Файл: Конспект лекций (дополительный обновленный).doc

12.4. Управляющие сигналы типового микропроцессора.

Кроме информационных линий адреса и данных, микропроцессор снабжен управляющими выводами, образующими вместе с выводами системного контроллера шину управления микропроцессорной системы. Управлюющие сигналы индивидуальны для каждого типа микропроцессора, но, тем не менее, можно выделить характерные для почти всех микропроцессоров сигналы. В некоторых случаях определенные сигналы исключают друг друга, поэтому присутствуют либо те, либо другие. Разобъем управляющие сигналы для удобства в функциональные группы.

Сигналы управления чтением/записьюпредназначены для активизации периферийного модуля в режим выдачи данных на шину данных или приема данных с шины данных. В общем случае режим чтения характеризуется тем, что микропроцессор запрашивает данные от периферийного модуля, а режим записи - тем, что микропроцессор выставляет данные периферийному модулю. У некоторых микропроцессоров эти сигналы представлены группой сигналов системной шины управления, рассмотренных ранее в теме структурной организации микропроцессорной системы:

• RDM(readmemory, чтение памяти) - сигнал инициализации чтения из модулей запоминающих устройств (выходной сигнал);

• WRM(writememory, запись в память) - сигнал инициализации записи в модули запоминающих устройств (выходной сигнал);

• RDIO(readinput/output, чтение порта) - сигнал инициализации чтения из порта ввода (выходной сигнал);

• WRIO(writeinput/output, запись в порт) - сигнал инициализации записи в порт вывода (выходной сигнал).

Есть микропроцессоры, в которых сигналы управления чтением/записью образуются сигналами, указывающими направление передачи информации и тип адресуемого модуля:

• RD(read, чтение) – сигнал инициализации чтения из периферийного модуля (выходной сигнал);

• WR(write, запись) – сигнал инициализации записи в периферийный модуль (выходной сигнал);

• MEM(memory, память) – сигнал обращения к памяти (выходной сигнал);

• I/O(input/output, порты ввода-вывода) – сигнал обращения к портам ввода-вывода (выходной сигнал).

Режимы обращения к памяти или к портам исключают друг друга в одном машинном цикле. Поэтому часто вместо пары сигналов MEMиI/Oна выводах микропроцессора присутствует только один сигнал. Единичный уровень этого сигнала соответствует режиму обращения к памяти, а нулевой – режиму обращения к портам ввода-вывода. Для формирования сигналовRDM, WRM,RDIOиWRIOсистемной шины управления, если таких нет на выводах микропроцессора, из сигналовRD, WR, MEM иI/Oмикропроцессора можно спроектировать схему на основе вентилей элементарных логических функций или воспользоваться системным контроллером.

Сигналы управления прерываниемобычно представлены двумя сигналами:

• INT(interrupt, прерывание) – входной сигнал от периферийного модуля (контроллера прерывания), запрашивающего процесс ввода-вывода по прерыванию. В ответ на этот сигнал микропроцессор должен запустить обрабатывающую прерывание подпрограмму. Анализируется этот сигнал в последнем такте последнего машинного цикла, т.е. в конце выполнения текущей команды;

• INTA(interruptacknowledge, подтверждение прерывания) – выходной сигнал от микропроцессора, подтверждающий прерывание и сообщающий периферийному модулю (контроллеру прерывания) о готовности микропроцессора приступить к обслуживанию прерывания. По этому сигналу внешнее устройство (контроллер прерывания) должен выставить на шину данных код команды прерывания, в которой закодирован номер устройства, запрашивающего прерывание.

Сигналы управления режимом прямого доступа к памятиформируют группу из двух сигналов:

• HOLD(hold, захват шин) – входной сигнал от периферийного устройства, запрашивающего процесс ввода-вывода в режиме ПДП. Этот сигнал анализируется обычно между машинными циклами. В ответ на этот сигнал микропроцессор должен перевести свои буферные регистры, связывающие его с шинами данных и адреса, в высокоимпедансное состояние. В результате микропроцессор осовобождает шины и внешнее устройство начинает обмен данными с памятью напрямую без участия микропроцессора;

• HLDA(holdacknowledge, подтверждение захвата) – выходной сигнал от микропроцессора, подтверждающий, что микропроцессор перевел свои буферные регистры в высокоимпедансное состояние и освободил шины.

