Описание протоколов обмена данными по шине ISA.

Особенности шины ISA.

 

Магистраль ISA была разработана специально для персональных компьютеров типа IBM PC AT (начиная с процессора i80286) и является фактическим стандартом для всех изготовителей этих компьютеров. В то же время отсутствие официального международного статуса магистрали ISA (она не утверждена в качестве стандарта ни одним международным комитетом по стандартизации) приводит к тому, что многие производители допускают некоторые, порой существенные отклонения от фирменного стандарта.

ISA явилась расширением магистрали компьютеров IBM PC и IBM PC XT. В ней было увеличено количество разрядов адреса и данных, увеличено число линий аппаратных прерываний и каналов ПДП, а также повышена тактовая частота. К 62-контактному разъему прежней магистрали был добавлен 36-контактный новый разъем. Тем не менее совместимость была сохранена, и платы, предназначенные для IBM РС ХТ, годятся и для IBM PC AT. Характерное отличие ISA состоит в том, что ее тактовый сигнал не совпадает с тактовым сигналом процессора, как это было в XT, поэтому скорость обмена по ней не пропорциональна тактовой частоте процессора.

Магистраль ISA относится к демультиплексированным (то есть имеющим раздельные шины адреса и данных) 16-разрядным системным магистралям среднего быстродействия. Обмен осуществляется 8- или 16-разрядными данными. На магистрали реализован раздельный доступ к памяти компьютера и к устройствам ввода/вывода (для этого имеются специальные сигналы). Максимальный объем адресуемой памяти составляет 16 Мбайт (24 адресные линии). 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). Магистраль поддерживает регенерацию динамической памяти, радиальные прерывания и прямой доступ к памяти. Допускается также захват магистрали.

Наиболее распространенное конструктивное исполнение магистрали — разъемы (слоты), установленные на материнской плате компьютера, все одноименные контакты которых соединены между собой, то есть все разъемы абсолютно равноправны.

Особенностью конструктивного решения магистрали является то, что платы расширения (дочерние платы), подключаемые к ее разъемам, могут иметь самые различные размеры (длина платы ограничена снизу размером разъема, а сверху — длиной корпуса компьютера). Платы расширения имеют интерфейсные разъемы магистрали, выполненные печатными проводниками.

В магистрали ISA используется положительная логика на шинах адреса и данных, то есть единице соответству­ет высокий уровень напряжения, а нулю — низкий). На магистрали присутствуют четыре напряжения питания: +5 В, -5 В, +12 В и -12 В, которые могут использоваться платами расширения.

 

Сигналы шины ISA.

 

Назначение сигналов магистрали ISA и их особенности.

SA0...SA19 — фиксируемые адресные разряды (они действи­тельны в течение всего цикла обмена). Используются для передачи 20 младших разрядов адреса памяти и для адресов устройств ввода/вывода. При обращении к устройствам ввода/вывода действительны только сигналы SA0...SA15 (но практически все платы расширения работают только с SA0...SA9). Распределение адресов устройств ввода/вывода представлено в таблице 3.2, а распределение адресов памяти — в таблице 3.3. Легко заметить, что значительная часть этих адресов занята стандартными устройствами компьютера. При регенерации памяти действительны только сигналы SA0...SA7, состояния старших разрядов не определены. Логика всех сигналов SA0...SA19 — положительная. В режиме MASTER эти сигналы вырабатывает устройство, захватившее магистраль. Тип выходных каскадов — три состояния.

LA17...LA23 — нефиксируемые адресные разряды. Используются для адресации памяти и выработки сигнала -MEM CS 16. Действительны только в начале цикла обмена. Исполнитель должен фиксировать их по отрицательному фронту сигнала BALE. При обращении к устройствам ввода/вывода эти сигналы имеют уровень логического нуля. Логика положительная. Тип выходного каскада - три состояния. Для фиксации необходимо использовать регистр типа "защелка" (с записью по уровню), стробируемый сигналом BALE (например, КР1533ИРЗЗ, К555ИР22). При прямом доступе к памяти эти сигналы действительны в течение всего цикла обмена, как и SA0...SA19. В режиме MASTER эти сигналы вырабатывает устройство, захватившее магистраль. Тип выходных каскадов — три состояния.

BALE (Bus Address Latch Enable — разрешение защелкивания адреса) — сигнал стробирования адресных разрядов. Его отрицательный фронт соответствует действительности адреса на линиях SA0...SA19 и LA17...LA23. Может использоваться устройствами ввода/вывода для заблаговременной подготовки к предстоящему обмену информацией (применяется редко). Тип выходного каскада — ТТЛ.

-SBHE и SA0 при программном обмене (L - младший байт, Н — старший байт, УВВ — устройство ввода/вывода).

-SBHE (System Bus High Enable - разрешение старшего байта) - определяет тип цикла передачи данных (8- или 16-разряд-ный). Вырабатывается параллельно с сигналами SA0...SA19 и может рассматриваться как дополнительный разряд адреса. Становится активным при передаче старшего байта или 16-разрядного слова (определяется сигналом SA0), пассивен при передаче младшего байта. В режиме MASTER источником этого сигнала является устройство, которое захватило магистраль. Тип выходного каскада — три состояния.

