Стандартная отраслевая архитектура ( ISA ) — это 16-битная внутренняя шина IBM PC/AT и аналогичных компьютеров на базе процессора Intel 80286 и его непосредственных преемников, появившихся в 1980-х годах. Шина была (в значительной степени) обратно совместима с 8-битной шиной IBM PC на базе 8088 , включая IBM PC/XT , а также IBM PC-совместимые устройства .
Первоначально называвшаяся шиной ПК (8-бит) или шиной AT (16-бит), IBM также называла ее каналом ввода-вывода . Термин ISA был придуман как ретроним производителями клонов IBM PC в конце 1980-х или начале 1990-х годов как реакция на попытки IBM заменить AT-шину своей новой и несовместимой архитектурой Micro Channel .
16-битная шина ISA также использовалась с 32-битными процессорами в течение нескольких лет. Однако попытка расширить его до 32 бит, получившая название «Расширенная отраслевая стандартная архитектура» (EISA), не увенчалась успехом. Позже вместо них использовались такие шины, как VESA Local Bus и PCI , часто вместе со слотами ISA на той же материнской плате . Производные структуры шины AT использовались и до сих пор используются в ATA/IDE , стандарте PCMCIA , CompactFlash , шине PC/104 и внутри чипов Super I/O .
Несмотря на то, что ISA исчезла из потребительских настольных компьютеров много лет назад, она до сих пор используется в промышленных ПК , где используются определенные специализированные карты расширения, которые никогда не переходили на PCI и PCI Express.
Оригинальная шина ПК была разработана группой под руководством Марка Дина из IBM в рамках проекта IBM PC в 1981 году. [2] Это была 8-битная шина, основанная на шине ввода-вывода системы IBM System/23 Datamaster. - в нем использовался тот же физический разъем, аналогичный протокол сигнала и распиновка. [3] 16-битная версия, шина IBM AT , была представлена с выпуском IBM PC/AT в 1984 году. Шина AT представляла собой в основном обратно совместимое расширение шины ПК — разъем шины AT представлял собой надмножество разъем шины ПК. В 1988 году 32-битный стандарт EISA был предложен группой производителей ПК-совместимых компьютеров «Банда девяти», в которую входила Compaq. Compaq создала термин «отраслевая стандартная архитектура» (ISA) вместо термина « совместимость с ПК ». [4] При этом они задним числом переименовали шину AT в «ISA», чтобы избежать нарушения прав на товарный знак IBM на ее ПК и системах ПК/AT (а также во избежание бесплатной рекламы своего основного конкурента, IBM).
IBM разработала 8-битную версию как буферизованный интерфейс для шин материнской платы процессора Intel 8088 (16/8 бит) в IBM PC и PC/XT, дополненный прерываниями с приоритетом и каналами DMA. 16-битная версия представляла собой обновление шин материнской платы процессора Intel 80286 (и расширенные возможности прерываний и DMA), используемых в IBM AT, с улучшенной поддержкой управления шиной. Таким образом, шина ISA была синхронна с тактовой частотой ЦП, пока наборы микросхем не реализовали сложные методы буферизации для взаимодействия ISA с гораздо более быстрыми ЦП.
ISA была разработана для подключения периферийных карт к материнской плате и позволяет осуществлять управление шиной . Адресуемыми являются только первые 16 МБ основной памяти. Исходная 8-битная шина работала на тактовой частоте 4,77 МГц процессора 8088 в IBM PC и PC/XT. Исходная 16-битная шина работала от тактовой частоты процессора 80286 в компьютерах IBM PC/AT, которая составляла 6 МГц в первых моделях и 8 МГц в более поздних моделях. ПК IBM RT также использовал 16-битную шину. ISA также использовалась в некоторых не-IBM-совместимых машинах, таких как рабочие станции Apollo (68020) и Amiga 3000 (68030) на базе Motorola 68k , недолговечный AT&T Hobbit и более поздний BeBox на базе PowerPC .