Сигналы управления ожиданием служат для синхронизации микропроцессора с медленными устройствами ввода-вывода. Не всегда внешнее устройство может мгновенно отреагировать и подготовиться к режиму приема или записи по сигналамRDIOилиWRIO(RDилиWR). Если внешнее устройство медленное, то ему необходимо время для формирования данных или включения в соответствующий режим. Для синхронизации работы микропроцессора с медленными устройствами ввода-вывода используются следующие сигналы:

• RDY(ready, готовность) – входной сигнал от внешнего устройства, являющийся признаком того, что оно готово к обмену данными. Если этот сигнал имеет пассивный уровень, то микропроцессор переходит в такты ожидания готовности внешнего утройства. В течение этого времени микропроцессор не выполняет никаких действий, а только анализирует сигнал готовности;

• WAIT(wait, ожидание) – выходной сигнал, являющийся признаком того, что микропроцессор находится в тактах ожидания сигнала готовности.

Дополнительные сигналыобеспечивают синхронизацию работы микропроцессора с системным контроллером, шинными формирователями, схемой тактового генератора и начальной установки. К ним можно отнести следующие сигналы:

• SYNC(synchronization, синхронизация) – выходной сигнал, вырабатываемый микропроцессором в начале каждого машинного цикла. Он служит для записи в системный контроллер служебной информации, из которой системный контроллер формирует дополнительные сигналы управления (например,RDM, WRM,RDIOиWRIO);

• ALE(addresslatchenable, фиксация адреса) – выходной сигнал микропроцессора, имеющего мультиплексированную шину данных/адреса. Мультиплесированная шина позволяет уменьшить количество выводов микросхемы микропроцессора, поскольку разряды шины данных и адреса реализуются в таких микропроцессорах на одних и тех же выводах. В начале машинного цикла всегда должен быть выставлен адрес внешнего устройства или ячейки памяти, а лишь затем произведен обмен информацией. Поэтому шину данных и адреса можно объединить в одну мультиплексированную шину. Но адрес должен удерживаться на время всего машинного цикла. Для этого сигналомALE, который выставляется активным вместе с выставлением адреса на мультиплексированной шине, адрес записывается во внешний регистр (шинный формирователь) и там защелкивается до следующего машинного цикла. Затем мультиплексированная шина переключается в режим шины данных;

• RST(reset, сброс) – входной сигнал сброса, обнуляющий регистр микропроцессора, содержащий адреса подлежащих выполнению команд и называемыйсчетчиком команд. В результате программа начинает выполняться с нулевого адреса, т.е. с начала;

• CLK(clock, тактирование) – вход (входы) сигналов тактового генератора. Эти сигналы синхронизируют работу микропроцессора. По этим сигналам часто оценивают производительность микропроцессора.

12.5. Интерфейсы микропроцессорных систем.

Одним из центральных моментов в проектировании микропроцессорной системы является выбор интерфейсов. Интерфейсыпредставляют собой совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритмов взаимодействия различных функциональных устройств. Стандартизации в интерфейсе обычно подлежат: форматы передаваемой информации, команды и состояния, состав и типы линий связи, алгоритм функционирования, передающие и приемные электронные схемы, параметры сигналов и требования к ним, конструктивные решения. Скорость передачи данных по интерфейсу измеряется в Бодах.Бодопределяет, сколько бит передается в единицу времени, т.е. в секунду.

К основным характеристикам интерфейсаотносят: функциональное назначение, принцип обмена информацией, способ обмена, режим обмена, количество линий, число линий для передачи данных (разрядность), количество адресов, количество команд, быстродействие, длину линий связи, число подключаемых устройств (нагрузочная способность), тип линии связи.