SD0...SD15 — разряды данных. По линиям SD0...SD7 передается младший байт, по линиям SD8...SD15 — старший байт. Обмен данными с 8-разрядными платами расширения осуществляется по линиям SD0...SD7. Устройство может активизировать шину данных, если к нему идет обращение с циклом чтения или если оно захватило магистраль (в режиме MASTER). Логика сигналов положительная. Тип выходных каскадов — три состояния.

-SMEMR, -MEMR (Memoly Read — чтение памяти) — стробы чтения данных из памяти. Память должна выставлять данные при активизации этих сигналов. Сигнал -SMEMR вырабатывается только при обращении к адресам, не превышающим FFFFF (в пределах 1 Мбайта), сигнал -MEMR — при обращении ко всем адресам. В режиме MASTER эти сигналы вырабатывает устройство, захватившее магистраль. Тип выходных каскадов — три состояния.

-SMEMW, -MEMW (Memory Write — запись памяти) — стробы записи данных в память. Память должна принимать данные по положительному (заднему) фронту этих сигналов. Сигнал -SMEMW вырабатывается только при обращении к адресам, не превышающим FFFFF (в пределах 1 Мбайта), сигнал -MEMW — при обращении ко всем адресам. В режиме MASTER эти сигналы вырабатывает устройство, захватившее магистраль. Тип выходных каскадов — три состояния.

-IOR (I/O Read) — строб чтения данных из устройств ввода/вывода. Устройство ввода/вывода должно выставлять свои данные при активизации сигнала -IOR и снимать их при снятии -IOR. В режиме MASTER этот сигнал вырабатывает устройство, захватившее магистраль. Тип выходного каскада — три состояния.

-IOW (I/O Write) — строб записи данных в устройства ввода/вывода. Устройство ввода/вывода должно принимать данные по положительному (заднему) фронту сигнала -IOW. В режиме MASTER этот сигнал вырабатывает устройство, захватившее магистраль. Тип выходного каскада — три состояния.

-MEM CS16 (Memory Cycle Select — выбор цикла дня памяти) — сигнал выставляется памятью для сообщения задатчику о том, что она имеет 16-разрядную организацию. При отсутствии этого сигнала выполняется 8-разрядный обмен. Сигнал вырабатывается при распознавании памятью своего адреса на линиях LA17...LA23. Процессор фиксирует его по заднему фронту сигнала BALE. Тип выходного каскада — открытый коллектор.

-I/O CS16 (I/O Cycle Select — выбор цикла для устройства ввода/вывода) — сигнал выставляется устройством ввода/вывода для сообщения задатчику о том, что оно имеет 16-разрядную организацию. При отсутствии этого сигнала выполняется 8-разряд-ный обмен. Сигнал вырабатывается при распознавании устройством ввода/вывода своего адреса на линиях SA0...SA15. Тип выходного каскада — открытый коллектор.

I/O СН RDY (I/O Channel Ready — готовность канала ввода/вывода) — сигнал снимается (делается низким) исполнителем (устройством ввода/вывода или памятью) по переднему фронту сигналов -IOR и -IOW в случае, если он не успевает выполнить требуемую операцию в темпе задатчика. При этом реализуется асинхронный обмен. Если исполнитель успевает работать в темпе задатчика, сигнал не снимается (фактически не устанавливается в низкий уровень). Цикл обмена в ответ на снятие этого сигнала продлевается на целое число периодов сигнала SYSCLK. Сигнал I/O СН RDY не должен сниматься на время, большее заданного в данном компьютере (по стандарту — 15 мкс), иначе компьютер переходит к обработке немаскируемого прерывания. Тип выходного каскада — открытый коллектор.

-I/O СН СК (I/O Channel Check — проверка канала ввода/ вывода) — сигнал вырабатывается любым исполнителем (устройством ввода/вывода или памятью) для информирования задатчика о фатальной ошибке, например об ошибке четности при доступе к памяти. Сигнал вызывает немаскируемое прерывание. Тип выходного каскада — открытый коллектор.

-0WS (0 Wait States - 0 тактов ожидания) — выставляется исполнителем для информирования задатчика о необходимости проведения цикла обмена без вставки такта ожидания, если длительность стандартного цикла обмена велика для него. Вырабатывается после перехода сигнала BALE в низкий уровень. Должен быть синхронизован с сигналом SYSCLK. Используется редко. Тип выходного каскада — открытый коллектор.

-REFRESH (Refresh — регенерация) — сигнал выставляется контроллером регенерации для информирования всех устройств на магистрали о выполнении циклов регенерации динамического ОЗУ компьютера (каждые 15 мкс). При регенерации выполняется псевдочтение из одного из 256 адресов ОЗУ (активизируются только разряды адреса SA0...SA7). Полный цикл регенерации — около 4 мс. Тип выходного каскада — открытый коллектор.