Такие компании, как Dell, улучшили производительность шины AT [5] , но в 1987 году IBM заменила шину AT своей собственной микроканальной архитектурой (MCA). MCA преодолела многие ограничения, существовавшие тогда в ISA, но также была попыткой IBM восстановить контроль над архитектурой ПК и рынком ПК. MCA был гораздо более продвинутым, чем ISA, и имел множество функций, которые позже появились в PCI. Однако MCA также был закрытым стандартом, тогда как IBM выпустила полные спецификации и схемы для ISA. Производители компьютеров отреагировали на MCA, разработав архитектуру расширенного отраслевого стандарта (EISA), а затем и локальную шину VESA (VLB). Компания VLB использовала некоторые электронные компоненты, изначально предназначенные для MCA, поскольку производители компонентов уже имели оборудование для их производства. И EISA, и VLB были обратно совместимыми расширениями шины AT (ISA).
Пользователи машин на базе ISA должны были знать специальную информацию об оборудовании, которое они добавляли в систему. Хотя некоторые устройства были по сути « подключи и работай », это было редкостью. Пользователям часто приходилось настраивать параметры при добавлении нового устройства, такие как линия IRQ , адрес ввода-вывода или канал DMA . MCA устранил это усложнение, и PCI фактически вобрал в себя многие идеи, впервые использованные в MCA, хотя в большей степени он произошел от EISA.
Эта проблема с настройкой в конечном итоге привела к созданию ISA PnP , системы plug-n-play, которая использовала комбинацию модификаций аппаратного обеспечения, системного BIOS и программного обеспечения операционной системы для автоматического управления распределением ресурсов. В действительности, ISA PnP мог быть проблематичным и не получил должной поддержки до тех пор, пока архитектура не достигла своих последних дней.
Устройство PnP ISA, EISA или VLB может иметь 5-байтовый идентификатор EISA (3-байтовый идентификатор производителя + 2-байтовый шестнадцатеричный номер) для идентификации устройства. Например, CTL0044 соответствует Creative Sound Blaster 16/32 PnP .
Слоты PCI были первыми физически несовместимыми портами расширения, которые напрямую вытеснили ISA с материнской платы. Поначалу материнские платы в основном были ISA, включая несколько слотов PCI. К середине 1990-х годов два типа слотов были примерно сбалансированы, и вскоре слоты ISA оказались в меньшинстве потребительских систем. Спецификация Microsoft PC -99 рекомендовала полностью удалить слоты ISA, хотя архитектура системы по-прежнему требовала присутствия ISA каким-то рудиментарным образом внутри для работы с дисководом гибких дисков , последовательными портами и т. д., поэтому программно-совместимая шина LPC был создан. Слоты ISA сохранялись еще несколько лет, и на рубеже веков стало обычным явлением видеть системы с портом ускоренной графики (AGP), расположенным рядом с центральным процессором , множеством слотов PCI и одним или двумя слотами ISA рядом. конец. В конце 2008 года исчезли даже дисководы для гибких дисков и последовательные порты, а исчезновение рудиментарной ISA (к тому времени шины LPC) из наборов микросхем было на горизонте.
Слоты PCI «повернуты» по сравнению с их аналогами ISA — карты PCI фактически вставлялись «вверх ногами», что позволяло разъемам ISA и PCI сжиматься на материнской плате. В каждом слоте одновременно можно использовать только один из двух разъемов, но это обеспечивает большую гибкость.
