Estructura del BUS ISA 8/16 bits

El BUS clásico de un PC (ISA BUS) se compone de dos partes:

La clásica de 8 bits, perteneciente a los PC, XT y AT. La extensión de 16 bits de los AT.

Entre ambos forman el bus ISA que todos los ordenadores PC actuales poseen (no confundir con VESA o PCI, siendo el primero una tercera ampliación del bus ISA de 8 bits y el PCI un bus totalmente diferente).

Estructura del BUS de 8 bits PC, XT y AT:

                                --------
                       Tierra -|B1    A1|- -I/O CH CHK (NMI)
                   +Reset DRV -|B2    A2|- +D7
                          +5V -|B3    A3|- +D6
                        +IRQ2 -|B4    A4|- +D5
                          -5V -|B5    A5|- +D4
                        +DRQ2 -|B6    A6|- +D3
                         -12V -|B7    A7|- +D2
                  -CARD SLCTD -|B8    A8|- +D1
                         +12V -|B9    A9|- +D0
                       Tierra -|B10  A10|- +I/O CH RDY
                        -MEMW -|B11  A11|- +AEN
                        -MEMR -|B12  A12|- +A19
                         -IOW -|B13  A13|- +A18
                         -IOR -|B14  A14|- +A17
                       -DACK3 -|B15  A15|- +A16
                        +DRQ3 -|B16  A16|- +A15
                       -DACK1 -|B17  A17|- +A14
                        +DRQ1 -|B18  A18|- +A13
                -DACK0 (MREF) -|B19  A19|- +A12
                          CLK -|B20  A20|- +A11
                        +IRQ7 -|B21  A21|- +A10
                        +IRQ6 -|B22  A22|- +A9
                        +IRQ5 -|B23  A23|- +A8
                        +IRQ4 -|B24  A24|- +A7
                        +IRQ3 -|B25  A25|- +A6
                       -DACK2 -|B26  A26|- +A5
                          +TC -|B27  A27|- +A4
                         +ALE -|B28  A28|- +A3
                          +5V -|B29  A29|- +A2
                         +OSC -|B30  A30|- +A1
                       Tierra -|B31  A31|- +A0
                                --------

Extensión AT de 16 Bit:

                                --------
                    -MEM CS16 -|D1    C1|- SBHE
                    -I/O CS16 -|D2    C2|- A23
                        IRQ10 -|D3    C3|- A22
                        IRQ11 -|D4    C4|- A21
                        IRQ12 -|D5    C2|- A20
                        IRQ15 -|D6    C6|- A19
                        IRQ14 -|D7    C7|- A18
                       -DACK0 -|D8    C8|- A17
                         DRQ0 -|D9    C9|- -MEMR
                       -DACK5 -|D10  C10|- -MEMW
                         DRQ5 -|D11  C11|- D8
                       -DACK6 -|D12  C12|- D9
                         DRQ6 -|D13  C13|- D10
                       -DACK7 -|D14  C24|- D11
                         DRQ7 -|D15  C15|- D12
                          +5V -|D16  C16|- D13
                      -Master -|D17  C17|- D14
                       Tierra -|D18  C18|- D15
                                --------

La numeración empieza desde la parte posterior de la máquina.

Todas las señales del BUS ISA emplean niveles TTL estándar.

La entrada y la salida es con respecto a la CPU.

E/S significa entrada/salida.

Tabla de interrupciones hardware

Las interrupciones están ordenadas por orden de prioridad.

Puerto paralelo (impresora)

Conector (en el PC):

Características básicas de los puertos paralelos estándares:

Puertos de impresora empleados:

• Puerto 3BC, salida de datos (legible)

 ¦7¦6¦5¦4¦3¦2¦1¦0¦  puertos 278, 378, 3BC
  ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +---- dato bit 0, hardware pin 2
  ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +----- dato bit 1, hardware pin 3
  ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +------ dato bit 2, hardware pin 4
  ¦ ¦ ¦ ¦ +------- dato bit 3, hardware pin 5
  ¦ ¦ ¦ +-------- dato bit 4, hardware pin 6
  ¦ ¦ +--------- dato bit 5, hardware pin 7
  ¦ +---------- dato bit 6, hardware pin 8
  +----------- dato bit 7, hardware pin 9

