国产老“超算”～纯分立元件磁芯计算器南华√161修复记|硬件博物馆

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只看楼主倒序阅读我要置顶楼主发表于: 2017-03-22

— 本帖被香瑶设置为精华，作者+3000M币+5专家(2017-03-23) —

国产老“超算”——纯分立元件的磁芯计算器“南华161”修复记

楔子

离周五下班还有0.007秒，果断的摆出纸和笔，摊出一桌子文件，泡上一杯香浓的咖啡，一副领导不走我加班到底，同事不走我革命到底的心态。

“嗨，Peter，你们都在啊”（您可能说了，好好的中文名字不叫，老叫我的英文名干嘛，我们单位说了，叫英文名，显得逼格比较高，人生可以上一定的“凳次”）

这是我们敬爱的VP大人找我们，啰啰嗦嗦讲了十分钟，其实就是问谁周六有空帮他办事。我又一次荣幸的毛遂自荐了。望着同事们祝福的笑脸，我真是默默无语双眼泪啊——+{}：“”《》！~？

言归正传，周一早上，VP一个大礼包就砸在我桌上了，“谢谢你，不请你吃饭了，送你个计算机。
要好好珍惜啊

——酷睿的，16:1屏，电子管显示的，黑轴机械键盘，一体台式机。

就是老点，好几十年了，你喜欢电子，就送给你了。对了，没电源线，不包好坏啊！”（这里有没有咸鱼卖家的既视感）

我的妈啊，这就是幸福从天降啊。

心想，领导是个电脑盲，这年代估计是搞错了，有那么老么，酷睿才哪年出的啊。16:1估计是16:9的屏吧，不过显像管的机器哪有宽屏，但应该是老机器无疑了，值得拥有。
怀着种种疑问，把领导送出办公室。

我们也要吃兔兔，我们也要去搬家，看着那些没得到机器的同事：

比我资历老的，那真是十里桃花，三生三世再无爱了。
比我资历浅的，那也是大唐荣耀，为啥成王的就是你。

哎，不说你们了
默默送走这些一个个恨得你若安好，便是晴天霹雳的样子同事，呵……

（注：以上文字纯属膜拜maopian214,我是看了他的文章才慢慢入了计算器的坑，嘿）

机器简介：

先把机器简单介绍一下，后面会随维修过程详细介绍。

感兴趣的童鞋可先观看含各种运算的视频。

这是一台使用磁芯作为存储器的国产老计算器，那时也叫它计算机，里面没有使用一个集成电路，只有国产的三极管、二极管、电阻、电容，纯手工打造的。

看到时感觉非常不可思议，怎么可以不用芯片就能计算加减乘除；只有简单的晶体管阻容元件怎么就能计算开方。

拥有一颗“CORE”酷睿的芯
难得一见的磁芯存储器
它拥有256位，注意是256位的“超大内存”。
您对比边上的二极管就可以估算出磁芯的大小了。
256位是这样划分的，即屏幕上的16位数，每位用4个二进制BCD码表示的十进制数；一共4组这样的16位数，三组用于计算，一组用于M+M-辅助计算存储

这是目前国产里面细节做工最细致的，每个圈圈绕都像艺术品一样。
一体化内存，上电就是RAM，断电就是ROM，永久保存数据，至少40年，除非你遇到核磁暴。

磁芯很小只有1毫米大，中间穿的铜线也很细，还绕了好几圈，真不知道当时工人是怎么穿的线。

16:1的屏幕，注意是16:1不是16:9。
右边16位显示数字，最左边1位是负数和溢出显示。
也就是说可以计算16位的计算，就是在今天，也是很大的位数和精度。

屏幕180度无死角，全高亮，上看下看左看右看右都清清楚楚。

风光牌的VFD管子

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关键词：磁芯计算器南华

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只看该作者 1楼发表于: 2017-03-22

可动“浮点”运算操作
小数点不像当时其他的计算器用个拨盘，你只能定位到有0,4,6几位小数点，你可以通过左右箭头键移动小数点，自由设置0-16位，非常方便，这也更方便科学计算的精度要求。

黑轴纯机器键盘
弹簧，垫片，磁铁，干簧管——手感极强，按上吱吱妞妞的，磁条接近，干簧管吸合。这主要是考虑机器显示一部分是高压电路，键盘和电路是绝缘分离的，更安全。

另外，按当时的理论，普通开关按下，信号在开关之间的瞬间震荡很多，用干簧管可以有效抑制这种干扰。
所以说，如果你看到那台老计算器是干簧管的，那他基本是有收藏价值的。

全金属汽车烤漆外壳，货真价实的铁家伙

纯国货精品
从最小的螺丝钉，到最大的显示屏，纯粹国产货，没有一个外来货。当时国家为每个元件的生产都建立的对应的生产企业和体系。

可插拔电路结构易于维护

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复杂的手工编织线路。密密麻麻，小辫一样精致。

70年代的国货精品。1973年研制出来的。

这种计算器在当时算比较高端的了，而且做工也是比较好的，（当然您不能和国外的电路对比），毕竟当时国家解决的是有没有的问题，在当时的器件水平下，能鼓捣出如此复杂的分立元件感觉也是没谁了。

