Железо - Шинная архитектура Спектрума (концептуальная разработка).



  Шинная архитектура Спектрума

  (концептуальная разработка).


                         
                         
                         
(C) Nemo 1994            

________________________________


   "Маразм крепчал..."
           Из неопубликованного.


   "Иногда  трудно противостоять
давлению, оказываемому для вклю-
чения   различных  возможностей,
которые "тоже  было  бы  неплохо
иметь в наличии". Вполне реальна
опасность,  что  желание угодить
всем  будет  мешать задаче полу-
чить  целостный проект. Я всегда
старался  выяснить,  какую  цену
придется заплатить за получаемый
выигрыш.  Нужно сопоставлять по-
лучаемую выгоду и дополнительную
стоимость  реализации  и  просто
присутствие чего-либо в системе,
которое  ведет  к ее увеличению.
Разработчики  [языка]  при  этом
часто терпят неудачу".
                         Н. Вирт


   Фирма (c) Nemo намеренно пуб-
ликует  этот документ (а ему без
малого год), чтобы читатель смог
реально  оценить объем проделан-
ной работы и правильность замыс-
ла, которые сейчас столь очевид-
ны.


       Лабораторный метод

 измерения емкости линий шины.


   Существующие эмпирические ме-
тоды  расчета емкостной нагрузки
шин в микро-ЭВМ напоминают более
ритуал,  нежели  инженерный рас-
чет.  Данные на вносимые емкости
выводов  ИМС зачастую отсутству-
ют,  а те, что имеются, отражают
не  реальные  импедансы, а, ско-
рее, нежелание заводов-изготови-
телей отвечать за качество своей
продукции  и  явно завышены. Ре-
ально существующие системы (нап-
ример, Spectrum) неожиданно ока-
зываются   работоспособными  при
прямо-таки "астрономических" на-
грузках  на шины. При постоянном
снижении входных токов и повыше-
ния  быстродействия логики (155/
555/1533/1531) емкостная нагруз-
ка  превращается сейчас в основ-
ное  ограничение при наращивании
системы.  Практически невозможно
рассчитать  долю емкости, вноси-
мую  дорожками  печатной платы и
нестандартными  техническими ре-
шениями. Исходя из всех этих со-
ображений и была предпринята по-
пытка  опытного измерения емкос-
тей.
   В основе метода лежит исполь-
зование  емкости  шин в качестве
времязадающих. Определение конк-
ретных  величин производится пу-
тем  анализа с помощью осциллог-
рафа  навязанных  внешним ключом
переходных  процессов в реальной
системе.
   При  подаче  на  вход RES CPU
лог "О" шины адреса и данных пе-
реходят в Z-состояние. К измеря-
емой  линии подключается ключ на
элементе  ОК, управляемый сигна-
лом CLC (3,5 MHz) и источник то-
ка.  Задав определенную величину
источника  тока и измерив прира-
щение  U по осциллограмме за не-
который  период t, можно рассчи-
тать емкость:

          ╔══════════╗

          ║     idt  ║

          ║ С = ───  ║

          ║     dU   ║

          ╚══════════╝


  (В этой формуле можно заменить
дифференциалы на приращения).
   Емкость, вносимая установкой,
(щуп  осциллографа, схема комму-
тации  и  т.д.)  устанавливается
при  помощи высокоточного калиб-
ровочного  конденсатора  при от-
ключенной измеряемой линии.
   При   измерении   принимаются
следующие допущения:
 -  частота измерения достаточно
мала   для   проявления  свойств
длинных линий печатных дорожек.
 -  частота измерения достаточно
велика  для того, чтобы источник
тока  не  шунтировался активными
проводимостями на измеряемой ли-
нии.  (Именно исходя из этих до-
пущений была выбрана частота 3,5
MHz,  а  не  1  MHz, при которой
нормируются емкости нагрузок для
шин Z80).
 -  считается, что источник тока
идеальный.   Метод  обеспечивает
точность   порядка +/- 20%,  что
вполне достаточно для практичес-
ких  целей. Традиционный эмпири-
ческий  метод  дает ошибку около
+100%, -50%.


       Буферирование шины.


   Буферирование шины увеличива-
ет  физическую  нагрузочную спо-
собность, однако уменьшает логи-
ческую  мощность шины. Небуфери-
рованная шина первого типа имеет
следующие достоинства:
 -  четкое  документирование (по
существу,  уже имеется стандарт)
на  логику  и временные парамет-
ры (ссылка на Z80).
 - возможный набор сигналов, во-
обще говоря, один-единственный.
 -  совместимая с фирменными пе-
риферийными   устройствами:  Be-
ta-Disk,  Kempston   Joystick  и
Kempston  mouse, LPRINT III и
так далее.
 -  имеет достаточную физическую
нагрузочную  способность при ис-
пользовании в качестве единичной
нагрузки  элемента ALS.


   Требования на архитектуру и

 схемотехнику материнской платы,

      накладываемые шиной.


