Analyse der Apollo-Navigationscomputer hinsichtlich ihrer Softwarequalität und Robustheit ...

151 Pages·2016·9.43 MB·German

Analyse der Apollo-Navigationscomputer hinsichtlich ihrer
Softwarequalität und Robustheit
Diplomarbeit
MatthiasSeidel
Matr.-Nr.730716
UniversitätPotsdam
15.Juni2016
ErsterGutachter ZweiterGutachter
Prof.Dr.GerritKalkbrenner Prof.Dr.HorstZuse

Selbstständigkeitserklärung
Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig angefertigt, nicht anderweitig zu
Prüfungszwecken vorgelegt und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe. Sämtliche
wissentlich verwendeten Textausschnitte, Zitate oder Inhalte anderer Verfasser wurden ausdrücklich als solche
gekennzeichnet.
Berlin,15.Juni2016
MatthiasSeidel

Danksagung
MeinDankgebührtmeinenBetreuern,diemichstetstatkräftigunterstützthaben:HerrnProf.Dr.HorstZuseund
HerrnProf.Dr.GerritKalkbrenner.
Mein Interesse am Apollo-Programm geht bis in meine Kindheit zurück. Durch ein Seminar bei Herrn Prof.
ZusewurdeichauchaufdenAspektderComputerdesApollo-Programmsaufmerksam.HerrProf.Zusewarstets
fürmichdaundhatmirbeiderBeantwortungzahlreicherFragenaußerordentlichweitergeholfen.Ebensohatmich
Herr Prof. Kalkbrenner in meinem Vorhaben stets mit großem Engagement unterstützt und mir eine Vielzahl an
thematischenRatschlägengegeben.
NichtzuletztgebührtmeinDankmeinerKommilitoninSuzanne,diemirinzahlreichenfruchtbarenDiskussio-
nenwertvolleAnregungengebenkonnte.
Zusammenfassung
Diese Arbeit untersucht die Navigationscomputer des Apollo-Programms, im Besonderen den Apollo Guidance
Computer.Dieserwirdsowohlhardware-alsauchsoftwareseitigbeschriebenundanhandveröffentlichterDoku-
mentederNASA,desMITundweitereranderEntwicklungbeteiligterInstitutionen,sowieeigenerAnalysenauf
seineFähigkeitenundRobustheithinanalysiert.DieGefahrenfürComputerinderbemanntenRaumfahrtwerden
beschriebenunddieBesonderheiten,diesichdarausergeben,werdenerörtert.DarüberhinauswerdendieBeson-
derheitenvonBenutzerschnittstelleninderbemanntenRaumfahrtanhanddesBeispielsdesBenutzerinterfacesdes
Apollo Guidance Computers dargestellt. Um diese umfangreiche Thematik adäquat erörtern zu können, wird in
dieserArbeiteinvielschichtigerAnsatzverfolgt:SowohleineVielzahlverfügbarerhistorischerDokumentewer-
denfürdieUntersuchungherangezogenalsauchAnalysenmiteigenszudiesemZweckerstelltenProgrammenund
mitMethodenderSoftware-Analytik.Dadurchwirdgezeigt,wiedieEntwicklungdesApolloGuidanceComputers
spätereVerfahrenzurzuverlässigenErstellungvonHard-undSoftwarefürdiebemannteRaumfahrtbeeinflussthat.
DementsprechendwerdenauchheutigeComputerderbemanntenRaumfahrtbeschrieben.DaderApolloGuidance
ComputerkeinisoliertarbeitendesSystemwar,werdenaucheinzelneComputerderBodenstationvorgestellt.Der
inden1960er-JahrenstattfindendeParadigmenwechselimComputerbereichhinzuTime-Sharing-Systemenwird
ebenfalls behandelt, da dieser sich auf die Navigationscomputer des Apollo-Programms auswirkte. Am Beispiel
vonFly-By-Wire-SystemenwirdschließlicheindirektesResultatderEntwicklungdesApolloGuidanceCompu-
tersdargestelltundeinAusblickaufdiemöglicheweitereEntwicklunggegeben.
Inhaltsverzeichnis
Seite
1 Einleitung ............................................................................... 11
1.1 Themen............................................................................. 12
1.1.1 Thesen........................................................................ 12
1.2 Methoden........................................................................... 12
1.2.1 HistorischeDokumente.......................................................... 13
1.2.2 Berichte....................................................................... 13
1.2.3 Analysen...................................................................... 14
1.2.4 AnfragenanBeteiligte .......................................................... 14
2 GeschichtederComputerentwicklung ........................................................ 15
2.1 IBM ............................................................................... 15
2.1.1 IBM360 ...................................................................... 15
2.2 Betriebssysteme...................................................................... 17
2.3 Mensch-Maschine-Schnittstellen........................................................ 19
2.4 NASA.............................................................................. 19
2.5 MöglicheVerknüpfungen.............................................................. 19
3 DieAnfängedesApollo-Programms ......................................................... 21
3.1 DasMercury-Programm............................................................... 21
3.1.1 JohnF.KennedyundderBeginnvonApollo ........................................ 22
3.2 DasGemini-Programm................................................................ 23
3.3 DasApollo-Programm ................................................................ 23
4 Navigationsberechnungen .................................................................. 25
5 DieComputerdesApollo-Programms-Übersicht .............................................. 26
5.1 Planung............................................................................. 27
5.2 Durchführung ....................................................................... 27
6 RTCC ................................................................................... 29
7 AGC .................................................................................... 31
7.1 DieEntwicklungdesApolloGuidanceComputers......................................... 33
7.2 Funktionsüberblick ................................................................... 38
7.3 Speicher ............................................................................ 39
7.4 Register ............................................................................ 40
7.5 Software............................................................................ 41
7.6 DisplayandKeyboard(DSKY)......................................................... 42
7.7 BetriebssystemExecutive.............................................................. 44
7.8 AbortGuidanceSystem ............................................................... 45
