1.3.3. Организация интерфейса

МикроЭВМ осуществляет взаимодействие с внешним миром с помощью различных устройств ввода/вывода (УВВ). Все УВВ делятся на стандартные и нестандартные.

Стандартными УВВ являются типовые периферийные устройства ЭВМ: дисплеи, принтеры, плоттеры, перфораторы, перфосчитыватели, накопители на магнитных лентах и магнитных дисках и т.п. Применение стандартных УВВ нехарактерно для МПС.

Для МПС характерно применение нестандартных УВВ. К ним относятся различные переключатели, клавиатуры, индикаторы, датчики разнообразных физических величин, а также приводы различной физической природы.

В общем случае УВВ весьма разнообразны по своей природе и не могут непосредственно подключаться к процессору микроЭВМ. Поэтому они подключаются к нему не непосредственно, а через устройство сопряжения, называемое интерфейсом.

Под интерфейсом понимается совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих совместимость процессора и УВВ. Сложность интерфейса в значительной степени определяется степенью их совместимости, т. е. сложностью необходимого преобразования. Как правило, интерфейс обеспечивает совместимость по следующим факторам:

1) по времени;

2) по форме представления сигналов;

3) по уровням электрических сигналов;

4) по протоколам управления.

Необходимость сопряжения по времени существует абсолютно всегда. Это обусловлено тем, что процессор микроЭВМ обрабатывает информацию путем последовательного выполнения команд программы и не может постоянно опрашивать устройства ввода или выдавать информацию в устройства вывода. В связи с этим возникает необходимость во временном хранении входных и выходных данных. Для выполнения этой функции в состав интерфейса входят специальные буферные регистры, называемые портами. В портах ввода время хранения начинается с момента записи данных от устройства ввода, а заканчивается в момент их считывания в процессор. В портах вывода время хранения начинается с момента записи данных из процессора, а заканчивается в момент их потребления устройством вывода.

Поскольку часть интерфейса, осуществляющая сопряжение по времени, является неотъемлемой частью любой микроЭВМ, то она может быть названа стандартным интерфейсом микроЭВМ. Типовая структура стандартного интерфейса приведена на рис. 1.7. Она содержит группу портов ввода и группу портов вывода. Каждый порт снабжен буфером данных BD с трехстабильным выходом. Эти буферы обеспечивают развязку портов ввода со стороны шины данных и достаточную нагрузочную способность портов вывода со стороны внешних устройств. Кроме того, для выбора конкретного порта стандартный интерфейс содержит адресный дешифратор DC. При n-разрядном коде адреса возможно обращение к 2 портам ввода/вывода.

Тип обращения к стандартному интерфейсу  на ввод или вывод данных  определяется управляющими сигналами IOR или IOW соответственно. При этом сигнал IOR поступает на входы выборки всех портов ввода. Однако активируется лишь тот буфер BD, на втором входе выборки которого присутствует активный сигнал с выхода дешифратора DC. В результате данные из выбранного порта поступают на шину данных и через нее в процессор микроЭВМ. Сигнал IOW поступает на входы записи всех портов вывода. Однако данные запишутся лишь в тот порт вывода, на входе выборки которого присутствует активный сигнал с выхода дешифратора DC. В результате информация с шины данных записывается в выбранный порт и через постоянно активированный буфер BD поступает на соответствующее устройство вывода. Поскольку обращение к портам ввода и портам вывода осуществляется с помощью различных управляющих сигналов, то они могут иметь одинаковые адреса.

Если количество портов ввода/вывода не превышает количества адресных линий, используемых для их адресации, то дешифратор DC не требуется. В этом случае для выборки портов используются отдельные адресные линии, а адреса портов назначаются в соответствии с унитарным кодированием "1 из n". Необходимое для выборки порта активное значение должно находиться в одном единственном бите, соответствующем адресной линии, используемой для выборки этого порта.

Рис. 1.7. Типовая структура стандартного интерфейса

Сопряжение по форме представления сигналов необходимо в тех случаях, когда информация от устройств ввода поступает или потребляется устройствами вывода не в параллельном цифровом коде, а в какой-либо другой форме. Чаще всего используется аналоговая форма представления входных и выходных сигналов. В этом случае для преобразования информации в необходимую форму в интерфейс должны входить аналого-цифровые преобразователи (АЦП) на входе и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) на выходе. Выходы АЦП подключаются к входам портов ввода, а входы ЦАП  к выходам портов вывода стандартного интерфейса.

Сопряжение по уровням электрических сигналов необходимо тогда, когда входные сигналы, поступающие с устройств ввода, или выходные сигналы, формируемые системой, имеют электрические параметры, непригодные для непосредственной обработки или использования. Как правило, входные сигналы имеют очень малые значения, а выходные сигналы должны иметь существенно большую мощность. В этом случае с помощью соответствующих усилителей осуществляется усиление этих сигналов до требуемого уровня. Входные и выходные усилители также входят в состав интерфейса.

Очень часто УВВ требуют для своего функционирования определенного набора управляющих сигналов, которые должны генерироваться в строго определенные моменты времени. Соглашение, устанавливающее порядок генерации управляющих сигналов при взаимодействии с УВВ, называется протоколом обмена.

Для реализации сложных протоколов в состав интерфейса входят специальные узлы, называемые контроллерами внешних устройств, например, контроллер ЭЛТ, контроллер клавиатуры и дисплея, контроллер магнитного диска и т. д. При построении контроллеров в виде БИС в их состав вводят и порты ввода/вывода стандартного интерфейса. Кроме того, они могут выполнять сопряжение соответствующего внешнего устройства с процессором и по всем остальным факторам, характерным для интерфейса. Контроллеры внешних устройств весьма сложны и требуют отдельного изучения.

Обмен данными между микроЭВМ и УВВ может быть организован различным образом.