• Puerto 3BD, registro de estado (puerto paralelo de impresora)

 ¦7¦6¦5¦4¦3¦2¦1¦0¦  puertos 279, 379, 3BD
  ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +---- 1 = time-out
  ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +------- no empleado
  ¦ ¦ ¦ ¦ +-------- 1 = error, pin 15
  ¦ ¦ ¦ +--------- 1 = en linea (on-line),  pin 13
  ¦ ¦ +---------- 1 = sin papel,  pin 12
  ¦ +----------- 0 = datos recibidos,  pin 10
  +------------ 0 = ocupado,  pin 11

• Puerto 3BE registro de control (puerto paralelo de impresora)

 ¦7¦6¦5¦4¦3¦2¦1¦0¦  puertos 27A, 37A, 3BE
  ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +---- 1 = impulso de transmisión de datos,  (pin 1)
  ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +----- 1 = avanzar línea tras imprimir una,  (pin 14)
  ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +------ 0 = inicializar impresora,  (pin 16)
  ¦ ¦ ¦ ¦ +------- 1 = aceptación de datos transmitidos,  (pin 17)
  ¦ ¦ ¦ +-------- 0 = IRQ deshabilitado,1=IRQ habilitado para ACK
  +------------- no empleado

Puerto Serie

Conector de 25 pin (en el PC):

Conector de 9 pin (en el PC):

• Voltajes máximos entre -15V y +15V.

• Salidas binarias entre +5V a +15V y -5V a -15V.

• Entradas binarias entre +3V a +15V y -3V a -15V.

• Voltajes de entrada entre -3V a +3V y voltajes de salida entre -5V a +5V son indefinidos.

• Voltajes positivos indican ON o ESPACIO, voltajes negativos indican OFF o MARCA.

Puerto de juegos (joystick)

Conector en el PC:

Acceso a través del puerto 201h:

¦7¦6¦5¦4¦3¦2¦1¦0¦  Puerto 201h
¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +---- joystick a, coord x (0 = temporización activa)
¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +----- joystick a, coord y (0 = temporización activa)
¦ ¦ ¦ ¦ ¦ +------ joystick b, coord x (0 = temporización activa)
¦ ¦ ¦ ¦ +------- joystick b, coord y (0 = temporización activa)
¦ ¦ ¦ +-------- joystick a, botón 1 (0=pulsado)
¦ ¦ +--------- joystick a, botón 2 (0=pulsado)
¦ +---------- joystick b, botón 1 (0=pulsado)
+----------- joystick b, botón 2 (0=pulsado)

• Los bits 3-0 son entradas resistivas con una longitud de pulso determinada por una carga resistiva de 0-100K ohm. Emplear la fórmula:

tiempo = 24.2u + ( 0.011u * resistencia )
o
resistencia = ( tiempo - 24.2 ) / 0.011

• Una lectura debe ser inmediatamente precedida por una escritura (cualquier dato) para comenzar la temporización del valor resistivo.

Introducción al estándar IEE 1284-1994

Este estándar proporciona una comunicación bidireccional de alta velocidad entre un PC y un periférico externo, estableciendo una comunicación entre 50 y 100 veces más rápida que el original puerto paralelo. Por supuesto es totalmente compatible con todos los periféricos existentes para puertos paralelos.

El estándar 1284 define 5 modos de transferencia de datos. Cada modo proporciona un método de transferencia de datos hacia el exterior (PC a periférico), hacia el interior (periférico a PC) o bidireccional (dúplex).

Los modos definidos son:

• Sólo hacia el exterior: modo de compatibilidad "centronics" o modo estándar.

• Sólo hacia el interior:

• Modo nibble, 4 bits a un tiempo empleando las líneas de estado para datos.

• Modo byte, 8 bits a un tiempo empleando líneas de datos, a veces referido como puerto bidireccional. Este modo sólo lo soportan los ordenadores de IBM (PS/2).

• Bidireccional:

• EPP (Enhaced Parallel Port), empleado por periféricos como CD-ROM, cintas, discos duros, adaptadores de red, etc.

