06 октября 2002

Радиолюбитель 1/94

(c)Nemo.

             СИСТЕМНАЯ ШИНА
   В SPECTRUM-СОВМЕСТИМЫХ КОМПЬЮТЕРАХ

   Проблема,  обозначенная в заглавии, не
нова. Более того, она уже достаточно соз-
рела  для решения. Необходим общепринятый
стандарт на Spectrum-шину. В этом заинте-
ресованы  как  пользователи  (это даст им
более  широкий  выбор  периферийных  уст-
ройств),  так  и  производители (им будет
обеспечено  значительное  увеличение объ-
ёмов сбыта).
   Предыстория  и текущее состояние проб-
лемы.  Все помнят эпопею, связанную с по-
пытками    расширения   компьютера   "Ра-
дио-8бРК". Из-за отсутствия в конструкции
системного контроллера 58OBK28/38 (по су-
ществу,  он же - контроллер шины) отсутс-
твовали  и  системные сигналы обращения к
портам,  что  приводило  к  необходимости
дробления  адресного  пространства и уни-
кальным схемным доработкам самого компью-
тера  при  стыковке  каждого  конкретного
устройства.
   Любопытна  также история "Системы-360"
разработки IBM, впервые реализовавшей мо-
дульную  структуру  вычислительного комп-
лекса. Даже потеряв 13% рынка сбыта пери-
ферийных  устройств, IBM, как никогда ра-
нее, укрепила своё лидирующее положение в
отрасли  [1]. Применительно к отечествен-
ной ситуации заметим, что только мощь IBM
позволила  ей провести свой внутрифирмен-
ный стандарт в разряд общепринятых спосо-
бом de facto.
   Системные  шины в Spectrum-компьютерах
ранних моделей и выпускающихся сейчас ли-
бо   вообще  отсутствуют  ("Ленинград-I",
"Composite-48", 'KAY-128"), либо ярко ин-
дивидуальны  ("Компакт",  "Хоббит",  "Ле-
нинград-II")  и несовместимы между собой.
Несколько    особняком   стоит   "Scorpi-
on-ZS256",  разработчик которого счёл не-
обходимым всё-таки подчиниться фирменному
стандарту,  пожертвовав для этой цели су-
щественной  (~10  см2) частью площади пе-
чатной платы. По крайней мере, со Scorpi-
on'ом  стыкуются  хотя  бы фирменные уст-
ройства. Основная же масса фирм-разработ-
чиков  и  сейчас  разводит шину исходя из
удобства  трассировки  печатных проводни-
ков,  обрекая себя на создание уникальной
периферии.
   Разработчики   периферийных  устройств
(HR-23,  FDC-5, HART-контроллеры дисково-
да, прототип - BETA DISK) выводят сигналы
на шину таким образом, чтобы их было лег-
ко скоммутировать проводниками с маточной
(системной)  платой,  возможно,  вовсе не
имеющей системного разъёма. Для избежания
путаницы  используется  регулярное покон-
тактное следование сигналов на разъёме.
   Вообще говоря, машины минимальной кон-
фигурации  просто не приспособлены к сты-
ковке  внешних  устройств,  прежде всего,
из-за  конструкции  корпуса. Однако также
неоспоримо  и  то,  что компьютеры макси-
мальной конфигурации (с дисководом) долж-
ны  иметь  системный слот-разъём(ы). Тен-
денция  к постепенному вытеснению с рынка
машин  минимальной конфигурации конструк-
циями с дисководом заставляет всерьёз за-
думаться о стандарте шины.

