Файл: Tannenbaum.pdf

2 1 8 Глава 3. Цифровой логический уровень

Рассмотрим рис. 3.50. В кадрах 0 и 2 не происходит никаких действий, поэтому

в них содержится только пакет SOF (Start of Frame — начало кадра). Этот пакет
всегда посылается всем устройствам. Кадр 1 — упорядоченный опрос (например,
сканеру посылается запрос на передачу битов сканированного им изображения).

Кадр 3 состоит из отсылки данных какому-нибудь устройству (например, принтеру).

Шина USB поддерживает 4 типа кадров: кадры управления, изохронные кад-

ры, кадры передачи больших массивов данных и кадры прерывания. Кадры управ-

ления используются для конфигурации устройств, передачи команд устройствам

и запросов об их состоянии. Изохронные кадры предназначены для устройств ре-
ального времени (микрофонов, акустических систем и телефонов), которые долж-
ны принимать и посылать данные через равные временные интервалы. Задержки
хорошо прогнозируются, но в случае ошибки такие устройства не производят по-
вторной передачи. Кадры следующего типа используются для передач большого
объема от устройств и к устройствам без требований реального времени (напри-
мер, принтеров). Наконец, кадры последнего типа нужны для того, чтобы осуще-
ствлять прерывания, поскольку шина USB не поддерживает прерывания. Напри-
мер, вместо того чтобы вызывать прерывание всякий раз, когда происходит нажатие
клавиши, операционная система может вызывать прерывания каждые 50 млс и

«собирать» все задержанные нажатия клавиш.

Кадр состоит из одного или нескольких пакетов. Пакеты могут посылаться в

обоих направлениях. Существует четыре типа пакетов: маркеры, пакеты данных,
пакеты квитирования и специальные пакеты. Маркеры передаются от концентра-
тора к устройству и предназначены для управления системой. Пакеты SOF, IN и

OUT на рис. 3.50 — маркеры. Пакет SOF (Start of Frame — начало кадра) является

первым в любом кадре и показывает начало кадра. Если никаких действий выпол-

нять не нужно, пакет SOF единственный в кадре. Пакет IN — это запрос. Этот пакет
требует, чтобы устройство выдало определенные данные. Поля в пакете IN содер-
жат информацию, какой именно канал запрашивается, и таким образом устрой-
ство определяет, какие именно данные выдавать (если оно обращается с несколь-

кими потоками данных). Пакет OUT объявляет, что далее последует передача

данных для устройства. Последний тип маркера, SETUP (он не показан на рисун-

ке), используется для конфигурации.

Кроме маркеров существует еще три типа пакетов. Это пакеты DATA (использу-

ются для передачи 64 байтов информации в обоих направлениях), пакеты квити-
рования и специальные пакеты. Формат пакета данных показан на рис. 3.50. Он
состоит из 8-битного поля синхронизации, 8-битного указателя типа пакета (PID),

полезной нагрузки и 16-битного

 CRC (Cyclic Redunduncy Code — циклический

избыточный код)

 для обнаружения ошибок. Есть три типа пакетов квитирования:

АСК (предыдущий пакет данных был принят правильно), NAC (найдена ошибка

CRC) и STALL (подождите, пожалуйста, я сейчас занят).

А теперь давайте снова посмотрим на рис. 3.50. Центральный концентратор дол-

жен отсылать новый кадр каждую миллисекунду, даже если не происходит ника-
ких действий. Кадры 0 и 2 содержат только один пакет SOF, что говорит о том, что
ничего не происходит. Кадр 1 представляет собой опрос, поэтому он начинается
с пакетов SOF и IN, которые передаются от компьютера к устройству ввода-выво-
да, а затем следует пакет DATA от устройства к компьютеру. Пакет АСК сообщает

Средства сопряжения 219

устройству, что данные были получены без ошибок. В случае ошибки устройство
получает пакет NACK, после чего данные передаются заново (отметим, что изо-
хронные данные повторно не передаются) Кадр 3 похож по структуре на кадр 1,

но в нем поток данных направлен от компьютера к устройству.

Средства сопряжения

Обычная компьютерная система малого или среднего размера состоит из микро-
схемы процессора, микросхем памяти и нескольких контроллеров ввода-вывода.

