4.3. Структура и функционирование микропроцессорных систем
Микропроцессором (МП) называют построенное на одной или нескольких БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс об работки информации и управление им.
Решаемая задача определяется реализуемой МП программой, структура микропроцессорной системы остается неизменной, что и определяет ее универсальность.
Микропроцессоры появились, когда уровень интеграции ИС достиг значений, при которых необходимые для программной реализации алгоритмов блоки удалось разместить на одном или нескольких кристаллах. МП - цен- тральный процессорный элемент микропроцессорной системы (микро- ЭВМ), в которую также входят память и устройства ввода/вывода (внешние устройства).
Совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения в со- ставе микроЭВМ, называют микропроцессорным комплектом БИС/СБИС (МПК). Понятие МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения возможностей их совместного применения (совместимость по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др.). В состав МПК могут входить микросхемы различных серий при условии их совместимости.
В микропроцессорной системе (МПС) организуется процесс выполнения заданной программы. Самые разные задачи решаются путем выполнения последовательности команд, свойственных данному микропроцессору (входящих в его систему команд). Вычислительные, контрольно-измерительные или управляющие системы, обрабатывающим элементом которых служит МП, относятся к числу МПС.
Практически всегда структура МПС является магистрально-модульной. В такой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией поочередно, в режиме разделения времени.
Термин "шины" относится к совокупности цепей (линий), число которых определяет разрядность шины.
Типична трехшинная структура МПС с шинами адресов ША, данных ШД и управления ШУ. Наряду с русскими терминами применяются английские АВ (Address Bus), DB (Data Bus) и СВ (Control Bus).
На рис. 4.2 показана структура микропроцессорной системы с микропроцессором, имеющим мультиплексируемую шину адресов/данных (например, МП K1821BM85A).
Выводы микропроцессора A15-8 являются адресными, через них в систему передается старший байт 16-разрядного адреса. В эту шину включен формирователь с постоянно открытым по входу разрешением EN, выполненный на базе буферного регистра ИР82. Шинный формирователь обеспечивает работу шины на нагрузку, образуемую внешними цепями и устройствами. Собственной нагрузочной способности у выводов МП, как правило, не хватает.
Выходы микропроцессора AD7-0 предназначены для формирования младшего байта адреса A7-0 и байта данных D7-0. При этом выводы AD7-0 мультиплексируются. Вначале они используются для передачи младшего байта адреса, признаком чего служит наличие сигнала ALE (Address Latch Enable), загружающего этот байт в регистр ИР82.
После загрузки регистра сигнал ALE снимается, и содержимое регистра остается неизменным вплоть до новой загрузки в следующем цикле работы процессора. Так формируется 16-разрядная шина адреса, содержащая адрес AD15-0. Этот адрес используется блоками постоянной и оперативной памяти ROM и RAM.
Адресация портов ввода и вывода данных требует восьмиразрядного адреса, что соответствует возможности работы с 256 портами каждого из типов. Адрес портов можно снимать с любой половины адресной шины (во взятом для примера МП состояния обоих полушин адреса при адресации портов дублируются).
Рис. 4.4. Структура микропроцессорной системы
После передачи младшего байта адреса шина AD7-0 используется для передачи данных. Передача данных носит двунаправленный характер. Направление передачи данных задается режимом буфера данных BD в зависимости от логического уровня сигнала Т (Transit). При активном состоянии сигнала чтения RD (Read) данные передаются справа налево, при пассивном – данные передаются обратном направлении. К шине данных подключены информационные выводы всех модулей МПС.
Выводы x1 и x2 служат для подключения кварцевого резонатора или иных контуров, задающих частоту тактового генератора, расположенного на кристалле микропроцессора.
Вход микропроцессора RESIN является входом асинхронного сброса, приводящим МП в исходное состояние. Сброс микропроцессора может быть осуществлен вручную путем замыкания ключа К, а также автоматически при включении питания UСС. В этом случае благодаря цепочке RC напряжение на входе RESIN нарастает постепенно, и в течение некоторого времени после включения питания остается низким (ниже порогового), что равноценно подаче сигнала RESIN.
Выполняя программу, МП обрабатывает команду за командой. Команда задает выполняемую операцию и содержит сведения об участвующих в ней операндах. После приема команды происходит ее расшифровка и выполнение, в ходе которого МП получает необходимые данные из памяти или внешних устройств. Ячейки памяти и внешние устройства (порты) имеют номера, называемые адресами, которыми они обозначаются в программе.
По однонаправленной адресной шине ША микропроцессор посылает адреса, определяя объект, с которым будет обмен, по шине данных ШД (двунаправленной) микропроцессор обменивается данными с модулями (блоками) системы, по шине управления ШУ идет обмен управляющей информацией.
Постоянное запоминающее устройство (ОЗУ - ROM) хранит фиксированные программы и данные, является энергонезависимым и при выключении питания информация сохраняется.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ - RAM) хранит оперативные данные (изменяемые программы, промежуточные результаты вычислений и др.), является энергозависимым и теряет информацию при выключении питания. Для приведения системы в работоспособное состояние после включения питания в ОЗУ следует загрузить необходимую информацию.
Устройства ввода-вывода (УВВ) и внешние устройства (ВУ) - технические средства для передачи данных извне в МП или память либо из МП или памяти во внешнюю среду. Для подключения ВУ необходимо привести их сигналы, форматы слов, скорость передачи и т. п. к стандартному виду, воспринимаемому данным МП. Это выполняется специальными блоками, которые называются адаптерами (интерфейсными блоками ввода-вывода).
Интерфейсом будем называть совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих и унифицирующих процессы обмена между модулями системы.
На схеме (рис. 4.2) модули системы показаны обобщенно. Кроме обозначенных блоков, в состав систем входят обычно и более сложные, чем адаптеры, блоки управления внешними устройствами - контроллеры. К их числу относятся, прежде всего, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Имеются также контроллеры клавиатуры, дисплея, дисковой памяти и т.д.
Контроллеры прерываний обеспечивают обмен с внешними устройствами в режиме прерывания (временной остановки) выполняемой программы для обслуживания запроса от внешнего устройства.
Контроллеры прямого доступа к памяти обслуживают режим прямой связи между внешними устройствами и памятью без участия МП. При управлении обменом со стороны МП пересылка данных между внешними устройствами и памятью происходит в два этапа — сначала данные принимаются микропроцессором, а затем выдаются им на приемник данных. В режиме прямого доступа к памяти МП отключается от шин системы и передает управление ими контроллеру прямого доступа, а передача данных осуществляются в один этап — непосредственно от источника к приемнику.
В состав МПС часто входят также программируемые таймеры, формирующие различные сигналы (интервалы, последовательности импульсов и т. д.) для проведения операций, связанных со временем.