Przemysłowa architektura standardowa - Industry Standard Architecture

JEST
Przemysłowa architektura standardowa
Isa1.jpg
Jedno 8-bitowe i pięć 16-bitowych gniazd ISA na płycie głównej
Rok utworzenia 1981 ; 40 lat temu ( 1981 )
Stworzone przez IBM
Zastąpione przez PCI , LPC (1993, 1998)
Szerokość w bitach 8 lub 16
Liczba urządzeń do 6 urządzeń
Prędkość Półdupleks 8 MB/s lub 16 MB/s
Styl Równoległy
Interfejs do podłączania podczas pracy nie
Interfejs zewnętrzny nie

Industry Standard Architecture ( ISA ) jest 16-bitowy wewnętrzny autobus z IBM PC / AT i podobnych komputerów opartych na Intel 80286 i jego bezpośrednich następców w 1980 roku. Autobus był (w dużej mierze) wstecznie kompatybilny z magistrali 8-bitowej 8088 -na IBM PC , łącznie z IBM PC / XT , a także kompatybilnych z IBM PC .

Pierwotnie określany jako magistrala PC (8-bitowa) lub magistrala AT (16-bitowa), był również określany przez IBM jako I/O Channel . Termin ISA został ukuty jako retronim przez konkurujących producentów klonów komputerów PC pod koniec lat 80. lub na początku lat 90. w odpowiedzi na próby IBM zastąpienia magistrali AT nową i niekompatybilną architekturą Micro Channel .

16-bitowa magistrala ISA była również używana z 32-bitowymi procesorami przez kilka lat. Jednak próba rozszerzenia go do 32 bitów, zwana Extended Industry Standard Architecture (EISA), nie zakończyła się sukcesem. Później używano autobusów, takich jak VESA Local Bus i PCI , często wraz z gniazdami ISA na tej samej płycie głównej . Pochodne struktury magistrali AT były i są nadal używane w ATA/IDE , standardzie PCMCIA , Compact Flash , magistrali PC/104 oraz wewnętrznie w układach Super I/O .

Mimo że ISA zniknął z komputerów stacjonarnych wiele lat temu, nadal jest używany w komputerach przemysłowych , gdzie używane są niektóre wyspecjalizowane karty rozszerzeń, które nigdy nie przeszły na PCI i PCI Express.

Historia

8-bitowy XT , 16-bitowy ISA , EISA (od góry do dołu)
8-bitowy XT : karta dźwiękowa Adlib FM
16-bitowa karta sieciowa ISA : karta sieciowa Madge Token Ring 4/16 Mb/s
16-bitowa karta ISA : karta sieciowa Ethernet 10Base-5/2
8-bitowy XT : Modem US Robotics 56k

Oryginalna magistrala PC została opracowana przez zespół pod kierownictwem Marka Deana w IBM w ramach projektu IBM PC w 1981 roku. Była to magistrala 8-bitowa oparta na magistrali I/O systemu IBM System/23 Datamaster - wykorzystano to samo fizyczne złącze i podobny protokół sygnału i pinout. Wersja 16-bitowa, szyna IBM AT , została wprowadzona wraz z wydaniem IBM PC/AT w 1984 roku. W 1988 roku 32-bitowy standard EISA został zaproponowany przez grupę „Gang of Nine” producentów kompatybilnych z komputerami PC, w zestawie Compaq. Compaq stworzył termin „Industry Standard Architecture” (ISA), aby zastąpić „ kompatybilny z komputerami PC ”. W tym procesie zmienili z mocą wsteczną nazwę szyny AT na „ISA”, aby uniknąć naruszenia znaku towarowego IBM na swoich komputerach PC i systemach PC/AT.

IBM zaprojektował wersję 8-bitową jako buforowany interfejs do magistral płyty głównej procesora Intel 8088 (16/8 bit) w IBM PC i PC/XT. Wersja 16-bitowa była ulepszeniem magistral płyty głównej procesora Intel 80286 używanego w IBM AT. Szyna ISA była zatem zsynchronizowana z zegarem procesora, dopóki chipsety nie zaimplementowały wyrafinowanych metod buforowania, aby połączyć ISA ze znacznie szybszymi procesorami.

