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. Рассмотрим вначале классическую или радиальную структуру связей.

Рис. 1.7. Классическая структура связей.

При классической структуре связей (рис. 1.7) все сигналы и коды меж­ду устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устрой­ство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается очень много линий свя­зи и разных протоколов обмена информацией.

При шинной структуре связей (рис. 1.8) все сигналы между устройства­ми передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (так называе­мая двунаправленная передача). В результате количество линий связи су­щественно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются. Груп­па линий связи, по которым передаются сигналы или коды как 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 по линиям связи последовательно во времени по очереди, что снижает быстродействие системы по сравнению с клас­сической структурой

Рис. 1.8. Шинная структура связей.

Большое достоинство шинной структуры связей состоит в том, что все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать ин­формацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена информаци­ей по шине). Соответственно, все узлы, отвечающие за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть единообразны, унифицированы.

Существенный недостаток шинной структуры связан с тем, что все ус­тройства подключаются к каждой линии связи параллельно. Поэтому лю­бая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систе­му, если она портит линию связи. По этой же причине отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и обычно 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 ОК, ОС);

• выход с тремя состояниями или (что тоже самое) с возможностью
отключения (обозначается ЗС, 3S).

Упрощенно эти три типа выходных каскадов могут быть представлены в виде схем на рис. 1.9.

У выхода 2С два ключа замыкаются по очереди, что соответствует уров­ням логической единицы (верхний ключ замкнут) и логического нуля (нижний ключ замкнут). У выхода ОК замкнутый ключ формирует уро­вень логического нуля, разомкнутый — логической единицы. У выхода ЗС ключи могут замыкаться по очереди (как в случае 2С), а могут размыкать­ся одновременно, образуя третье, высокоимпедансное, состояние. Пере­ход в третье состояние (Z-состояние) управляется сигналом на специаль­ном входе EZ.

Рис. 1.9. Три типа выходов цифровых микросхем.

Выходные каскады типов ЗС и ОК позволяют объединять несколько выходов микросхем для получения мультиплексированных (рис. 1.10) или двунаправленных (рис. 1.11) линий.

Рис. 1.11. Двунаправленная линия.

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

Типичная структура микропроцессорной системы приведена на рис. 1.12. Она включает в себя три основных типа устройств:

• процессор;

• память, включающую 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 (УВВ, I/O — Input/Output Devices), служащие для связи микропроцессорной системы с внешними устройства­
ми, для приема (ввода, чтения, Read) входных сигналов и выдачи (вы­
вода, записи, Write) выходных сигналов.

Рис. 1.12. 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 какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.

Шина данных — это основная шина, которая используется для переда­чи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессор­ной системы. Обычно в пересылке информации участвует процессор, ко­торый передает код данных в какое-то устройство или в ячейку памяти или же принимает код данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная.

Шина управления в отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во вре­мя обмена информацией имеет свою функцию. Некоторые сигналы слу­жат для стробирования передаваемых или принимаемых данных (то есть 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, для тактирования всех устройств и т.д. Линии шины уп­равления могут быть однонаправленными или двунаправленными.

Наконец, шина питания предназначена не для пересылки информаци­онных сигналов, а для питания системы. Она состоит из линий питания и общего провода. В микропроцессорной системе может быть один источ­ник питания (чаще +5 В) или несколько источников питания (обычно еще -5 В, +12 В и -12 В). Каждому напряжению 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 по шине адреса обращается к нужному устройству ввода/вывода и принимает по шине данных входную информацию. Если из микропроцессорной системы надо вывести выходной код (или выходной сигнал), то процессор обращается по шине адреса к нужному устройству ввода/вывода и передает ему по шине данных выходную информацию.

Если информация должна пройти сложную многоступенчатую обработ­ку, то процессор может хранить 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 по шине данных или же принимает из нее информационный код по шине данных. В памяти (оперативной и постоянной) находятся также и управляющие коды (команды выполняемой процессором программы), которые процессор также читает по шине данных с адресацией по шине адреса. Постоянная память используется в основном для хранения программы начального пуска микро­процессорной системы, которая выполняется каждый раз после включения питания. Информация в нее заносится изготовителем раз и навсегда.

Таким образом, в микропроцессорной системе все информационные коды и коды команд передаются по шинам последовательно, по очереди. Эго определяет сравнительно невысокое быстродействие микропроцес­сорной системы. Оно ограничено обычно даже не быстродействием процессоpa (которое тоже очень важно) и не скоростью обмена по системной типе (магистрали), а именно последовательным характером передачи ин­формации по системной шине (магистрали).

Важно учитывать, что устройства ввода/вывода чаще всего представ­ляют собой устройства на «жесткой логике». На них может быть возложена часть функций, выполняемых микропроцессорной системой. Поэтому у разработчика всегда имеется возможность перераспределять функции си­стемы между аппаратной и программной реализациями оптимальным об­разом. Аппаратная реализация ускоряет выполнение функции, 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 комбинирование аппаратных и программных функций.

Иногда устройства ввода/вывода имеют в своем составе процессор, то есть представляют собой небольшую специализированную микропроцес­сорную систему. Это позволяет переложить часть программных функций на устройства ввода/вывода, разгрузив центральный процессор системы.