На рис.3 приведена обобщенная логическая структура микро-ЭВМ, в которой в качестве всех управляющих блоков устройств ЭВМ используются программируемые контроллеры, например контроллер системного пульта управления КСПУ. Он применяется для работы с системным пультом управления СПУ. Все аппараты ввода-вывода управляются контроллерами устройств ввода-вывода КУВВ или групповыми контроллерами устройств ввода-вывода ГрКУВВ. Оперативное ОЗУ и постоянные запоминающие устройства ПЗУ управляются с помощью соответствующих контроллеров КОЗУ, КПЗУ. При такой организации ЭВМ центральный процессор ЦП обеспечивает программируемые контроллеры только управляющей информацией высокого уровня, детализируемой контроллером. Поэтому количество управляющей информации на информационной магистрали системы резко уменьшается, что позволяет увеличить скорость передачи данных. По существу, в этой схеме приведена многопроцессорная вычислительная система, в которой в пределе контроллер имеет те же возможности, что и центральный процессор. Низкая стоимость и высокая надежность БИС позволяют для достижения желаемых параметров ввести распределенную обработку во всех подсистемах вычислительной системы, что определяет новые способы организации вычислительных процессов в системах с децентрализованными управлением и обработкой информации.

Интерфейс микропроцессоров

Для включения микропроцессора в любую микропроцессорную систему необходимо установить единые принципы и средства его сопряжения с остальными устройствами системы, т.е. унифицированный интерфейс.

Унифицированный интерфейс – совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия устройств микропроцессорной системы. В состав интерфейса входят аппаратурные средства соединения устройств (разъем и связи), номенклатура и характер связей, программные средства, описывающие характер сигналов интерфейса и их временную диаграмму, а также описание электрофизических параметров сигналов.

Рис.4 Схема интерфейсных связей микропроцессора

На рис.4 представлена общая схема взаимодействия микропроцессора МП с устройствами ввода – вывода УВВ и ОЗУ в микропроцессорной системе. Связь МП с УВВ требует пяти групп связи, обеспечиваемых через выводы корпуса. По группе шин 1 передается код выбора (адреса) устройства, по шине 2 – сигнал управления считыванием – записью, по шине 3 – сигнал запроса на прерывания, шины 4 и 5 используются для передачи данных от процессора к УВВ и от УВВ к МП. Связь МП с ОЗУ также содержит пять групп связей, которые необходимо обеспечить через выводы корпуса МП. По группе шин 6 передается адрес в ОЗУ, шина 7 нужна для управления чтением/записью, по сигналам на шине 8 принимаются команды в процессор, а шины 9 и 10 обеспечивают передачу данных из ОЗУ в МП и обратно.

Информационные магистрали

При проектировании БИС и устройств на их основе необходимо принимать во внимание сложность выполнения разветвленных связей между различными узлами (блоками) и устройствами. Поэтому практически реализованы и получили широкое распространение магистральные структуры связей, к которым подключены входы и выходы электронных узлов (блоков). Информационная магистраль (МИ) представляет собой совокупность проводников (шин) или кабелей, физические свойства которых обеспечивают передачу высокочастотных информационных сигналов. Электронные узлы (блоки), подключаемые к информационной магистрали, должны обладать определенными свойствами, иначе возможно образование короткозамкнутых связей и низкоомных нагрузок.

Рис.5 Схема магистральных связей трех регистров данных

Рассмотрим пример передачи данных в системе трех 4-разрядных синхронизируемых регистров с информационными магистральными связями, позволяющий определить общие закономерности построения подобных структур (рис.5).

Входные сигналы записи данных А0-А3 передаются в регистр и вызывают срабатывание триггеров только на переднем фронте сигнала синхронизации при наличии управляющего сигнала “Разрешение записи” РЗn. Если сигнал РЗn=0, то сигналы входных данных не проходят на входы триггеров и поэтому не могут изменить состояние регистра. Входные сопротивления для информационных входов Ai при этом становятся достаточно большими, их параллельное подключение к шинам магистрали данных не ведет к каким-либо проблемам.