8 LVDC................................................................................... 47
8.1 SaturnV............................................................................ 47
8.2 InstrumentUnit ...................................................................... 49
8.3 DieTechnikdesLVDC................................................................ 50
9 NavigationsnetzwerkedesApollo-Programms ................................................. 52
9.1 MSFN.............................................................................. 52
9.2 DSN ............................................................................... 53
9.3 CCATS............................................................................. 55
10 ZuverlässigkeitderApollo-Computer ........................................................ 57
10.1 DerVan-Allen-Strahlungsgürtel ........................................................ 57
11 AnalysenderSoftwaredesAGC............................................................. 61
11.1 Vergleichsmöglichkeiten .............................................................. 62
11.2 AGC-Quellcode...................................................................... 63
11.3 ProgrammeundRoutinenimAGC-Quellcode ............................................ 64
11.4 DieSprachedesAGC-Quellcodes....................................................... 65
11.4.1YUL-Assembler................................................................ 66
11.4.2Interpreter..................................................................... 66
11.5 Software-Messverfahren............................................................... 67
11.5.1KomplexitätnachHalstead....................................................... 68
11.5.2ZyklomatischeKomplexitätnachMcCabe .......................................... 69
11.5.3Verständlichkeit ................................................................ 69
11.5.4Sprungweiten .................................................................. 70
11.5.5GeeigneteCode-MetrikenfürdenAGC-Code ....................................... 70
11.6 WerkzeugezurAnwendungvonSoftware-Metriken........................................ 70
11.6.1Quantitätsanalysen.............................................................. 70
11.6.2Häufigkeitsanalysen............................................................. 71
11.6.3Komplexitätsanalysen ........................................................... 71
11.6.4Qualitätsanalysen............................................................... 74
11.7 DurchführungderAnalysen............................................................ 75
11.8 ErgebnissederAnalysen .............................................................. 77
11.8.1Quantität...................................................................... 77
11.8.2Häufigkeit..................................................................... 78
11.8.3Funktionsgrößen ............................................................... 82
11.8.4Metrik-BerechnungennachHalstead............................................... 82
11.8.5Metrik-BerechnungennachMcCabe............................................... 84
11.8.6Sprungweiten .................................................................. 87
11.8.7QualitätsanalysenderAGC-Software .............................................. 88
11.9 Programmumfang.................................................................... 92
11.10Versionsvergleich.................................................................... 94
11.11DerLinux-Kernel.................................................................... 94
11.11.1Quantität..................................................................... 94
11.11.2Komplexität .................................................................. 96
11.11.3Funktionsgrößen .............................................................. 100
11.12 SchlussfolgerungenausdenAnalysen .................................................. 100
12 AblaufderMondlandungen................................................................. 101
12.1 Apollo11 ........................................................................... 101
12.2 Apollo13 ........................................................................... 102
13 DasErbedesApollo-Programms ............................................................ 102
13.1 Fly-by-Wire ......................................................................... 102
13.2 Deep-SubmergenceRescueVehicle ..................................................... 103
13.3 EingebetteteSysteme ................................................................. 103
14 TechnikaktuellerNASA-Missionen.......................................................... 104
15 Zusammenfassung ........................................................................ 107
16 Anhang.................................................................................. 109
16.1 ListederSterneimAGC .............................................................. 109
16.2 WichtigeVerbsundNouns............................................................. 110
16.3 BefehlssatzdesAGC ................................................................. 110
16.4 ListederProgrammeinColossus ....................................................... 111
16.5 ListederProgrammeinLuminary....................................................... 113
16.6 Abkürzungen ........................................................................ 116
16.7 Halstead-Analyseprogramm............................................................ 117
16.8 McCabe_AGC....................................................................... 125
16.9 McCabe_Assembler .................................................................. 129
16.10Perl-SkriptzurUmwandlungdesAGC-CodesinanalysierbarenC-Code ...................... 135
16.11Perl-SkriptzurRückübersetzung ....................................................... 137
16.12Sed-SkriptzurErmittlungvonInterpreter-Befehlen/Argumenten ............................ 139
17 Abbildungsverzeichnis..................................................................... 141
Literatur .................................................................................... 143