Структура микропроцессорной системы

Микропроцессорная система, или микроЭВМ, - это устройство обработки данных, содержащее один или несколько микропроцессоров, БИС постоянной (ПЗУ) и оперативной памяти (ОЗУ), БИС управления вводом и выводом информации и некоторые другие схемы. Связаны эти устройства между собой по­средством системы шин. Шина - это совокупность проводников, каждый из которых предназначен для передачи соответствующего бита информации. Обрабатываемая в ПМ-системе информация вводится или выводится с помощью специальных устройств, ввода и вывода информации (дисплеи, преобразователи и др.), называемых периферийными устройствами (ПУ). Информация, необходимая в ходе функционирования МП-системы (программа и данные), хранится в ОЗУ или ПЗУ.

По принципу организации шин МП-системы подразделяются на системы с многошинной структурой и с общей шиной. При многошинной структуре для каждого способа обмена информации с периферийными устройствами используются отдельные группы шин. Другой структурой, которая используется в преимущественном большинстве МП-систем, является структура с общей (системной) шиной (ОШ). В этом случае все устройства МП-системы объединяются посредством единой общей шины, в которую входят подмножества шин для передачи данных, адресов и управляющих сигналов.

В микропроцессорных системах, организованных по принципу общей шины, обмен информацией между микропроцессором, периферийными устройствами и памятью выполняется по единому правилу. Это позволяет повысить гибкость и эффективность MП-систем, так как весь набор команд обращения к памяти может использоваться для передачи и обработки содержимого регистров периферийных устройств. Совокупность аппаратных и программных средств для соединения двух и более микропроцессорных устройств с целью обмена данными называют интерфейсом.

Типичная структура МП-системы в общей шиной приведена на рис. 1. Рассмотрим назначение отдельных функциональных устройств. Микропроцессор реализует функции обработки информации и управления в соответствии с заданной программой. Запоминающие устройства служат для хранения различной информации: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), допускающее только считывание информации; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), в котором могут храниться выполняемая программа, данные и результаты вычислений и которое допускает как запись, так и считывание.

Периферийные устройства соединяются с шинами МП-системы не непосредственно, а через контроллер обмена, в качестве которого могут применяться, например, программируемый параллельный адаптер (ППА) и программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие ПУ соответственно с передачей информации параллельным и последовательным кодом. Функции этих устройств могут изменяться программно, что обеспечивает широкий диапазон их применения.

Рис. 1. Типичная структура микропроцессорной системы

Периферийными устройствами ввода-вывода служат клавиатура, дисплеи, аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи и др. Аналогичные устройства используются для связи с датчиками информации, расположенными в объектах управления.

Обмен информацией между устройствами МП-системы осуществляется по общей (системной) шине (рис. 1), которая включает шину данных (ШД), двухнаправленную шину, которая в нашем примере состоит из восьми линий (D₇…D₀). По ней данные могут следовать либо в микропроцессор, либо из него. Эта особенность ШД на рис. 5.1 показана стрелкой с двумя остриями. Передача данных в определенный момент возможна только в одном направлении; шина адреса (ША) - однонаправленная, по ней информация передается только в одном направлении - от микропроцессора к устройствам памяти или ввода-вывода; шина управления (ШУ) - выполняет функции, аналогичные внутренней шине управления микропроцессора.

Сопряжение микропроцессора с общей шиной МП-системы осуществляется через буферные устройства, называемые буферами.

Рис. 2. Схема буферного устройства с тремя устойчивыми состояниями

Условная схема буфера (одной линии), имеющего три устойчивых состояния, показана на рис. 2.

Буфер имеет разрешающий вход. Когда уровень напряжения на разрешающем входе низкий, буфер работает в таком режиме, что сигнал со входа подается на выход. Если же на разрешающем входе высокий уровень, выход имеет третье состояние или состояние, отключенное от общей шины.

Применение таких буферов позволяет микропроцессору отключаться от внешних шин (шин данных и адреса), представляя их в полное распоряжение внешних устройств, а также использовать одну и ту же шину данных как для приема данных (т.е. в качестве входной шины), так и для выдачи данных (т.е. в качестве выходной шины). Такое двунаправленное использование шины данных позволяет сократить число выводов микросхемы.