S-100 Bus |
MITS |
|---|---|
| Architecture | |
Introduction
Le S-100 Bus, également appelé à l'origine Altair Bus, est l'un des premiers bus système largement adoptés dans l'histoire de la micro-informatique. Il est conçu en 1974 dans le cadre du développement du MITS Altair 8800, présenté au public dans le numéro de janvier 1975 du magazine Popular Electronics. Son nom «S-100» provient du connecteur de fond de panier comportant 100 contacts, utilisé pour relier les différentes cartes constituant l'ordinateur.
Le S-100 Bus ne doit pas être considéré uniquement comme un simple bus d'extension comparable à ISA. Dans de nombreux ordinateurs S-100, le système complet est construit autour d'un fond de panier (backplane) dans lequel sont insérées plusieurs cartes : processeur, mémoire, interfaces série, contrôleurs de disquettes, cartes vidéo ou contrôleurs spécialisés. Le bus assure donc à la fois les fonctions d'interconnexion système et d'extension.
Dans sa forme originale, le bus est étroitement inspiré des signaux du microprocesseur Intel 8080 utilisé dans l'Altair 8800. Les premières implémentations sont essentiellement orientées vers les systèmes 8 bits. À mesure que la technologie progresse, de nombreux fabricants améliorent toutefois le bus afin de prendre en charge davantage d'adresses, des transferts 16 bits, plusieurs maîtres et des systèmes multiprocesseurs. Cette évolution conduit finalement à sa normalisation sous le nom IEEE 696-1983.
Durant la seconde moitié des années 1970 et le début des années 1980, le S-100 devient un véritable standard industriel pour les micro-ordinateurs professionnels. De nombreux systèmes fonctionnant sous CP/M utilisent cette architecture, notamment des machines construites par IMSAI, Cromemco, North Star, Vector Graphic et CompuPro. Son architecture ouverte favorise l'apparition d'un vaste marché de cartes compatibles développées par de nombreux fabricants.
Spécifications générales
| Spécification | Description |
|---|---|
| Nom | S-100 Bus |
| Nom d'origine | Altair Bus |
| Origine | MITS Altair 8800 |
| Conception initiale | 1974 |
| Première diffusion publique | 1975 |
| Normalisation | IEEE 696-1983 |
| Type | Bus parallèle de fond de panier |
| Connecteur | 100 contacts |
| Architecture originale | Principalement 8 bits |
| Architecture IEEE 696 | Prise en charge étendue des systèmes 8 et 16 bits |
| Bus d'adresses original | 16 bits dans l'environnement Altair/8080 |
| Adressage IEEE 696 | Jusqu'à 24 bits |
| Mémoire adressable IEEE 696 | Jusqu'à 16 Mo |
| Bus de données IEEE 696 | Jusqu'à 16 bits |
| Maîtres multiples | Oui dans IEEE 696 |
| DMA | Oui dans les implémentations évoluées |
| Utilisation principale | Micro-ordinateurs modulaires, systèmes CP/M, systèmes professionnels |
| Successeurs pratiques | ISA, Multibus, VMEbus et autres architectures plus modernes |
Origine avec l'Altair 8800
Le S-100 Bus apparaît avec le MITS Altair 8800, conçu en 1974 et popularisé en 1975.
L'Altair n'est pas construit autour d'une carte mère intégrant tous les principaux composants comme les PC modernes.
Il utilise plutôt une organisation de ce type :
Le processeur lui-même se trouve donc sur une carte insérée dans le bus.
Cette organisation rend le système extrêmement modulaire.
Pourquoi « S-100 » ?
Le nom vient du connecteur utilisé :
- 100 contacts
Les cartes comportent un connecteur de bord avec :
- 50 contacts sur chaque face
pour un total de :
- 100 connexions électriques.
Le bus est initialement souvent appelé :
- Altair Bus
avant que le terme S-100 ne devienne progressivement le nom générique employé par l'industrie.
Architecture de fond de panier
Le S-100 utilise un :
- Backplane
ou :
- fond de panier
Le fond de panier contient plusieurs connecteurs identiques reliés électriquement en parallèle.