问了老妈，当时一个好些的晶体管收音机要20多元（当时也叫半导体），基本上折合1个晶体管1块钱了

资料显示，这个机器当时价值3150元，需要凭票购买，估计能买的起也是一些科研院所和铁路等专业单位，进行高精度的长时计算工作。
据说当时1万元折合今天的225万，那这种机器折合今天价格也需要70.8万，在当时算超算看来也是名正言顺的了。

维修心路历程：

机器一年半前就得到了。
当时鼓捣来南华161这台机器，主要是为了拥有一个磁芯储存器的板子。如果在EBAY等网上买一个类似磁芯存储器，要比买机器还贵。

当时也根本没想去修计算器，自己也不是学电子的，没有那个金刚钻也揽不了这瓷器活。
看到可以点亮，就精心清理了一番默默收箱子里了。

收集了一些计算器后，看到国外的藏家有打理老计算器的，感觉很酷，就想自己能否也修好这个计算器呢？

一开始信心满满，先把机器状态又检查了一遍：
屏幕全亮，肯定电源没大问题。
可以录入，456789没问题，123录入不进去，估计就是干簧管接触不良。
加法可以计算，2+3=5没问题，12+9=11，也就是每位的两数加起来超过10就不行，进位不灵，估计能修
减法，也一样，但5-2=2，不是3，也就是结果少1。后来明白是补码电路少生成进位导致，和加法是一个故障导致的连锁混乱。
乘法可以操作，但只能算2X3=6等简单的数，如果两位以上就乱套。
除法按键有结果，但肯定不对，比如，2/1=5555.5555。
开方不可以，一按就死机无显示，需要从清零复位。

机器虽然有40多年了，保养的还行，而且感觉可以录入数，简单计算正确，判断磁芯电路部分肯定没有问题，（那部分电路需要精确的电流控制，如果一台机器录数不正常，基本就是磁芯部分有问题，修理的话技术要求太高了。）

机器毛病不多，就希望能修好，而且关注了一下，分立元件的机器可以正常工作的几乎没有。就此一念从此踏上了漫漫长征路。

机器有20块板子，每一块板子都复杂无比。有密集恐惧症的慎入，请欣赏一下。

板子都油光油光的，感觉是涂了保护漆，避免电子元件的老化和防潮。

这20块板子如果都检测，那将会是一项无比复杂漫长的过程。幸亏本人是阿加莎·克里斯蒂和柯南迷，案子咱遇不到不能推理，机器还是可以的。

通过仔细观察，首先排除了4块磁芯电路的板子，它们分别是磁芯板，驱动板，控制板。这样20减4就剩16块了。

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只看该作者 3楼发表于: 2017-03-22

再把显示的板子排除，一块驱动，一块译码，只剩14块了。

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只看该作者 4楼发表于: 2017-03-22

后又把键盘拆开，仔细的测试每个键位对应的连接线，比如开方键，它通向秘密麻麻的手绑线，找出哪根接到哪块板上，那这块板肯定就和开方有关了。
这样又排除了6块板。

那么剩下的板子肯定和计算，逻辑控制，微操作相关了。但这8块也是复杂的很。

因为花了一个星期时间，把上面的元件挨个用万用表测了好坏，一共发现了两处有问题，主要是二极管不行。

本着替换一个二极管复检一遍的原则，换掉认为损坏的二极管，在背面补焊了二极管，正面为保留，只是剪断一只脚，这样万一鼓捣错了，也能恢复和不

但折腾了半天，发现了一个懵逼的问题，本来可以计算，一替换就啥功能都没有了。从新恢复旧管又恢复原样了，看来这个法子不行。

于是仔细看管子发现一个秘密，同一块板子，用的黑色玻璃二极管其实有好几种型号，比如2CK19,2CK16。

感觉我替换的二极管可能不匹配，但网络上查了，也没啥参数介绍，
把手头几种二极管都试了下，越试毛病越多，此路不通，就在家周围踅摸。找了修理电器的门脸，问了人家，人家说这要有老手册，才可以查到，为此在网上买了本，但发现也没有，白花了15元。
自此本着修不好，就放弃的原则，又搭上工作老出差，就放了半年多。

因心中默念此事，就时常留心，终于在某宝发现了本元件册，但他是上海无线电十三厂的，因为知道韶关虽是广东的厂，但两厂之间有些计算器是电路通用的，虽然价格是25元。就下手了，买到后，仔细一看果然赌对了。
册子内容很好，就是绑册子的绳子像鞋带，比较闹心。

里面详细介绍了各种二三极管的详细介绍，发现像2CK19，2CK16用于逻辑控制电路是有诸如反向工作电压等细微差别的，但一想不对啊，我用1N4148，性能参数都符合，为啥不行呢。