Выходные информационные сигналы Q0-Q3 в рассматриваемых схемах формируются с помощью управляемых трехуровневых каскадов, вырабатывающих выходные сигналы логических состояний “0”, “1” и “Выключено”. Управление выходными каскадами триггеров регистра осуществляется сигналом “Разрешение выдачи” РВ. При запрете выдачи выходных состояний (РВ=0) выходные каскады переводятся в режим с высоким выходным сопротивлением. Поэтому параллельное подключение выходных выводов регистров к шинам информационной магистрали также не порождает проблем.

Сброс триггеров регистров происходит импульсом синхронизации при подаче сигнала “Разрешение установки 0” (РУ “0”).

В рассматриваемой схеме разрешена только лишь последовательная передача информационных сигналов. Поэтому, несмотря на то, что все входы регистров подключены к шинам магистрали и проходящие по магистрали сигналы поступают на входные каскады всех регистров, запись осуществляется только в один регистр управляющим сигналом РЗn=1 (принципиальных ограничений на одновременную запись одной и той же информации в несколько регистров нет). Однозначность информационных сигналов на магистрали при выдаче информации из регистров обеспечивается подачей только одного управляющего сигнала РВ=1.

Управляющие сигналы РВ=0 других регистров обеспечивают эффективную электрическую изоляцию их выходных каскадов от шин информационных магистралей.

Операция передачи данных “регистр-регистр” осуществляется следующим образом. Рассмотрим таблицу истинности (табл.1) регистров с трехуровневыми выходными состояниями.

Таблица 1

Примечание: Знаком ø отмечены сигналы, которые могут принимать значения либо “0”, либо “1” и не влияют на выполнение тех функций регистром, которые определены другими управляющими сигналами.

Используя таблицу истинности, определим условия передачи состояния регистра данных РгД1 в регистр данных РгД3 (в условной записи [РгД1 → РгД3]):

После установки уровней управляющих сигналов передача информационного состояния происходит по импульсу синхронизации.

При увеличении числа регистров (или иных электронных блоков), подключенных к магистрали, правильность работы схемы не нарушается, если соблюдены правила проектирования регистров и схем управления ими.

Единая информационная магистраль микропроцессорной системы связывает между собой все устройства и функционально состоит из информационных магистралей, адресов, данных и сигналов управления.

Магистраль адресов

В простой микропроцессорной системе только микропроцессор может вырабатывать адреса передаваемой в системе информации. Поэтому магистраль адресов (МА) – однонаправленная: микропроцессор генерирует сигналы кода адреса, а остальные устройства, подключенные к МА, только могут воспринимать их, выполняя непрерывно микрооперацию опознания кода адреса.

Количество шин магистрали адресов совпадает с разрядностью передаваемого кода адреса. Если используется 16-разрядный код, то в системе разрешается выработка =65536 адресов. Они могут все относиться к адресам ячеек памяти или к адресам ячеек памяти и адресам регистров данных устройств ввода-вывода.

Магистраль данных

Микропроцессор, а также ОЗУ, ВЗУ, дисплеи могут воспринимать или передавать данные. Другие устройства могут либо только принимать данные, например устройство печати, либо только выдавать их, например ПЗУ.

Чтобы обеспечить все возможности системы, магистраль данных является двунаправленной. Ее разрядность определяется разрядностью микропроцессора и равна 2, 4, 8, 16 и 32 бит. Если в микропроцессоре обрабатываются данные по программам двойной разрядности, то двойное слово пересылается за два цикла, т.е. имеет место временное мультиплексирование (оно также применялось в нескольких первых микропроцессорах, когда использовалась общая магистраль адресов и данных).

Магистраль управления

Микропроцессор и некоторые шины устройств ввода-вывода генерируют управляющие сигналы, предназначенные для синхронизации и определения операций устройств. Эти сигналы передаются по совокупности однонаправленных шин, в целом образующих магистраль сигналов управления (МУ). Все сигналы управления в электронной системе согласованы с системными сигналами синхронизации. Эти сигналы задают начало и последовательность срабатывания, как различных устройств системы, так и различных блоков и узлов внутри всех кристаллов БИС. Для задания главной последовательности синхронизирующих импульсов, как правило, применяется внешний кварц или генератор на его основе. Выдаваемые микропроцессором сигналы синхронизации бывают однофазными, реже двухфазными.