ISA został zaprojektowany do podłączania kart peryferyjnych do płyty głównej i pozwala na mastering magistrali . Tylko pierwsze 16 MB pamięci głównej jest adresowalne. Oryginalna magistrala 8-bitowa działała z zegarem 4,77 MHz procesora 8088 w IBM PC i PC/XT. Oryginalna 16-bitowa magistrala działała z zegara procesora 80286 w komputerach IBM PC/AT, który wynosił 6 MHz w pierwszych modelach i 8 MHz w późniejszych modelach. Komputer IBM RT PC również wykorzystywał 16-bitową magistralę. ISA był również używany w niektórych maszynach niezgodnych z IBM, takich jak stacje robocze Apollo (68020) i Amiga 3000 (68030) oparte na Motorola 68k , krótkotrwały AT&T Hobbit i późniejszy BeBox oparty na PowerPC .

Firmy takie jak Dell poprawiły wydajność szyny AT, ale w 1987 roku IBM zastąpił szynę AT własną architekturą Micro Channel Architecture (MCA). MCA przezwyciężyło wiele ograniczeń, które wtedy pojawiały się w ISA, ale było to również wysiłki IBM, aby odzyskać kontrolę nad architekturą PC i rynkiem PC. MCA była znacznie bardziej zaawansowana niż ISA i miała wiele funkcji, które później pojawiły się w PCI. Jednak MCA był również zamkniętym standardem, podczas gdy IBM opublikował pełne specyfikacje i schematy obwodów dla ISA. Producenci komputerów odpowiedzieli na MCA, opracowując architekturę Extended Industry Standard Architecture (EISA) i późniejszą magistralę lokalną VESA (VLB). VLB wykorzystał niektóre części elektroniczne pierwotnie przeznaczone dla MCA, ponieważ producenci komponentów byli już przygotowani do ich produkcji. Zarówno EISA, jak i VLB były zgodnymi wstecz rozszerzeniami magistrali AT (ISA).

Użytkownicy maszyn opartych na ISA musieli znać specjalne informacje o sprzęcie, który dodawali do systemu. Chociaż kilka urządzeń było zasadniczo „ plug-n-play ”, było to rzadkie. Użytkownicy często musieli konfigurować parametry podczas dodawania nowego urządzenia, takie jak linia IRQ , adres we/wy lub kanał DMA . MCA usunęło tę komplikację, a PCI w rzeczywistości zawierało wiele pomysłów zbadanych po raz pierwszy w MCA, chociaż bardziej bezpośrednio wywodziło się od EISA.

Ten problem z konfiguracją ostatecznie doprowadził do stworzenia ISA PnP , systemu typu plug-n-play, który wykorzystywał kombinację modyfikacji sprzętu, systemu BIOS i oprogramowania systemu operacyjnego do automatycznego zarządzania alokacją zasobów. W rzeczywistości ISA PnP może być kłopotliwa i nie była dobrze obsługiwana, dopóki architektura nie była w ostatnich dniach.

Gniazda PCI były pierwszymi fizycznie niekompatybilnymi portami rozszerzeń, które bezpośrednio wyciskały ISA z płyty głównej. Początkowo płyty główne były w dużej mierze ISA, w tym kilka gniazd PCI. W połowie lat 90. oba typy gniazd były z grubsza zrównoważone, a gniazda ISA wkrótce stanowiły mniejszość systemów konsumenckich. Microsoft „s PC 99 specyfikacja zaleca sloty ISA być usunięte całkowicie, choć architektura systemu nadal wymagane ISA być obecny w jakiejś szczątkowej sposób wewnętrznie obsługiwać napęd dyskietek , portów szeregowych , itd., Co było dlaczego oprogramowanie kompatybilne magistrali LPC był Utworzony. Gniazda ISA pozostały jeszcze przez kilka lat, a na przełomie wieków powszechne było obserwowanie systemów z przyspieszonym portem graficznym (AGP) umieszczonym w pobliżu jednostki centralnej , szeregiem gniazd PCI i jednym lub dwoma gniazdami ISA w pobliżu koniec. Pod koniec 2008 roku znikały nawet dyskietki i porty szeregowe, a na horyzoncie było wymarcie szczątkowego ISA (wtedy magistrali LPC) z chipsetów.

Gniazda PCI są „obrócone” w porównaniu z ich odpowiednikami ISA — karty PCI zostały zasadniczo włożone „do góry nogami”, co pozwala na ściskanie złączy ISA i PCI na płycie głównej. Tylko jedno z dwóch złączy może być używane w każdym gnieździe na raz, ale pozwoliło to na większą elastyczność.

