译电者 第1009章 硬件总体方案设计

卷首语

1965 年 4 月，“73 式” 可编程算法初步验证完成后，研发团队面临核心挑战：抽象的加密逻辑需依托硬件实体落地，而野战、边防、铁路调度等场景对设备的运算速度、环境适应性、通信兼容性提出差异化要求。此时，设计适配算法需求与多场景的硬件总体方案，成为连接 “算法理论” 与 “实用设备” 的关键桥梁。这场为期 1 个半月的方案设计，通过分层架构、明确组件功能与稳定连接逻辑，构建起 “运算 - 存储 - 控制 - 接口” 一体化的硬件体系，不仅支撑了后续原型机组装，更奠定了我国早期军用电子密码机的硬件设计范式。

一、硬件方案设计的背景与核心目标

可编程算法验证完成后，王工团队（硬件板块总负责）梳理出算法对硬件的核心需求：需支持 37 阶矩阵乘法（运算速度≥0.7μs / 次）、128 位动态密钥生成（随机数生成速度≥1 次 /μs）、19 组模块协同（数据交互延迟≤0.1μs），同时需适配 - 40℃至 50℃环境、10-500Hz 震动场景，硬件方案需兼顾性能与适应性。

基于场景需求与 19 项核心指标，团队明确三大设计目标：一是架构适配性，硬件架构需匹配算法模块划分（如运算单元对应矩阵模块、存储单元对应程序 / 数据区），支持组件独立升级；二是功能明确性，各组件功能边界清晰（如运算组件不负责存储、控制组件不参与加密），避免功能耦合；三是连接稳定性，组件间数据 / 控制信号传输错误率≤0.001%，确保加密流程无中断。

设计工作由王工牵头，组建 5 人专项小组：王工（整体架构设计，把控方案方向）、赵工（运算组件设计，熟悉矩阵运算硬件实现）、孙工（存储组件设计，参与磁芯存储器调研）、刘工（接口组件设计，负责通信与配置接口）、周工（控制组件设计，擅长时序同步），覆盖 “运算 - 存储 - 接口 - 控制” 全环节。

设计周期规划为 1 个半月（1965.5.1-1965.6.15），分三阶段：第一阶段（5.1-5.10）梳理算法需求与场景约束，确定架构框架；第二阶段（5.11-6.5）设计组件功能与连接方式，绘制原理图；第三阶段（6.6-6.15）开展方案评审与优化，形成最终方案，衔接原型机组装。

启动前，团队明确核心约束：硬件总成本≤3 万元（单台设备）、总功耗≤35W（边防哨所供电限额）、设备尺寸≤50cm×40cm×20cm（适配装甲车辆 / 哨所安装），这些约束成为方案设计的重要边界。

二、硬件架构的整体设计

王工团队基于 “分层解耦” 理念，设计 “四层三总线” 硬件架构，各层组件功能独立且通过总线高效连接，架构可扩展性强。

第一层：核心运算层，负责加密算法的核心运算，包含 3 个组件 —— 矩阵运算单元（支持 37 阶矩阵乘法，由 1369 个晶体管构成）、密钥生成单元（集成随机数发生器与密钥运算模块）、辅助运算单元（处理模 256 运算、异或扰动等基础运算），运算速度均≥0.7μs / 次，满足算法运算需求。

第二层：存储层，负责程序与数据存储，采用 16KB 磁芯存储器（北京有线电厂 MC-1964 型），按功能分区 —— 程序区（8KB，存储 19 组模块代码）、数据区（4KB，存储密钥与临时缓存）、备份区（4KB，存储程序备份与配置参数），存储读写速度≥0.8μs / 次，适配算法数据交互需求。

第三层：接口层，负责设备与外部的交互，包含 2 类接口 —— 通信接口（支持短波电台、有线通信，数据速率 1200-9600 波特）、本地配置接口（通过面板按键与指示灯，支持参数输入与状态查看），接口均具备抗电磁干扰设计（铜网屏蔽），适配野战通信场景。

第四层：控制层，负责硬件系统的时序同步与异常处理，包含主控单元（基于国产 TTL 逻辑芯片，生成 1MHz 主时钟）、异常检测单元（监测组件故障，触发报警或降级），控制信号传输延迟≤0.05μs，确保各层组件时序一致，5 月 10 日形成《硬件架构框架报告》，明确各层组件构成。

