Компьютер с шиной S-100 включает в себя большую плату, называемую материнской, которая содержит несколько (около двенадцати) связанных друг с другом гнезд для плат S-100. Эти гнезда иногда называются слотами расширения, в них вставляются платы S-100, или платы расширения. Одну плату S-100 занимает микропроцессор 8080 и вспомогательные чипы (о некоторых я упомянул в главе 19). Оперативная память занимает одну или несколько других плат.
Поскольку шина S-100 разрабатывалась для микросхемы 8080, она имеет 16 адресных линий, восемь линий для ввода и восемь линий для вывода данных. Как вы помните, в самом процессоре 8080 линии для ввода и вывода данных объединены. Сигналы разделяются на входные и выходные с помощью других микросхем, установленных на той же плате, что и процессор 8080. Шина также предусматривает восемь линий для прерываний сигналов, генерируемых другими устройствами, когда им требуется привлечь внимание центрального процессора. Как мы увидим далее, клавиатура может генерировать сигнал прерывания при нажатии клавиши. В ответ на это процессор 8080 выполняет короткую программу, чтобы определить, какая клавиша была нажата, и предпринять соответствующее действие. Для обработки прерываний к плате с процессором 8080 обычно также подключается чип Intel 8214 (устройство для управления приоритетными прерываниями). Когда возникает прерывание, этот чип генерирует для процессора 8080 должный сигнал. Когда последний подтверждает получение запроса на прерывание, чип посылает команду RST (Restart — перезапуск), которая заставляет микропроцессор сохранить текущее значение счетчика команд и в зависимости от полученного прерывания перейти к команде в ячейке 0000h, 0008h, 0010h, 0018h, 0020h, 0028h, 0030h или 0038h.
Если бы вы разработали новую компьютерную систему с шиной нового типа, нужно было бы решить, опубликовать ли технические характеристики шины или сохранить их в тайне.
Если их опубликовать, то другие, так называемые сторонние, производители смогут проектировать и продавать платы расширения, совместимые с этой шиной. Доступность дополнительных плат расширения делает компьютер более функциональным, следовательно, на него растет спрос. Рост продаж компьютеров ведет к увеличению рынка для плат расширения. Это побуждает разработчиков большинства небольших компьютерных систем придерживаться принципа открытой архитектуры, что позволяет другим производителям создавать периферийные устройства. Со временем шина может превратиться в отраслевой стандарт, а стандарты имеют большое значение для индустрии персональных компьютеров.
Самым известным ПК с открытой архитектурой был первый IBM PC, выпущенный осенью 1981 года. Компания IBM опубликовала технический справочник, содержащий полные электрические схемы этого компьютера и всех плат расширения. Этот справочник стал важным инструментом, позволившим многим производителям создать не только свои платы расширения для IBM PC, но и клоны, которые были практически идентичны этому компьютеру и использовали то же программное обеспечение.
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.