AT Attachment (ATA) Interfejs dysku twardego bezpośrednio wywodzi się z 16-bitowym ISA z PC / AT. ATA ma swoje korzenie w kartach twardych, które integrują dysk twardy (HDD) i kontroler dysku twardego (HDC) na jednej karcie. Było to w najlepszym razie niewygodne, aw najgorszym przypadku uszkodzenie płyty głównej, ponieważ gniazda ISA nie zostały zaprojektowane do obsługi tak ciężkich urządzeń, jak dyski twarde. Następna generacja napędów Integrated Drive Electronics przeniosła zarówno napęd, jak i kontroler do wnęki napędu i użyła kabla taśmowego oraz bardzo prostej karty interfejsu do podłączenia go do gniazda ISA. ATA to w zasadzie standaryzacja tego układu plus jednolita struktura poleceń dla oprogramowania do interfejsu z HDC w napędzie. Od tego czasu ATA zostało oddzielone od magistrali ISA i połączone bezpośrednio z magistralą lokalną, zwykle przez integrację z chipsetem, w celu uzyskania znacznie wyższych częstotliwości taktowania i przepustowości danych, niż może obsługiwać ISA. ATA ma wyraźne cechy 16-bitowego ISA, takie jak 16-bitowy rozmiar transferu, taktowanie sygnału w trybach PIO oraz mechanizmy przerwań i DMA.

Architektura magistrali ISA


Piny magistrali XT.svg
ISA Bus piny.svg

PC / XT-bus jest ośmio- bit ISA wykorzystywane przez Intel 8086 i Intel 8088 systemów na IBM PC i IBM PC XT w 1980 roku. Wśród jego 62 pinów znajdowały się zdemultipleksowane i elektrycznie buforowane wersje 8 danych i 20 linii adresowych procesora 8088, wraz z liniami zasilania, zegarami, stroboskopami odczytu/zapisu, liniami przerwań itp. Zawiera linie zasilania -5 V i ±12 V w celu bezpośredniej obsługi pMOS i obwodów nMOS w trybie ulepszania, takich jak między innymi dynamiczne pamięci RAM. Architektura magistrali XT wykorzystuje pojedynczy procesor Intel 8259 PIC , dający osiem zwektoryzowanych i priorytetowych linii przerwań. Ma cztery kanały DMA pierwotnie dostarczone przez Intel 8237 , 3 kanały DMA są wyprowadzone do gniazd rozszerzeń magistrali XT; z nich 2 są zwykle przypisane do funkcji maszyny (napęd dyskietek i kontroler dysku twardego):

kanał DMA Ekspansja Funkcja standardowa
0 Nie Dynamiczne odświeżanie pamięci o dostępie swobodnym
1 tak Karty dodatkowe
2 tak Kontroler dyskietek
3 tak Kontroler dysku twardego

PC / AT-bus , o 16- bitowy (lub 80286-) wersja magistrali PC / XT, został wprowadzony z IBM PC / AT . Ta magistrala została oficjalnie nazwana przez IBM kanałem I/O . Rozszerza magistralę XT poprzez dodanie drugiego złącza krótszej krawędzi w linii z ośmiobitowym złączem magistrali XT, które pozostaje niezmienione, zachowując kompatybilność z większością kart 8-bitowych. Drugie złącze dodaje cztery dodatkowe linie adresowe, łącznie 24 i 8 dodatkowych linii danych, łącznie 16. Dodaje również nowe linie przerwań podłączone do drugiego 8259 PIC (podłączonego do jednej z linii pierwszego) i 4 × 16-bitowe kanały DMA, a także linie sterujące do wyboru transferów 8- lub 16-bitowych.

16-bitowe gniazdo magistrali AT pierwotnie używało dwóch standardowych gniazd złącza krawędziowego we wczesnych maszynach IBM PC/AT. Jednak wraz z popularnością architektury AT i 16-bitowej magistrali ISA, producenci wprowadzili wyspecjalizowane 98-pinowe złącza, które integrowały dwa gniazda w jedną jednostkę. Można je znaleźć w prawie każdym komputerze klasy AT wyprodukowanym po połowie lat 80. XX wieku. Złącze gniazda ISA jest zazwyczaj czarne (w odróżnieniu od brązowych złączy EISA i białych złączy PCI).

Liczba urządzeń

Urządzenia płyty głównej mają dedykowane przerwania IRQ (brak w gniazdach). Urządzenia 16-bitowe mogą używać przerwań IRQ magistrali PC lub magistrali PC/AT. Dzięki temu możliwe jest podłączenie do 6 urządzeń, które używają jednego 8-bitowego IRQ każde, lub do 5 urządzeń, które używają jednego 16-bitowego IRQ każde. Jednocześnie do 4 urządzeń może korzystać z jednego 8-bitowego kanału DMA każde, a do 3 urządzeń może korzystać z jednego 16-bitowego kanału DMA każde.

