Magistrala ISA

Magistrala rozszerzeń

Architektura otwarta jest pojęciem kluczowym zarówno
dla użytkowników komputerów, jak i wytwórców sprzętu.

Rozwiązaniem sprzętowym jest magistrala zewnętrzna,
zwana również magistralą rozszerzającą.

System wspólnych linii sygnałowych umożliwia takie
połączenie współpracujących elementów, by każdy z nich
mógł komunikować się ze wszystkimi pozostałymi.

Każdy nowy element sprzęgany jest z liniami magistrali za
pomocą gniazd rozszerzenia, tak więc dowolny układ
elektroniczny dołączony do takiego gniazda uzyskuje
możliwość porozumiewania się ze wszystkimi elementami
PC wykorzystującymi magistralę.

W ten sposób za pośrednictwem gniazd magistrali
zewnętrznej można uzupełnić swój system o dowolny
zestaw urządzeń zamontowanych na kartach
rozszerzających.

PC wyposażono w system złącz rozszerzających ogólnego
przeznaczenia, których użytkowników nie określono z góry.
W zamian za to zdefiniowano przeznaczenie poszczególnych
wyprowadzeń złącz i rodzaje przesyłanych nimi sygnałów.

Magistrala we/wy jest rozwiązaniem sprzętowym wewnątrz
komputera, która łączy jednostkę centralną koprocesor
oraz banki pamięci ze sterownikami każdego urządzenia
peryferyjnego.

Magistrala podzielona jest na dwa kanały: szynę adresowa
oraz szynę danych.

Porównanie szybkości szyny we/wy z resztą systemu

Magistrala we/wy jest stosunkowo wolna w porównaniu do
głównej pamięci komputera oraz do jednostki centralnej.

Ze względu na to, że większość danych musi przejść przez
szynę we/wy, szyna ta może stać się wąskim gardłem
systemu.

Magistrala AT powstała w celu rozszerzenia podstawowych
możliwości PC.

ISA jest 16-bitową magistralą, posiada 24 linie adresowe, co
narzuca limit adresacji do 16MB pamięci RAM.

Magistrala ISA pozwala również na realizację do 15
przerwań sprzętowych i obsługi 7 kanałów DMA.

Chociaż magistrala AT taktowana jest przy 16MHz, jednak
standardowa częstotliwość to 8MHz, co stanowi ułamek
częstotliwości taktowania mikroprocesora.

Architektura ISA

Magistrala standardu ISA wykorzystuje złącze o 98 stykach i
pozwala na równoległą transmisję 16 bitów informacji.
Złącze magistrali ma postać 2 rzędów styków
umieszczonych po przeciwnych stronach płytki drukowanej.

Magistrala adresowa PC posiada 20 linii, co umożliwia mu
zaadresowanie 1MB. Rozszerzone złącze w modelu AT
udostępnia 7 nowych linii, z których 4 są liniami
adresowymi: można zaadresować do 16 MB pamięci.

Jak radzą sobie z dostępem do pamięci komputery
wyposażone np. w 64MB pamięci? Rozwiązaniem tego
problemu jest tzw. stronicowanie. Problem ten
dotyczy tylko komputerów, w których pamięć znajduje się
częściowo na kartach rozszerzających. Pamięć operacyjna
zainstalowana na płycie głównej nie jest obsługiwana przez
magistralę zewnętrzną.

Rys.1. Wygląd złącza
karty rozszerzającej
standardu ISA

Rys.2. Gniazdo 8-bitowej
magistrali zewnętrznej
PC/XT

Architektura MCA

Gniazdo 32-bitowej odmiany magistrali MCA ma 94 pary
styków, co daje razem 196 linii. Magistralę taką możemy
potraktować jako magistralę 16-bitową uzupełnioną o
dodatkowe linie.

Posiada ona 32 linie adresowe, co odpowiada zdolności
zaadresowania 4GB pamięci. Liczba linii danych również
wynosi 32, co pozwala na przesłanie do 32 bitów, czyli 4
bajtów.

Magistrala MCA jest krokiem naprzód w stosunku do
starszej magistrali ISA. Urządzenia współpracujące z
magistralą MCA generują znacznie mniej zakłóceń
elektrycznych niż karty standardu ISA.

Kolejna cechą magistrali MCA jest wydzielenie specjalnej
klasy urządzeń zwanych nadrzędnymi lub aktywnymi
(master).

Ważną cechą MCA jest możliwość zablokowania dowolnej
karty rozszerzającej poleceniem z zewnątrz.

Największą nowością zastosowana w MCA było
przekroczenie poziomów osiągów limitowanych przez
konkretny mikroprocesor nadrzędny.

Początkowa maksymalna szybkość transferu 20MB/s
została później podwyższona do 40 i 80 MB/s – w tych
wyższych szybkościach wymagana jest specjalizowana
karta.