• ECP (Extended Capability Port), empleado por la nueva generación de impresoras y scanners.

Todos los puertos paralelos pueden implementar un enlace bidireccional empleando los modos "compatible" y "nibble" para transferencia de datos. El modo byte puede ser empleado por el 25% de los puertos paralelos (aproximadamente). Estos tres modos hacen uso intensivo del software para la transferencia y limitan ésta a ratios de 50 a 100 Kbytes por segundo.

Los modos EPP y ECP están siendo implementados en la mayoría de los últimos controladores de E/S. Estos modos emplean hardware para asistir la transferencia de datos. Por ejemplo, en el modo EPP un byte de datos puede ser transferido al periférico con una simple instrucción OUT. El controlador de E/S se encarga de gestionar toda la transferencia.

En conjunto, el estándar 1284 proporciona lo siguiente:

• 5 modos de operación para transferencia de datos.

• Un método para determinar por parte del periférico y el controlador los modos soportados y negociar el modo requerido.

• Las interfaces físicas (cables y conectores).

• La interfaz eléctrica (conductores, receptores, terminaciones e impedancia).

Modo EPP

El protocolo de puerto paralelo mejorado (EPP) fue originalmente desarrollado por Intel, Xircom y Zenith Data Systems, como una forma de proporcionar un enlace por puerto paralelo de alto rendimiento que pudiera seguir siendo compatible con el puerto paralelo estándar.

Este protocolo compatible fue implementado por Intel en el chipset 386SL (chip I/O 82360). Esto sucedió antes del establecimiento del comité IEE 1284 y que los estándar asociados funcionasen.

El protocolo EPP ofrece muchas ventajas a los periféricos que lo utilicen y fue rápidamente adoptado por muchos como un método opcional de transferencia de datos. Una gran asociación de 80 empresas interesadas fue formada para desarrollar y promover el protocolo EPP. Esta asociación se denominó el comité EPP y fue el instrumento empleado para adoptar este protocolo como uno de los modos avanzados del IEE 1284.

Desde que los primeros puertos con capacidad EPP estuvieron disponibles antes del lanzamiento del estándar 1284, hay una pequeña desviación entre las primeras versiones (pre-1284 EPP) y el protocolo definitivo. Esto será aclarado más tarde.

El protocolo EPP proporciona cuatro tipos de ciclos de transferencia:

• Ciclo de escritura de datos.

• Ciclo de lectura de datos.

• Ciclo de escritura de dirección.

• Ciclo de lectura de dirección.

Los ciclos de datos pretenden ser empleados para transferir datos entre el ordenador y el periférico. Los ciclos de dirección deben ser empleados para pasar direcciones, canales, o comandos e información de control. Estos ciclos pueden verse como dos ciclos diferentes de datos. El desarrollador debe emplear y manejar las direcciones/datos de forma que el método tenga sentido para el diseño en particular. La siguiente tabla describe las señales EPP y sus asociadas señales SPP:

Tabla 1 – Definición de señales EPP

Fases de un ciclo de escritura de datos:

1. El programa ejecuta un ciclo de escritura de e/s al puerto 4 (Puerto de datos EPP).

2. La línea nWrite es activada y los datos son sacados al puerto paralelo.

3. El dato strobe es activado, mientras que nWAIT es desactivado.

4. El puerto espera el reconocimiento del periférico (nWAIT desactivado).

5. El dato strobe es desactivado y el ciclo EPP finaliza.

6. El ciclo de E/S ISA finaliza.

7. NWAIT es desactivado para indicar que el próximo ciclo puede comenzar.

Una de las más importantes características a resaltar es que la transferencia de datos ocurre sin el ciclo ISA de e/s. La consecuencia es que empleando el protocolo EPP un sistema puede alcanzar ratios desde 500K a 2M bytes por segundo. En estas condiciones, un periférico por puerto paralelo puede operar a los mismos niveles de rendimiento que una tarjeta ISA equivalente. La habilidad para alcanzar este nivel de rendimiento de un puerto paralelo es una de las mayores ventajas del protocolo EPP.

