Интерфейс микропроцессорных систем

Общие определения. Возникает задача объединения микропроцессора, оперативной памяти, устройства ввода-вывода в единую систему. Это объединение предусматривает согласование

информационное, электрическое, конструктивное, функциональное. Все это объединяется одним понятием — интерфейс.

Интерфейсом называется совокупность шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, реализующих обмен информацией между устройствами системы. Средства интерфейса распределяются между устройствами управления, входящими в состав микропроцессора, интерфейсными компонентами МПК и специализированными контроллерами, реализующими алгоритмы обмена для специфических устройств ввода-вывода (УВВ).

Организация шин проводится несколькими способами: системой индивидуальных шин, коллективных шин, специальных шин. В МП-системах используются коллективные шины или магистрали. Единая общая магистраль включает в свой состав шину адреса (8...16 разрядов), шину данных (8...16 разрядов) и шину управления (около 10 разрядов).

В некоторых системах находит применение так называемая общая шина, когда линия шины адреса и шины данных совмещены. Это уменьшение числа линий в магистрали приводит к необходимости мультиплексирования передачи адреса и данных, что снижает быстродействие системы и усложняет алгоритм обмена.

Для уменьшения числа линий в магистрали шина данных делается двунаправленной. Интерфейсные особенности и средства самого процессора определяют структуру и состав шин.

Способы обмена и передачи данных в микропроцессорных системах — синхронный и асинхронный. При синхронном способе передающее устройство устанавливает и поддерживает информацию на шинах в течение определенного, заранее выбранного времени, после чего информация на передающем устройстве может быть изменена. Для идентификации информация сопровождается стробирующим сигналом (сигналом идентификации), причем информационные сигналы должны по времени перекрывать сигнал идентификации. Этот способ используется в том случае, если скорость работы устройств системы одинакова. В противном случае используется асинхронный принцип передачи информации. При этом приемник, приняв сигнал идентификации (стробирования) и зафиксировав передаваемую информацию, формирует ответный сигнал квитирования о приеме информации. Передающее устройство, получив сигнал о приеме, снимает передаваемый сигнал, т. е. передаваемая информация выдерживается на шинах до тех пор, пока не будет получен ответный сигнал от приемного устройства о приеме информации.

В МП системах используется в основном асинхронный принцип, который носит название управляющий — управляемый.

Поскольку в системе с коллективной шиной (магистралью) все устройства подключены к единой шине, то только два устройства (передатчик и приемник) участвуют в обмене, осталь-

ные устройства должны быть отключены от магистрали. Для организации сеанса связи вначале выполняется процедура адресации, выбора нужного периферийного устройства, или идентификации, т. е. установления номера устройства, требующего связи с микропроцессором, после чего начинается процедура передачи информации.

Существует три способа организации связи и передачи данных в МП системах.

1. Программно-управляемая передача данных. Этот способ требует наиболее простого интерфейса, минимальных аппаратурных затрат. Инициатором такого обмена может быть только МП, выполняющий какую-либо программу. Для использования МП в АСУТП этот способ непригоден, так как не представляется возможным в реальном масштабе времени оперативно реагировать на изменяющуюся ситуацию. Поэтому этот способ передачи данных в АСУТП должен сочетаться с другими способами.

2 Использование прерываний. В этом случае любое внешнее устройство может вызвать прерывание выполняемой программы и потребовать обслуживания этого запроса. Для этой цели МП должен иметь вход «запрос на прерывание», аппаратно опрашиваемый в конце выполнения каждой программы. Процесс прерывания организуется следующим образом: выставление сигнала «запрос на прерывание» устройством ввода-вывода, и если прерывание от этого устройства разрешено, этот запрос поступает на соответствующий вход МП; прием сигнала прерывания идентификации устройства, вызывающего прерывание; сохранение информации о прерываемой программе (состояние программного счетчика, некоторых активных регистров) в специальной или оперативной памяти; переход на соответствующую программу обслуживания прерываний и ее выполнение; восстановление состояния прерванной программы и продолжение ее выполнения.

Эти функции могут быть реализованы как программными, так и аппаратными средствами. Программная реализация системы прерываний отличается простотой и небольшим количеством сигналов и устройств для идентификации источника прерывания, но требует некоторое время реализации на запросы. Уменьшение времени реакции системы на запросы прерывания получается при аппаратной реализации многих функций, выполняемых при прерываниях, например таких, как идентификация устройства и переход на соответствующую программу обработки прерывания, сохранение и восстановление состояния прерванной программы, определение приоритетов и т. п.

3. Прямой доступ в память.

Рассмотренные 1-й и 2-й способы передачи данных характеризуются тем, что передача данных из ОЗУ к устройству ввода-

вывода или наоборот происходит под контролем и при непосредственном участии микропроцессора, что требует определенного времени.

