Микропроцессорные системы. 
Электротехника и электроника

В самых различных областях техники нашли широкое применение микропроцессорные системы (МГ1С), предназначенные для реализации заданных алгоритмов обработки информации. Система содержит совокупность микропроцессоров, устройства аппаратной поддержки (памяти, синхронизации, приема-передачи), сопрягающие функциональные устройства и линии связи между ними.

Микропроцессорная система строится как агрегат, состоящий из набора функциональных блоков (модулей), связанных посредством магистрали, т. е. совокупности линий связи, обмен данными по которым производится в соответствии с регламентирующими протоколами. Магистрально-модульная организация МПС обеспечивает гибкость системы, возможность ее модификации и наращивания.

Магистральный метод обмена данными позволяет существенно уменьшить число линий связи по сравнению с произвольной структурой соединения модулей вида «каждый с каждым», но приводит к параллельному соединению входов и выходов функциональных блоков, присоединенных к одним и тем же линиям связи. Совместная работа множества разнохарактерных модулей обеспечивается совокупностью аппаратных средств и программного обеспечения взаимодействия, называемых интерфейсом системы. Производительность вычислительных и управляющих систем во многом зависит от организации интерфейса, осуществляющего функции согласования информационных и управляющих сигналов по формату и их распределения во времени, синхронизации обмена информацией, дешифрации кодов команд и адресов.

Интерфейсные устройства (трехрежимные буферные формирователи, регистры, порты и контроллеры обмена) представляют собой сложные устройства с программируемыми свойствами, решающие задачи совместного функционирования весьма различающихся по быстродействию модулей (микропроцессоров, ЗУ и внешних устройств). Выбор структуры, принципов обработки данных и конфигурации системы основывается на разрешении компромисса между требуемой производительностью и сложностью построения и управления интерфейсом.

Типовая минимальная структура МПС содержит центральный процессорный элемент (ЦПЭ), память (ПЗУ и ОЗУ), внешние устройства (ВУ) с устройствами ввода и вывода (УВВ). Принятая конфигурация системы реализует объединенный интерфейс для ЗУ и УВВ, подключенных к общей системной магистрали (рис. 16.2).

В соответствии с приведенной структурой функционирование системы заключается в выполнении процессором арифметических и логических действий над операндами, передаваемыми из ЗУ или УВВ, а также в организации процесса обмена данными с помощью управляющих сигналов. Команды и данные передаются между модулями по системной магистрали, которая имеет сравнительно небольшое число линий связи, объединенных в шины данных (ШД), адреса (ША), управления (ШУ). Ограниченность количества проводников в магистрали обусловлена конечным числом выводов корпуса микропроцессора.

«Узкий» интерфейс МП и необходимость обеспечения для каждого модуля возможности передачи и приема данных приводят к организации двунаправленной ШД, которая сопровождается усложнением схем управления обменом и снижением быстродействия. При обмене данными, как правило, используют их представление двоичным кодом, причем каждому разряду слова (числа) отведена индивидуальная линия связи. Для передачи многоразрядных чисел по шине небольшой разрядности применяют последовательную передачу по частям (например, по одному байту), что также ведет к усложнению аппаратуры (введению дополнительных мультиплексоров, регистров хранения и управляющей логики) и уменьшению быстродействия.

Для согласования темпа работы модулей, обеспечения режимов последовательной передачи и приема данных по частям, объеди;

Рис. 16.2. Основные модули микропроцессорной системы нения (мультиплексирования) шин и других режимов функционирования магистраль системы подключена к внутренней магистрали МП через программно управляемое буферное устройство обмена.

Физический обмен данными в форме двоичных кодов слов между различными модулями по магистрали осуществляется последовательно во времени при выборе (селекции) устройства в соответствии с кодом адреса объекта (идентификатором). В обмене данными одновременно участвуют только два устройства — активное (ведущее, или инициатор обмена) и пассивное (ведомое, или ответчик). Взаимодействие микропроцессора с одним из адресуемых модулей памяти и внешних устройств осуществляется через интерфейс в режиме программного обмена данными или обслуживания системы прерывания основной программы. В зависимости от типа операции, т. е. передачи или приема данных, обращения к УВВ по его инициативе, прямого взаимодействия УВВ и ЗУ, интерфейс МПС осуществляет дешифрацию адреса объекта, выработку сигналов запроса и прием подтверждения исполнения, преобразование формата данных, синхронизацию обмена, распределение сигналов по линиям, их электрическое согласование и другие действия.

Интерфейс представляет собой совокупность аппаратных средств (линий связи, соединителей, электронных схем сопряжения), алгоритмов управления, программ и протоколов. Адреса выбираемых для обмена объектов входят в состав кода команды и передаются по шине адреса. Упорядоченное множество N_a = 2″ кодов адресов, однозначно связанное с числом линий п адресной шины, называют адресным пространством МПС. С точки зрения адресации порты УВВ можно рассматривать как ячейки ЗУ и адресное пространство интерпретировать как максимально возможное количество программно-доступных элементов. Распределение адресного пространства производится при проектировании системы, и в дальнейшем принадлежность модуля к определенному классу (ОЗУ, ПЗУ, УВВ) может идентифицировать только микропроцессор.