Интерфейс жесткого диска AT Attachment (ATA) является прямым потомком 16-битного ISA ПК/AT. ATA берет свое начало от адаптера для фиксированных дисков и дискет для персональных компьютеров IBM, стандартного двухфункционального контроллера гибких дисков и карты контроллера жесткого диска для IBM PC AT; контроллер фиксированного диска на этой карте реализовал набор регистров и базовый набор команд, которые стали основой интерфейса ATA (и который сильно отличался от интерфейса карты контроллера фиксированного диска IBM для PC XT). Прямыми предшественниками ATA были жесткие карты ISA сторонних производителей , в которых жесткий диск (HDD) и контроллер жесткого диска (HDC) были объединены на одной карте. Это было в лучшем случае неудобно, а в худшем — вредно для материнской платы, поскольку слоты ISA не были предназначены для поддержки таких тяжелых устройств, как жесткие диски. Следующее поколение приводов Integrated Drive Electronics переместило и диск, и контроллер в отсек для диска, а для подключения к слоту ISA использовал ленточный кабель и очень простую интерфейсную плату. ATA, по сути, представляет собой стандартизацию этого механизма плюс единую структуру команд для программного обеспечения, взаимодействующего с HDC внутри накопителя. С тех пор ATA был отделен от шины ISA и подключен непосредственно к локальной шине, обычно путем интеграции в набор микросхем, для гораздо более высоких тактовых частот и пропускной способности данных, чем могла поддерживать ISA. ATA имеет четкие характеристики 16-битной ISA, такие как 16-битный размер передачи, синхронизация сигнала в режимах PIO, а также механизмы прерываний и DMA.
Шина PC/XT — это восьмибитная шина ISA, которая использовалась системами Intel 8086 и Intel 8088 в IBM PC и IBM PC XT в 1980-х годах. Среди его 62 контактов были демультиплексированные и электрически буферизованные версии 8 линий данных и 20 адресных линий процессора 8088, а также линии питания, часы, стробы чтения/записи, линии прерываний и т. д. Линии питания включали -5 В и ±12 В. для непосредственной поддержки схем pMOS и nMOS режима улучшения , таких как, среди прочего, динамическое ОЗУ. В архитектуре шины XT используется один процессор Intel 8259 PIC , обеспечивающий восемь векторизованных и приоритетных линий прерываний. Он имеет четыре канала DMA , изначально предусмотренные Intel 8237 . Три канала DMA выведены на слоты расширения шины XT; из них 2 обычно уже назначены функциям машины (дисковод и контроллер жесткого диска):
Шина PC/AT , 16- битная (или 80286-) версия шины PC/XT, была представлена вместе с IBM PC/AT . IBM официально назвала эту шину каналом ввода-вывода . [ нужна ссылка ] Он расширяет шину XT за счет добавления второго более короткого краевого разъема в линию с восьмибитным разъемом шины XT, который не изменился, сохраняя совместимость с большинством 8-битных карт. Второй разъем добавляет четыре дополнительные линии адреса, всего 24, и 8 дополнительных линий данных, всего 16. Он также добавляет новые линии прерываний, подключенные ко второму PIC 8259 (подключенному к одной из линий первого) и 4 × 16-битные каналы DMA, а также линии управления для выбора 8- или 16-битной передачи.
В слоте 16-битной шины AT изначально использовались два стандартных торцевых разъема на ранних машинах IBM PC/AT. Однако с ростом популярности AT-архитектуры и 16-битной шины ISA производители представили специализированные 98-контактные разъемы, объединяющие два разъема в один блок. Их можно найти почти в каждом ПК AT-класса, выпущенном после середины 1980-х годов. Разъем слота ISA обычно черный (в отличие от коричневых разъемов EISA и белых разъемов PCI).
Устройства на материнской плате имеют выделенные прерывания (отсутствующие в слотах). 16-битные устройства могут использовать IRQ либо по шине PC, либо по шине PC/AT. Таким образом, можно подключить до 6 устройств, каждое из которых использует одно 8-битное IRQ, и до 5 устройств, каждое из которых использует одно 16-битное IRQ. Одновременно до 4 устройств могут использовать по одному 8-битному каналу DMA каждое, а до 3 устройств могут использовать по одному 16-битному каналу DMA каждое.
