Принципы построения микропроцессорных систем

Принципы построения микропроцессорных систем При построении микропроцессорных систем (МПС) используются следующие принципы: • микропрограммного управления; • модульного построения системы; • магистрального способа обмена информацией. Принцип микропрограммного управления. Существуют два способа построения устройства управления (УУ) МП: • «жёсткая» логика – с использованием комбинационных схем – дешифраторов и программируемых логических матриц; • «программируемая» логика – с использованием ПЗУ микропрограмм (микрокоманд). В первом случае каждое входное воздействие, представленное командой программы, на УУ жёстко связано с выходными сигналами, изменение которых возможно только при изменении электрической схемы УУ. Таким образом, данный способ построения УУ жестко фиксирует систему команд МП (недостаток), но позволяет обеспечить максимальное быстродействие УУ (преимущество). МП, использующие УУ на основе комбинационных схем, называются МП с фиксированным набором команд. Во втором случае изменение какой-либо выполняемой команды обеспечивается заменой соответствующей микропрограммы. Фактически, выполнение команды представляет собой процесс ее интерпретации, т.е. из ПЗУ микропрограмм выбираются команды микропрограммы (т.е. микрокоманды) и выполняются операционным блоком. Поскольку при считывании каждой микрокоманды требуется обращение к ПЗУ микрокоманд, происходит снижение быстродействия УУ (недостаток), но при этом обеспечивается высокая гибкость УУ (преимущество). Принцип модульности предполагает построение микропроцессорных устройств и систем (МПУ и МПС) на основе модулей. Под модулем понимается конструктивно, функционально и электрически законченное устройство, позволяющее самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать задачи заданного класса. При выборе функционального состава МПУ или МПС необходимо учитывать универсальность (многофункциональность) и специализацию модулей. С одной стороны, повышение универсальности модулей способствует снижению их номенклатуры, сокращению затрат на проектирование и изготовление, повышению уровня серийности и, следовательно, обеспечивает сравнительно низкую стоимость модулей. С другой стороны, специализация моделей является средством достижения более полного соответствия структуры МПУ и МПС выполняемым алгоритмам, т.е. она способствует повышению их быстродействия и эффективности применения. Магистральный способ обмена информацией. Среди способов организации связей между модулями МПС можно выделить следующие два: • с помощью произвольных связей, реализующих принцип «каждый с каждым»; • с помощью упорядоченных связей (магистралей). При «классической» структуре связей (рисунок 1) все сигналы, включая и закодированные данные, передаются между устройствами по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств, что приводит к образованию в системе множества линий связи и необходимости использования различных протоколов обмена информацией. Это требовало привлечения значительного объема дополнительной аппаратуры (дешифраторы, коммутаторы) и приводило к усложнению отладки системы. Устройство 1 Устройство 2 Устройство 3 Устройство 4 Рисунок 1 – Иллюстрация «классической» структуры связей (каждый с каждым) Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в МП-системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему. При шинной структуре связей (рисунок 2) все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (мультиплексированная передача). При этом передача сигналов по линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно уменьшается, а протоколы (правила обмена) упрощаются. Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды, называется шиной (англ. bus) или магистралью. Устройство 1 Устройство 2 • • • Устройство 4 • • • Устройство 3 • • • • • • • • • • • • • • Рисунок 2 – Иллюстрация шинной (магистральной) структуры связей При шинной (магистральной) структуре связей легко осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении, например, появляется возможность пропустить их через один процессор (важное обстоятельство при построении МПС). Однако, при шинной структуре связей, информация передается по линиям связи последовательно во времени, т.е. обмен ею между устройствами выполняется поочередно, что снижает быстродействие системы по сравнению с классической структурой связей (см. выше рисунок 1). Важным преимуществом шинной структуры связей является возможность использования унифицированных протоколов обмена информацией, т.е. протоколов, не ориентированных на специфические особенности устройств, подключённых к шине. Таким образом, магистральный способ обмена информацией позволяет минимизировать количество связей между модулями МПС, обеспечить стандартизацию интерфейсов, сократить число выводов СБИС микропроцессора. Существенный недостаток шинной структуры связей обусловлен параллельным подключением всех устройств к линии связи. Это может вывести из строя всю МПС, если неисправность какого-либо устройства приведет к помехам (отказам) линий связи. По этой же причине отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и требует специального оборудования. В МПС обычно выделяются следующие шины, объединяющиеся в системную шину (системную магистраль): шина данных, шина адреса (адресная шина), шина управления. Шина данных – основная шина, используемая для передачи информации между устройствами МПС. В пересылке информации может непосредственно участвовать МП, который передает данные в какое-либо внешнее устройство или в ячейки памяти либо принимает данные из устройства или у ячеек памяти. Возможна также передача информации между устройствами без участия МП. Количество разрядов (линий связей) шины данных является одним из параметров, определяющих скорость информационного обмена. Шина данных (англ. Data Bus) всегда является двунаправленной, т.