Разработка аппаратно-программных модулей системной шины Isa

Рис. 1.7 – Схема и временные диаграммы формирователя коротких отрицательных импульсов по положительному/отрицательному перепаду напряжения на его входе

     На  рисунке 1.8 изображены схема и временная диаграмма работы формирователя импульсов по фронту и срезу входного сигнала.

Рис. 1.8 Формирователь импульсов по фронту и срезу входного сигнала

5) Задача формирования цифрового сигнала заданной частоты и скважности может быть также решена с помощью одно вибраторов (рис. 1.9). В состав серии К155 входит также микросхема К155АГ3. Временные диаграммы её работы представлены на рис. 1.10. В одном корпусе в ней содержатся два одновибратора. Варианты поключения внешних времязадающих элементов и временная диаграмма работы одновибратора изображены на рисунках. Одновибратор также запускается либо отрицательным перепадом входного сигнала на входе А при высоком уровне на входах В и R, либо положительным перепадом напряжения на входе В при низком уровне на входе А и высоком уровне на входе R. Длительность импульса t_и1 определяется постоянной времени времезадающей цепи, но может быть уменьшен за счет подачи на вход R напряжения низкого уровня при t_и2<t_и1.

 

Рис. 1.9 – Варианты формирователя импульсов с помощью одновибраторов

Рис. 1.10 – Временная диаграмма работы схемы К155АГ3

6) Генераторы цифровых сигналов можно также построить, используя специализированную БИС. Однако, большинство задач такого рода можно решить на стандартных элементах, не используя микроконтроллер [6,8].

 

         1.2 Системная шина ISA

         1.2.1 Характеристики системной шины

Особенности системной шины ISA

     ISA (от англ. Industry Standard Architecture, ISA bus, произносится  как ай-сэй) — 8-ми или 16-ти  разрядная шина ввода/вывода IBM PC-совместимых  компьютеров. Служит для подключения  плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате.

     С появлением материнских плат формата ATX шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах, хотя встречаются ATX-платы  с AGP 4x, 6 PCI и одним (или двумя) портами ISA. Но пока её ещё можно встретить в старых AT-компьютерах, а также в промышленных компьютерах.

     ISA использовалась в первом компьютере IBM PC в 1981 году, а в 1984 году – в расширенном 16-разрядном варианте в компьютерах IBM PC/AT. В настоящее время шина ISA уступила своё место в персональных компьютерах шине PCI и её графическому расширению AGP. Более того, уже на смену AGP приходит достаточно перспективная шина PCI-Express. Однако в промышленных и встраиваемых высокопроизводительных компьютерах такая «древняя» шина ISA (наряду с EISA) является основной. Причины этому следующие:

• высокая надёжность, широкие возможности, совместимость; эта шина работает быстрее большинства подклбчаемых к ней периферийных устройств.
• наибольшее количество систем из-за невысокой цены;
• огромное разнообразие приложений;
• скорость передачи до 2 Мбит/c;
• хорошая помехоустойчивость;
• большое количество совместимого оборудования и программного обеспечения (благодаря ней компоненты различных фирм-изготовителей являются взаимозаменяемыми).

     Существует  два варианта шины ISA, различающиеся количеством разрядов данных: 8-разрядная версия (старая) и 16-разрядная (новая). Старая версия работала на тактовой частоте 4,77МГц в компьютерах классов PC и XT. Новая версия использовалась в компьютерах класса AT на тактовой частоте 6 и 8МГц. Позже было достигнуто соглашение о стандартной максимальной тактовой частоте 8,33МГц для обеих версий шин, что обеспечило их совместимость. В некоторых системах допускается использование шин при работе с большой частотой, но не все платы адаптеров выдерживают такую скорость. Для передачи данных по шине требуется от 2 до 8 тактов. Можно определить максимальную скорость передачи данных по шине ISA (она составляет 8Мбайт/с):

     

     Полоса  пропускания 8-разрядной шины в 2 раза меньше (4 Мбайт/с). Данные значения пропускной способности носят теоретический характер. На практике она оказывается примерно в 2 раза меньше, чем теоретическая, однако это не мешает шине ISA работать быстрее большинства подключаемых к ней периферийных устройств.

