13.2. Типовые структуры микропроцессорных систем.
Микропроцессор, взятый отдельно, не может выполнять каких-либо полезных функций. Для реальной пользы микропроцессор должен использоваться совместно с памятью и устройствами ввода-вывода, подключаемыми через специальные регистры, называемые портами. Такое объединение микропроцессора с памятью и портами ввода-вывода позволет получить микропроцессорную систему.
Существуют три типовые структуры микропроцессорных систем: магистральная, радиальная и радиально-магистральная. Каждая из этих структур обладает своими преимуществами и недостатками. Использование той или иной структуры определяется задачей, решаемой микропроцессорной системой.
Магистральная структура или, как ее еще называют, структура с общей шиной предполагает подключение всех составляющих микропроцессорной системы к микропроцессору по одной группе шин. Подобная структура представлена на рис.13.1. Шины представляют собой набор соединительных проводников-линий, объединяющих одноименные выводы всех периферийных модулей. По каждой линии может быть передано значение одного разряда двоичного кода в виде уровней напряжения, соответствующих логическому нулю или логической единицы. Периферийными модулями в рассматриваемой структуре являются запоминающие устройства (ОЗУ и ПЗУ), а также регистры портов ввода-вывода для подключения внешних устройств (клавиатуры, индикатора, таймера, АЦП, ЦАП, различных датчиков и исполнительных механизмов).
По роду передаваемой информации все шины разделены на три группы, образующие шину данных, шину адреса и шину управления. Характерной особенностью шины данных является ее двунаправленность, обеспечиваемая буферными регистрами, под которой понимается возможность передачи данных в разные моменты времени в различных направлениях, например, сначала от микропроцессора к периферийному модулю, а затем в обратном направлении. Ещё одна особенность этих буферных регистров заключается в том, что они являются трехстабильными, т.е. выходы этих регистров могут принимать третье пассивное, высокоимпедансное состояние, благодаря чему регистр оказывается отключенным от шины данных. Каждый периферийный модуль микропроцессорной системы имеет вход для приема сигнала CS (выбор кристалла). В процессе работы с помощью этого сигнала "активизируется" только один из периферийных модулей. Выходы буферных регистров остальных модулей остаются в высокоимпедансном состоянии.
Рис.13.1. Стуктура МП-системы с общей шиной
Поскольку микропроцессор должен обмениваться данными с определенными ячейками памяти запоминающих устройств или с определенными портами, то для возможности обращаться (адресоваться) к ним, каждая ячейка памяти и каждый порт ввода или вывода имеют свои индивидуальные номера - адреса. При обмене данными микропроцессор устанавливает двоичный код, соответствующий адресу порта или ячейки памяти на шине адреса. Шина адреса является однонаправленной, т.е. адреса передаются только от микропроцессора. Рассматриваемая микропроцессорная система содержит два модуля памяти: модуль ОЗУ и модуль ПЗУ. В общем случае в системе может содержаться несколько модулей (микросхем) ОЗУ и ПЗУ, каждый из которых имеет вход для приема сигнала CS. Во всех случаях, когда в системе имеется более одного модуля памяти, часть кода адреса ячейки памяти должна указывать, к какому модулю памяти производится обращение. Эта часть называется кодом выбора модуля и определяется старшими разрядами адреса. Оставшаяся часть кода адреса, образованная младшими разрядами адреса, выбирает ячейку памяти внутри модуля и называется адресом ячейки внутри модуля. Дешифрация кода выбора модуля производится с помощью дешифратора выбора модуля памяти, который вырабатывает соответствующий сигнал CS. Дешифрация адреса ячейки осуществляется внутренним дешифратором модуля. Входы этого дешифратора (адресные шины модуля памяти) подключаются к соответствующим линиям шины адреса.
В рассматриваемой системе содержится один порт ввода и один порт вывода. В общем случае портов ввода-вывода может быть гораздо больше. Поскольку каждый порт представляет собой один регистр, то дешифрация номеров портов осуществляется только внешним дешифратором, формирующим сигнал CS выбора портов.