Скорость передачи данных между ОЗУ и внешними устройствами может быть увеличена, если МП будет отключен от шин интерфейса, а передача будет производиться под управлением специального контроллера, так называемого канала (устройства) прямого доступа в память (ПДП).

Для реализации прямого доступа в память МП должен иметь вход «запрос на ПДП», который периодически должен опрашиваться, а в случае наличия этого запроса МП должен остановить выполнение программы (входить в режим захвата), отключаться от внешних системных шин. В МП К580ИК80 имеется вход ЗХ, который опрашивается в каждом машинном цикле. Если ЗХ=1, то МП переходит в режим «захвата» и выдает выходной сигнал ПЗХ, который используется устройством ПДП для начала передачи данных между ОЗУ и внешними устройствами.

Функциональное и электрическое сопряжение компонентов в микропроцессорных системах. Функциональное сопряжение компонентов предусматривает соответствующее согласование линий шин адреса, шин данных и управляющих сигналов. При совмещении шин адреса и шин данных, когда происходит мультиплексирование передачи данных и адреса, должны вырабатываться соответствующие сигналы идентификации. Для организации связи между блоками системы должны быть использованы управляемые буферные схемы: многорежимные буферные регистры, шинные формирователи.

Под электрическим сопряжением понимается согласование уровней логического «0» и логической «1», а также согласование нагрузочной способности для различных компонентов.

При построении МП систем на БИС одной технологии, вопрос о согласовании уровней «0» и «1» решается автоматически, но при этом следует учитывать нагрузочную способность отдельных устройств, которая указывается в технической документации.

Интерфейсные компоненты микропроцессорных систем. Функции интерфейса распределяются между средствами микропроцессора, специальными интерфейсными блоками и контроллерами внешних устройств. Для облегчения системной организации МП систем в состав МП комплектов включаются интерфейсные БИС: буферные регистры, шинные формирователи, схемы приоритетного прерывания, программируемые периферийные адаптеры, контроллеры прямого доступа в память, приемопередатчики и т. п.

Интерфейсные компоненты подразделяются на непрограммируемые и программируемые, в последнем случае они могут

под программным управлением МП перестраиваться с выполнения одной функции на другую, что делает систему более гибкой. Все интерфейсные компоненты имеют выходную шину с тремя состояниями.

Рассмотрим структуру многорежимного буферного регистра (МБР) на БИС К589ИР12 (рис. 7.6). Регистр имеет 8-разрядную входную шину данных (Д ₁.. Д ₈), выходную шину данных (Q ₁... Q ₈), управляющие сигналами ΒΚ₁, ВК₂, ВР. При ВР=1 (режим ввода) внутренний сигнал Выд=1 и выходные вентильные схемы открыты. Если при этом ВК₁ = 0, ВК₂ = 1 (выборка

Рис. 7.6. Схема многорежимного буферного регистра (МБР) на БИС

К589ИР12

Рис. 7.7. Схема шинного формирователя К589АШ6

кристалла), то осуществляется также и прием информации с выходных шин Д ₁... Д₈ (Пр= 1).

При ВР = 0 (режим ввода) прием в МБР осуществляется при подаче стробирующего сигнала С, а выдача информации на шины Q₁.,Q₈ осуществляется при этом при ВК₁=0 и ВК₂ = = 1. Структура шинного формирователя ШФ К589АП16 (рис. 7.7) включает в себя 4-разрядную входную шину (Д₁..

В АСУТП стоят задачи сопряжения микроЭВМ с датчиками, исполнительными механизмами через АЦП, ЦАП. Здесь важным является введение единого приборного интерфейса. Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматизированных системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости этих элементов.

Известными стандартными интерфейсами являются МЭК, КАМАК и др.

Стандарт КАМАК распространяется на организацию обмена данными между модулями и контроллерами в каркасе (крейте), на организацию обмена между контроллерами крейтов и ЦВМ.

Основой системы КАМАК является крейт с 25 ячейками, в которые вставляются модули. Обмен данными между модулями происходит по внутрикрейтовым шинам — горизонтальной магистрали под управлением контроллера с числом линий 86.

Обмен между крейтами в мультикрейтовой системе и микро-ЭВМ осуществляется параллельным кодом по вертикальной магистрали, имеющей 66 линий.

Вертикальная магистраль связывает контроллер ветви с контроллерами отдельных крейтов. Контроллер ветви имеет соединение с процессором микроЭВМ.

В системах, в которых элементы удалены друг от друга на значительные расстояния, используется канал с последовательной побайтной передачей данных между микроЭВМ и крейтами.

Дата добавления: 2015-08-27