Шина S-100: Ранний стандарт расширения для микрокомпьютеров

Введение

Автобус S 100 или Altair bus, IEEE 696 1983 (снят с производства), — ранняя компьютерная шина, разработанная в 1974 году как часть Altair 8800. Шина S 100 стала первой отраслевой стандартной шиной расширения для индустрии микрокомпьютеров. Компьютеры S 100, состоящие из процессорных и периферийных карт, выпускались многими производителями. Шина S 100 послужила основой для самодельных компьютеров, создатели которых (например, Homebrew Computer Club) разработали драйверы для CP/M и MP/M. Эти микрокомпьютеры S 100 варьировались от любительских устройств до рабочих станций для малого бизнеса и были распространены в ранних домашних компьютерах до появления IBM PC.

Архитектура

Автобус S 100 представляет собой пассивную объединительную плату с 100 контактами краевых разъемов печатных плат, соединенных параллельно. Платы расширения, выполняющие функции центрального процессора, памяти или интерфейса ввода-вывода, подключаются к этим разъемам. Определения сигналов шины тесно соответствуют определениям системы микропроцессора 8080, поскольку микропроцессор Intel 8080 был первым микропроцессором, поддерживаемым шиной S 100. 100 линий шины S 100 можно сгруппировать по четырем типам: 1) питание, 2) данные, 3) адрес и 4) тактирование и управление. Питание, подаваемое на шину, представляет собой нерегулированное напряжение +8 В постоянного тока и ±16 В постоянного тока, предназначенное для регулирования на платах до +5 В (используемого в интегральных схемах TTL), 5 В и +12 В для интегральной схемы процессора Intel 8080, ±12 В для интегральных схем драйверов линий RS 232 и +12 В для двигателей дисководов. Бортовое регулирование напряжения обычно выполняется устройствами семейства 78xx (например, устройство 7805 для получения +5 вольт). Это линейные стабилизаторы, которые обычно устанавливаются на радиаторы. Двунаправленная 8-битная шина данных Intel 8080 разделена на две однонаправленные 8-битные шины данных. Процессор мог использовать только одну из них одновременно. Sol 20 использовал вариант с одной 8-битной шиной и использовал ранее неиспользуемые контакты в качестве заземления сигналов для уменьшения электронного шума. Направление шины, входящее или исходящее, сигнализировалось с помощью ранее неиспользуемого вывода DBIN. Это стало универсальным стандартом на рынке S 100, что сделало вторую шину излишней. Позже эти две 8-битные шины были объединены для поддержки 16-битной ширины данных для более продвинутых процессоров, используя систему Sol для сигнализации направления. Адресная шина имеет ширину 16 бит в исходной реализации и позже была расширена до 24 бит. Сигнал управления шиной может переводить эти линии в трехсостояние, чтобы разрешить прямой доступ к памяти. Например, Cromemco Dazzler — это ранняя плата S 100, которая извлекала цифровые изображения из памяти с использованием прямого доступа к памяти. Сигналы тактирования и управления используются для управления трафиком на шине. Например, линия DO Disable переводит адресные линии в трехсостояние во время прямого доступа к памяти. Неназначенные линии из первоначальной спецификации шины позже были назначены для поддержки более продвинутых процессоров. Например, процессор Zilog Z 80 имеет линию не маскируемого прерывания, которой нет у процессора Intel 8080. Одна нераспределенная линия шины S 100 была переназначена для поддержки запроса на не маскируемое прерывание.

The S 100 bus is a passive backplane of 100 pin printed circuit board edge connectors wired in parallel. Circuit cards measuring serving the functions of CPU, memory, or I/O interface plugged into these connectors. The bus signal definitions closely follow those of an 8080 microprocessor system, since the Intel 8080 microprocessor was the first microprocessor hosted on the S 100 bus. The 100 lines of the S 100 bus can be grouped into four types: 1) Power, 2) Data, 3) Address, and 4) Clock and control. Power supplied on the bus is bulk unregulated +8 Volt DC and ±16 Volt DC, designed to be regulated on the cards to +5 V (used by TTL ICs), 5 V and +12 V for Intel 8080 CPU IC, ±12 V RS 232 line driver ICs, +12 V for disk drive motors. The onboard voltage regulation is typically performed by devices of the 78xx family (for example, a 7805 device to produce +5 volts). These are linear regulators which are commonly mounted on heat sinks. The bi directional 8 bit data bus of the Intel 8080 is split into two unidirectional 8 bit data buses. The processor could use only one of these at a time. The Sol 20 used a variation that had only a single 8 bit bus and used the now unused pins as signal grounds to reduce electronic noise. The direction of the bus, in or out, was signaled using the otherwise unused DBIN pin. This became universal in the S 100 market as well, making the second bus superfluous. Later, these two 8 bit buses would be combined to support a 16 bit data width for more advanced processors, using the Sol's system to signal the direction. The address bus is 16 bits wide in the initial implementation and later extended to 24 bits wide. A bus control signal can put these lines in a tri state condition to allow direct memory access. The Cromemco Dazzler, for example, is an early S 100 card that retrieved digital images from memory using direct memory access. Clock and control signals are used to manage the traffic on the bus. For example, the DO Disable line will tristate the address lines during direct memory access. Unassigned lines of the original bus specification were later assigned to support more advanced processors. For example, the Zilog Z 80 processor has a non maskable interrupt line that the Intel 8080 processor does not. One unassigned line of the S 100 bus then was reassigned to support the non maskable interrupt request.