     Отличительные черты шины ISA:

     1. Характерное отличие ISA состоит в том, что тактовый сигнал не совпадает с тактовым сигналом процессора, поэтому и скорость обмена по ней непропорциональная тактовой частоте процессора.

 

     

     2. Шина ISA относится к демультиплексированным (т.е. имеюшим раздельные шины адреса и данных) 16-разрядным системным магистралям среднего быстродействия. Обмен осуществляется 8- или 16-разрядными данными.

     3. На магистрали организован раздельный доступ к памяти компьютера и к устройствам ввода/вывода (для этого имеются специальные сигналы).

     4. Максимальный объём адресуемой памяти составляет 17 Мбайт (24 адресные линий).

     5. Максимальное адресное пространство  для устройств ввода/вывода –  64 Кбайта (16 адресных линий), хотя практически все выпускаемые платы расширения используют только 10 адресных линий (1 Кбайт).

     6. Магистраль подерживает регенерацию  динамической памяти, радиальные  прерывания и прямой доступ  к памяти.

     7. Допускается захват магистрали  внешними устройствами.

     8. Положительная логика на шинах  адреса и данных, т.е. единице  соответствует высокий уровень  напряжения, а нулю – низкий. 4 напряженияя питания: +5В, -5В, +12В и  -12В.

     9. Диапазон доступных адресов памяти  ограничен областью UMA (Unified Memory Architecture - унифицированная архитектура памяти. Диапазон адресов ввода-вывода сверху ограничен количеством используемых для дешифрации бит адреса, нижняя граница ограничена областью адресов 0-FFh, зарезервированных под устройства систнемной платы. В PC была принята 10-битная адресация ввода-вывода, при которой линии адреса A[15:10] устройствами игнорировались. Таким образом, диапазон адресов устройств шины ISA ограничивается областью 100h-3FFh, то есть всего 758 адресов 8-битных регистров. На некоторые области этих адресов претендуют и системные устройства. Впоследствии стали применять и 12-битную адресацию (диапазон 100h-FFFh), но при ее использовании всегда необходимо учитывать возможность присутствия на шине и старых 10-битных адаптеров, которые “отзовутся” на адрес с подходящими ему битами A[9:0] во всей допустимой области четыре раза. В распоряжении абонентов шины ISA-8 может быть до 6 линий запросов прерываний IRQ (Interrupt Request), для ISA-16 их число достигает 11. Абоненты шины могут использовать до трех 8-битных каналов ПДП, а на 16-битной шине могут быть доступными еще три 16-битных канала.

     Наиболее  распространённое конструктивное исполнение магистрали – разъёмы (слоты), установленные  на материнской плате компьютера, все одноимённые контакты которых соединены между собой, т.е. все разъёмы абсолютно равноправны. Особенностью конструктивного решения магистрали является то, что платы расширения (дочерние платы), подключаемые к её разъёмам, могут иметь самые различные размеры (длина платы ограничена снизу размером разъёма, а сверху – длиной корпуса компьютера).

     8-разрядная  шина ISA

     Эта шина использовалась в первом IBM PC, в  новых системах она практически не применяется. В разъём вставляется плата адаптера с 62 позолоченными печатными контактами. На разъём выделено 8 линий данных и 20 линий адреса, что позволяет адресовать до 1 Мб памяти. Плата адаптера для 8-разрядной шины ISA имеет следующие размеры: высота – 4,2″ (106,68 мм), длина – 13,13″ (333,3 мм), толщина – 0,5″ (12,7 мм). Назначение контактов и разъём 8-разрядной шины ISA приведены на рис. 1.11.

 

     

Рис. 1.11 - Назначение контактов и разъём 8-разрядной шины ISA

     На  контакт B8 должен подаваться сигнал выбора платы –CARD SLCTD. Дело в том, что в компьютерах класса XT и портативных компьютерах класса PC в 8 слот (ближайший к истоичнику питания) можно было вставлять далеко не все платы. Например, туда можно было вставить плату клавиатуры/таймера от модели 3270 PC. К данным платам для этого слота устанавливаются другие требования по синхронизации , обеспечиваемые специальным синхронизирущим сигналом.