三、历史补充与证据：硬件架构设计档案

1965 年 5 月的《“73 式” 电子密码机硬件架构设计档案》（档案号：JY-1965-001），现存于军事通信技术档案馆，包含架构分层图、组件参数表、总线设计说明，共 32 页，由王工、赵工共同绘制，是架构设计的核心凭证。

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喜欢译电者请大家收藏：()译电者全本小说网更新速度全网最快。档案中 “架构分层图” 采用自上而下绘制：顶层标注 “控制层（主控 异常检测）”，中层为 “存储层（磁芯存储器）” 与 “接口层（通信 配置）”，底层为 “运算层（矩阵 密钥 辅助运算）”，箭头标注总线连接（数据总线、控制总线、电源总线），各层组件标注型号（如矩阵运算单元用 YX-1965 型异或芯片）。

组件参数表详细记录：“矩阵运算单元晶体管数量 1369 个（北京电子管厂 3AG1 型），运算速度 0.7μs / 次；密钥生成单元含 3AG1 晶体管噪声源，随机数生成速度 1 次 /μs；磁芯存储器容量 16KB，读写速度 0.8μs / 次；通信接口支持短波 1200 波特、有线 9600 波特”，参数与算法需求精准匹配。

总线设计说明标注：“数据总线宽度 16 位，连接运算层、存储层、接口层，传输速率 1MHz；控制总线宽度 8 位，连接控制层与其他三层，传递时序信号；电源总线分 5V（运算 / 存储）、12V（接口），独立供电避免干扰”，总线参数确保信号传输稳定。

档案末尾 “架构评审记录” 显示：5 月 10 日，内部评审确认架构覆盖算法需求，无组件功能缺失，可进入组件功能设计阶段，记录有王工、孙工签名，日期为 5 月 10 日。

四、核心组件的功能定义

赵工团队基于架构框架，详细定义各核心组件功能，确保每个组件仅负责单一核心任务，与算法模块一一对应。

矩阵运算单元：功能为执行 37 阶矩阵乘法与逆变换，接收存储层传来的矩阵参数（M1-M8）与分组向量，通过 16 位乘法器（YX-1965 型）与累加器（MJ-1965 型）完成运算，运算结果经模 256 处理后传输至数据区，支持并行处理 2 组向量，运算错误率≤0.0001%，对应算法中的 “矩阵变换模块”。

密钥生成单元：集成随机数发生器（陈工优化后的 3AG1 晶体管噪声源）与密钥运算模块，接收控制层的生成指令，结合设备编号与时间戳生成 128 位动态密钥，密钥存储至数据区保密地址（0x5000-0x507F），生成速度 1 次 /μs，对应算法中的 “密钥动态生成器”。

磁芯存储单元：功能为存储程序代码与数据，程序区（0x0000-0x1FFF）存储 19 组模块代码，数据区（0x4000-0x7FFF）存储密钥、分组向量等临时数据，备份区（0x8000-0x8FFF）存储程序备份与配置参数，支持硬件地址锁定（程序区仅读），防止代码篡改。

主控单元：功能为生成系统时序（1MHz 主时钟），控制组件间数据交互（如触发运算单元读取存储数据），接收异常检测单元的故障信号，触发降级或报警（如矩阵单元故障时切换至备用运算逻辑），时序同步误差≤0.02μs，确保各组件协同运行。

五、组件间的连接方式设计

孙工团队基于 “总线化” 理念，设计数据、控制、电源三类总线，明确组件间连接逻辑，确保信号传输稳定、无干扰。

数据总线连接：采用 16 位并行数据总线（DB0-DB15），连接运算层（矩阵、密钥单元）、存储层（磁芯存储器）、接口层（通信接口），传输速率 1MHz，数据传输时通过 “握手信号”（REQ 请求、ACK 应答）确保同步，如存储层向矩阵单元传输数据时，先发送 REQ 信号，矩阵单元准备就绪后发送 ACK，再传输数据，交互延迟≤0.08μs。

控制总线连接：采用 8 位并行控制总线（CB0-CB7），由控制层主控单元发起，连接所有组件，传递时序信号（时钟、复位）与控制指令（如 “运算启动”“密钥更新”），控制信号采用 “高电平有效”，且附加奇偶校验位（CB7），错误率≤0.0001%，避免指令误判。