История

Во время проектирования Altair необходимое для создания работоспособной машины аппаратное обеспечение не было доступно к дате запуска в январе 1975 года. У разработчика Эда Робертса также была проблема с чрезмерно большим размером системной платы. Пытаясь избежать этих проблем, он разместил имеющиеся компоненты в корпусе с дополнительными "слотами", чтобы отсутствующие компоненты можно было установить позже, когда они станут доступны. Системная плата разделена на четыре отдельные карты, а процессор расположен на пятой. Затем он искал недорогой источник разъемов и обнаружил партию военных излишков – 100-контактных краевых разъемов. 100-контактная шина была создана анонимным чертежником, который выбрал разъем из каталога компонентов и произвольно присвоил имена сигналам группам контактов разъема. После выхода Altair в 1975 году последовала стремительно развивающаяся индустрия "клонов". Большинство из них использовали ту же схему шины, что и Altair, создав новый отраслевой стандарт. Эти компании были вынуждены называть систему "шина Altair" и хотели использовать другое название, чтобы избежать упоминания конкурента при описании своей собственной системы. Название "S 100", сокращение от "Standard 100", было придумано Гарри Гарландом и Роджером Меленом, соучредителями Cromemco. Во время перелета на конференцию по микрокомпьютерам PC '76 в Атлантик-Сити в августе 1976 года они разделили салон самолета с Бобом Маршем и Ли Фелсенштейном из Processor Technology. Мелен подошел к ним, чтобы убедить принять это название. У него в руке было пиво, и когда самолет попал в зону турбулентности, Мелен пролил немного пива на Марша. Марш согласился использовать название, что Мелен объясняет желанием Марша избавиться от Мелена с его пивом. Термин впервые появился в печати в рекламе Cromemco в ноябрьском выпуске журнала Byte в 1976 году. Первый симпозиум по шине S 100, модерируемый Джимом Уорреном, состоялся 20 ноября 1976 года в Diablo Valley College с участием Гарри Гарланда, Джорджа Морроу и Ли Фелсенштейна. Всего через год шина S 100 была описана как "самый распространенный шинный стандарт, когда-либо разработанный в компьютерной индустрии". Cromemco была крупнейшим производителем S 100, за ней следовали Vector Graphic и North Star Computers. Среди других новаторов были компании Alpha Microsystems, IMS Associates, Inc., Godbout Electronics (позже CompuPro) и Ithaca InterSystems. В мае 1984 года Microsystems опубликовала подробный каталог продукции S 100, в котором было перечислено более 500 продуктов "S 100/IEEE 696" от более чем 150 компаний. Сигналы шины S 100 было легко реализовать с использованием процессора 8080, но их создание становилось все более сложным при использовании других процессоров, таких как 68000. Больше места на плате занималась логика преобразования сигналов. Тем не менее, к 1984 году в шине S 100 использовалось одиннадцать различных процессоров, от 8-битного Intel 8080 до 16-битного Zilog Z 8000.

During the design of the Altair, the hardware required to make a usable machine was not available in time for the January 1975 launch date. The designer, Ed Roberts, also had the problem of the backplane taking up too much room. Attempting to avoid these problems, he placed the existing components in a case with additional "slots", so that the missing components could be plugged in later when they became available. The backplane is split into four separate cards, with the CPU on a fifth. He then looked for an inexpensive source of connectors, and he came across a supply of military surplus 100 pin edge connectors. The 100 pin bus was created by an anonymous draftsman, who selected the connector from a parts catalog and arbitrarily assigned signal names to groups of connector pins. A burgeoning industry of "clone" machines followed the introduction of the Altair in 1975. Most of these used the same bus layout as the Altair, creating a new industry standard. These companies were forced to refer to the system as the "Altair bus", and wanted another name in order to avoid referring to their competitor when describing their own system. The "S 100" name, short for "Standard 100", was coined by Harry Garland and Roger Melen, co founders of Cromemco. While on a flight to attend the Atlantic City PC '76 microcomputer conference in August 1976, they shared the cabin with Bob Marsh and Lee Felsenstein of Processor Technology. Melen went over to them to convince them to adopt the same name. He had a beer in his hand and when the plane hit a bump, Melen spilt some of the beer on Marsh. Marsh agreed to use the name, which Melen ascribes to him wanting to get Melen to leave with his beer. The term first appeared in print in a Cromemco advertisement in the November 1976 issue of Byte magazine. The first symposium on the S 100 bus, moderated by Jim Warren, was held November 20, 1976 at Diablo Valley College with a panel consisting of Harry Garland, George Morrow, and Lee Felsenstein. Just one year later, the S 100 Bus would be described as "the most used busing standard ever developed in the computer industry." Cromemco was the largest of the S 100 manufacturers, followed by Vector Graphic and North Star Computers. Other innovators were companies such as Alpha Microsystems, IMS Associates, Inc., Godbout Electronics (later CompuPro), and Ithaca InterSystems. In May 1984, Microsystems published a comprehensive S 100 product directory listing over 500 "S 100/IEEE 696" products from over 150 companies. The S 100 bus signals were simple to create using an 8080 CPU, but increasingly less so when using other processors like the 68000. More board space was occupied by signal conversion logic. Nonetheless by 1984, eleven different processors were hosted on the S 100 bus, from the 8 bit Intel 8080 to the 16 bit Zilog Z 8000.