 1)  В свете конференции 7-9 де-
кабря  в  качестве базовой архи-
тектуры  оптимальна  архитектура
AMSTRAD.  По  большому  счету, в
базовую плату должны войти узлы,
поддерживаемые фирменным систем-
ным  ПО, зашитым в ПЗУ этой пла-
ты. В частности RS и MIDI интер-
фейсы,  в  свое время не поддер-
жанные программистскими  фирмами
на  Западе,  вряд ли необходимы.
 2)  Спорным  вопросом  является
наличие  контроллера TR-DOS. Ав-
тор  считает наличие контроллера
TRDOS в системной плате инерцией
стереотипа восприятия Spectrum -
машины  как  игровой приставки с
быстрой  загрузкой программ. Не-
лишне  заметить,  что  системный
слот,  занятый  контроллером TR-
DOS,  впоследствии может исполь-
зоваться  устройством, совмещаю-
щим   функции  TR-DOS  и  IDE  -
контроллеров.
 3)  Системная плата должна обя-
зательно иметь CENTRONICS, т. к.
по  данным  фирмы IskraSoft, 50%
пользователей   собираются   ис-
пользовать ПК именно как тексто-
вый процессор.
 4) В основу схемотехники должен
быть положен синхронный цифровой
автомат,  синхросигналы формиру-
ются  на D-триггерах (триггере),
тактируемых  одним тактовым сиг-
налом.  Это необходимо для мини-
мального разброса синхросигналов
относительно    сигналов    CPU.
Должна  обеспечиваться 100% сов-
местимость  слотов и материнских
плат.  Это отчасти решает и воз-
можную для шины проблему помехо-
устойчивости по линиям (особенно
в режиме TURBO).
 5)  Процессор должен работать в
линейном, по крайней мере с точ-
ностью  до цикла, времени, т. е.
любой  программный фрагмент дол-
жен  иметь  неизменное время вы-
полнения  независимо от фазы ви-
деопроцессора и расположения ко-
дов в адресном пространстве. Это
необходимо для организации рабо-
ты  в  реальном  времени,  сети,
АОН,  АЦП/ЦАП,  Фурье - преобра-
зований, синтеза речи.
 6)   Возможность  синхронизации
видеопроцессора с внешним источ-
ником (а возможно) и всей машины
на уровне последовательности F =
14  МГц). Необходимо для синхро-
низации с TV кадром: (контролле-
ры  наложения  TV  изображения),
PAL/SECAM кодеры.


        Системная шина и

        системный разъем.


   Приходилось  встречать публи-
кации, в которых эти понятия фи-
гурируют как синонимы. Однако ж,
это  "две  большие разницы", как
говорят  в Одессе. Укажу на раз-
личия:
 -  системный  разъем может быть
только  один  и, соответственно,
обслуживает   одно  периферийное
устройство. Оптимальное же число
слотов на шине - четыре;
 - системный разъем предполагает
произвольный  внешний  конструк-
тивный    объем    подключаемого
устройства  и  должен иметь воз-
можность работы на ленточный ка-
бель.
   Слоты  расширения имеют жест-
кие  конструктивные ограничения.
Сама  материнская плата проекти-
руется  под  корпус,  а место ее
установки жестко регламентирует-
ся.
   Ламели   системного   разъема
выводятся на внешнюю поверхность
корпуса. Если это не сделано, то
можно  считать, что его нет вов-
се.  Платы периферийного устрой-
ства и основной платы располага-
ются  в  одной  плоскости. Платы
расширения  на шине устанавлива-
ются   перпендикулярно  основной
(материнской) плате и располага-
ются внутри корпуса;
 -  оптимальная  компоновка  для
системного разъема - "доска",для
шины - "системный блок". Систем-
ный разъем при открытой архитек-
туре распадается на два аспекта:
системную шину и интерфейс внеш-
них  периферийных устройств. Ин-
терфейс ИРПР-М (CENTRONICS) рег-
ламентируется как ГОСТ 27492-88,
так   и  ОСТ  107.460831.003-87.
ГОСТ   описывает  интерфейс  для
подключения ПУ, а ОСТ - для под-
ключения периферийных устройств.


     Некоторые вопросы шины.