Con señales de control, la transferencia puede suceder a la velocidad más lenta de las interfaces, los adaptadores de red o los dispositivos periféricos. Esta propiedad de adaptación a la velocidad es transparente tanto para el ordenador como para el periférico. Todos los modos de transferencia del 1284 están implementados con señales de control.

Como se mencionó anteriormente, los dispositivos EPP pre-12844 se desviaron del protocolo 1284. Al principio del ciclo, nDataStrobe o nAddrStrobe deberían conceder prioridad al estado de la señal nWAIT. Esto significa que el periférico no puede mantener cerrado el comienzo del ciclo manteniendo nWAIT desactivado. Esto es denominado en la mayoría de las ocasiones como EPP 1.7, en referencia a la versión 1.7 de Xircom. Esta es la versión que Intel implementó en el original controlador de e/s 82360. Un periférico compatible 1284 EPP trabajará correctamente con un adaptador EPP 1.7, pero un periférico EPP 1.7 puede no operar correctamente con una interfaz 1284.

Composición del registro EPP

La visión más simple a nivel de software del EPP es que es una extensión de las definiciones del registro estándar para puerto paralelo. A grosso modo el SPP consiste en tres registros, que parten de la dirección del puerto base estándar: Puerto de datos, puerto de estado, y puerto de control. La mayoría de las implementaciones EPP expanden esto para emplear puertos no definidos por el SPP. Vea la tabla 2.

Tabla 2 Composición de Registros EPP

Generando una simple instrucción de escritura a E/S hacia "dirección base + 4", el controlador EPP generará las señales de control necesarias y esperas para transferir el dato empleando un ciclo de escritura EPP. Las instrucciones de E/S a las direcciones base, puertos 0 a 2, causarán el mismo efecto que en un puerto estándar paralelo. Esto garantiza compatibilidad con el puerto paralelo estándar y sus periféricos. Los ciclos de dirección son generados cuando las operaciones de lectura o escritura a E/S son a "dirección base + 3".

Modo ECP

Este modo es muy similar al EPP. La mayor diferencia es que emplea compresión de datos mediante algoritmo RLE, por lo que se hace ideal para la comunicación con impresoras láser y scanners.

No entraremos a detallar este modo, ya que no es muy empleado salvo en los mencionados periféricos.

Negociación del modo 1284 a emplear

Los periféricos no tienen porqué implementar todos los modos de transferencia. Por tanto, se necesita un método para determinar las posibilidades del periférico conectado y una forma de situarlo en uno de esos modos.

El concepto de negociación fue desarrollado para esta necesidad. La negociación es una secuencia de eventos en la interfaz del puerto paralelo que no influyen en antiguos dispositivos, pero proporcionan la posibilidad de identificar un periférico 1284 y que este responda para poder situarlo en un modo soportado.

Durante la fase de negociación, el ordenador hace una llamada en las líneas de datos y comienza la secuencia de negociación. La llamada puede ser para colocar el interfaz en un modo particular, o para preguntar al dispositivo su identificación. Los identificativos serán tratados más tarde.

El byte de extensión es empleado durante la negociación para situar al periférico en un determinado modo de transferencia, o para pedir que el periférico mande su identificativo y así permitir identificar el tipo de periférico conectado. El identificativo puede ser retornado en cualquier modo de canal inverso que no sea el EPP. La tabla 3 describe el byte de extensión y sus posibles valores. Un nivel alto (Xflag) es empleado por el periférico para dar conocimiento de que el modo solicitado está disponible. El nivel debe estar siempre alto como conocimiento afirmativo para todas las peticiones salvo para el modo Nibble de canal inverso. Todos los dispositivos compatibles 1284 deben soportar el modo Nibble de canal inverso. La petición de enlace extendido es empleada para proporcionar una forma de futura expansión y adicionales nuevos modos de operación y características.

Tabla 3 – Valores del byte de extensión

Fases de la negociación 1284:

1. El ordenador sitúa el byte de extensión pedido en las líneas de datos.

2. El ordenador entonces sitúa nSelectIn a nivel alto y nAutoFeed bajo para indicar una secuencia de negociación.

3. Un periférico 1284 responde situando nAck bajo, y nError, PE y Select alto. Un periférico no-1284 no respondería.

4. El ordenador situa nStrobe bajo. Esto es empleado para introducir el byte de extensión en el periférico.

5. El ordenador entonces coloca nStrobe y nAutoFeed a nivel alto para señalar al periférico que lo reconoce como un dispositivo 1284.