Стандарт IEEE-696

По мере того, как шина S 100 набирала популярность, возникла необходимость в разработке формальной спецификации шины для обеспечения совместимости продуктов, выпускаемых разными производителями. Также появилась потребность расширить шину, чтобы она могла поддерживать процессоры, более производительные, чем Intel 8080, использовавшийся в оригинальном компьютере Altair. В мае 1978 года Джордж Морроу и Говард Фуллмер опубликовали «Предлагаемый стандарт для шины S 100», отметив, что 150 поставщиков уже предлагали продукты для шины S 100. В этом предложенном стандарте были описаны 8-битная шина данных и 16-битная шина адреса, а также указывалось, что рассматривается возможность расширения шины данных до 16 бит и шины адреса до 24 бит. В июле 1979 года Келлс Элмквист, Говард Фуллмер, Дэвид Густавсон и Джордж Морроу опубликовали «Стандартную спецификацию для устройств интерфейса шины S 100». В этой спецификации шина данных была расширена до 16 бит, а шина адреса – до 24 бит. Рабочая группа IEEE 696 под председательством Марка Гаретца продолжила разработку спецификации, которая была предложена в качестве стандарта IEEE и одобрена IEEE Computer Society 10 июня 1982 года. Американский национальный институт стандартов (ANSI) утвердил стандарт IEEE 8 сентября 1983 года. Структура компьютерной шины, разработанная Эдом Робертсом для компьютера Altair 8800, была расширена, тщательно задокументирована и теперь получила обозначение как американский национальный стандарт IEEE Std 696–1983. С ростом популярности продуктов IBM PC, компьютеры S 100 перешли в сегмент более мощных OEM-систем и многопользовательских систем. Например, для обработки сделок на Чикагской товарной бирже использовались блоки компьютеров, подключенных к шине S 100; ВВС США использовали компьютеры на шине S 100 для своих систем планирования операций. Однако на протяжении 1980-х годов рынок компьютеров на шине S 100 для любителей, для личного использования и даже для малого бизнеса приходил в упадок. Рынок продуктов для шины S 100 продолжал сокращаться в начале 1990-х годов по мере повышения производительности компьютеров, совместимых с IBM. В 1992 году, например, Чикагская товарная биржа заменила свои компьютеры на шине S 100 на модели IBM PS/2. К 1994 году индустрия шины S 100 сократилась настолько, что IEEE не сочла необходимым продолжать поддержку стандарта IEEE 696. Стандарт IEEE 696 был снят с поддержки 14 июня 1994 года.

As the S 100 bus gained momentum, there was a need to develop a formal specification of the bus to help assure compatibility of products produced by different manufacturers. There was also a need to extend the bus so that it could support processors more capable than the Intel 8080 used in the original Altair Computer. In May 1978, George Morrow and Howard Fullmer published a “Proposed Standard for the S 100 Bus” noting that 150 vendors were already supplying products for the S 100 Bus. This proposed standard documented the 8 bit data path and 16 bit address path of the bus and stated that consideration was being given to extending the data path to 16 bits and the address path to 24 bits. In July 1979 Kells Elmquist, Howard Fullmer, David Gustavson, and George Morrow published a "Standard Specification for S 100 Bus Interface Devices." In this specification the data path was extended to 16 bits and the address path was extended to 24 bits. The IEEE 696 Working Group, chaired by Mark Garetz, continued to develop the specification which was proposed as an IEEE Standard and approved by the IEEE Computer Society on June 10, 1982. The American National Standards Institute (ANSI) approved the IEEE standard on September 8, 1983. The computer bus structure developed by Ed Roberts for the Altair 8800 computer had been extended, rigorously documented, and now designated as the American National Standard IEEE Std 696–1983. As the IBM PC products captured the low end of the market, S 100 machines moved up scale to more powerful OEM and multiuser systems. Banks of S 100 bus computers were used, for example, to process the trades at the Chicago Mercantile Exchange; the United States Air Force deployed S 100 bus machines for their mission planning systems. However throughout the 1980s the market for S 100 bus machines for the hobbyist, for personal use, and even for small business was on the decline. The market for S 100 bus products continued to contract through the early 1990s, as IBM compatible computers became more capable. In 1992, the Chicago Mercantile Exchange, for example, replaced their S 100 bus computers with the IBM model PS/2. By 1994 the S 100 bus industry had contracted sufficiently that the IEEE did not see a need to continue supporting the IEEE 696 standard. The IEEE 696 standard was retired on June 14, 1994.