Chaque carte peut ainsi accéder aux lignes du bus.
Par exemple :
Cette architecture est très différente de celle des futurs PC dans lesquels le processeur, la mémoire et plusieurs contrôleurs se trouvent directement sur une carte mère.
Architecture originale 8 bits
Le bus de l'Altair est initialement conçu autour du :
- Intel 8080
un processeur 8 bits.
Les transferts de données sont donc principalement organisés autour de :
- 8 bits
Les premiers systèmes utilisent des lignes de données distinctes pour certaines opérations d'entrée et de sortie du processeur.
Cette conception initiale n'est pas particulièrement élégante : elle résulte en grande partie de la nécessité de rendre rapidement accessibles les signaux du 8080 sur un fond de panier.
Bus d'adresses original
L'Intel 8080 possède un bus d'adresses de :
- 16 bits
Cela permet d'adresser :
| 216 = 65 536 octets |
soit :
| 64 Ko |
de mémoire.
Les premiers systèmes S-100 fonctionnant avec un 8080 ou un Z80 utilisent donc généralement un espace mémoire maximal de 64 Ko directement adressable.
Cette limite provient du processeur et non du connecteur S-100 lui-même.
Évolution vers 24 bits d'adresse
Lorsque des processeurs plus puissants apparaissent, le bus est étendu.
La norme :
- IEEE 696-1983
définit notamment :
- 24 lignes d'adresse
permettant d'atteindre :
| 224 = 16 777 216 octets |
soit :
| 16 Mo |
de mémoire adressable.
Cette extension permet au S-100 de rester utilisable avec des processeurs 16 bits plus récents.
Évolution vers 16 bits
Le S-100 original est principalement un bus 8 bits.
La norme IEEE 696 introduit cependant la prise en charge de transferts :
- 16 bits
Elle permet donc au bus d'être utilisé avec des processeurs plus modernes tels que :
- Intel 8086 ;
- Intel 8088 ;
- Motorola 68000 dans certaines implémentations ;
- autres processeurs 16 bits.
Il est donc préférable d'écrire :
- S-100 original : principalement 8 bits
et :
- IEEE 696 : extension permettant notamment les systèmes 16 bits
plutôt que d'affirmer que le S-100 a toujours été un bus 16 bits.
IEEE 696-1983
La normalisation officielle intervient sous le nom :
- ANSI/IEEE Std 696-1983
La norme définit une interface utilisant un :
- fond de panier parallèle de 100 lignes
couramment appelé :
- S-100 Bus.
L'objectif est de transformer les nombreuses variantes du S-100 en une architecture mieux définie et plus cohérente.
La norme précise notamment :
- les signaux du bus ;
- le comportement des maîtres ;
- les comportements des esclaves ;
- l'arbitrage ;
- les transferts de données ;
- les extensions 16 bits ;
- l'adressage étendu.
Maître et esclave
Dans l'architecture IEEE 696, les transactions s'organisent entre :
- Bus Master
et :
- Bus Slave
Le maître démarre une opération.
L'esclave répond.
Par exemple :
Dans ce cas :
- CPU = maître
et :
- RAM = esclave
La norme IEEE décrit explicitement les communications entre maîtres et esclaves.
Plusieurs maîtres
IEEE 696 améliore considérablement la possibilité d'avoir plusieurs maîtres.
Une documentation S-100 conforme IEEE 696 décrit :
- un maître permanent ou processeur hôte ;
- jusqu'à plusieurs maîtres temporaires ;
- mécanismes d'arbitrage et de priorité.
Certaines implémentations documentent jusqu'à 16 maîtres temporaires.
Cela permet d'utiliser :
- plusieurs processeurs ;
- contrôleurs DMA ;
- coprocesseurs ;
- contrôleurs intelligents.
DMA
Le S-100 évolué permet le :
- DMA - Direct Memory Access
Un contrôleur peut transférer des données directement entre un périphérique et la mémoire.