6. El periférico responde situando PE a nivel bajo, nError bajo si posee un canal de datos reversible disponble, y Select alto si el modo pedido está disponible, o Select bajo si el modo requerido no está disponible.

7. El periférico ahora activa nAck a nivel alto para indicar que la secuencia de negociación ha finalizado y las líneas de señal están situadas de forma compatible con el modo requerido.

Conectores

El estándar identifica tres tipos de conectores para el interfaz 1284:

• 1284 Tipo A: 25 pin DB25.

• 1284 Tipo B: 36 conductor, .085 (conector champ).

• 1284 Tipo C: 36 conductor, .050 (conector mini).

Asignación de puertos de e/s en el PC

NOTA: sólo las primeras 10 líneas de dirección son empleadas para operaciones de e/s. Esto nos limita el espacio direccionable para e/s desde la dirección 000 (hexadecimal) hasta la 3FF. Algunos sistemas permiten emplear 16 bits para direccionar e/s, pero están limitados debido a que algunas tarjetas sólo decodifican 10 de esos 16 bits.

Las tarjetas Soundblaster suelen emplear los puertos de e/s 220-22F.

Las tarjetas de adquisición de datos emplean frecuentemente las direcciones 300-31F.

Diagrama de tiempos de acceso a memoria o e/s de 8 bits

Se muestran 4 ciclos de espera (W1 a W4):

                  __     __     __    __     __     __     __
CLK           ___|  |___|  |___|  |__|  |___|  |___|  |___|  |__
                               W1    W2     W3     W4
                      __
ALE           _______|  |_______________________________________



AEN           __________________________________________________

                        ______________________________________
A0-A19        ---------<______________________________________>-


              _____________                                _____
Línea de comando           |______________________________|
(IOR,IOW,
MEMR, o MEMW)
                                                      _____
D0-D7         ---------------------------------------<_____>----
(Lectura)

                        ___________________________________
D0-D7         ---------<___________________________________>----
(Escritura)

ALE se pone a nivel lógico alto (1) y la dirección aparece en A0 a A19. El dispositivo esclavo debe leer la dirección durante el flanco de bajada de ALE, y la dirección en A0 a A19 permanece válida hasta el final del ciclo de transferencia. Notar que AEN permanece a nivel bajo durante todo el ciclo de transferencia.

La línea de comando es puesta a nivel bajo (IOR o IOW para e/s, MEMR p MEMW para memoria, lectura y escritura respectivamente). Para operaciones de escritura, los datos permanecen en D0 a D7 hasta el resto del ciclo de transferencia. Para operaciones de lectura, los datos deben ser válidos en el flanco de bajada del último ciclo.

CARD SLCTD se emplea en la mitad de cada ciclo de espera. Si está a nivel bajo, el ciclo de transferencia termina sin más ciclos de espera. I/O CHRDY se emplea en la primera mitad de cada ciclo de espera. Si está a nivel bajo, más ciclos de espera serán introducidos.

Por defecto el ciclo de transferencia de 8 bits posee 4 ciclos de espera. La mayoría de las BIOS del ordenador pueden cambiar el número de ciclos de espera.

Diagrama de tiempos de acceso a memoria o e/s de 16 bits

Se muestra 1 ciclo de espera:

                  __     __     __    __     __     __
CLK           ___|  |___|  |___|  |__|  |___|  |___|  |_


AEN [2]       __________________________________________

                      _____________
A17-A23       -------<_____________>-[1]-----------------

                             __
ALE           ______________|  |________________________

             ________________                    _______
SBHE                         |__________________|

                              __________________
A0-A19       ---------------<__________________>-------

             _________________      ____________________
MEM CS16                      |____|
                               *  * [4]

             _________________               ___________
I/O CS16 [3]                  |_____________|
                                        *

              _________________              ___________
Linea de comando               |____________|
(IOR,IOW,
MEMR, o MEMW)
                                          ____
D0-D7         ---------------------------<____>---------
(Lectura)

                                ______________
D0-D7         -----------------<______________>---------
(Escritura)

Un asterisco (*) indica el punto donde la señal es tomada.