Różne prędkości autobusów

Pierwotnie zegar magistrali był zsynchronizowany z zegarem procesora, co skutkowało różnymi częstotliwościami zegara magistrali wśród wielu różnych „klonów” IBM dostępnych na rynku (czasem nawet 16 lub 20 MHz), co prowadziło do problemów z oprogramowaniem lub synchronizacją elektryczną dla niektórych ISA karty przy prędkościach autobusów, dla których nie zostały zaprojektowane. Późniejsze płyty główne lub zintegrowane chipsety wykorzystywały oddzielny generator zegara lub dzielnik zegara, który albo ustalał częstotliwość szyny ISA na 4, 6 lub 8 MHz, albo pozwalał użytkownikowi dostosować częstotliwość za pomocą konfiguracji BIOS . W przypadku korzystania z wyższej częstotliwości magistrali niektóre karty ISA (na przykład niektóre karty wideo kompatybilne z Hercules ) mogą wykazywać znaczną poprawę wydajności.

Niezgodności 8/16-bitowe

Dekodowanie adresu pamięci dla wyboru trybu transferu 8- lub 16-bitowego zostało ograniczone do sekcji 128 KiB, co prowadziło do problemów podczas mieszania kart 8- i 16-bitowych, ponieważ nie mogły one współistnieć w tym samym obszarze 128 KiB. Dzieje się tak, ponieważ linia MEMCS16 musi być ustawiona tylko na podstawie wartości LA17-23.

Przeszłe i obecne zastosowanie

ISA jest nadal używany do specjalistycznych celów przemysłowych. W 2008 roku IEI Technologies wypuściło na rynek nowoczesną płytę główną dla procesorów Intel Core 2 Duo, która oprócz innych specjalnych funkcji I/O jest wyposażona w dwa gniazda ISA. Jest sprzedawany użytkownikom przemysłowym i wojskowym, którzy zainwestowali w drogie specjalistyczne adaptery magistrali ISA, które nie są dostępne w wersjach magistrali PCI .

Podobnie ADEK Industrial Computers wypuszcza na początku 2013 roku płytę główną dla procesorów Intel Core i3/i5/i7, która zawiera jedno gniazdo ISA (nie DMA).

PC / 104 magistrali, w zastosowaniach przemysłowych i osadzone jest pochodną szyny ISA, przy użyciu tych samych linii sygnałowych z różnymi złączami. LPC autobus zastąpił magistrali ISA jak połączenia z urządzeniami starszego typu I / O na ostatnich płytach; choć fizycznie zupełnie inny, LPC wygląda jak ISA do oprogramowania, więc cechy ISA, takie jak limit 16 MiB DMA (odpowiadający pełnej przestrzeni adresowej procesora Intel 80286 używanego w oryginalnym IBM AT) prawdopodobnie się utrzymają. przez chwilę.

ATA

Jak wyjaśniono w sekcji Historia , ISA była podstawą do opracowania interfejsu ATA , używanego dla dysków twardych ATA (aka IDE) i ostatnio Serial ATA (SATA) . Fizycznie ATA jest zasadniczo prostym podzbiorem ISA, z 16 bitami danych, obsługą dokładnie jednego przerwania IRQ i jednego kanału DMA oraz 3 bitami adresu. Do tego podzbioru ISA usługa ATA dodaje dwie linie wyboru adresu IDE („chip select”) i kilka unikalnych linii sygnałowych specyficznych dla dysków twardych ATA/IDE (takich jak linia Cable Select/Spindle Sync.) Oprócz interfejsu fizycznego. kanał, ATA wykracza poza i daleko poza zakres ISA, określając również zestaw rejestrów urządzeń fizycznych, które mają być zaimplementowane na każdym dysku ATA (IDE) oraz pełny zestaw protokołów i poleceń urządzeń do sterowania napędami dysków stałych za pomocą tych rejestrów. Rejestry urządzeń ATA są dostępne za pomocą bitów adresu i sygnałów wyboru adresu w kanale interfejsu fizycznego ATA, a wszystkie operacje na dyskach twardych ATA są wykonywane przy użyciu protokołów określonych przez ATA za pośrednictwem zestawu poleceń ATA. Najwcześniejsze wersje standardu ATA zawierały kilka prostych protokołów i podstawowy zestaw poleceń porównywalny z zestawami poleceń kontrolerów MFM i RLL (które poprzedzały kontrolery ATA), ale najnowsze standardy ATA mają znacznie bardziej złożone protokoły i zestawy instrukcji, które obejmują opcjonalne polecenia i protokoły zapewniające takie zaawansowane opcjonalne funkcje, jak duże ukryte obszary pamięci systemu, blokowanie hasłem i programowalna translacja geometrii.