电源总线连接：采用独立电源总线，运算层与存储层供电 5V（电流≤5A），接口层供电 12V（电流≤2A），控制层供电 5V（电流≤1A），各总线串联 1A 保险丝与 EMI 滤波器，防止某组件短路影响整体，电源纹波≤50mV，确保组件供电稳定。

物理连接设计：组件间采用镀金引脚连接器（北京无线电元件厂 CJ-1965 型），接触电阻≤10mΩ，避免氧化导致接触不良；电路板间采用屏蔽电缆连接（铜网编织屏蔽层），减少电磁干扰，电缆长度≤30cm，控制信号衰减≤1dB，确保传输质量。

六、历史补充与证据：组件连接设计档案

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喜欢译电者请大家收藏：()译电者全本小说网更新速度全网最快。1965 年 5 月的《“73 式” 硬件组件连接设计档案》（档案号：JY-1965-002），现存于研发团队档案库，包含总线连接图、握手时序图、连接器参数表，共 28 页，由孙工、周工共同编制，是连接设计的直接证据。

档案中 “数据总线连接图” 标注：“矩阵运算单元 DB0-DB15 引脚→连接器 CJ-1965-16P→屏蔽电缆→磁芯存储器 DB0-DB15 引脚”，旁注 “传输速率 1MHz，握手信号 REQ（DB16）、ACK（DB17）”，连接路径无分支，避免信号反射。

握手时序图用示波器波形记录：“存储层发送 REQ 高电平（t0）→矩阵单元延迟 0.02μs 发送 ACK 高电平（t1）→存储层延迟 0.01μs 发送数据（t2）→数据保持 0.05μs（t3）→ACK 低电平（t4）→REQ 低电平（t5）”，时序参数标注清晰，交互延迟 0.08μs，符合设计目标。

连接器参数表记录：“CJ-1965 型连接器引脚数 16/8/24P（对应数据 / 控制 / 电源总线），接触电阻 10mΩ，插拔寿命≥1000 次，工作温度 - 40℃至 85℃，适配野战环境插拔需求”，参数确保连接器可靠性。

档案附录 “电磁干扰测试数据” 显示：“500V/m 电磁环境下，屏蔽电缆传输的控制信号误差≤0.01V，未屏蔽电缆误差 0.15V，证明屏蔽设计有效；100 次插拔测试后，连接器接触电阻仍≤12mΩ，无明显衰减”，验证连接稳定性。

七、环境适应性的硬件设计

针对野战、边防等复杂环境，王工团队在硬件设计中融入环境适应性措施，确保设备在极端条件下稳定运行。

低温适应性设计：运算层与存储层电路板加装 1W 薄膜加热片（上海元件五厂 JR-1965 型），当温度≤-30℃时，温控开关自动启动加热，维持电路板温度≥-20℃，加热片功耗≤3W，不超出总功耗限额；磁芯存储器采用低温润滑脂（耐 - 60℃），确保低温下读写机构灵活。

震动与冲击适应性设计：组件采用铝合金外壳（厚度 2mm）固定，内部填充硅胶缓冲垫（厚度 5mm），电路板边缘加装金属护板，10-500Hz 震动测试中，组件位移量≤0.1mm，焊点无脱落；100g 冲击测试（6ms 脉冲）后，连接器无松动，硬件功能正常。

电磁兼容性设计：运算单元与接口单元电路板采用接地平面设计（接地电阻≤1Ω），减少信号串扰；整机外壳采用 1mm 厚钢板（镀锌防锈），内部衬铜网屏蔽层（屏蔽效能≥80dB），500V/m 电磁环境下，设备内部场强≤5V/m，无运算错误或数据丢失。

防潮与盐雾适应性设计：电路板涂覆三防漆（耐盐雾 72 小时），连接器采用橡胶密封圈密封，沿海边防盐雾测试（5% 盐雾浓度，35℃）72 小时后，硬件无腐蚀，功能正常，满足多场景环境需求。

八、硬件方案的兼容性与扩展性

团队考虑后续算法升级与场景拓展，在方案中融入兼容性与扩展性设计，避免硬件频繁更换。

组件兼容性设计：运算层预留 2 个扩展插槽，可新增运算单元（如后续支持更高阶矩阵）；存储层支持磁芯存储器拼接（从 16KB 扩展至 64KB），兼容北京有线电厂 MC-1964 型与上海元件五厂 MC-1965 型；接口层预留 RS-232 接口引脚，可后续扩展串口通信，兼容不同通信设备。