Первоначально тактовая частота шины была синхронна с тактовой частотой ЦП, что приводило к разным тактовым частотам шины среди множества различных «клонов» IBM, представленных на рынке (иногда до 16 или 20 МГц), что приводило к программным или электрическим проблемам с синхронизацией для некоторых ISA. карты на скоростях шины, для которых они не предназначены. Более поздние материнские платы или интегрированные наборы микросхем использовали отдельный тактовый генератор или делитель тактовой частоты, который либо фиксировал частоту шины ISA на уровне 4, 6 или 8 МГц, либо позволял пользователю регулировать частоту через настройку BIOS . При использовании на более высокой частоте шины некоторые карты ISA ( например, некоторые видеокарты, совместимые с Hercules ) могут демонстрировать значительное улучшение производительности.
Декодирование адреса памяти для выбора 8- или 16-битного режима передачи было ограничено секциями по 128 КиБ, что приводило к проблемам при смешивании 8- и 16-битных карт, поскольку они не могли сосуществовать в одной и той же области размером 128 КиБ. Это связано с тем, что линия MEMCS16 должна быть установлена только на основе значения LA17-23.
ISA до сих пор используется в специализированных промышленных целях. В 2008 году IEI Technologies выпустила современную материнскую плату для процессоров Intel Core 2 Duo, которая, помимо других специальных функций ввода-вывода, оснащена двумя слотами ISA. Он предназначен для промышленных и военных пользователей, которые вложили средства в дорогие специализированные адаптеры шины ISA, которые недоступны в версиях шины PCI . [6]
Аналогичным образом, ADEK Industrial Computers в начале 2013 года выпустит материнскую плату для процессоров Intel Core i3/i5/i7, которая содержит один слот ISA (без DMA). [7]
Шина PC/104 , используемая в промышленных и встроенных приложениях, является производной от шины ISA и использует те же сигнальные линии с разными разъемами. Шина LPC заменила шину ISA в качестве соединения с устаревшими устройствами ввода-вывода на последних материнских платах; хотя физически LPC совершенно другой, для программного обеспечения он выглядит так же, как ISA, так что особенности ISA, такие как ограничение DMA в 16 МБ (что соответствует полному адресному пространству процессора Intel 80286, используемого в оригинальном IBM AT), скорее всего, сохранятся. вокруг некоторое время.
Как поясняется в разделе «История» , ISA послужил основой для разработки интерфейса ATA , используемого для жестких дисков ATA (также известного как IDE). Физически ATA, по сути, представляет собой простое подмножество ISA с 16 битами данных, поддержкой ровно одного IRQ и одного канала DMA, а также 3 битов адреса. К этому подмножеству ISA ATA добавляет две линии выбора адреса IDE («выбор чипа») (т.е. декодирование адреса, фактически эквивалентные битам адреса) и несколько уникальных сигнальных линий, специфичных для жестких дисков ATA/IDE (например, Cable Select/Spindle). Линия синхронизации.) Помимо канала физического интерфейса, ATA выходит далеко за рамки ISA, определяя также набор регистров физических устройств, которые должны быть реализованы на каждом диске ATA (IDE), а также полный набор протоколов и устройств. команды для управления жесткими дисками с помощью этих регистров. Доступ к регистрам устройств ATA осуществляется с использованием битов адреса и сигналов выбора адреса в канале физического интерфейса ATA, а все операции с жесткими дисками ATA выполняются с использованием протоколов, определенных ATA, через набор команд ATA. Самые ранние версии стандарта ATA содержали несколько простых протоколов и базовый набор команд, сравнимый с наборами команд контроллеров MFM и RLL (которые предшествовали контроллерам ATA), но последние стандарты ATA имеют гораздо более сложные протоколы и наборы команд, которые включают дополнительные команды и протоколы, обеспечивающие такие расширенные дополнительные функции, как значительные скрытые области системного хранения, блокировка паролем и программируемое преобразование геометрии.