Par exemple :
Le processeur n'a donc pas besoin de copier lui-même chaque octet.
Cela améliore fortement les performances des périphériques d'entreposage.
Interruptions
Le S-100 fournit également des lignes permettant aux cartes de générer des :
- interruptions
Un périphérique peut ainsi signaler au processeur qu'un événement nécessite son attention.
Par exemple :
Cette fonction est essentielle pour les :
- terminaux ;
- interfaces série ;
- contrôleurs de disques ;
- communications ;
- périphériques temps réel.
Alimentations
L'un des aspects inhabituels du S-100 original concerne l'alimentation électrique.
Le fond de panier fournit notamment des tensions non régulées, historiquement autour de :
- +8 V ;
- +16 à +18 V ;
- -16 à -18 V ;
selon les systèmes et implémentations.
Les cartes possèdent ensuite leurs propres régulateurs afin de produire les tensions réellement nécessaires, par exemple :
- +5 V
pour les circuits TTL.
Cette conception permettait d'utiliser des alimentations relativement simples dans le châssis, mais elle entraînait :
- davantage de chaleur sur les cartes ;
- consommation plus élevée ;
- régulateurs individuels nécessaires ;
- risques électriques plus importants.
Cartes processeur
L'une des particularités du S-100 est que le processeur peut être lui-même installé sur une carte.
On trouve ainsi des cartes équipées de :
- Intel 8080 ;
- Zilog Z80 ;
- Intel 8086 ;
- Intel 8088 ;
- Motorola 68000 ;
- autres processeurs.
Cela signifie qu'un même châssis S-100 peut parfois évoluer vers une nouvelle architecture de processeur sans remplacement complet du système.
Cartes mémoire
Les premières machines utilisent des cartes mémoire relativement petites.
Par exemple :
- 1 Ko ;
- 4 Ko ;
- 8 Ko ;
- 16 Ko ;
- 32 Ko ;
- 64 Ko.
Plusieurs cartes peuvent être installées dans le même système.
Une configuration typique du milieu des années 1970 peut donc nécessiter plusieurs emplacements uniquement pour obtenir une quantité de mémoire qui paraîtrait aujourd'hui minuscule.
La carte mémoire 4K de l'Altair
L'un des composants historiques célèbres est la :
- carte mémoire dynamique 4K de MITS
Elle devait fournir :
- 4 Ko de RAM
mais elle acquiert une réputation de fiabilité médiocre.
Cette situation favorise l'arrivée de fabricants tiers proposant des cartes mémoire plus fiables.
Le marché indépendant des cartes S-100 commence alors à se développer rapidement.
Cartes série
Pour communiquer avec un terminal ou un télétype, les utilisateurs ajoutent souvent une :
- carte série
Elle peut fournir une interface :
- RS-232
permettant de connecter :
- terminal ;
- télétype ;
- modem ;
- autre ordinateur.
Ces interfaces sont particulièrement importantes puisque les premiers systèmes S-100 ne disposent pas nécessairement d'un écran et d'un clavier intégrés.
Cartes vidéo
Des cartes vidéo S-100 sont également développées.
Elles permettent de connecter :
- moniteurs vidéo ;
- terminaux ;
- téléviseurs modifiés ;
- systèmes graphiques spécialisés.
La diversité des cartes démontre l'un des grands avantages du S-100 :
- le système peut évoluer grâce à des fabricants indépendants.
Contrôleurs de disquettes
Avec l'arrivée des lecteurs de disquettes, des contrôleurs spécialisés apparaissent.
Ils jouent un rôle essentiel dans l'adoption de :
- CP/M
Le système peut ainsi utiliser :
- lecteurs 8 pouces ;
- puis lecteurs 5¼ pouces.
Cela transforme les machines S-100 de systèmes destinés principalement aux passionnés en véritables ordinateurs professionnels.
CP/M
Le système d'exploitation :
- CP/M
est étroitement associé à l'histoire du S-100.
De nombreux ordinateurs S-100 utilisant :
- Intel 8080
ou :
- Zilog Z80
fonctionnent sous CP/M.
