Основы микропроцессорной техники

Раздел 1. Фиософия микропроцессорной техники

1.2. Шинная структура связей

Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в микропроцессорных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему. Суть шинной структуры связей сводится к следующему:

При классической структуре связей (Рис. 1.5) все сигналы и коды между устройствами передаются отдельными линиями связи. Каждое устройство, входящий в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается очень много линий связи и различных протоколов обмена информацией.

Рис. 1.5. Классическая структура связей.

При шинной структуре связей (Рис. 1.6) все сигналы между устройствами передаются одними и теми же линиями связи, но в разное время (это называется мультиплексированных передачей). Причем передача всеми линиями связи может осуществляться в оба направления (так называемая двунаправленного передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются. Группа линий связи, которым передаются сигналы или коды раз и называется шиной (англ. bus).

Понятно, что при шинной структуре связей легко осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении, например, их можно пропустить через один процессор, что очень важно для микропроцессорной системы. Однако при шинной структуре связей вся информация передается линиями связи последовательно во времени, по очереди, что снижает быстродействие системы в сравнении с классической структурой связей.

Рис. 1.6. Шинная структура связей.

Большое преимущество шинной структуры связей заключается в том, что все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по тем же правилам (протоколам обмена информацией с шины). Соответственно, все узлы, которые отвечают за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть одинаковы, унифицированы.

Существенный недостаток шинной структуры связан с тем, что все устройства отсоединяются к каждой линии связи параллельно. Поэтому любая неиспра� �ность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи. По этой же причине налаживания системы с шинной структурой связей достаточно сложное и, как правило, требует специального оборудования.

В системах с шинной структурой связей применяют все три существующие разновидности выходных каскадов цифровых микросхем:

• стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S, реже ТТЛ, TTL);
• выход с открытым коллектором (обозначается ВК, УК, OC);
• выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (сказывается 3С, 3S).

Упрощенно эти три типа выходных каскадов могут быть представлены в виде схем очерк. 1.7.

В выхода 2С два ключа замыкаются поочередно, что соответствует уровням логической единицы (верхний ключ замкнуто) и логического нуля (нижний ключ замкнуто. В выхода ВК замкнутый ключ формирует уровень логического нуля, разомкнутый - логической единицы. В выхода 3С ключи могут замыкаться по очереди (как в случае 2С), а могут размыкаться одновременно, образуя тем самым третьим, високоимпедансний, состояние. Переход в третье состояние (Z-состояние) управляется сигналом на специальном входе EZ.

Рис. 1.7. Три типа выходов цифровых микросхем.

Выходные каскады типов 3С и ВК позволяют соединять несколько выходов микросхем для получения мультиплексированных (Рис. 1.8) или двунаправленных (Рис. 1.9) линий.

Рис. 1.8. Мультиплексированных линия.

Рис. 1.9. Двунаправленного линия.

При этом в случае выходов 3С необходимо обеспечить, чтобы на линии всегда работал только один активный выход, а все другие выходы находились бы в это время в третьем состоянии, иначе возможны конфликты. Объединенные выходы ВК могут работать все одновременно, без всяких конфликтов.

Типовая структура микропроцессорной системы приведена на Рис. 1.10. Она включает в себя три основных типа устройств:

• процессор;
• память, которая включает оперативную память (ОЗУ, RAM - Random Access Memory) и постоянную память (ПЗУ, ROM-Read Only Memory), которая служит для хранения данных и программ;
• устройства ввода / вывода (ПВВ, I / O - Input / Output Devices), которые служат для связи микропроцессорной системы с внешними устройствами, для приема (ввода, чтения, Read) входных сигналов и выдачи (вывод, записи, Write) выходных сигналов.

Рис. 1.10. Структура микропроцессорной системы.

Все устройства микропроцессорной системы объединяются общей системной шиной (она же называется еще системной магистралью или каналом). Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:

• шина адреса (Address Bus);
• шина данных (Data Bus);
• шина управления (Control Bus);
• шина питания (Power Bus).

Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какой-адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес припис ан, понимает, что с ним сейчас предусматривается обмен информацией. Шина адреса может быть однонапрямленою или двунаправленного.

Шина данных - это основная шина, используемая для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Преимущественно в пересылке информации участвует процессор, передающий код данных в некое устройство или в ячейку памяти или принимает код данных с какого устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленного.

Шина управления, в отличие от шины адреса и шины данных, состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов при обмене информацией имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для строб переданных или принятых данных (т.е. определяют моменты времени, когда информационный код выставлен на шину данных). Другие управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние (инициализации), для тактування всех устройств и т.д. Линии шины управления могут быть однонапрямленимы или двунаправленного.

Наконец, шина питания предназначена не для передачи информационных сигналов, а для питания системы. Она состоит из линий питания и общего проводника. В микропроцессорной системе может быть один источник питания (чаще +5 В) или несколько источников питания (преимущественно еще -5 В, +12 В и -12 В). Каждой напряжении питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.

Если в микропроцессорную систему надо ввести входной код (или входной сигнал), то процессор шиной адреса обращается к нужного устройства ввода / ввода и принимает шиной данных входящую информацию. Если с микропроцессорной системы надо вывести исходный код (или исходящий сигнал), то процессор обращается шиной адреса требуемый устройства ввода / ввода и передает ему шиной данных исходную информацию.

Если информация должна пройти сложную многоступенчатую обработку, то процессор может сохранять промежуточные результаты в системной оперативной памяти. Для обращения к любой ячейке памяти процессор выставляет ее адрес на шину адреса и передает в нее информационный код шиной данных или же принимает с ней информационный код шиной данных. В памяти (оперативной и постоянной) находятся также и управляющие коды (команды выполняемой процессором программы), которые процессор также читает шиной данных с адресацией шиной адреса. Постоянная память используется, в основном, для хранения программы начального пуска микропроцессорной системы, которая выполняется каждый раз при включении питания. Информация в нее заносится производителем раз и навсегда.

Таким образом, в микропроцессорной системе все информационные коды и коды команд передаются шинами последовательно, по порядку. Это определяет сравнительно невысокую быстродействие микропроцессорной системы. Оно ограничено обычно даже не быстродействием процессора (которая тоже очень важна) и не скоростью обмена системной шиной (магистралью), а именно последовательным характером передачи информации по системной шины (магистрали).

Важно учитывать, что устройства ввода / вывода зачастую являются устройствами на "жесткой логике". На них может быть возложена часть функций, выполняемых микропроцессорной системой. Поэтому у производителя всегда есть возможность перераспределять функции системы между аппаратной и программн� �й реализациями оптимальным образом. Аппаратная реализация ускоряет выполнение функций, но имеет недостаточную гибкость. Программная реализация значительно медленнее, но обеспечивает высокую гибкость. Аппаратная реализация функций увеличивает стоимость системы и ее энергопотребление, программная - не увеличивает. Чаще всего применяется комбинирования аппаратных и программных функций.

Иногда устройства ввода / ввода имеют в своем составе процессор, то есть небольшой специализированной микропроцессорной системой. Это позволяет переложить часть программных функций на устройства ввода / вывода, разгрузив центральный процессор системы.