Організація передачі інформації в мпс. Інтерфейс
До складу мікропроцесорної системи крім мікропроцесора (або мікропроцесорів) залежно від її призначення може входити різна кількість пристроїв постійної й оперативної пам'яті й периферійних пристроїв – зовнішніх запам'ятовувальних пристроїв на магнітних дисках і стрічках і різноманітних пристрїв уведення/виводу (дисплеїв, друкувальних пристроїв, аналого-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів, різних датчиків і приймачів інформації й т.п.). При цьому повинна забезпечуватися можливість зв'язку між цими пристроями й обміну інформацією між ними з необхідною швидкістю.
Передача інформації із процесора й пам'яті в периферійний пристрій називається операцією виводу, а з периферійного пристрою в процесор або пам'ять – операцією введення.
Пристрої МПС зв'язуються один з одним за допомогою сполучень, називаних інтерфейсами.
Інтерфейс являє собою сукупність ліній і шин, сигналів, електронних схем, алгоритмів (протоколів) процедур, що забезпечують обмін інформацією між пристроями системи. Продуктивність, надійність і ефективність використання МПС визначається не тільки характеристиками пристроїв, які входять до її складу, але й характеристиками інтерфейсів, що зв'язують пристрої системи. Створення ефективної й гнучкої організації взаємодії й обміну інформацією між пристроями ускладнюється тим, що поєднувані в систему пристрої розрізняються за фізичними принципами дії, виконуваними робочими операціями, використовуваними командами і наказами, керуючими сигналами (кодами) і форматами даних, швидкостями передачі інформації. Входячі до складу системи, периферійні пристрої, а також устаткування, пов'язане із МП – системою технологічного процесу – працюють асинхронно один до одного й до процесора (програми), і запити з їх боку на встановлення зв'язку й обмін інформацією можуть виникати в довільні моменти часу.
Організація взаємодії й обміну інформацією між пристроями (модулями) МПС повинна забезпечувати:
можливість реалізувати мікропроцесорні системи з різною конфігурацією (різним складом пристроїв), включати в систему нові пристрої без яких-небудь переробок в апаратурах, а лише шляхом додавання програм, що обслуговують ці пристрої;
можливість ефективної реалізації обміну інформацією в системі, що містить пристрої зі значно відмінними швидкостями, передачі даних, причому в умовах, коли запити на операції введення/виводу від пристроїв системи й із зовнішнього, стосовно системи, середовища надходять у довільні моменти часу (асинхронно щодо програми, виконуваної процесором) і мають різну відносну терміновість виконання;
можливість паралельного в часі виконання процесором програми, а периферійними пристроями – операцій введення/виводу;
спрощення й уніфікацію програмування операцій уведення - виводу з виключенням необхідності урахування особливостей того або іншого периферійного пристрою.
Зазначені вище вимоги вдається реалізувати на основі наступних архітектурних рішень, характерних для побудови мікропроцесорних засобів.
Магістрально-модульна організація мікропроцесорних систем, яка полягає в тому, що окремі мікропроцесорні засоби виконуються у вигляді конструктивно закінчених модулів, які являють собою відповідну БІС, укладені в корпуси з виводами, і ці модулі поєднуються в систему за допомогою загальних шин (магістралей), поділюваних пристроями (модулями) у часі при операціях передачі інформації (рис. 1.6).
Формати команд уведення/виводу й формати даних, використовуваних в операціях передачі інформації через інтерфейс, уніфіковані (не залежні від типу периферійного пристрою (ПП)). Перетворення уніфікованих форматів даних і команд на спеціальні формати й специфічні накази (керуючі коди) і сигнали, що відповідають окремим ПУ, виробляються в спеціальних електронних блоках керування (адаптерах або контролерах (ПА)), через які периферійні пристрої підключаються до загальних шин. Уніфікація поширюється на сімейство (серію) мікропроцесорних засобів.
Уніфікований
інтерфейс – це уніфікований за складом
й призначенням набір ліній і шин,
уніфіковані схеми підключення, сигнали
й алгоритми керування передачею
інформації через інтерфейс.
ПЗП
ОЗП
МП
ПА
ПА
ПА
Рисинок 1.6 – Магістрально-модульна структура МПС
У складі інтерфейсу є засоби (ліній керування й спеціалізованих схем) для здійснення системи переривань із програмно-керованим пріоритетом, що забезпечує обслуговування формованих периферійними пристроями запитів на передачу інформації через інтерфейс. Особливістю архітектури мікропроцесорних засобів є зв'язок системи переривання із шинами й процедурами роботи інтерфейсу.
Наявність декількох способів (режимів) передачі інформації між пристроями через інтерфейс підвищує гнучкість інтерфейсу, дозволяючи вибрати найбільш придатний режим з урахуванням характеристик ПП й структури переданого повідомлення (окреме слово або масив слів).
