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.