Architektura EISA

Decyzja o opracowaniu magistrali EISA miała podłoże
ekonomiczne, nie zaś techniczne.

Podstawową zaletą magistrali EISA jest fakt, że umożliwia
ona instalowanie w nowych komputerach kart
rozszerzających odziedziczonych po starych PC/XT i AT –
czego rozwiązanie magistrali MCA nie dopuszcza.

EISA zapewniała wsteczną zgodność z ISA i poszerzała tę
starą magistralę do pełnych 32-bitowych możliwości i
wartości transferu do 33MB/s.

Porównanie standardów interfejsów szyny:
ISA, EISA oraz MCA

Szyna ISA

Była stosowana w komputerach IBM XT, a następnie
została rozszerzona dla klasy AT. Może posiadać 8- lub 16-
bitową ścieżkę danych. W komputerach AT pracuje
zazwyczaj z szybkością 8MHz. Zazwyczaj jest to jednak
szybkość o wielkości 1MB/s.

EISA oraz MCA

Projektanci komputerów zniwelowali wąskie gardło
systemu, związane z szyną we/wy, rozszerzając szynę z
wersji 16- na 32-bitową.

Magistrala EISA rozszerza standard magistrali ISA, w
odróżnieniu od niej posiada ona 32-bitową ścieżkę
danych. Jest ona zgodna ze standardem ISA. Nie można
jednak wykorzystać jej pełnej szybkości przesyłania, jeśli
nie zastosujemy kart rozszerzenia EISA.

Szyna MCA również jest szyną 32-bitową. Nie jest ona
zgodna ze standardem ISA.

Sterowanie szyną

Sterowanie magistralą jest jeszcze jedną cechą odróżniającą
szynę EISA oraz MCA od ISA. Sterownik szyny jest kartą,
która funkcjonuje w oparciu o własny chip. Ma więc
wystarczający stopień inteligencji by pracować niezależnie
od jednostki centralnej.

Sterownik szyny wykonuje swoje zadania, gdy jednostka
centralna zajęta jest wykonywaniem innych zadań.

W przypadku szyny ISA lub AT można zainstalować tylko
jeden sterownik.

Szyny EISA oraz MCA wspomagają wiele sterowników i
proces instalacji jest znacznie prostszy.

Najwęższym gardłem architektury AT pozostaje magistrala
zewnętrzna. Decydują o tym dwa główne czynniki: jej
szerokość i szybkość pracy.

Tak się nieszczęśliwie składa, że układy peryferyjne
najintensywniej wymieniające dane z pamięcią montowane
są na kartach rozszerzających.

Drugim hamulcem jest częstotliwość taktowania magistrali
zewnętrznej.

Magistrala PCI

PCI jest 32-bitową (do 64 bitów) magistralą, ze wspólnymi
przełączanymi liniami adresu i danych, synchronizowaną
przebiegiem zegarowym do 33MHz (do 66MHz). W
protokole transmisji danych wykorzystano mechanizm
przesyłania seryjnego.

Przy częstotliwości zegara 33MHz magistralą PCI można
transmitować 32-bitowe dane z szybkością do 132MB/s.
64-bitowe rozszerzenie pozwala podwoić przepustowość
magistrali.

Magistrala PCI pracuje w trybie burst, oznacza to dostęp
do adresowanego obiektu w jednym takcie zegarowym.

Do magistrali mogą być podłączone dwa rodzaje urządzeń:
inicjatory przejmujące kontrolę nad magistralą oraz slave
transmitujące dane. Komunikacja może przebiegać między
dwoma inicjatorami albo między inicjatorem a slave’em.

Rys.3. Architektura komputera z
magistralą PCI

Przerwania

Magistrala PCI posiada tylko 4 kanały przerwań, lecz każdy
kanał może być dzielony przez kilka urządzeń.

Kiedy nadejdzie zgłoszenie przerwania sprzętowego od
jednego lub kilku urządzeń dzielących ten sam kanał,
wykonywane są procedury obsługi zgodnie z założonymi
priorytetami.

Podsumowanie

W czasie wymiany danych przez magistralę PCI do
magistrali podłączone są dwa urządzenia: inicjator
połączenia – master i urządzenie docelowe – slave.

Teoretycznie PCI może pracować z zegarem 66MHz. Przesył
danych dzieli się na dwie fazy: adresowania i danych.

Cechy PCI: urządzenia na magistrali są niezależne od
procesora, dzięki czemu obciążenie PCU jest znikome. PCI
może obsłużyć do 256 urządzeń, magistrala może zmieniać
szerokość – 32 lub 64 bity, przy zegarze 33MHz czas dostępu
jest rzędu 60ns.