Le S-100 devient ainsi l'une des principales plateformes matérielles de l'écosystème CP/M à la fin des années 1970 et au début des années 1980.
IMSAI 8080
L'un des ordinateurs S-100 les plus célèbres après l'Altair est :
- IMSAI 8080
commercialisé à partir de 1975.
Il reprend largement l'architecture du bus de l'Altair.
Son succès contribue à transformer le bus de MITS en un standard utilisé par plusieurs fabricants indépendants.
Cromemco
Cromemco devient également un constructeur majeur de machines et de cartes S-100.
L'entreprise développe :
- cartes processeur ;
- cartes mémoire ;
- cartes graphiques ;
- contrôleurs ;
- systèmes complets.
Ses machines S-100 sont notamment utilisées dans des environnements :
- professionnels ;
- scientifiques ;
- industriels.
North Star
North Star Computers utilise également l'écosystème S-100.
Ses machines sont particulièrement connues pour leurs :
- lecteurs de disquettes ;
- contrôleurs d'entreposage ;
- systèmes CP/M.
L'existence de nombreuses entreprises compatibles montre que le S-100 est devenu bien davantage qu'un simple bus propre à l'Altair.
CompuPro
CompuPro fait partie des constructeurs ayant fortement poussé l'évolution du S-100 vers les processeurs 16 bits.
L'entreprise développe des systèmes conformes ou proches de :
- IEEE 696
avec notamment :
- processeurs 8086 ;
- multiprocesseurs ;
- cartes mémoire importantes ;
- contrôleurs professionnels.
Les machines CompuPro représentent certaines des implémentations S-100 les plus évoluées.
Architecture ouverte
Le succès du S-100 repose largement sur son caractère relativement ouvert.
Une entreprise peut produire :
- une carte mémoire
sans fabriquer l'ordinateur entier.
Une autre peut produire :
- une carte vidéo
et une troisième :
- un contrôleur disque
Cette situation crée un écosystème dans lequel l'utilisateur peut combiner les produits de nombreux fabricants.
Ce modèle anticipe en partie l'écosystème qui apparaîtra quelques années plus tard autour de l'IBM PC.
Avantages
Les principaux avantages du S-100 sont :
- architecture très modulaire ;
- vaste choix historique de cartes ;
- possibilité de remplacer la carte processeur ;
- prise en charge de plusieurs fabricants ;
- expansion importante ;
- prise en charge du DMA dans les versions évoluées ;
- possibilité de plusieurs maîtres ;
- évolution vers les systèmes 16 bits ;
- adressage jusqu'à 24 bits avec IEEE 696 ;
- importance majeure dans l'écosystème CP/M ;
- normalisation IEEE.
Inconvénients
Le S-100 présente néanmoins plusieurs défauts :
- connecteur très long ;
- cartes relativement grandes ;
- consommation électrique importante ;
- tensions non régulées sur les premières implémentations ;
- régulateurs individuels nécessaires sur chaque carte ;
- brochage original peu élégant ;
- nombreuses variantes avant la normalisation ;
- performances limitées par rapport aux bus plus récents ;
- complexité croissante avec les processeurs modernes ;
- encombrement important des systèmes.
Le bus original avait été développé rapidement autour du 8080 et n'avait pas été conçu dès le départ comme une norme industrielle de longue durée.
S-100 contre Multibus
| Caractéristique | S-100 | Multibus |
|---|---|---|
| Origine | MITS | Intel |
| Période initiale | 1974-1975 | Années 1970 |
| Connecteur | 100 contacts | Architecture différente |
| Première orientation | Micro-ordinateurs | Industrie |
| Architecture initiale | 8 bits | 8/16 bits selon génération |
| Standard IEEE | IEEE 696 | IEEE 796 pour Multibus I |
| CP/M | Très courant | Possible |
| Systèmes industriels | Oui | Très courant |
Les deux bus appartiennent à la même période historique, mais Multibus est davantage orienté vers les systèmes industriels tandis que S-100 devient emblématique des premiers micro-ordinateurs professionnels.