[1] La porción de direccionamiento del bus de extensión de 16 bits para el siguiente ciclo puede ser puesto ahora en el bus. Esto se emplea para que las tarjetas puedan comenzar a decidificar la dirección más rápidamente. Para ello el este tipo de acceso debe estar activado (pipeline).

[2] AEN se mantiene bajo durante todo el ciclo de transferencia, indicando que un ciclo normal (no DMA) está produciéndose.

[3] Algunos controladores de bus presentan esta señal durante el mismo ciclo de reloj que MEM CS16, en vez de durante el primer ciclo de espera, como se muestra en el diagrama. En este caso, I/O CS16 necesita ser puesto a nivel bajo tan pronto como la dirección ha sido decodificada, lo sual sucede antes que la activación de las líneas de comando.

[4] MEM CS16 es tomada una segunda vez, en caso que el adaptador no active la señal a tiempo durante la primera vez (normalmente debido a que el dispositivo no está monitorizando el bus de 16 bits para tomar el direccionamieto rápido, o está esperando al flanco de bajada de la señal ALE).

Las transferencias de 16 bits siguen los mismos tiempos básicos que las transferencias de 8 bits. Un direccionamiento válido debe aparecer en el bus de extensión de 16 bits antes del comienzo del ciclo de transferencia, De lo contrario el bus extendido de 16 bits no es direccionado, y no es válido para el resto del ciclo de transferencia (en la mayoría de los ordenadores). El bus extendido de 16 bits debería ser direccionado en el flanco de bajada de ALE. Hay que mencionar que en algunos sistemas, el bus extendido de 16 bits sigue los mismos tiempos que el bus de 8 bits. En ambos sistemas, una dirección válida debe estar presente en el bus en el flanco de bajada de ALE.

Las tarjetas de expansión de e/s no necesitan monitorizar el bus extendido de 16 bits o ALE, ya que el espacio de direccionamiento de e/s siempre está dentro del rango del bus de 8 bits.

SBHE será puesta a nivel bajo por la placa base, y la tarjeta de expansión debe responder con I/O CS16 o MEM CS16 en el momento apropiado, o realizar dos transferencias separadas de 8 bits. Muchos sistemas esperan a I/O CS16 o MEM CS16 antes que las líneas de comandos sean válidas. Esto requiere que I/O CS16 o MEM CS16 sean puestas a nivel bajo tan pronto como la dirección sea decodificada (antes que se sepa si el ciclo es de e/s o memoria). Si el sistema comienza un ciclo de memoria, ignorará I/O CS16 (y viceversa para ciclos de e/s con MEM CS16).

Para operaciones de lectura, los datos son tomados en el flanco de subida del último ciclo de reloj. Para operaciones de escritura, los datos válidos aparecen en el bus antes del final del ciclo, como es mostrado en el diagrama de tiempos. Mientras que el diagrama indica que los datos necesitan ser tomados en el flanco de subida, en la mayoría de los sistemas permanecen válidos durante todo el ciclo de reloj.

Para transferencias de 16 bits se toma por defecto un tiempo de espera de 1 ciclo de reloj. Esto puede ser acortado o alargado de la misma forma que las transferencias de 8 bits, mediante las señales CARD SLCTD y I/O CHRDY. Mucho sistemas solo permiten dispositivos de memoria de 16 bits (y no dispositivos de e/s) para transferir empleando 0 ciclos de espera (CARD SLCTD no tiene efecto en los ciclos de e/s de 16 bits).

Las señales MEMR/MEMW presentes en el bus de 16 bits siguen los mismos tiempos que las presentes en el bus de 8 bits cuando el direccionamiento está dentro del primer megabyte de memoria. Si el direccionamiento es mayor (por encima del primer megabyte), las señales MEMR/MEMW del bus de 8 bits permanecen a nivel alto durante el resto del ciclo.

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