Чарльз Петцольд - Код. Тайный язык информатики

На долю многочисленных потомков первого компьютера IBM PC в настоящее время приходится 90% рынка [25]. Несмотря на то что IBM принадлежит лишь небольшая доля этого рынка, она могла бы быть еще меньше, если бы архитектура ее первого компьютера была закрытой . Архитектура компьютера Apple Macintosh изначально была закрытой. Несмотря на редкие эксперименты с открытой архитектурой, это принятое в самом начале решение, вероятно, объясняет, почему на долю Macintosh приходится менее 10% рынка настольных ПК. При этом закрытая архитектура компьютерной системы не мешает сторонним компаниям писать для нее программное обеспечение . Только производители некоторых видеоигровых консолей запрещают другим компаниям создавать программы для своих систем.

В первом компьютере IBM PC использовался микропроцессор Intel 8088, позволявший адресовать один мегабайт памяти. Несмотря на то что микропроцессор 8088 — 16-разрядный, обмен данными с памятью он осуществляет фрагментами по восемь бит. Шина, которую компания IBM разработала для своего первого компьютера, теперь носит название ISA (Industry Standard Architecture — архитектура промышленного стандарта). Такая шина предусматривает 62 линии, из которых 20 адресных, восемь используются для ввода и вывода данных, шесть — для запросов на прерывания, три — для запросов на прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA). Режим DMA позволяет ускорить работу устройств для хранения данных. Обычно чтение и запись данных в память осуществляет микропроцессор. Благодаря режиму DMA другое устройство может перехватить управление шиной и произвести обмен данными непосредственно с памятью, минуя микропроцессор.

В системе S-100 все компоненты размещены на платах расширения. В компьютере IBM PC микропроцессор, некоторые вспомогательные чипы и часть оперативной памяти содержались на плате, которую компания назвала системной , хотя эта плата также часто именуется материнской, или главной.

В 1984 году IBM представила персональный компьютер PC/AT, в котором использовался 16-разрядный микропроцессор Intel 80286, позволявший адресовать 16 мегабайт памяти. IBM установила ту же шину, но добавила еще один 36-контактный разъем, который включал семь адресных линий (хотя требовалось всего четыре), восемь линий для ввода и вывода данных, пять линий для запросов на прерывания и четыре линии для запросов на прямой доступ к памяти.

Шины необходимо модернизировать или заменять по мере того, как микропроцессоры перерастают их по разрядности данных (например, при увеличении с 8 до 32 бит), по количеству адресных линий или по быстродействию. Первые шины создавались для микропроцессоров, работавших с тактовой частотой в несколько мегагерц, но точно не в несколько сотен. Когда шина работает на скоростях, для которых не предназначена, она может стать источником высокочастотных помех, вызывающих статический или другой шум в работающих поблизости радиоприемниках и телевизорах.

В 1987 году IBM выпустила шину MCA (Micro Channel Architecture — микроканальная архитектура). Некоторые аспекты этой шины были запатентованы, что позволило компании получать лицензионные платежи. Вероятно, именно по этой причине шина MCA не стала отраслевым стандартом. А в 1988 году консорциум из девяти компаний (в который IBM не вошла) изготовил альтернативную 32-разрядную шину EISA (Extended Industry Standard Architecture — расширенная архитектура промышленного стандарта). В конце 1990-х годов в IBM-совместимых компьютерах широко использовалась разработанная компанией Intel шина PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимосвязь периферийных компонентов).

Чтобы понять, как работают различные компоненты компьютера, снова следует вернуться в середину 1970-х, когда все было очень просто. Представим разработку плат для компьютера «Альтаир» или для нашего собственного компьютера на базе процессора 8080 либо 6800. Для него нам, вероятно, потребуется собрать массив RAM, клавиатуру для ввода данных, экран для их вывода, а также некое устройство, позволяющее хранить информацию после выключения. Рассмотрим различные интерфейсы , которые можем создать для подключения перечисленных компонентов к нашему компьютеру.

Как вы помните из главы 16, массив RAM предусматривает адресные входы, входы для ввода и вывода данных, а также сигнал, используемый для записи данных в память. От количества адресных входов зависит количество отдельных значений, которые можно сохранить в массиве RAM:

Количество значений в массиве RAM = 2 количество адресных входов.

Количество входов для ввода и вывода данных определяет разрядность сохраняемых значений.

В середине 1970-х годов в домашних компьютерах часто применялась микросхема памяти 2102.

Микросхема 2102 была создана по технологии МОП (металл — оксид — полупроводник), или MOS (metal-oxide-semiconductor), как и сами микропроцессоры 8080 и 6800. Микросхемы МОП можно легко подключить к микросхемам ТТЛ; от последних они отличаются более высокой плотностью транзисторов. К тому же они работают не так быстро.

Если подсчитать количество адресных входов (A0–A9) и обратить внимание, что здесь только один вход для ввода (DI) и один вход для вывода (DO) данных, вы поймете, что емкость этой микросхемы ограничена 1024 бит. В зависимости от типа используемой микросхемы 2102 время доступа , то есть время, прошедшее между подачей адреса на адресные входы и выводом соответствующих данных на выход DO, составляет от 350 до 1000 наносекунд. При считывании информации из памяти сигнал R/ (чтение/запись) обычно равен 1. Когда вам требуется записать данные в микросхему, этот сигнал должен быть равен 0 на протяжении от 170 до 550 наносекунд, опять же в зависимости от типа используемой микросхемы 2102.

Особый интерес представляет сигнал (Chip Select — выбор микросхемы). Когда этот сигнал равен 1, микросхема не выбрана , значит, она не реагирует на сигнал R/. Сигналоказывает на микросхему и другое важное влияние, о котором расскажу чуть позже.

Разумеется, если вы собираете массив памяти для 8-разрядного микропроцессора, необходимо организовать эту память так, чтобы в ней хранились 8-битные, а не однобитные значения. Для сохранения целых байтов придется объединить по крайней мере восемь таких микросхем, подключив их адресные входы, сигналы R/и друг к другу. Результат можно изобразить следующим образом.

Это массив RAM 1024 × 8 емкостью один килобайт.

С практической точки зрения эти микросхемы памяти нужно монтировать на печатную плату. Сколько их может поместиться на одной плате? Если размещать их максимально близко, то на одну плату S-100 можно установить 64 такие микросхемы, которые обеспечат восемь килобайт памяти.