通信协议兼容性：通信接口支持短波电台（1200 波特）、有线通信（9600 波特），协议采用军用标准 GJB-1965-003，可与同期陆军通信设备对接，测试显示与国产 SW-1965 型短波电台通信错误率≤0.1%，兼容性达标。

扩展性设计：硬件采用模块化结构，各组件独立封装（如矩阵运算单元为独立电路板），更换时无需拆解整机，仅需插拔连接器；控制层主控单元预留 firmware 升级接口，可通过本地配置接口更新控制逻辑，支持算法参数调整（如加密轮次增加）。

6 月 5 日，团队开展兼容性测试：将存储层扩展至 32KB（2 片 16KB 磁芯存储器），运算层新增 1 个辅助运算单元，设备正常运行，加密速度提升至 160 字符 / 秒，验证扩展性设计有效，形成《硬件兼容性测试报告》。

九、方案评审与优化

6 月 6 日 - 6 月 10 日，团队组织 “硬件总体方案评审会”，邀请国防科工委专家（3 人）、算法团队（李工）、协作厂家（北京电子管厂、上海无线电二厂各 2 人）参会，重点评审架构合理性、功能适配性、环境适应性。

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喜欢译电者请大家收藏：()译电者全本小说网更新速度全网最快。评审中，专家提出 2 项优化建议：一是数据总线速率从 1MHz 提升至 1.2MHz，减少运算单元等待时间；二是接口层增加防雷击设计（串联气体放电管），适配野外雷暴环境，团队当场采纳。

优化措施实施：数据总线采用更高频率的 TTL 芯片（74LS 系列），调整时序参数，速率提升至 1.2MHz，交互延迟降至 0.06μs；接口层加装 150V 气体放电管（上海无线电二厂 GD-1965 型），雷击测试中放电管导通电流≤10A，保护接口组件，优化后总功耗仍≤35W。

优化后开展回归测试：1.2MHz 总线速率下，1000 次数据传输错误率 0，运算速度提升至 0.65μs / 次；防雷击测试（1.2kV 冲击电压）后，接口功能正常，优化效果达标，形成《硬件方案优化报告》。

6 月 15 日，优化后的硬件总体方案通过最终评审，形成《“73 式” 电子密码机硬件总体方案设计总报告》，共 186 页，包含架构图、组件原理图、连接规范、测试数据，作为原型机组装的官方依据。

十、方案设计的历史意义与后续影响

从 “73 式” 研发看，硬件总体方案是算法落地的 “实体载体”—— 通过分层架构与明确组件功能，确保 1965 年下半年原型机组装顺利推进，避免因硬件设计缺陷导致的研发延误（预计节省 2 个月时间），1968 年设备交付时，硬件故障率≤0.5%，验证方案的可靠性。

从技术创新看，方案首次实现我**用电子密码机 “分层总线架构” 设计 —— 其 “运算 - 存储 - 控制 - 接口” 分层逻辑、独立总线连接方式，突破当时苏联 “一体化硬件” 的局限，使我**用加密设备硬件设计从 “经验化” 走向 “系统化”，达到同期国际先进水平。

从产业带动看，方案推动国产电子元器件升级 —— 为满足矩阵运算单元需求，北京电子管厂改进 3AG1 晶体管开关速度（从 0.2μs 至 0.1μs）；上海无线电二厂研发高集成度 TTL 芯片（74LS 系列），间接促进我国半导体产业从 “离散元件” 向 “集成化” 转型。

从技术传承看，方案的设计理念影响深远 ——1970 年代 “84 式” 加密设备采用 “四层架构” 升级版，1980 年代《军用电子密码机硬件设计规范》中 “分层设计”“总线化连接” 等要求，均源于此次方案；其环境适应性设计（低温加热、电磁屏蔽）成为后续军用设备的标准配置。

从实战价值看，方案支撑 “73 式” 适配多场景需求 —— 野战中硬件抗震动、边防中耐低温、铁路调度中兼容有线通信，设备列装后覆盖陆军、边防、铁道兵等多军兵种，为我国 1970-1980 年代军事通信安全提供硬件保障，成为国产军用加密设备的 “标杆设计”。

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