По функциональному назначению интерфейсы разделяют на внутренние (межплатные, межелементные и системные) и внешние (для периферийных устройств, для локальных сетей, для распределенных систем). Внутренние интерфейсы определяют комплекс принятых соглашений по организации связей между микросхемами, модулями и блоками, составляющими микропроцессоную систему. Внешние интерфейсы организуют связь между несколькими микропроцессорными системами.

По принципу обмена информациейвыделяют интерфейсы с параллельной, последовательной и параллельно-последовательной передачей информации. В параллельных интерфейсах в единицу времени данные пересылаются по нескольким сигнальным линиям одновременно. В последовательных – по одной линии бит за битом. Аналогом здесь можно привести принцип организации параллельных и последовательных регистров. Методически интерфейсы с параллельной передачей должны обладать более высокой пропускной способностью. Однако, это не всегда так. Дело в том, что в параллельных интерфейсах из-за большого количества сигнальных линий, объединенных в кабели, существенное влияние оказывают паразитные емкости этих кабелей, увеличивающиеся с увеличением длины кабеля. Кроме того на такие кабели оказывает вляние поперечная помеха, также увеличивающая свое влияние с увеличением длины кабеля. Это накладывает ограничение на длину соединительных кабелей. В последовательных интерфейсах кабели обычно представляют витую пару и их длину можно реализовывать значительно большую, чем в параллельных интерфейсах. При проектировании специализированных микропроцессорных систем на базе микроконтроллеров разработчики часто сталкиваются с проблемой нехвати портов для подключения большого количества периферии. Поэтому выводы микросхем микроконтрллеров часто приходится экономить. По этой причине в микроконтроллерных микропроцессорных системах в настоящее время часто используются последовательные интерфейсы, особенно внутренние.

По режиму обмена информацией различают интерфейсы с симплексным, полудуплексным, дуплексным и мультиплексным режимами обмена.Симплексныйрежим обмена характерен тем, что только один из абонентов может в любой момент времени инициировать передачу информации.Полудуплексныйрежим обмена обеспечивает инициализацию связи любым абонентом, если линия связи интерфейса свободна.Дуплексныйрежим обеспечивает связь любому абоненту в любой момент времени.Мультиплексныйрежим позволяет связываться только между парами абонентов и в единственном направлении от одного к другому. Мультиплексный режим характерен для магистральной организации, когда поочередно разные устройства включаются в общую шину.

По способу передачи информацииво времени различают интерфейсы с синхронной передачей данных (с постоянной временной привязкой в цикле сбора информации) и с асинхронной (без постоянной временной привязки к определенному временному интервалу цикла сбора). В первом случае передача синхронизируется специальными синхроимпульсамиCLKв виде последовательности прямоугольных импульсов. Во втором – управляющими сигналами «ГОТОВНОСТЬ» к обмену, «НАЧАЛО», «КОНЕЦ» и «КОНТРОЛЬ» обмена.

В качестве примера магистральных интерфейсов можно привести асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи: 8-разрядные интерфейсы Microbus,Z-bus, шинаiSBX,ISA; 16-разрядные интерфейсыUnibus(отечественный аналог ОШ),MultibusI,Q-bus,EISA; 32-разрядные интерфейсыVercabus,PCI. В качестве внешних интерфейсов периферийных устройств наиболее широкое распространение получили последовательные интерфейсыRS-232,USBи параллельный интерфейсCentronix. В микропроцессорной технике для согласования микросхем аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, памяти и прочих с микропроцессорами и микроконтроллерами широко используются внутренние последовательные интерфейсыI²C,SPIиMicroLAN. Для программирования внутренней памяти программ и отладки программного обеспечения микроконтроллеров используется интерфейсJTEG.

Следует отметить, что в составе микропроцессорных комплектов имеются специальные интерфейсные БИС, обеспечивающие совместимость по электрическим, конструктивно-технологическим и эксплуатационным параметрам процессорного модуля с внешними устройствами. Каждый микропроцессорный комплект характерен наличием, как правило, параллельных и последовательных интерфейсных устройств, выполненных в виде отдельных микросхем, представляющих собой регистры, буферные схемы и специализированные контроллеры. Такие микросхемы используются как шинные формирователи для организации внутримашинных магистралей и как внешние интерфейсы периферийных устройств.