecuadamente, no. Para muestra, aquí están los programas originales de la Misión Apolo:

¿Funcionará la Comptadora de Vuelo? ¿Armstrong y Aldrin quedarán convertidos en tortilla espacial sobre la Luna? ¿Collins regresará sano y salvo o irá a parar a Marte? ¿Es congnosible el ser? ¡No se pierdan nuestro próximo y emocionante episodio, a la misma batihora y por el mismo baticanal!

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