 1.  Тип физического соединения.
Оптимальный  соединитель - двух-
рядный разъем под непосредствен-
ное  сочленение  с печатной пла-
той. Достоинства:
  1) высота  соединителя разъема
на  5мм меньше, чем с разъемами,
имеющими ответные части.
  2)  стоимость   разъема  пере-
распределяется   в   материнскую
плату,  предположительно имеющую
больший  жизненный цикл, чем пе-
риферийное устройство.
  3)  большая  механическая проч-
ность  соединения, чем с другими
известными типами разъемов.
 2.  Две  оптимальные компоновки
материнской платы.
   Первая компоновка - ряды кон-
тактов  либо линии шины распола-
гаются параллельно линии, соеди-
няющей  ключи ПЗУ и CPU. При та-
ком  расположении можно получить
любую  разводку  шины. Простран-
ство  между слотами не использу-
ется,  что приводит к увеличению
площади платы. Вторая компоновка
-  (как в Next) - ПЗУ и CPU рас-
полагаются  между слотов, и пло-
щадь платы уменьшается. Разводка
шины теряет произвольность.
 3.  Точки  перехвата.
   Точки  перехвата - точки вхо-
да/выхода,  обеспечивающие  воз-
можность  модифицировать на шине
сигналы,  генерируемые материнс-
кой платой. Точкой перехвата мо-
жет  быть назначена любая стати-
ческая  линия,  имеющая соответ-
ствующий   стробирующий  сигнал.
Физически точка перехвата реали-
зуется  включением в разрыв сиг-
нала  балластного  резистора по-
рядка  430 Ом. При использовании
единичных  нагрузок типа ALS ко-
эффициент разветвления не умень-
шается. Введение CPU в цикл вво-
да-вывода  такта ожидания позво-
ляет  реализовать цепочное вклю-
чение  точек перехвата на слотах
системной  шины по сигналу IORQ,
что  дает географический приори-
тет  слотов  по  адресному  про-
странству портов. Работа перифе-
рийного  устройства с точкой пе-
рехвата осуществляется при помо-
щи логических элементов с ОК или
ОЭ - выходом. TRS - выход может,
при  соответствующем  включении,
эмулировать и ОЭ и ОК. Точки пе-
рехвата  обогащают  логику  шины
без ее усложнения и введения до-
полнительных сигналов.


   Вероятные проблемы с шиной.


 1)  В режиме TURBO узким местом
могут  стать  точки перехвата по
времени задержки.
 2)  Емкостная нагрузка на линии
может  стать  критической (опять
же TURBO).
 3)  Проблемы  с  синхронизацией
PAL - кодера, имеющего некратную
частоту  (для исключения муара и
биений цвета).


   Три подмножества сигналов.


 1.  Первое  подмножество  - это
сигналы  CPU,  общий знаменатель
всех   Spectrum-машин.   Наличие
всех  этих сигналов строго необ-
ходимо.
 2. Второе подмножество - сигна-
лы системного разъема фирменного
компьютера.   Включает   в  себя
п.1., точки перехвата по ROMCS и
IORQ, а также дополнительные ис-
точники +12V, -5V.
 3.  Третье подмножество - вклю-
чает  в  себя  п.2.,  кроме того
имеются пустые контакты и допол-
нительные  сигналы.  Из практики
оказалось,  что  интенсивно  ис-
пользуется  сигнал  F  (14 МГц).
Пустые  контакты  предполагается
задействовать  по мере необходи-
мости.  Так, например, в компью-
тере KAY-256 TURBO введена линия
TURBO.


 Взаимосвязь компоновки и шины.


   Реализация шины возможна лишь
при компоновке "системный блок",
т.к.  слоты  задают существенный
вертикальный  размер. Компоновку
типа   "Поиска"  вряд  ли  можно
признать  удачной,  т.к. присут-
ствует большое количество откры-
тых  объемных проводников и кон-
структивных  объемов,  и в целом
конструкция  нетехнологична. По-
пытка  установить  винчестер  на
такую систему еще более усугубит
ситуацию.


  Некоторый опыт использования

       шины в Spectrum'e.


 1)  Необходимо крепление слотов
к  материнской плате, иначе воз-
можна  их потеря при транспорти-
ровке.
 2)   Буферирование  шины  может
приводить к конфликтам системных
устройств и материнской платы.
 3) Контроллеры должны использо-
вать,   по  возможности,  первое
подмножество сигналов.
 4)  Нежелательно работать с ло-
гическими  событиями,  более ко-
роткими, чем машинный такт.


   Состав материнской платы.

     Распределение функций

  между  материнской платой и

            слотами.


   В  материнскую  плату  должны
войти компоненты базовой модели,
которые  достаточно отработаны и
"закоснели". Вероятно, это базо-
вая архитектура "Amstrad", т. е.
первые  10  пунктов обязательных
требований.  Наличие этих компо-
нентов строго обязательно ПО.
   Внешние   соединители,  благо
плата  имеет  в  корпусе  жестко
регламентированное  место  уста-
новки,  устанавливаются на мате-
ринскую плату. Это, в отличие от
имеющихся  моделей, дает возмож-
ность  эксплуатации без корпуса.
Резко  увеличивается ремонтопри-
годность и надежность компьютера
в целом.
   Узкоспециализированные сигна-
лы, требующиеся  для конкретного
слота,  должны  формироваться  в
нем, пусть и с дублированием.
   Не  все сигналы на все случаи
жизни,  а  некий минимальный на-
бор,  с помощью которого перефе-
рийное устройство может синтези-
ровать  любой  мыслимый  сигнал,
синхронный с материнской платой.
   Размер  слотов  по  вертикали
определяется   высотой  корпуса,
которая, в свою очередь, высотой
2-х  дисководов  (идея "Слота").
Любопытно,  что используя диско-
воды 3.5, можно задать такую вы-
соту слота, что сборка на россы-
пи  окажется  невозможной,  т.е.
возможна технологическая защита,
не ущемляющая интересы пользова-
теля  (как  это и делала Apple).
Размер слотов по вертикали неяв-
но  задает емкостную нагрузку на
шины и должен быть ограничен.

                            ...