这时发现了手册最后集成电路部分注明，元件使用前应筛选测试。
结合分析磁芯电路时看到，70年代国产元件的质量可以达到，但成品率低，比如三极管β值，同一批管子有高有低，不像现在买一堆9013，全都一样。这样管子就需要分类筛选。

当时想，我换的管子肯定正常，那参数也符合，再说二极管也没啥技术要求啊。以前不导通，现在导通了，咋会还不行呢。
那会不会是因管子质量问题，以前不导通，现在导通，电流一过，原来其他电路中管子不稳定的也不行了呢。
立马花了一个晚上测量，果真，原来只有一处毛病，现在有三个了，哎，毕竟是40多年的老东西了。

当时就暂停了这种测量修复的思路，电路是动态的，这样静态测量，查一个换一个，还是不知道哪里问题，还容易引出一堆问题。

因为本人是电子小白，不懂模拟电路，就托老妈找了个教中专计算机的老师，仔细咨询后，老师告诉我，这样修是修不好的，除非你运气好，因为你替换的元件会改变电路的参数，另外电阻电容如果出问题，也不容易发现，特别是电容，直接影响触发器的状态改变。建议你把电容什么的都替换一下。（我的天啊，那上百个电容，一半参数都没有，咋换啊？）

另外这种计算器逻辑电路因为没有用编程方法，反而比CPU的控制电路还要复杂，各逻辑信号之间耦合很复杂，说了半天，就是这种机器按你目前的能力没法修，换老师我也没精力折腾。
不过老师毕竟是老师，指点还是有效的，告诉我：不如你想学电路可以自己用TLL或CMOS芯片做个计算器玩，如果用单片机、ARDUINO可以很省事就搞出来，但学不到逻辑电路精髓。回到今天来说，这个求教老师的机会在当时是改变了我，也提升了我。

问了一圈后，感觉有道理，就把修南华161的机器又放下了。
花了哩哩啦啦一年时间，自己DIY了个74LS做的计算器，并最终实现了开方，也基本明白了计算器的基本逻辑原理。

期间，也受了无数冷嘲热讽，但都忍住了，默默鼓捣。

头年年底，准备从分析电路入手，捡起南华161，开始修理机器，哎，又开始折腾了。

这次用示波器把初始脉冲电路找出来了，说白了就是找这880根接线中哪一根频率最高，一共找到了3根，经过推理排除，确定了最终的那块板子。

认认真真的抄了遍板，真是眼都累瞎了，这个计算器很多元件为了保密还都把标注都抹掉了，连蒙带猜，折腾出了完整的电路。
以初始脉冲位突破口，结合电路，把排插的进入线和输出线找出来，谁和谁是啥关系，一点一点鼓捣了出来。

因为工作比较忙，差不多一星期一块板的进度，鼓捣了疑似有问题的几块板子。

通过注入不同的信号，用逻辑分析仪动态测量了一遍。
比如二极管和三极管组成的与非门有两个入，一个出，两个入交替注入00、01、10、11，看输出是否只在11时为0，每部分都测试30秒左右。
这样折腾了一溜够，发现了四处电路肯定有问题，其中一处电路就是原先换二极管的部分，时灵时不灵，也就是不光二极管有问题，周围三极管电路也有问题。

这样的法子虽然很慢，很费劲，但有一个好处，就是不用管整个计算器电路的逻辑关系，只要每个构件——与或非门正常，那么整体也就是正常的。

三极管本来想8050就可以，但替换了，局部单独测试，ok。上机还是不行，

这时示波器就大显身手了，比如同一种类型的电路，有问题的换了三极管8050出来的波形比较圆滑，但另一处原始电路的波形比较斜。因为三极管的替换和原来的3DK2B不一样。

幸好手头有一堆三极管，挨个试验，最终确定一样的波形是A42这种管子，最终分析看来在一定频率上进入饱和区的管子特性影响很大。
在波形一致情况下，替换了A42三极管，立马进位问题就解决了，加减法全部正常了。

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当然付出的代价也是大的，画了无数的图，用了无数时间，哎。

随着加减的修复，信心越来越足。
依次又修好了小数点移位功能。

话说这些问题的元件，基本验证了一个定理：你在超市排队总是最慢的，你检查的元件有问题的总在最后，呵。

在开方电路上，因为有自己DIY计算器的经验，算法都是两两一对，在依次-1-3，在找到并修好了坏了的二极管后，也基本明白了南华161的逻辑微码（毕竟开方是加减乘除都用上了，嘿）。

再反推其他电路，基本明白了整个机器的架构。

它实际上用了一堆二三极管搭建了复杂的控制电路，4位一组进行计算，实际上等效于INTEL4004的CPU，还要复杂，只是4004，用RAMROM简化了电路，只用了2000多个晶体管就完成CPU。这里就不在赘述了。

今天，把修好的机器嘚瑟一下。

感兴趣的可观看含各种运算的视频。

看来，拥有个好表没啥，拥有个南华161摆桌上，那才最酷，当然，他今天最没用的功能就是计算，呵。

（全文完）

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