Еще одним отличием между ISA и ATA является то, что, хотя шина ISA оставалась привязанной к единой стандартной тактовой частоте (для обратной аппаратной совместимости), интерфейс ATA предлагал множество различных режимов скорости, среди которых можно было выбирать, чтобы соответствовать максимальной скорости, поддерживаемой подключенным устройством. дисков и продолжал добавлять более высокие скорости с более поздними версиями стандарта ATA (до 133 МБ/с для ATA-6, последней версии). В большинстве форм ATA работал намного быстрее, чем ISA, при условии, что он был подключен напрямую к локальной шине. (например, интерфейсы IDE, интегрированные в южный мост) быстрее, чем шина ISA.
До 16-битного интерфейса ATA/IDE существовал 8-битный интерфейс XT-IDE (также известный как XTA) для жестких дисков. Он не был так популярен, как ATA, и сейчас найти оборудование XT-IDE довольно сложно. Некоторые адаптеры XT-IDE были доступны в виде 8-битных карт ISA, а разъемы XTA также присутствовали на материнских платах более поздних клонов XT от Amstrad , а также на недолговечной линейке устройств Philips . Распиновка XTA была очень похожа на ATA, но использовались только восемь линий данных и две строки адреса, а регистры физического устройства имели совершенно другое значение. Некоторые жесткие диски (например, Seagate ST351A/X) могут поддерживать любой тип интерфейса, выбираемый с помощью перемычки.
Многие более поздние материнские платы AT (и преемники AT) не имели встроенного интерфейса жесткого диска, а использовали отдельный интерфейс жесткого диска, подключаемый к слоту ISA/EISA/VLB. Было даже несколько устройств на базе 80486, поставлявшихся с интерфейсами и дисками MFM/RLL вместо все более распространенного AT-IDE.
Commodore создала периферийный жесткий диск / модуль расширения памяти A590 на базе XT-IDE для своих компьютеров Amiga 500 и 500+, которые также поддерживали диск SCSI . Более поздние модели — A600 , A1200 и серия Amiga 4000 — используют диски AT-IDE.
Спецификацию PCMCIA можно рассматривать как расширенную версию ATA. Стандарт интерфейсов жестких дисков PCMCIA, в состав которых входят флэш-накопители PCMCIA, допускает взаимную настройку порта и накопителя в режиме ATA. В качестве расширения де-факто большинство флэш-накопителей PCMCIA дополнительно допускают простой режим ATA, который включается путем понижения уровня одного контакта, так что оборудование и прошивка PCMCIA не нужны для использования их в качестве накопителя ATA, подключенного к порту ATA. Таким образом, адаптеры флэш-накопитель PCMCIA — ATA просты и недороги, но не гарантируют, что они будут работать с любыми стандартными флэш-накопителями PCMCIA. Кроме того, такие адаптеры нельзя использовать в качестве обычных портов PCMCIA, поскольку интерфейс PCMCIA намного сложнее, чем интерфейс ATA.
Хотя большинство современных компьютеров не имеют физических шин ISA, почти все ПК — x86-32 и x86-64 — имеют шины ISA, выделенные в физическом адресном пространстве. Некоторые южные мосты и некоторые процессоры сами предоставляют такие услуги, как мониторинг температуры и считывание напряжения через шины ISA в качестве устройств ISA. [ нужна цитата ]
IEEE начал стандартизацию шины ISA в 1985 году, получившую название спецификации P996. Однако, несмотря на то, что книги по спецификации P996 были опубликованы, официально она так и не вышла за рамки статуса черновика. [8]
Все еще существует база пользователей старых компьютеров, поэтому некоторые ISA-карты все еще производятся, например, с портами USB [9] или полноценные одноплатные компьютеры на базе современных процессоров USB 3.0 и SATA . [10]