Каждый микропроцессор имеет уникальную систему сигналов управления. Поэтому конкретное описание всех шин МУ, так же как и цоколевки выводов корпуса, дается в технической документации на конкретный микропроцессор. Тем не менее, практически все микропроцессоры имеют общие сигналы. Среди них – сигнал “Сброс” – входной сигнал, вырабатываемый на пульте управления системы. Он приводит к сбросу всех внутренних регистров микропроцессора и загрузке счетчика команд – узла, определяющего последовательность выполнения команд программы, начальным значением адреса, где записана первая команда программы.

Важнейшая управляющая функция микропроцессора – определение потоков данных в системе. Микропроцессор вызывает слова команд из памяти в процессе их чтения, обращается в память за операндами или к внешним устройствам за новыми данными, может записать результат операции в память или, сформировав массив данных, определить необходимость их вывода на внешние устройства. Когда микропроцессор посылает данные какому-то устройству, происходит операция записи данных, а когда получает данные от какого-то устройства, то считывает данные из его информационного регистра и выполняет операцию чтения данных. Чтобы задать направление передачи данных по МД, микропроцессор генерирует сигналы “Чтение/запись”, передаваемые по одной из шин МУ.

Специфика устройств ввода-вывода данных такова, что информация может быть потеряна, если МП своевременно не осуществит операцию с устройством. Поэтому эти устройства генерируют сигналы “Запрос прерывания процессора”, обращающие внимание микропроцессора на состояние готовности (или неисправности). Микропроцессор имеет вход для приема, по крайней мере, одного сигнала “Запрос прерывания процессора”. Если же запрос принимается, то МП информирует систему, вырабатывая ответный сигнал “Запрос прерывания удовлетворен”.

Разная скорость работы устройства ввода-вывода и микропроцессора порождает необходимость приостановки процессора на время подготовки данных во внешнем устройстве. Поэтому режим работы ожидание микропроцессора определяется внешним сигналом “Данные подготовлены (данные не подготовлены)”. Всего в МУ передается до десятка (и более) разнообразных сигналов управления.

Преобразователи интерфейсов

Когда необходимо перейти от одного вида интерфейса к другому, применяют специальные аппаратурные средства в виде преобразователя интерфейсов и интерфейсного контроллера. При построении микропроцессорных систем наиболее часто осуществляются преобразования, связанные с разными форматами электронных сигналов.

Все МП обрабатывают цифровые данные, представленные в параллельной форме. В этом случае разряды слов данных передаются одновременно по информационной магистрали и обрабатываются параллельно во всех разрядах АЛБ микропроцессора, поэтому внутри электронной системы все передачи данных также производятся в параллельном формате. Но в периферийной части электронных систем могут быть разнообразные форматы информационных сигналов, среди которых наиболее важными являются аналоговые и цифровые последовательные

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи в виде БИС решают задачи преобразования аналоговых сигналов в параллельные коды и наоборот. Развитие управляющих средств этих преобразователей позволяет не только существенно упростить их интерфейс с МП, но практически обеспечить прямое соединение без дополнительных аппаратурных средств. Данные в последовательном цифровом формате передаются по одной информационной шине, что существенно снижает количество связей в периферийной части систем, в случаях, когда не требуется осуществлять сопряжение с периферийными быстродействующими устройствами. Эти данные могут прямо вводиться (или выводиться) в МП, для чего необходимо разработать программные модули приема и преобразования форматов данных с соответствующей синхронизацией МП и внешних устройств. Временные затраты и низкая эффективность такого решения могут быть преодолены переходом к аппаратурной реализации системы ввода-вывода данных на основе использования специальных БИС контроллеров – преобразователей форматов данных, которые получили название универсальных асинхронных приемников-передатчиков.

Асинхронная передача данных означает, что приемник (например, МП) и передатчик (например, телетайп) осуществляют связь в условиях, когда каждый имеет свою собственную систему синхронизации, поэтому передатчик посылает свои данные в любой момент, не сообразуясь с временным состоянием приемника. В приемнике должны быть предусмотрены средства анализа и вхождения во “временное зацепление”, т.е. средства синхронизации своей работы с работой передатчика.