Режимы обмена в микропроцессорной системе.

 

В процессе работы в микропроцессорной системе постоянно происходит обмен информацией между МП и внешними устройствами. При этом возможны три режима обмена:

· программно-управляемый обмен;

· обмен по инициативе ВУ с прерыванием работы МП;

· обмен между ВУ и памятью в режиме прямого доступа к памяти.

Наиболее простой — программно-управляемый обмен. В этом режиме взаимодействие МП с ВУ осуществляется по инициативе МП в процессе выполнения основной программы. Имеются ВУ двух типов: всегда готовые к обмену и не всегда готовые к обмену. В первом случае обмен осуществляется без задержки. Во втором МП вынужден ожидать готовности устройства к обмену. При этом программа не выполняется, МП ждет появления сигнала готовности ВУ к обмену, и только после его появления выполняет операцию обмена. Так как МП в это время не выполняет полезной работы, а его быстродействие гораздо выше быстродействия ВУ, такой режим обмена сопряжен с непроизводительными потерями времени.

Обмен по инициативе ВУ с прерыванием работы МП более производительный, так как время ожидания МП исключается. При своей готовности к обмену ВУ сообщает об этом МП специальным сигналом запроса прерывания. Процессор завершает выполнение текущей команды программы, выдает сигнал подтверждения прерывания и переходит к выполнению подпрограммы обмена с ВУ. Эта подпрограмма носит название подпрограммы обслуживания прерывания. Чтобы начать выполнение подпрограммы, достаточно адрес ее первой команды загрузить в ПС. Но в результате выполнения программы содержимое всех внутренних регистров MП уже не будет соответствовать тому, что было в момент прерывания Поэтому возникает необходимость сохранения состояния МП на момент прерывания в оперативной памяти, чтобы можно было вернуться к прерванной основной программе. Для этого в микропроцессорных системах используется так называемая стековая память.

Стек — это область памяти, запись в которую и считывание осуществляется по принципу «последний пришел — первый ушел». Процесс функционирования стека напоминает работу с пачкой документов, когда каждый новый документ кладется сверху пачки, т.е. самый первый по времени поступления документ оказывается в самом низу пачки и его рассмотрение происходит в последнюю очередь, в то время как последний документ рассматривается в первую очередь. Точно так же в стековую память осуществляется загрузка данных. При переходе от текущей программы к программе обслуживания прерывания содержимое некоторых адресных регистров МП заносится в стековую память автоматически. Запись содержимого остальных регистров должна быть предусмотрена в начале программы обслуживания прерывания с помощью специальных команд работы со стеком. При этом в конце программы должны стоять команды, обеспечивающие восстановление состояния регистров МП. Порядок, в котором осуществляется извлечение содержимого регистров из стековой памяти и запись его обратно в регистры, соответствует принципу «последний пришел — первый ушел».

Для работы со стековой памятью в МП есть специальный регистр — указатель стека (УС). Этот регистр всегда содержит адрес «верхней» (по аналогии со стопкой документов) загруженной ячейки стека, называемой вершиной стека. На рис.6.2 показаны процессы записи и извлечения данных из стека.

При включении слова данных в стек происходит автоматическое уменьшение содержимого УС на единицу, а при извлечении — увеличение на единицу. Таким образом, при работе со стековой памятью МП не нужно вычислять адрес ячейки памяти, так как он всегда имеется в УС.

Причиной прерывания в микропроцессорных системах может быть не только готовность медленно действующего ВУ к обмену. Прерывание может быть вызвано действиями оператора, когда возникает необходимость вмешаться в ход управляемого процесса. В режиме прерывания осуществляется также работа МП с различными технологическими устройствами и системами в случае возникновения аварийных ситуаций.

Рис. 6.2. Процессы записи данных в стек и извлечения из стека

 

Режим обмена внешнего устройства с памятью в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) используется при передаче больших объемов информации. Например, в режиме ПДП осуществляется передача информации между ОЗУ и внешней памятью. Если бы такой обмен осуществлялся под управлением МП, то каждое слово данных сначала необходимо было прочитать из памяти и поместить его в МП, и только затем из МП передать приемнику — регистру ВУ. Такой обмен потребовал бы слишком больших непроизводительных затрат времени. В режиме ПДП происходит передача данных между памятью и ВУ без участия процессора. При этом микропроцессор отключается от шин адреса и данных и весь процесс обмена осуществляется под управлением специального контроллера ПДП. Происходит временный захват системных шин со стороны ВУ, памяти и контроллера ПДП. Режим ПДП начинается с того, что ВУ сигнализирует процессору о своем «желании» начать обмен с памятью выдачей сигнала запроса захвата шин. Если процессор разрешает такой обмен, он выдает сигнал разрешения захвата, отключается от системных шин и передает управление контроллеру ПДП. В режиме ПДП выдача данных на ШД источником и считывание их с ШД приемником происходите одном цикле записи/чтения. За счет устранения одного лишнего цикла записи/чтения значительно увеличивается темп передачи данных.