Все эти микросхемы соединены шиной Мы уже рассмотрели память, централь-

ные процессоры и шины. Теперь настало время изучить микросхемы ввода-выво-
да. Именно через эти микросхемы компьютер обменивается информацией с внеш-
ними устройствами.

Микросхемы ввода-вывода

В настоящее время существует множество различных микросхем ввода-вывода.
Новые микросхемы появляются постоянно Из наиболее распространенных мож-
но назвать UART, USART, контроллеры CRT (CRT — электронно-лучевая труб-
ка), дисковые контроллеры и

 PIO. UART (Universal Asynchronous Receiver

Transmitter

 —

 универсальный асинхронный приемопередатчик)

 — это микросхе-

ма, которая может считывать байт из шины данных и передавать этот байт по би-
там на линию последовательной передачи к терминалу или получать данные от
терминала. Скорость работы микросхем UART различна: от 50 до 19 200 бит/с;
ширина знака от 5 до 8 битов; 1,1,5 или 2 стоповых бита. Микросхема может обес-
печивать проверку на четность или на нечетность, контроль по четности может
также отсутствовать, все это находится под управлением программ Микросхема

USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter— универ-
сальный синхронно-асинхронный приемопередатчик)

 может осуществлять син-

хронную передачу, используя ряд протоколов. Она также выполняет все функции

UART. Поскольку микросхемы UART мы уже рассматривали в главе 2, сейчас в
качестве примера микросхемы ввода-вывода мы возьмем параллельный интерфейс.

Микросхемы PIO

Типичным примером микросхемы

 PIO (Parallel Input/Output — параллельный

ввод-вывод)

 является Intel 8255A (рис. 3.51). Она содержит 24 линии ввода-вы-

вода и может сопрягаться с любыми устройствами, совместимыми с TTL-схемами

(например, клавиатурами, переключателями, индикаторами, принтерами) Про-
грамма центрального процессора может записать 0 или 1 на любую линию или
считать входное состояние любой линии, обеспечивая высокую гибкость Микро-

схема PIO часто заменяет целую плату с микросхемами МИС и СИС (особенно во
встроенных системах).

Центральный процессор может конфигурировать микросхему 8255А различ-

ными способами, загружая регистры состояния микросхемы, и мы остановимся на

220

Глава 3. Цифровой логический уровень

некоторых наиболее простых режимах работы. Можно представить данную мик-
росхему в виде трех 8-битных портов А, В и С. С каждым портом связан 8-битный
регистр. Чтобы установить линии на порт, центральный процессор записывает
8-битное число в соответствующий регистр, и это 8-битное число появляется на

выходных линиях и остается там до тех пор, пока регистр не будет перезаписан.
Чтобы использовать порт для входа, центральный процессор просто считывает со-

ответствующий регистр.

CS

А0-А1

WR

RD

RESET

D0-D7

2

8

-«

 i

 *-

Микросхема

параллельного

ввода-вывода

8255А

8

8

Порт А

Порт В

*- Порт С

Рис.

  3 . 5 1 . Микросхема 8255А

Другие режимы работы предусматривают квитирование связи с внешними

устройствами. Например, чтобы передать данные устройству, микросхема 8255А

может представить данные на порт вывода и подождать, пока устройство не вы-

даст сигнал о том, что данные получены и можно посылать еще. В данную микро-

схему включены необходимые логические схемы для фиксирования таких импуль-
сов и передачи их центральному процессору.

Из рис. 3.51 мы видим, что помимо 24 выводов для трех портов микросхема

8255А содержит восемь линий, непосредственно связанных с шиной данных,
линию выбора элемента памяти, линии чтения и записи, две адресные линии и
линию для переустановки микросхемы. Две адресные линии выбирают один из

четырех внутренних регистров, три из которых соответствуют портам А, В и С.
Четвертый регистр — регистр состояния. Он определяет, какие порты использу-

ются для входа, а какие для выхода, а также выполняет некоторые другие функ-
ции. Обычно две адресные линии соединяются с двумя младшими битами адрес-
ной шины.

Декодирование адреса

До настоящего момента мы не останавливались подробно на том, как происхо-
дит выбор микросхемы памяти или устройства ввода-вывода. Пришло время это

узнать. Рассмотрим простой 16-битный встроенный компьютер, состоящий из цен-
трального процессора, стираемого программируемого ПЗУ объемом 2Кх8 байт для

хранения программы, ОЗУ объемом 2Кх8 байт для хранения данных и микросхе-
мы PIO. Такая небольшая система может встраиваться в дешевую игрушку или

простой прибор. Вместо стираемого программируемого ПЗУ может использоваться

обычное ПЗУ.