Ограниченность пропускной способности интерфейса (небольшого числа линий магистрали) приводит к достаточно малому количеству источников и приемников информации (ВУ), взаимодействующих с МПС. На практике применяют организационные и аппаратные способы и средства повышения эффективности системы адресации, базирующиеся на свойствах адресуемых объектов. Для увеличения числа подключаемых «медленных» УВВ используют разновидности магистральной организации с подключением нескольких портов УВВ к одному контроллеру. В ряде случаев производят разделение систем обращений к ЗУ и УВВ с добавлением сигнала идентификации по шине управления. Для построения рациональной системы адресации ячеек ЗУ широко используют методы последовательной передачи адреса по частям (например, при страничной организации ОЗУ), а также различные принципы передачи кода адреса: а) прямой; б) регистровый; в) страничный; г) индексный.

Тип используемых аппаратных средств интерфейса и их программного обеспечения зависит от вида взаимодействующих устройств и режимов обмена информацией. Стандартные универсальные устройства с широким диапазоном программно-управляемых функций целесообразно использовать для систем с относительно невысокой производительностью, а для связи с быстродействующими модулями оправдано применение индивидуальных устройств с жесткой логикой управления.

Распространено подключение внешних устройств (ВУ_1? ВУ₂) с помощью специальных схем сопряжения, называемых портами (рис. 16.3, а).

В минимальной конфигурации порт содержит совокупность устройств приема-передачи данных: многоканальные шинные усилители (У), дешифраторы (ДШ) и буферные регистры (Рг), которые с помощью унифицированного разъема осуществляют подключение внешних устройств.

Функционирование порта состоит в приеме дешифратором кода, установленного на адресной шине, и выдаче в зависимости от результата сигналов управления на шинный усилитель, режим работы которого зависит от сигналов на управляющих входах X и Y его каскадов (рис. 16.3, б). Так, при сочетании Х= 1; Y= 1 происходит передача данных с входа Л на выход В, при Х = 0; Y= 0 — в противоположном направлении. Если установлены управляющие сигналы Х= 0 и Y= 1, то вход и выход разомкнуты.

Приведенная простейшая схема порта может быть использована только для параллельной передачи данных внешнему устройству, работающему в одном темпе с магистралью. Во всех других.

Рис. 163. Структура порта (а) и схема канала буферного усилителя (б).

режимах порт должен обладать памятью, обеспечивающей согласование скоростей передачи и приема данных. Для связи с пространственно удаленными объектами, подключаемыми с помощью двухпроводных линий связи, применяются последовательные порты, в составе которых имеются преобразователи параллельного кода в последовательный и наоборот.

В общем случае при обмене информацией ЦПЭ с ВУ выполняются операции по определению состояний процессора и внешнего устройства, запрос и получение разрешения на передачу контроля правильности кода адреса. Для реализации сложных алгоритмов взаимодействия применяют построенные на базе ПЛИС специализированные устройства управления или микропроцессорные системы, называемые программируемыми периферийными контроллерами (Peripheral Interface Controller).

Обработка информации в МПС заключается в выполнении микропроцессором вычислительных операций при интенсивном обмене данными через интерфейс между модулями под воздействием сигналов управления в соответствии с программой. В процессе работы ЦПЭ принимает команды из ЗУ, расшифровывает их, производит предписанные математические операции, выполняет операции ввода новых данных от внешних устройств и вывода информации в другие устройства.

Узлы системы работают в последовательности, которая задается находящейся в ПЗУ программой. Первое считанное слово всегда является кодом команды, которая настраивает МП на выполнение определенной операции над данными и указывает, откуда они должны быть получены. Если данные хранятся в ПЗУ, ОЗУ или регистрах МП, то следующими операциями МП считывает их, производит над ними необходимые действия и определяет место хранения результата. Если команда предписывает использование данных одного из ВУ, то соответствующий контроллер обмена УВВ получает информацию о режиме работы (прием или передача) и задает начало обмена, устанавливая контакт с магистралью данных.

Координацию работы всех устройств в МПС осуществляет система управления, объединяющая множество устройств и линий связи для выработки последовательности сигналов управления и контроля. Для анализа процессов управления (выполнения программы) в МПС выделяют операционный (ОБ) и управляющий (У Б) блоки, объединенные прямыми и обратными связями для передачи сигналов (рис. 16.4).

Операционный блок включает модули, осуществляющие обработку данных, и устройства, информирующие о состоянии указанных модулей. Примером простейшего ОБ может служить АЛ У.

Рис. 16.4. Блок-схема управления.