 

 

Микроконтроллеры

 

Микроконтроллеры — устройства, имеющие структуру микропроцессорной системы, выполненные в виде БИС и предназначенные для решения задач управления техническими устройствами и системами. Поскольку в составе таких БИС имеются все узлы, присущие ЭВМ, они называются также однокристальными микроЭВМ.

Первые микроконтроллеры появились в 1976 г., когда в одной БИС стало возможным совместить процессор, ОЗУ, ПЗУ и порты ввода/вывода. В отличие от универсальных микроЭВМ в микроконтроллерах небольшие по размерам память и простой интерфейс для связи с внешними устройствами. Это объясняется прежде всего спецификой решаемых задач. Микроконтроллеры не используются в универсальных вычислительных системах, а предназначены для создания высокоэффективных и дешевых управляющих и регулирующих систем. Микроконтроллеры реализуют несложные алгоритмы, и для размещения программ им требуется емкость памяти, на несколько порядков меньшая, чем у микроЭВМ универсального назначения. Внешние устройства также значительно проще, а их набор существенно уже. Микроконтроллеры применяются в устройствах управления приборов, бытовой аппаратуры, автомобилей, станков, в частности, в устройствах числового программного управления.

Первый микроконтроллер, выпущенный фирмой Intel, был восьмиразрядным. В настоящее время выпускаются также 16- и 32-разрядные микроконтроллеры, но наибольшим спросом все равно пользуются восьмиразрядные (рис.6.3).

Рис.6.3. Типовая структура микроконтроллера

 

Емкость ОЗУ микроконтроллера может меняться от десятков до сотен байт. Она используется не для хранения программ, а только для временного хранения данных и промежуточных результатов, поэтому этой емкости для простых задач управления вполне достаточно. Для хранения программ служит Флэш-память, емкость которой обычно не превышает 20 кбайт. В микроконтроллере предусмотрена возможность расширения объема памяти за счет подключения внешних БИС ПЗУ и ОЗУ.

Управление работой всех узлов осуществляет центральный процессорный элемент ЦПЭ. Генератор тактовых импульсов ГТИ вырабатывает тактовые импульсы, синхронизирующие работу ЦПЭ. Их частота задается кварцем, подключаемым к внешним выводам микросхемы. ЦПЭ может работать с невысокой тактовой частотой (12...24 МГц).

Для передачи адресов и данных между ЦПЭ и всеми остальными узлами микроконтроллера служит мультиплексная шина адреса/данных. Ее разрядность определяется разрядностью обрабатываемых слов в микроконтроллере.

Средства ввода/вывода микроконтроллера представлены четырьмя параллельными портами P0...P5 и последовательным портом ввода/вывода. Через порты P0...P3 осуществляется обмен информацией с внешними устройствами по 8-разрядным шинам, при этом каждый порт обеспечивает взаимосвязь с одним устройством. Для сокращения физической ширины интерфейса (числа внешних выводов микросхемы) функции линий параллельных портов совмещены, и в разных режимах имеют разное значение. Через вход R_xD осуществляется прием данных в последовательном коде, а через выход T_xD — передача данных.

Микроконтроллер может обслуживать до пяти запросов прерывания. При этом два запроса — собственно сигналы запроса прерывания от внешних устройств, INTO и INT1 два прерывания формируются таймерами, а еще один — по сигналу на входе последовательного порта R_xD. Таймеры-счетчики, число которых для разных микроконтроллеров колеблется от одного до трех, предназначены для отработки интервалов времени или подсчета внешних синхронизирующих сигналов. Они обеспечивают синхронизацию работы микроконтроллера в системе.

Система команд микроконтроллера специально ориентирована на решение задач управления, поэтому наряду с обычными командами, характерными для всех микропроцессоров, в ней есть и некоторые специфические. Поскольку все ресурсы микропроцессорной системы — ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода находятся внутри микросхемы, то ЦПЭ при выполнении команд не требуются циклы обращения к внешним по отношению к нему микросхемам. Поэтому большинство команд — короткие, аналогичные командам микропроцессора, в которых данные находятся в регистровой памяти. Время выполнения команд зависит от тактовой частоты и при частоте 12 МГц составляет 1 мкс, некоторые команды выполняются за 2 мкс.

 

 

§6.3. Интерфейсные устройства: интерфейсы и интерфейсные