RESET DRV (Reset of Driver — сброс устройства) — сигнал сброса в начальное состояние всех устройств на магистрали. Вырабатывается центральным процессором при включении или сбое питания, а также при нажатии на кнопку RESET компьютера. Внешние платы должны в ответ на этот сигнал (длительностью не менее 1 мс) перевести все свои выходы в высокоимпедансное состояние. Тип выходного каскада — ТТЛ.

SYSCLK (System Clock — системный такт) — сигнал системного тактового генератора со скважностью 2 (меандр). В большинстве компьютеров его частота равна 8 МГц независимо от тактовой частоты процессора. Если в программе SETUP предусмотрена возможность изменения тактовой частоты магистрали, пользователь может задавать ее в широких пределах. Но для обеспечения наибольшей совместимости со всеми имеющимися платами расширения ISA не рекомендуется поднимать эту частоту выше 8 МГц. К тому же на производительность новых компьютеров в целом она влияет незначительно. В компьютерах XT сигнал SYSCLK — это тактовый сигнал процессора. Тип выходного каскада — три состояния.

OSC — не синхронизированный с SYSCLK сигнал кварцевого генератора с частотой 14,31818 МГц со скважностью 2. Может использоваться платами расширения в качестве тактового сигнала, так как его частота одинакова для всех компьютеров с магистралью ISA. Тип выходного каскада — ТТЛ.

IRQ (Interrupt Request — запрос прерывания) — сигналы запроса радиальных прерываний. Запросом является положительный переход на соответствующей линии IRQ. Сигнал должен удерживаться до начала обработки процессором запрошенного прерывания. Тип выходного каскада — ТТЛ. На каждой линии IRQ должен быть один выход. Иногда в литературе можно встретить рекомендацию применять выходы с тремя состояниями, но все равно больше одного выхода на линию быть не должно во избежание конфликтов сигналов. Многие входы IRQ заняты системными ресурсами компьютера (табл. 1.6). Сигналы IRQ0...IRQ2, IRQ8 и IRQ13 задействованы на системной плате и недоступны платам расширения. В компьютере используются два 8-разрядных контроллера прерываний. Сигналы IRQ0...IRQ7 относятся к первому из них, a IRQ8...1RQ15 — ко второму. Для каскадирования второго контроллера прерываний задействован вход IRQ2. В связи с этим запросы прерывания имеют следующие приоритеты в порядке возрастания: IRQ7, IRQ6, IRQ5, IRQ4, IRQ3, IRQ15, IRQ14, IRQ12, IRQ11, IRQ10, IRQ9.

DRQ (DMA Request — запрос ПДП) — сигналы запросов прямого доступа к памяти (ПДП). Запросом является положительный переход на соответствующей линии DRQ. Сигнал должен удерживаться до получения ответного сигнала -DACK с тем же номером. Тип выходного каскада — ТТЛ. На каждой линии DRQ должен быть один выход. В компьютере используются два контроллера ПДП. Каналы ПДП, соответствующие первому контроллеру (сигналы DRQ0...DRQ3) предназначены для 8-битного обмена, а соответствующие второму котроллеру (DRQ5...DRQ7) — для 16-битного. Канал DRQ4 используется для каскадирования контроллеров и недоступен пользователям. DRQ0 имеет наивысший приоритет, DRQ7 — низший. В IBM PC XT канал DRQ0 использовался для регенерации динамической памяти. Канал DRQ1 зарезервирован для контроллера бисинхронного обмена SDLC, а канал DRQ2 — для контроллера гибкого диска.

-DACK (DMA Acknowledge — подтверждение ПДП) — сигналы подтверждения предоставления прямого доступа. Вырабатываются в ответ на соответствующий сигнал DRQ в случае, если прямой доступ предоставлен данному каналу. Удерживаются до окончания прямого доступа. Тип выходного каскада — ТТЛ.

AEN (Address Enable — разрешение адреса) — используется в режиме ПДП для сообщения всем платам расширения, что производится цикл ПДП. Устанавливается и снимается параллельно с адресом. При его переходе в активное состояние все платы расширения, не участвующие в данном ПДП, должны отключаться от магистрали (переходить в пассивное состояние). Тип выходного каскада — ТТЛ.

Т/С (Terminal Count — окончание счета) — устанавливается в режиме ПДП тогда, когда по текущему каналу ПДП закончен счет циклов пересылок данных. Тип выходного каскада — ТТЛ.

-MASTER (Master — хозяин, задатчик) — используется платой расширения, желающей стать задатчиком магистрали. В этом случае надо выставить сигнал DRQ и, получив в ответ сигнал -DACK, установить сигнал -MASTER, а затем через минимум один период SYSCLK можно выставлять адрес и через минимум два периода SYSCLK можно вырабатывать стробы обмена. Если -MASTER удерживается более 15 мкс, то динамическое ОЗУ компьютера требует регенерации (разрешения сигнала -REFRESH). Тип выходного каскада — открытый коллектор.