16-разрядная  шина ISA

     Появилась в компьютерах PC/AT со сдвоенными разъёмами  расширения. 8-разрядную плату можно  вставлять в основную часть 16-разрядного разъёма. Появилось 2 особенности, благодаря которым вставить плату в разъём наоборот невозможно:

     ключ  – вырез в плате адаптера, который  при её установке совпадает или  не совпадает с выступом на разъёме.

     разная  длина двух частей разъёма шины.

     Дополнительные  контакты, появляющиеся в связи с увеличением разрядности шины, подведены к 36 контактам второй части разъёма. Один или два контакта в основной части имеют другое назначение.

     В некоторых старых адаптерах часть  нижней кромки, свободной от печатных контактов, выступает вниз и используется для установки элементов или разводки

 

      проводников. После установки такого адаптера в разъём эта кромка практически  касается поверхности системной  платы. Если на этом участке системной  платы находится продолжение  разъёма шины, то вставить адаптер  невозможно. Для таких плат имеется  два разъёма без 16-разрядного расширения.

     Обычная плата адаптера класса AT имеет следующие  размеры: высота – 4,8″ (121,92 мм), длина  – 13,13″ (333,3 мм), толщина – 0,5″ (12,7 мм). Назначение контактов и разъём 16-разрядной шины ISA приведены на рис. 1.12.

     

Рис. 1.12 - Выводы контактов 16-разрядной шины ISA

 

Состав  и назначение линий  шины ISA

     Все линии шины ISA можно разбить на шесть групп:

1. линии обмена данными;
2. адресные линии;
3. линии управления;
4. линии прямого доступа к памяти;
5. линии обслуживания прерываний;
6. линии питания и вспомогательные линии.

     Обозначение и назначение линий следующее.

     1) AEN - Address Enable (Разрешение адреса) - используется  в режиме ПДП для сообщения  всем платам расширения, что производится  цикл ПДП. Устанавливается и  снимается параллельно с адресом.

     2) BALE - Address Latch Enable Buffered (Строб буферизации адреса). Сигнал стробирования адресных разрядов. Установка высокого уровня говорит о начале цикла шины и начале выдачи на адресные линии действительного (но еще не установившегося) адреса. Падающий фронт сигнала указывает, что адрес установлен, и используется для запоминания (“защелкивания”) состояния линий SAOO...SA19 и LA17...LA23 в модулях памяти. Тип выходного каскада ТТЛ.

     3) I/O CH RDY (I/O Channel Ready - готовность канала ввода вывода). Этот сигнал, обычно высокий, переводится в низкое состояние памятью или внешним устройством для продления цикла обращения. Любое медленное устройство, используя этот сигнал, должно держать его в низком состоянии до тех пор, пока оно не проведет операцию распознавания адреса и не выполнит команду чтения или записи. Цикл обмена в ответ на снятие сигнала продлевается на целое число тактов сигнала SYSCLK. Линия не должна находиться в низком уровне более чем 15 мкс и должна управляться устройством с открытым коллектором.

     4) -DACК0...-DACK7. (DMA request ACKnowledge - Подтверждение запроса ПДП). Сигнал подтверждения предоставления прямого доступа. Сигнал генерируется контроллером прямого доступа к  памяти. Тип выходного каскада ТТЛ.

     5) DRQ0...DRQ7. (DMA ReQuest - Запрос ПДП). Сигналы запросов прямого доступа к памяти. Сигнал генерируется устройством ввода-вывода. Запрос воспринимается контроллером ПДП и при одиночных обменах сбрасывается с приходом соответствующего сигнала DACK_i.

     6) -I/O CH CK. (I/O Channel Check - Ошибка ввода-вывода). Сигнал вырабатывается любым исполнителем - устройством ввода-вывода или памятью для информирования задатчика об ошибке, например об ошибке по паритету в модуле памяти. Тип выходного каскада - открытый коллектор.