     КОММЕРЧЕСКОЕ ВИДЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

   Как уже указывалось, производство вза-
имно-совместимых моделей Spectrum-машин и
периферийных  устройств  выгодно  всем  и
повлечёт за собой увеличение общей ёмкос-
ти рынка сбыта - для всех, кто подчинится
стандарту,  если  таковой  в конце концов
всё-таки появится. Это внешняя, очевидная
сторона проблемы.
   Более  детальное  исследование вопроса
приводит к выводу, что компьютер со стан-
дартной  шиной будет обладать к тому же и
более  высокой потребительской стоимостью
(ПС).  Рассмотрим это не вполне очевидное
следствие  подробнее. Срок морального ус-
таревания компьютера - эту величину можно
считать пропорциональной ПС - определяет-
ся  по  устареванию  наиболее критичных в
этом  отношении узлов - периферийных уст-
ройств. Чем полнее конфигурация одноплат-
ной  конструкции, тем скорее она морально
устареет. Яркий пример тому - АТМ. В иде-
альном  случае  маточная плата устаревает
только  по двум параметрам: тактовой час-
тоте  (типу  процессора) и информационной
ёмкости канала системной шины, что, в об-
щем-то,  и  привело к необходимости смены
стандарта  шины  IBM PC на её же стандарт
микроканала.  Это  устаревание  неизбежно
как  врождённый порок любой конструкции с
фон-Неймановской архитектурой.
   Жизненный  же  цикл компьютера с шиной
может  быть  значительно продлён удачными
периферийными  устройствами и их своевре-
менной заменой. Образно говоря, это может
превратить компьютер из бабочки-одноднев-
ки,  по крайней мере, в бабочку-двухднев-
ку.
   Производители   системных   (маточных)
плат,  передавшие  свою долю рынка мелким
фирмам,  специализирующимся на производс-
тве  периферийных устройств (стыкуемых по
общепринятому  стандарту) получат эквива-
лентное  дополнительное вложение капитала
и  интеллектуальных  сил  в свой проект с
очень высокой эффективностью.
   Машина с модульным построением облада-
ет более высокой ремонтопригодностью. Ес-
ли выходит из строя периферийное устройс-
тво, или даже маточная плата, ремонт сво-
дится  к простой пробной смене плат-моду-
лей. В дальнейшем отказавший модуль можно
заменить   через  фирму-изготовитель  или
просто  выкинуть.  Для  справки:  типовой
контроллер  дисковода сейчас стоит значи-
тельно меньше, чем ремонт всего компьюте-
ра целиком.

     ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РЕАЛИЗАЦИИ ШИНЫ.

   Наиболее авторитетным прототипом можно
считать фирменную шину. И отнюдь не из-за
её "заморского" происхождения. Она доста-
точно проста, практически обкатана, обла-
дает  необходимой,  хотя и не достаточной
функциональной полнотой.

	
             БУФЕРИРОВАНИЕ, 
         НАГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ
            И ЛОГИКА РАБОТЫ.