Kolejne odchylenie między ISA i ATA polega na tym, że podczas gdy magistrala ISA pozostawała zablokowana w jednej standardowej częstotliwości zegara (dla wstecznej kompatybilności sprzętowej), interfejs ATA oferował wiele różnych trybów prędkości, można było wybierać spośród nich, aby dopasować maksymalną prędkość obsługiwaną przez dołączony i stale dodawał większe prędkości z nowszymi wersjami standardu ATA (do 133 MB/s dla ATA-6, najnowsza). W większości postaci ATA działał znacznie szybciej niż ISA, pod warunkiem, że był podłączony bezpośrednio do lokalnej magistrali szybsza niż magistrala ISA.

XT-IDE

Przed 16-bitowym interfejsem ATA/IDE istniał 8-bitowy interfejs XT-IDE (znany również jako XTA) dla dysków twardych. Nie był tak popularny jak ATA, a sprzęt XT-IDE jest obecnie dość trudny do znalezienia. Niektóre adaptery XT-IDE były dostępne jako 8-bitowe karty ISA, a gniazda XTA były również obecne na płytach głównych późniejszych klonów XT Amstrada , a także w krótkotrwałej linii jednostek Philips . Pinout XTA był bardzo podobny do ATA, ale wykorzystano tylko osiem linii danych i dwie linie adresu, a rejestry urządzeń fizycznych miały zupełnie inne znaczenie. Kilka dysków twardych (takich jak Seagate ST351A/X) może obsługiwać dowolny typ interfejsu, wybrany za pomocą zworki.

Wiele późniejszych płyt głównych AT (i następców AT) nie miało zintegrowanego interfejsu dysku twardego, ale opierało się na oddzielnym interfejsie dysku twardego podłączonym do gniazda ISA/EISA/VLB. Było nawet kilka jednostek opartych na 80486 dostarczonych z interfejsami i napędami MFM/RLL zamiast coraz powszechniejszego AT-IDE.

Commodore zbudowało opartą na XT-IDE jednostkę rozszerzeń dysków twardych / pamięci A590 opartą na XT-IDE dla swoich komputerów Amiga 500 i 500+, które również obsługiwały napęd SCSI . Późniejsze modele – A600 , A1200 i seria Amiga 4000 – wykorzystują dyski AT-IDE.

PCMCIA

Specyfikacja PCMCIA może być postrzegana jako nadzbiór ATA. Standard interfejsów dysków twardych PCMCIA, w tym pendrive'y PCMCIA, pozwala na wzajemną konfigurację portu i napędu w trybie ATA. Jako de facto rozszerzenie, większość dysków flash PCMCIA dodatkowo pozwala na prosty tryb ATA, który jest włączany przez zciągnięcie jednego pinu w dół, tak że sprzęt i oprogramowanie PCMCIA nie są potrzebne, aby używać ich jako dysku ATA podłączonego do portu ATA. Adaptery PCMCIA flash drive do ATA są zatem proste i niedrogie, ale nie gwarantują współpracy z każdym standardowym dyskiem flash PCMCIA. Co więcej, takie adaptery nie mogą być używane jako ogólne porty PCMCIA, ponieważ interfejs PCMCIA jest znacznie bardziej złożony niż ATA.

Emulacja przez wbudowane chipy

Chociaż większość nowoczesnych komputerów nie ma fizycznych magistral ISA, prawie wszystkie komputery — x86 i x86-64 — mają magistrale ISA przydzielone w fizycznej przestrzeni adresowej. Mostek południowy , procesory i procesory graficzne same świadczą usługi, takie jak monitorowanie temperatury i odczyty napięcia, za pośrednictwem tych magistral jako urządzeń ISA.

Normalizacja

IEEE rozpoczął standaryzację magistrali ISA w 1985 roku, zwaną specyfikacją P996. Jednak pomimo tego, że opublikowano nawet książki na temat specyfikacji P996, nigdy oficjalnie nie przekroczyła ona statusu wersji roboczej.

Nowoczesne karty ISA

Wciąż istnieje baza użytkowników ze starymi komputerami, więc niektóre karty ISA są nadal produkowane, np. z portami USB lub kompletne komputery jednopłytkowe oparte na nowoczesnych procesorach, USB 3.0 i SATA .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki