2.2. Контроллеры внешних устройств

Подключение любого внешнего устройства к микроЭВМ осуществляется через контроллер ВУ. Способы структурной и функциональной организации контроллеров ВУ определяются двумя основными факторами:

• форматами данных и режимами работы конкретных ВУ;

• типом системного интерфейса микроЭВМ.

Влияние первого из этих факторов на организацию контроллеров ВУ достаточно очевидно. В самом деле, нерационально было бы создавать единый универсальный контроллер, обеспечивающий, например, подключение к микроЭВМ простых устройств типа цифровых индикаторов и сложных устройств типа накопителей на магнитных дисках. Именно поэтому на практике применяют самые разнообразные контроллеры ВУ: от простейших для подключения к микроЭВМ датчиков одиночных сигналов до очень сложных, сравнимых по сложности с процессорами микроЭВМ, например, для сопряжения микроЭВМ с аппаратурой для автоматизации научных исследований.

Второй фактор — тип интерфейса — определяет способ организации электронных схем контроллеров ВУ, обеспечивающих связь с шинами интерфейса, в первую очередь — схем распознавания адресов ВУ. Наиболее просто дешифрация адреса ВУ реализуется в контроллерах ВУ для микроЭВМ с отдельным интерфейсом ввода—вывода. Более сложны схемы распознавания адресов и разделения адресов и данных, передаваемых по единым шинам

Однако такое положение дел, когда для каждого типа ВУ требуется уникальный контроллер, конечно, не устраивало ни разработчиков средств вычислительной техники (микроЭВМ и ВУ), ни ее пользователей. Наиболее перспективным оказался путь стандартизации набора информационных и управляющих сигналов, которыми обмениваются контроллер и ВУ. Для разных типов микроЭВМ были разработаны контроллеры, обеспечивающие:

• связь с ВУ по стандартному параллельному каналу передачи данных;

• связь с ВУ по стандартному последовательному каналу передачи данных;

• преобразование информации из аналоговой формы в цифровую с заданной точностью;

• преобразование информации из дискретной формы представления в аналоговую в заданных диапазонах изменения аналоговых величин.

Рассмотрим типичные структуры контроллеров ВУ, применяемых в микроЭВМ с различными системными интерфейсами. На рис. 7, а приведена блок—схема типичного контроллера ВУ, обеспечивающего программно-управляемый обмен информацией с ВУ (операции «Ввод» и «Вывод», см. рис. 6) в микроЭВМ, имеющей системный интерфейс с изолированными шинами адреса и данных.

Основу контроллера ВУ составляют несколько регистров, которые служат для временного хранения передаваемой информации. Каждый регистр имеет свой адрес, и зачастую такие регистры называют портами ввода—вывода. Регистры входных и выходных данных работают соответственно только в режиме чтения и только в режиме записи. Регистр состояния работает только в режиме чтения и содержит информацию о текущем состоянии ВУ (включено/выключено, готово/не готово к обмену данными и т. п.). Регистр управления работает только в режиме записи и служит для приема из микроЭВМ приказов для ВУ. В контроллерах, используемых для подключения достаточно простых ВУ (клавиатура, перфоратор и т. п.), удается совместить в один регистры состояния и управления, что позволяет сократить количество используемых в контроллере портов ввода—вывода, а следовательно, и адресов, выделенных для данного ВУ.

Логика управления контроллера ВУ выполняет селекцию адресов регистров контроллера, прием, обработку и формирование управляющих сигналов системного интерфейса, обеспечивая тем самым обмен информацией между регистрами контроллера и шиной данных системного интерфейса микроЭВМ.

Приемопередатчики шин адреса и данных служат для физического подключения электронных схем контроллера к соответствующим шинам системного интерфейса.

Сравнение двух контроллеров показывает, что между ними нет принципиальных различий в порядке использования регистров. Различия в структурах контроллеров, вызванные различной организацией системных интерфейсов, проявляются только в построении логики управления (по-разному организованы прием и селекция адресов) и способе подключения к шинам системного интерфейса.

В настоящее время в практику широко внедряются программируемые контроллеры, режимы работы которых устанавливаются специальными командами микроЭВМ или определяются программами обмена с ВУ, хранимыми, как правило, в сменных БИС ПЗУ.

Программируемые контроллеры необходимо настраивать на конкретный режим обмена данными, присущий ВУ: синхронный или асинхронный, с использованием сигналов прерывания или без их использования, на заданную скорость обмена и т. д. Настройка таких контроллеров на требуемый режим обмена производится программным путем с помощью специальных команд (управляющих слов), передаваемых из процессора в контроллер ВУ перед началом обмена. Управляющее слово записывается в специальный регистр и инициирует заданный режим обмена с ВУ.

Развитие интегральной микросхемотехники позволило создавать программируемые контроллеры в виде одной БИС.

Для подключения к микроЭВМ ВУ со сложными алгоритмами управления (например, накопителей на магнитных дисках) используются программируемые контроллеры с хранимыми в ПЗУ или ППЗУ программами управления и обмена с ВУ. Такого рода контроллеры являются, по сути дела, специализированными микроЭВМ, а их настройка на взаимодействие с конкретным ВУ осуществляется сменой программы, т.е. заменой БИС ПЗУ.

Стандартизация интерфейсов ввода-вывода и использование БИС для реализации логических схем интерфейсов и контроллеров ВУ позволяет конструктивно реализовать контроллер (интерфейс ввода—вывода) на плате процессора либо непосредственно в ВУ. Такая реализация интерфейсов и контроллеров создает у пользователя иллюзию их отсутствия и некоторую несогласованность в структурных и функциональных схемах микроЭВМ. Тем не менее, в любой микроЭВМ всегда можно достаточно четко выделить компоненты системы ввода—вывода, что крайне необходимо при изучении как микроЭВМ, так и способов их использования в различных системах.