Дополнительным условием «активизации» любого периферийного модуля является наличие соответствующего сигнала на шине управления. По линиям шины управления от микропроцессора к периферийным модулям поступают сигналы, определяющие выбор группы модулей (порты или модули памяти), а также направление обмена данными. Такими сигналами являются: сигнал чтения из модулей запоминающих устройств RDM (read memory); сигнал записи в модули запоминающих устройств WRM (write memory), сигнал чтения из порта ввода RDIO (read input/output), сигнал записи в порт вывода WRIO (write input/output). Например, при записи числа в ячейку памяти ОЗУ микропроцессор устанавливает на шине адреса адрес этой ячейки памяти, на шине данных – двоичный код записываемого числа, и выдает на линию шины управления сигнал WRM. При этом с шины данных число записывается в адресуемую ячейку памяти ОЗУ. При чтении данных из какого-либо порта ввода микропроцессор устанавливает на шине адреса адрес этого порта и выдает на соответствующую линию шины управления сигнал RDIO. При этом адресуемый порт ввода передает информацию со своего входа на шину данных, откуда она считывается микропроцессором.
Часто процесс ввода-вывода с (из) внешних устройств организуют в режиме прерывания. Этот режим характеризуется тем, что инициатива ввода-вывода информации при нем принадлежит внешнему устройству. Для инициализации режима ввода-вывода по прерыванию и передачи в микропроцессор номера устройства, запрашивающего прерывание, служит контроллер прерывания. Более подробно назначение и описание контроллера прерывания будет рассмотрено в этом параграфе позже.
На изображенной на рис.13.1 схеме шина данных разделена системным контроллером на локальную и системную. Системная шина данных связывает все периферийные модули между собой и с микропроцессором. Локальная шина данных связывает системный контроллер с микропроцессором. Системный контроллер является вспомогательным элементом микропроцессорной системы и его функции индивидуальны для разных микропроцессорных комплектов микросхем. Обычно системный контроллер используется для расширения функций шины управления, добавляя в нее управляющие сигналы, отсутствующие в выводах микропроцессора. Подключение его в схему микропроцессорной системы также индивидуально для каждого микропроцессорного комплекта. В приведенной на рисунке схеме системный контроллер формирует часть сигналов шины управления из служебных слов, передаваемых по шине данных в моменты времени, когда шина данных не используется для обмена информацией с периферийными модулями. Также системный контроллер в данном случае выполняет функцию шинного формирователя. Микропроцессор, системный контроллер и ряд вспомогательных узлов (тактовый генератор, шинные формирователи и прочие) образуют так называемый процессорный модуль.
Поскольку в структуре с общей шиной обмен информацией между модулями системы возможен только поочередный, то это снижает производительность системы с позиции передачи данных. Это является недостатком такой структуры. Однако у нее есть и преимущество – это простая аппаратная реализация. В некоторых случаях можно обойтись даже и без системного контроллера, а периферийные модули подключать непосредственно к выводам шин данных и адреса микропроцессора.
Для возможности организации параллельных потоков информации используется радиальная структура или, как ее еще называют, структура с распределенными шинами. Вариант подобной организации представлен на рис.13.2. В представленной структуре используются раздельные магистрали (группы шин адреса, данных и управления) для связи портов ввода-вывода и запоминающих устройств с процессорным модулем. Причем в представленном примере для каждого типа памяти (памяти программ и памяти данных) используются независимые магистрали. Подобная структура отражает Гарвардскую модель микропроцессорной системы. Каждая магистраль в этом случае отвечает за связь своего типа периферийного модуля с процессорным модулем и позволяет осуществить независимый параллельный во времени обмен информацией. Однако это достигается за счет значительного увеличения аппаратных средств, участвующих в построении микропроцессорной системы. В частности, значительно усложняется аппаратная реализация системного контроллера, который в этой схеме распределяет ресурсы локальной магистрали микропроцессора между магистралями периферии.
Рис.13.2. структура МП-системы с распределенными шинами
Следует отметить, что рассмотренное разбиение составных частей микропроцессорной системы на модули носит функциональный характер, а не конструктивный. В настоящее время часто все компонетнты микропроцессорных систем реализуются в едином кристалле микросхемы. Такие микросхемы называются микроконтроллерами. Использование микроконтроллеров позволяет значительно упростить разработку микропроцессорной системы, поскольку все необходимые компоненты такой системы, а именно АЦП, ЦАП, интерфейсные узлы, модуляторы, демодуляторы и многие другие, уже содержатся в кристалле микроконтроллера.
Еще более гибкой и более сложной в аппаратной реализации является радиально-магитсральная структура. В тех связях периферии с микропроцессором, где необходима высокая скорость обмена информацией, используется радиальный принцип, а где высокая скорость не нужна – магистральный. Примером может служить структура персонального компьютера. По магистральному принципу в нем строится шина PCI (шина периферийных устройств), а по радиальному – шины подсистемы памяти и видеосистемы. В специализированных микропроцессорных системах такая организация используется редко, поскольку она является сложной и дорогой для сравнительно медленных задач.