S-100 contre ISA
| Caractéristique | S-100 | ISA 8 bits |
|---|---|---|
| Introduction | 1974-1975 | 1981 |
| Origine | Altair 8800 | IBM PC |
| Connecteur | 100 contacts | 62 contacts |
| Architecture initiale | 8 bits | 8 bits |
| Carte CPU sur le bus | Courante | Non |
| Fond de panier | Élément central | Carte mère |
| Système emblématique | CP/M | PC-DOS/MS-DOS |
| Normalisation | IEEE 696 | Standard industriel de fait |
| Extension 16 bits | IEEE 696 | ISA 16 bits |
ISA finit par supplanter S-100 sur le marché des ordinateurs personnels après l'essor de l'IBM PC et de ses compatibles.
Comparaison chronologique
| Bus | Apparition | Largeur initiale | Usage principal |
|---|---|---|---|
| S-100 | 1974-1975 | 8 bits | Premiers micro-ordinateurs |
| Multibus | Années 1970 | 8/16 bits | Industrie |
| Apple II Bus | 1977 | 8 bits | Apple II |
| ISA 8 bits | 1981 | 8 bits | IBM PC |
| ISA 16 bits | 1984 | 16 bits | IBM PC/AT |
| MCA | 1987 | 16/32 bits | IBM PS/2 |
| EISA | 1988 | 32 bits | Serveurs |
| PCI | 1992 | 32 bits | PC et serveurs |
Le S-100 est donc antérieur de plusieurs années à l'architecture ISA du PC.
Déclin
Au début des années 1980, plusieurs tendances réduisent progressivement l'intérêt du S-100 :
- circuits intégrés plus denses ;
- ordinateurs plus compacts ;
- cartes mères intégrant davantage de fonctions ;
- apparition de nouveaux standards ;
- succès de l'IBM PC ;
- développement du bus ISA.
Les énormes cartes S-100 et les châssis à fond de panier deviennent moins intéressants face aux PC beaucoup plus compacts.
L'écosystème S-100 décline donc rapidement au cours des années 1980, même si certains systèmes professionnels continuent d'être utilisés pendant de nombreuses années.
Importance historique
Le S-100 Bus occupe une place fondamentale dans l'histoire de la micro-informatique. Né comme une solution pragmatique pour connecter les différentes cartes du MITS Altair 8800, il devient rapidement bien plus qu'un simple élément de cette machine. L'adoption du même principe par IMSAI et de nombreux autres fabricants transforme le bus Altair en un véritable standard industriel pour les premiers micro-ordinateurs.
Son importance vient notamment de l'écosystème qu'il permet de créer. Pour la première fois à grande échelle dans le marché naissant des micro-ordinateurs, de nombreuses entreprises peuvent concevoir des cartes compatibles indépendamment du fabricant de la machine : mémoire, processeurs, interfaces série, cartes vidéo, contrôleurs de disquettes et périphériques spécialisés peuvent être combinés dans un même système.
Le S-100 joue également un rôle central dans l'essor de CP/M, qui devient l'un des principaux systèmes d'exploitation professionnels des micro-ordinateurs avant l'apparition de l'IBM PC. Les machines S-100 équipées de processeurs Intel 8080 et Zilog Z80 constituent une part importante de cet écosystème.
L'évolution vers IEEE 696-1983 montre également la capacité exceptionnelle de cette architecture à survivre au-delà de sa conception originale. Le standard normalisé étend l'adressage jusqu'à 24 bits, permet les transferts 16 bits, définit plus rigoureusement les mécanismes maître-esclave et améliore la prise en charge de plusieurs maîtres.
Même si ISA, Multibus, VMEbus puis PCI finissent par le rendre obsolète, le S-100 demeure l'un des ancêtres les plus importants des architectures d'extension ouvertes. Il contribue à établir l'idée qu'un ordinateur peut être construit autour d'un bus standard, avec des cartes provenant de nombreux fabricants indépendants - un principe qui deviendra ensuite essentiel dans l'industrie du PC.