е. она предполагает передачу информации в обоих направлениях. Обычно шина данных имеет разрядность 8, 16, 32 или 64 бита (разряд). За один цикл обмена по 8-разрядной шине может передаваться только один байт информации, а по 64-разрядной – до 8 байт. Шина адреса (англ. Address Bus) служит для определения адреса устройства, с которым в данный момент МП обменивается информацией. В МПС каждому устройству (за исключением самого МП) и каждой ячейке памяти назначается собственный адрес. Когда двоичный код адреса выставляется МП на шине адреса, соответствующее устройство, которому приписан этот адрес, понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса определяет допустимый объем адресуемой памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем хранимых данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2N, где N – количество разрядов (разрядность) шины адреса. Например, 16-разрядная шина адреса позволяет использовать 65536 адресов. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 32 или даже 64. Шина адреса может быть как однонаправленной (когда магистралью всегда управляет МП), так и двунаправленной (когда МП может временно передавать управление магистралью другому устройству, например, контроллеру ПДП). Для снижения общего количества линий связи применяется мультиплексирование шин адреса и данных, т.е. одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла – адрес, в конце цикла – данные). Для фиксации этих моментов служат специальные сигналы (стробы) на шине управления. Очевидно, что мультиплексированная шина адреса/данных обеспечивает меньшую скорость обмена и требует более длительного цикла обмена (рисунок 3). Шина адреса Адрес Шина адреса/данных Шина данных Адрес Данные Данные а) Немультиплексированные шины б) Мультиплексированные шины Рисунок 3 – Мультиплексирование шин адреса и данных Таким образом, по типу шины адреса и шины данных все магистрали можно разделить на мультиплексированные и немультиплексированные. В некоторых мультиплексированных магистралях после передачи кода адреса передается несколько кодов данных (массив данных), что позволяет существенно повысить быстродействие магистрали. Шина управления (англ. Control Bus), в отличие от шины адреса и шины данных, состоит из отдельных линий для передачи управляющих сигналов. Каждый из управляющих сигналов во время обмена информацией выполняет свою функцию. Некоторые сигналы используются для стробирования передаваемых или принимаемых данных, т.е. определяют моменты времени, когда код данных 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 как однонаправленными, так и двунаправленными. Таким образом, шина управления – это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой определяют тип текущего цикла и фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям или стадиям цикла. Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласованную работу МП (или другого владельца магистрали, задатчика, англ. master) и памяти или устройства ввода-вывода (исполнитель, англ. slave). Управляющие сигналы также обслуживают запрос и предоставление прерываний и прямого доступа к памяти (ПДП). Важнейшим типом управляющих сигналов являются стробы обмена – сигналы, формируемые МП и определяющие моменты времени, в которые производится пересылка данных по шине данных, т.е. выполняется обмен данными. В магистрали чаще всего используются следующие два различных строба обмена: • строб записи (вывода), определяющий момент времени, когда устройство-исполнитель может принимать данные, выставленные МП на шину данных; • строб чтения (ввода), определяющий момент времени, когда устройство-исполнитель должно выдать данные на шину данных, которые будут прочитаны МП. При этом большое значение имеет то, как МП заканчивает обмен в пределах цикла, в какой момент он снимает свой строб обмена. Возможны два варианта: • синхронный обмен; • асинхронный обмен. При синхронном обмене МП заканчивает обмен данными самостоятельно, через определенный установленный временной интервал – время выдержки, т.е. без учета интересов устройства-исполнителя. При асинхронном обмене МП заканчивает обмен только тогда, когда устройствоисполнитель подтверждает выполнение операции специальным сигналом, который называется «рукопожатием» (англ. handshake). Достоинством синхронного обмена является более простой протокол обмена, обусловленный меньшим количеством управляющих сигналов. Недостатки – отсутствие гарантии, что исполнитель выполнил заданную операцию, а также высокие требования к быстродействию исполнителя. Достоинства асинхронного обмена – более надёжная пересылка данных, возможность работы с разными по быстродействию исполнителями. Недостаток – необходимость формирования сигнала подтверждения всем исполнителям, т.е. дополнительные затраты на аппаратуру. В ряде случаев в магистрали обеспечивается возможность как синхронного, так и асинхронного обмена. При этом синхронный обмен является основным и довольно быстрым, а асинхронный применяется только для медленных исполнителей. Таким образом, по используемому типу обмена магистрали МПС можно разделить на синхронные и асинхронные.