   Буферирование,  вообще  говоря,  жела-
тельно. Однако та доля себестоимости, ко-
торая будет внесена в маточную плату, де-
лает это нецелесообразным. Не следует за-
бывать,  что  стоит  задача создания шины
для  компьютера,  а  не наоборот. Шина, в
первую  очередь, должна быть не обремени-
тельна  для пользователя, которому она не
нужна.  Единственный приемлемый вариант в
сложившейся  ситуации - это вывод на шину
в  качестве  интерфейсной БИС CPU (Z80) и
буферирование (в случае необходимости) со
стороны периферийного устройства.
   Логика  работы шины в этом случае пол-
ностью  определяется (с точностью до вре-
менных  диаграмм  и времён задержек) про-
цессорным элементом Z80, связывающим вое-
дино  все  модули. Проблемы, связанные со
стандартизацией и документированием пара-
метров, решаются автоматически ссылкой на
техническое  описание  Z80, которое обще-
доступно и не нуждается в каких-либо ком-
ментариях.
   Искушённый   читатель,  наверное,  уже
давно  имеет возражение, связанное с низ-
кой  нагрузочной  способностью Z80. Дейс-
твительно,  выход  Z80 разрешается нагру-
жать не более чем "одним TTL-входом". Это
серьёзный минус для микросхемы, предпола-
гаемой  для  применения в качестве интер-
фейсной БИС. Однако это ограничение легко
и,  можно  сказать,  элегантно  снимается
требованием  использовать в качестве наг-
рузок  на шине ALS-элементы (серия 1533).
Восемь   ALS-входов  эквивалентны  одному
TTL-входу.  Т.е. на всю линию шины оказы-
вается  возможным подключать до 8 единич-
ных  нагрузок, чего вполне достаточно для
большинства практических применений. Ред-
кий  вид схем ALS на проверку не столь уж
редок, т.к. важны лишь входные параметры.
Вот  перечень схем, идентичных по входным
параметрам серии ALS: ТТЛШ-580, 589, 556,
158. Возможно также применение и схем се-
рии  555,  следует лишь помнить, что один
DTL-вход эквивалентен двум ALS-входам.
   Более  сложен  вопрос о допустимых ем-
костных  нагрузках  на линиях. Исследова-
ния,  проведённые  Nemo, показывают, что,
например,  в  Scorpion'e, который простой
конструкцией   не   назовёшь,  резерв  по
ёмкости нагрузки для наиболее нагруженных
линий  адреса  (А15)  составляет 60 - 70%
(60 - 70 pF), для данных - около 50% (100
pF).  Особо следует остановиться на комп-
ьютерах  "Ленинград- I", "Composite-48" и
"KAY-128".   Небуферированная  клавиатура
вносит на линии адреса около 40 pF ёмкос-
ти   (плоский  кабель  порядка  25  см  +
40-клавишная клавиатура), что практически
полностью исчерпывает нагрузочную способ-
ность  линий  адреса  и делает дальнейшее
расширение   весьма  проблематичным.  Для
компьютера с открытой, модульной структу-
рой  буферирование клавиатуры строго обя-
зательно.
   Распределение  функций между материнс-
кой  платой и периферией. Проблема, лежа-
щая в основе, - это, во-первых, определе-
ние  минимально  необходимой конфигурации
Sinclair-совместимой машины и, во-вторых,
будет ли такая конфигурация оптимальной с
самых различных точек зрения.
   В   Scorpion'e,  например,  контроллер
диска,  контроллер 256К памяти и звуковой
процессор  отнесены  к системным устройс-
твам  и  находятся  на материнской плате.
Всё  же  прочее,  что можно пристыковать,
относится  к  периферии.  Это  одна точка
зрения.  Автор же относит контроллер дис-
ков  к  обязательным, но всё-таки перифе-
рийным устройствам. Это другая точка зре-
ния.
   Вообще  говоря, грань между системными
и периферийными устройствами определяется
встроенным системным мат. обеспечением, в
первую очередь, и накопленной суммой ори-
ентированного  на  него  прикладного  ПО.
Ориентируясь   на  фирменное  ПЗУ  Spect-
rum-128,  можно  однозначно отнести конт-
роллер дисков к периферийным устройствам.
Создание теневого монитора (в Scorpion'e)
позволяет взглянуть на проблему по-друго-
му.  Успешное введение и активное исполь-
зование  шины  неизбежно  "ужмёт" функции
материнской   платы  и  заставит  считать
контроллер  дисков  периферийным устройс-
твом.
   В  заключение  следует  отметить,  что
многое здесь предложено впервые (по край-
ней мере, применительно к Spectrum'овско-
му семейству), весьма спорно и не опробо-
вано практически в серийном производстве.
Однако автор, прежде всего, видит в своих
читателях не пиратов, присваивающих гото-
вые  идеи в виде разработок, а людей, за-
нимающихся  крейсерством в области элект-
роники  и имеющих определённую тягу к не-
ординарным решениям и поиску новых идей.

   ЛИТЕРАТУРА

   1.   Знакомьтесь:  компьютер.  Пер.  с
англ.  под  ред.  В.М.Курочкина  - М.Мир,
1989, с. 172 - 173.


   (С)  Nemo и СКиМ уже разработана конс-
трукция KAY-128-BUSY, в котором идеи, из-
ложенные  выше,  реализованы практически.
Одновременно  с  поступлением  в  продажу
первых   партий  плат  будет  опубликован
внутрифирменный стандарт шины. Реализация
шины  имеет несколько дополнительных сиг-
налов, отсутствующих в фирменном прототи-
пе  (и Scorpion'e), значительно расширяю-
щих  её возможности (вплоть до ПДП). При-
менён  целый  ряд  новых схемотехнических
решений,  позволяющих реализовать эти ре-
жимы  (при тех же размерах платы, что и в
KAY-128).