Микросхема PIO может быть выбрана одним из двух способов: как устрой-

ство ввода-вывода или как часть памяти. Если микросхема нам нужна в качестве

Средства сопряжения

2 2 1

устройства ввода-вывода, мы должны выбрать ее, используя внешнюю линию шины,

которая показывает, что мы обращаемся к устройству ввода-вывода, а не к памяти.

Если мы применяем другой подход, так называемый

 ввод-вывод с распределени-

ем памяти,

 мы должны присвоить микросхеме 4 байта памяти для трех портов и

регистра управления. Наш выбор в какой-то степени произволен. Мы выбираем

ввод-вывод с распределением памяти, поскольку этот метод наглядно иллюстри-

рует некоторые интересные проблемы сопряжения.

Стираемому программируемому ПЗУ требуется 2 К адресного пространства,

ОЗУ требуется также 2 К адресного пространства, а микросхеме РЮ нужно 4 бай-

та. Поскольку в нашем примере адресное пространство составляет 64 К, мы долж-

ны выбрать, где поместить данные три устройства. Один из возможных вариантов
показан на рис. 3.52. Стираемое программируемое ПЗУ занимает адреса до 2 К,

ОЗУ занимает адреса от 32 К до 34 К, а РЮ — 4 старших байта адресного про-

странства, от 65532 до 65535. С точки зрения программиста не важно, какие имен-
но адреса использовать, однако для сопряжения это имеет большое значение. Если
бы мы обращались к РЮ через пространство ввода-вывода, нам не потребова-
лись бы адреса памяти (зато понадобились бы четыре адреса пространства ввода-

вывода).

Стираемое

программируемое

 ПЗУ

в адресе О

ОЗУ в адресе 8000Н

\

РЮ в адресе FFFCH

\

О 4К 8К 12К 16К 20К 24К 28К 32К 36К 40К 44К 48К 52К 56К 60К 64К

Рис. 3.52.

 Расположение стираемого ПЗУ, ОЗУ и РЮ на адресном пространстве в 64 К

При таком распределении адресов (рис. 3.52) стираемое ПЗУ нужно выбирать

с помощью 16-битного адреса памяти ОООООххххххххххх (в двоичной системе).
Другими словами, любой адрес, у которого пять старших битов равны 0, попадает

в область памяти до 2 К и, следовательно, в стираемое ПЗУ. Таким образом, сигнал
выбора стираемого ПЗУ можно связать с 5-разрядным компаратором, у которого

один из входов всегда будет соединен с 00000.

Чтобы достичь того же результата, лучше было бы использовать пятивходовый

вентиль ИЛИ, у которого пять входов связаны с адресными линиями от А11 до А15.

Выходной сигнал будет равен 0 тогда и только тогда, когда все пять линий равны 0.
В этом случае устанавливается сигнал US. К сожалению, в стандартных сериях
МИС не существует пятивходовых вентилей ИЛИ. Однако мы можем использо-
вать восьмивходовый вентиль НЕ-ИЛИ. Заземлив три входа и инвертировав вы-

ход, мы можем получить нужный нам сигнал (рис. 3.53,

 а).

 Схемы МИС стоят очень

дешево, поэтому неэффективное использование одной из них вполне допустимо.

По соглашению неиспользуемые входы на схемах не показываются.

2 2 2 Глава 3. Цифровой логический уровень

Ао

Адресная шина

CS

Стираемое

программирование

ПЗУ 2К х8

CS

ОЗУ 2Кх8

Ао

Адресная шина

V

cs

Стираемое

программирование

ПЗУ 2К х8

CS

ОЗУ 2Кх8

Рис. 3.53. Полное декодирование адреса (а); частичное декодирование адреса (б)

Тот же принцип можно применить и для ОЗУ. Однако ОЗУ должно отвечать

на бинарные адреса типа ЮОООххххххххххх, поэтому необходим дополнительный

инвертор (он показан на схеме). Декодирование адреса микросхемы PIO несколь-
ко сложнее, поскольку данная микросхема выбирается с помощью 4 адресов типа

11111111111111хх. Один из возможных вариантов схемы, которая устанавливает