СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ
УСТРОЙСТВ. РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
Применение МП позволило создать новый класс вычислительной техники - микропроцессорные системы, обобщенная логическая структура которых приведена на рисунке 1.
Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки, часто выполняемой в виде отдельного кристалла.
Показанный на рисунке 1 МП может представлять собой или однокристальный МП с фиксированной системой команд или многокристальный МП с микропрограммным управлением.
Представленная на рисунке 1 структура отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СБИС. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями системы.
Магистральный принцип построения сопряжения модулей (интерфейс ЭВМ) предполагает наличие информационно-логической совместимости модулей, которая реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритма управления обменом, форматов команд и способа синхронизации.
Для большинства микропроцессоров характерна трехшинная структура, содержащая шину адреса (ША), двунаправленную шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Как видно из рисунка 1, типовая структура МП-системы предполагает наличие общего сопряжения для модулей памяти (постоянных и оперативных запоминающих устройств) и периферийных устройств (устройств ввода-вывода).
В качестве периферийных устройств в МП-системах используются устройства ввода с перфоленты, дисплеи, магнитофоны, гибкие и жесткие магнитные диски, телетайпы, печатающие устройства, клавиатура и т.п.
Периферийное устройство подсоединяется к шинам МП не непосредственно, а через программируемый периферийный адаптер (ППА) или программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие периферийные устройства соответственно с передачей информации параллельным или последовательным кодом. Наличие программно настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода информации в МП-системе.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) хранит системные программы, необходимые для управления процессом обработки. В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) хранятся прикладные программы, данные и результаты вычислений.
Работа МП синхронизируется тактовыми сигналами CLK, поступающими на его входы от генератора синхронизации. Схема начальной установки вырабатывает сигнал RESET (сброса) микропроцессора на основе анализа напряжений на выходе блока питания или при принудительной остановке работы МПС с ее клавиатуры.
В состав этих МПС, как правило, входят:
- шинный контролер для сопряжения устройств с системной шиной по параллельному интерфейсу;
- адаптер последовательного интерфейса для построения многопроцессорных систем или сопряжения источников и приемников сигналов, не увеличивающих нагрузку на системный интерфейс;
- специализированный процессор арифметической обработки сигналов (сопроцессор);
- ПЗУ команд и констант;
- ОЗУ операндов.
Для обеспечения работы МПС к их системному интерфейсу можно подключать устройства специализированной обработки арифметических алгоритмов, таких как быстрое преобразование Фурье, и устройства обработки аналоговых сигналов.
В состав таких устройств обработки аналоговых сигналов входят:
-аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, обеспечивающие непосредственное сопряжение цифрового устройства обработки с аналоговыми сигналами датчиков и приемников;
- система памяти ПЗУ и ОЗУ;
- буферы данных, используемые для временного хранения (буферизации) данных при передаче между устройствами;
- МП, предназначенный для цифровой обработки аналоговых сигналов.
В рассматриваемых структурах МПС реализуются три способа организации (обслуживания) передачи информации:
1) программно-управляемая передача, инициируемая процессором;
2) программно-управляющая передача, инициируемая запросом прерывания от периферийного устройства;
3) прямой доступ к памяти (ПДП).
При первом способе передача инициируется самим процессором, а при втором - запросом прерывания от периферийного устройства.
При программно-управляемой передаче данных МП на все время этой операции отвлекается от выполнения основной программы, что ведет к снижению производительности МП-системы. Кроме того, скорость передачи данных через МП может оказаться недостаточной для работы с высокоскоростными внешними устройствами.
Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечиваюший автономно от МП установление связи и передачу данных между ОЗУ и внешним устройством.
Прямой доступ к памяти, повышая предельную скорость ввода-вывода информации и общую производительность МП-системы, делает ее более приспособленной для работы в системах реального времени. Прямым доступом к памяти управляет контролер ПДП, выполяющий следующие функции:
- управление инициируемой процессором или ПУ передачей данных между ОЗУ и ПУ;
- задание размера блока данных, который подлежит передаче, и области памяти, используемой при передаче;
- формирование адресов ячеек ОЗУ, участвующих в передаче;
- подсчет числа байт, передаваемых через интерфейс, и определение момента завершения заданной операции ввода-вывода.
3 Шиной системы называют физическую группу линий передачи сигналов, имеющих схожие функции в рамках системы. Все три шины являются специализированными с точки зрения их функций. Эти шины именуются так:
а) адресная шина;
б) шина данных;
в) шина управления.
По адресной шине передаются лишь выходные сигналы микропроцессора, т. е. от микропроцессора к внешнему устройству. Эта шина предназначена для того, чтобы открывать или выбирать правильный тракт для электрического соединения в пределах микропроцессорной системы.
Для удобства будем в дальнейшем полагать, что все электрические соединения в микропроцессорной системе осуществляются между микропроцессором и устройством, открытым (выбранным) с помощью адресной шины. В качестве устройства здесь выступает любая электрическая схема, принимающая данные от микропроцессора либо вырабатывающая данные для него.
Важнейшей характеристикой адресной шины является ее емкость. Емкость шины определяется числом входящих в нее отдельных электрических линий. К примеру, 16-разрядная адресная шина представляет собой 16 независимых физических линий для передачи электрических сигналов.
Шина данных является двунаправленной шиной. Это означает, что передача данных может производиться в обоих направлениях. В первом случае, данные передаются от микропроцессора во внешнее устройство (выбранное адресной шиной). Этот режим называется выводом данных. Во втором случае, данные передаются от внешнего устройства (выбранного шиной адреса) в микропроцессор. Этот режим называется вводом данных.
Хотя передача данных по шине данных может производиться в обоих направлениях, однако в каждый заданный момент времени она осуществляется лишь в одном из двух направлений. Это означает, что для передачи данных в устройство (систему) и их приема из системы микропроцессор переводится в соответствующий режим. Также как и адресная шина, шина данных обладает определенной емкостью (разрядностью). По емкости шины данных судят о классе микропроцессора. К примеру, при 8-разрядной шине данных микропроцессор будет отнесен к классу 8-разрядных микропроцессоров.
На шине управления действует несколько типов сигналов. Основные из них:
а) чтение данных из памяти;
б) запись данных в память;
в) чтение данных с устройства ввода-вывода;
г) запись данных в устройство ввода-вывода.
Позднее для этой шины мы введем некоторые добавочные сигналы. Однако для понимания существа процессов пока достаточно ограничиться указанным списком сигналов. Шина управления используется лишь для вывода сигналов, т. е. является однонаправленной.