Важливою особливістю організації обміну інформацією в МПС є використання спеціалізованих інтерфейсних БІС (контролер прямого доступу, контролер переривань, програмувальний периферійний адаптер, програмувальний зв'язувальний адаптер, програмувальний таймер), що дозволяють значною мірою звільняти процесор від керування операціями введення/виводу й виконання допоміжних процедур перетворення форматів даних, підрахунку переданих байт та ін. Програмне налагоджування інтерфейсних БІС дає винятково широкі можливості для побудови гнучких і ефективних мікропроцесорних систем керування й обробки даних.
Підключення зовнішніх пристроїв до системної шини здійснюється за допомогою електронних схем, називаних контролерами ВВ (інтерфейсами ВВ або ПА). Вони узгоджують рівні електричних сигналів, а також перетворять машинні дані на формат, необхідний пристрою, і навпаки. Звичайно контролери ВВ конструктивно оформляються разом із процесором у вигляді інтерфейсних плат.
У процесі введення/виводу передається інформація двох видів: керуючі дані (слова) і саме дані, або дані-повідомлення. Керуючі дані від процесора, називані також командними словами або командами, ініціюють дії, не зв'язані безпосередньо з передачею даних, наприклад: запуск пристрою, заборона переривань і т.п. Керуючі дані від зовнішніх пристроїв називаються словами стану, вони містять інформацію про певні ознаки, наприклад: про готовність пристрою до передачі даних, про наявність помилок при обміні й т.п. Стан звичайно подається в декодованій формі – один біт для кожної ознаки.
Регістр, що містить групу біт, до якої процесор звертається в операціях ВВ, утворить порт ВВ. Таким чином, найбільш загальна програмна модель зовнішнього пристрою, що може виконувати введення й вивід, містить чотири регістри ВВ: регістр вихідних даних (вихідний порт), регістр вхідних даних (вхідний порт), регістр керування й регістр стану (рис. 1.7). Кожний із цих регістрів повинен мати однозначну адресу, що ідентифікується дешифратором адреси. Залежно від особливостей пристрою загальна модель конкретизується, наприклад, окремі регістри стану й керування поєднуються в один регістр, у пристрої введення (виводу) є тільки регістр вхідних (вихідних) даних, для введення й виводу використовується двонаправлений порт.
Рисунок 1.7 – Програмна модель зовнішнього пристрою
Безпосередні дії, пов'язані з уведенням/виводом, реалізуються одним із двох способів, що розрізняються адресацією регістрів ВВ.
Інтерфейс із ізольованими шинами характеризується роздільною адресацією пам'яті й зовнішніх пристроїв при обміні інформацією. Ізольований ВВ припускає наявність спеціальних команд уведення/виводу, загальний формат яких показаний на рисунку 1.8. При виконанні команди уведення IN уміст адресованого вхідного регістра PORT передається у внутрішній регістр REG процесора, а при виконанні команди OUT уміст регістра REG передається у вихідний порт PORT. У процесорі можуть бути й інші команди, що відносяться до ВВ і пов'язані з перевіркою й модифікацією вмісту регістра керування й стану.
Рисунок 1.8 – Команди уведення/виводу (загальний формат)
Неважко помітити, що в цьому способі адресний простір портів уведення й виводу ізольовано від адресного простору пам'яті, тобто в МПС ту саму адресу можуть мати порт ВВ і комірка пам'яті. Поділ адресних просторів здійснюється за допомогою керуючих сигналів, що відносяться до систем ВВ і пам'яті (MEMRD# – зчитування даних з пам'яті, MEMWR# –
запис даних у пам'ять, IORD# – читання порту ВВ, IOWR# – запис у порт ВВ).
У МПС, розрахованій на ізольований ВВ, неважко перейти до ВВ, відображеному на пам'ять. Якщо, наприклад, адресний простір пам'яті становить 64 Кбайти, а для програмного забезпечення досить 32 Кбайта, то область адрес від 0 до 32 Кбайта використовується для пам'яті, від 32 Кбайт адо 64 Кбайта – для введення/виводу. При цьому ознакою, що диференціює звертання до пам'яті й портів ВВ, може бути старший біт адреси.
Таким чином, інтерфейс із загальними шинами (уведення/вивід з відображенням на пам'ять) має організацію, при якій частина загального адресного простору приділяється для зовнішніх пристроїв, регістри яких адресуються так само, як і комірки пам'яті. У цьому випадку для адресації портів ВВ використовуються повні адресні сигнали: READ – читання, WRITE – запис.
В операційних системах МПС є набір підпрограм (драйверів ВВ), керуючих операціями ВВ стандартних зовнішніх пристроїв. Завдяки їм користувач може не знати багатьох особливостей ЗП й інтерфейсів ВВ, а застосовувати чіткі програмні протоколи.