IEEE-696

IEEE-696 — это стандарт шины, разработанный Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE) и опубликованный в 1983 году. Стандарт описывает параллельную системную шину, предназначенную для подключения микропроцессоров, памяти и периферийных устройств в микрокомпьютерных системах. IEEE-696 является эволюционным развитием шины S-100, которая получила широкое распространение в ранних персональных компьютерах и любительских системах, и формализует её электрические, механические и логические характеристики.

История

Предшественник: S-100

В середине 1970-х годов, с появлением первых микропроцессоров (например, Intel 8080), возникла потребность в универсальной шине для создания модульных компьютерных систем. В 1975 году компания MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems) представила компьютер Altair 8800, который использовал собственную шину для соединения плат. Эта шина, состоявшая из 100 контактов, стала известна как S-100 (от 100 контактов). S-100 не была стандартизирована, что приводило к проблемам совместимости между различными производителями плат.

Разработка стандарта

В 1978 году Комитет по стандартам микропроцессоров (IEEE Microprocessor Standards Committee) начал работу по формализации шины S-100. Целью было создание единого стандарта, который бы устранил неоднозначности и повысил надёжность. Работа велась в рамках проекта P696. После нескольких лет обсуждений и тестирования, в 1983 году стандарт был утверждён как IEEE-696. Он не только зафиксировал существующие практики, но и внёс улучшения: были уточнены временные диаграммы, добавлены сигналы для работы с 16-разрядными процессорами (в то время как исходная S-100 была 8-разрядной) и введена поддержка многопроцессорных конфигураций.

Применение

Стандарт IEEE-696 использовался в основном в одноплатных компьютерах, промышленных контроллерах и любительских системах на базе процессоров Z80, Intel 8085 и 8086. С появлением более скоростных и компактных шин (например, ISA, VMEbus) в конце 1980-х годов, популярность IEEE-696 пошла на спад. Тем не менее, он оставался востребованным в нишевых областях, таких как системы сбора данных и лабораторное оборудование, вплоть до начала 1990-х годов.

Технические характеристики

Разъём и механика

Шина IEEE-696 использует 100-контактный разъём с шагом контактов 0,1 дюйма (2,54 мм). Платы вставляются в пассивную или активную объединительную панель (backplane). Разъём имеет два ряда контактов (по 50 в каждом), что обеспечивает механическую жёсткость. Размеры плат обычно соответствуют формату S-100: 5,5 × 10 дюймов (140 × 254 мм).

Электрические характеристики

• Напряжение питания: стандарт предусматривает подачу на шину напряжений +8 В, ±16 В и ±8 В для аналоговых схем. Однако фактически на платах используются стабилизаторы для получения +5 В (для логики) и ±12 В (для последовательных интерфейсов).
• Тип сигналов: большинство сигналов — с открытым коллектором или трёхстабильные (tri-state). Это позволяет нескольким устройствам управлять шиной без конфликтов.
• Тактовая частота: шина не имеет фиксированной тактовой частоты. Скорость обмена данными определяется процессором и контроллерами. Типичные значения — от 2 до 10 МГц.

Логические сигналы

Стандарт определяет 100 сигналов, которые делятся на несколько групп:

• Адресные линии (A0–A23): 24 бита адреса, что позволяет адресовать до 16 Мбайт памяти.
• Данные (D0–D15): 16 бит данных. Поддерживается как 8-разрядный, так и 16-разрядный обмен.
• Управляющие сигналы: включают сигналы чтения/записи (sMEMR, sMEMW, sI/OR, sI/OW), сигналы прерываний, сигналы прямого доступа к памяти (DMA) и сигналы синхронизации.
• Сигналы приоритета и арбитража: для организации многопроцессорной работы.
• Сигналы статуса: например, sXTRQ (запрос 16-разрядного цикла), sSTVAL (строб адреса).

Режимы работы

• 8-разрядный режим: используется для совместимости с процессорами Z80, Intel 8080 и периферией.
• 16-разрядный режим: позволяет работать с процессорами Intel 8086, 80286. Адресные линии расширяются до 24 бит.
• Многопроцессорный режим: поддерживается до 16 устройств-ведущих (masters), которые могут управлять шиной поочерёдно.

Архитектура и компоненты

Ведущее и ведомое устройства

Шина IEEE-696 является асинхронной и использует принцип «ведущий-ведомый» (master-slave). Ведущее устройство (например, процессор) инициирует цикл обмена, а ведомое (память или периферия) отвечает. Арбитраж между несколькими ведущими осуществляется через сигналы приоритета.

Типичные платы

• Центральный процессор: обычно на базе Z80, Intel 8085, 8086 или 68000.
• Память: статическая или динамическая ОЗУ, ПЗУ (EPROM).
• Контроллеры ввода-вывода: последовательные порты (RS-232), параллельные порты, контроллеры дисков (FDC), видеоконтроллеры (например, на чипе TMS9918).
• Специализированные платы: аналого-цифровые преобразователи, интерфейсы для управления станками, платы сбора данных.

Программное обеспечение

Стандарт не определяет программное обеспечение. Однако наиболее распространённой операционной системой для систем на IEEE-696 была CP/M (Digital Research). Позднее появились реализации MP/M (многозадачная версия) и даже ранние версии Unix для 16-разрядных процессоров.

Применение

Любительские и домашние компьютеры

В конце 1970-х — начале 1980-х годов шина IEEE-696 (в виде S-100) была основой для многих любительских компьютеров, таких как Altair 8800, IMSAI 8080 и Cromemco. Эти системы использовались для программирования, игр и управления периферией.

Промышленность и научные исследования

Благодаря модульности и надёжности, IEEE-696 применялся в промышленных контроллерах, системах управления технологическими процессами, лабораторных установках и измерительных комплексах. Например, системы на базе процессора Z80 с шиной S-100 использовались для управления телескопами и сбора данных в физических экспериментах.

Образование

Многие университеты в 1980-х годах использовали компьютеры на шине IEEE-696 для обучения студентов архитектуре вычислительных систем. Модульность позволяла студентам самостоятельно проектировать и подключать платы.

Критика и ограничения

Недостатки

• Сложность арбитража: асинхронная природа шины и большое количество сигналов делали проектирование плат сложным.
• Ограниченная скорость: по сравнению с более поздними шинами (например, ISA), IEEE-696 была медленнее из-за длинных линий на объединительной панели и отсутствия синхронизации.
• Размер и стоимость: 100-контактные разъёмы и большие платы были дороги и занимали много места.
• Отсутствие горячей замены: стандарт не поддерживает замену плат без выключения питания.

Устаревание

С развитием персональных компьютеров и появлением шины ISA (1981), а затем PCI (1993), IEEE-696 потерял актуальность. К середине 1990-х годов производство плат и объединительных панелей для этой шины практически прекратилось.

Наследие

Несмотря на устаревание, IEEE-696 оказал значительное влияние на развитие компьютерной инженерии. Он закрепил принципы модульного построения систем, арбитража шины и стандартизации интерфейсов. Многие идеи, заложенные в IEEE-696, были использованы в более поздних шинах, таких как Multibus и VMEbus. В настоящее время системы на IEEE-696 представляют исторический интерес и коллекционируются энтузиастами.

Источники

• IEEE Standard 696-1983, «Microcomputer System Bus (S-100)».
• Sol Libes, «The S-100 Bus Standard», Byte Magazine, 1979.
• «S-100 Bus: A Historical Perspective», Computer History Museum.
• «Altair 8800 and the S-100 Bus», MITS Documentation.