с регистрами памяти для операндов и регистром состояния (flags), характеризующим результаты выполняемых АЛУ действий. Процесс функционирования ОБ состоит из последовательности элементарных действий (операций), производимых под воздействием управляющих сигналов по заданной программе с учетом осведомительных сигналов, описывающих состояние узлов блока на каждом интервале управления.

Устройством, задающим временные интервалы, служит генератор тактовых импульсов (ГТИ), вырабатывающий двухфазную последовательность импульсов с высокой стабильностью частоты. Генератор начинает вырабатывать импульсы практически сразу после включения электропитания. Запуск МП осуществляется по сигналу, задержанному на время установления номинального значения напряжения электропитания.

Дальнейший процесс функционирования операционного блока состоит из последовательности элементарных действий, которые производятся отдельными устройствами под управлением сигналов, вырабатываемых блоком управления. Отдельные акты обработки данных, называемые микрооперациями, осуществляются в темпе, который задается с помощью синхроимпульсов ГТИ. Совокупность микроопераций, производимых устройствами за один такт синхронизации, называют микрокомандой (МК).

Типовые операции, такие как обмен данными между модулями, выполнение арифметических и логических действий, пуск, остановка и др., представляют собой совокупности микроопераций, производимых в классическом варианте МПС последовательно за время Г_к. В команде можно выделить фазу выборки, которая практически одинакова для всех команд, и индивидуальную для каждой команды часть исполнения (рис. 16.5).

На стадии выборки по определяющему начало выполнения сигналу содержащийся в счетчике команд код пересылается в буфер;

Рис. 16.5. Последовательность выполнения команды ный регистр адреса и по адресной шине поступает в ЗУ. Дешифрация кода приводит к выработке сигнала разрешения обращения к выбранной ячейке памяти, содержащей код операции (КОП). С приходом сигнала чтения (R/W= 1) выбранный КОП передается в соответствующий регистр ЦПЭ. При исполнении команды блок управления генерирует последовательность импульсов, требуемую для выполнения команды заданной кодом операции. Одновременно увеличивается на единицу содержимое кода команд, формируя код адреса следующей команды.

Устройства блока управления, вырабатывающие управляющие импульсы на основе кода команды и характеризующие состояние системы сигналов, реализуются с помощью схемной или программной логики. В цикле сложной команды обычно имеется ряд аналогичных процедур, для выполнения которых можно использовать одинаковые схемные узлы, предоставляющие возможность параллельного выполнения идентичных операций с целью уменьшения времени командного цикла.

Для создания требуемой последовательности управляющих импульсов возможно применение двух способов:

• • реализация требуемой функции на основе схемы определенным образом соединенных между собой логических и запоминающих элементов;
• • использование универсального устройства с микропрограммным управлением его работой.

В первом варианте каждой команде соответствует своя схема, т. е. реализуется аппаратное управление по принципу «жесткой логики», которая характеризуется неизменным составом команд и отличается высоким быстродействием. Другой вариант организации управления основан на использовании единой аппаратной базы для всей совокупности команд, реализованной в виде блока микропрограммного управления. При программном способе управления коды всех микрокоманд хранятся в ПЗУ МК. В соответствии с кодом поступившей команды, занесенной в регистр команд, схема формирования адреса выдает адрес первой из последовательности микрокоманд, обеспечивающей реализацию поступившей команды (рис. 16.6).

Выбранная из ПЗУ микрокоманда записывается в регистр микрокоманд и затем поступает на соответствующие операционные узлы и блоки. Одновременно ЗУ управления адресом под действием внешнего тактирующего сигнала с учетом результатов выполнения предшествующей микрокоманды вырабатывает комбинацию управляющих сигналов для схемы формирования адреса следующей микрокоманды. Блок управления обычно строят на.

Рис. 16.6. Структура блока микропрограммного управления.

элементной базе программируемой логики. Если ПЗУ МК доступно программисту, то можно изменять набор команд МПС, что является несомненным достоинством структуры «гибкого» управления выполнением команд.

Приведенные принципы функционирования и управления микропроцессорной системой позволяют подойти к описанию программной модели, на основании которой удобно рассматривать процедуры взаимодействия процессора с другими устройствами при выполнении последовательности команд (программы). Микрокомандная организация выполнения команд дает возможность пользователю ограничиться детализацией процесса управления на командном уровне, не вникая в сущность их микропрограммной реализации. Программная модель обычно содержит упрощенную структуру, включающую только программно-доступные узлы (адресное пространство, распределение памяти, порты) и связи между ними.

Аппаратная реализация алгоритмов функционирования микропроцессорной системы осуществляется с помощью программы, т. е. упорядоченной последовательности занесенных в ПЗУ команд (машинных кодов). При использовании машинного языка все элементы программы (коды операций, адреса ячеек, операнды) предствляют в форме многоразрядных двоичных чисел. Запись команд становится несколько компактнее при записи кодов в шестнадцатеричном коде. Программирование на машинном языке представляет собой весьма трудоемкую и сложную процедуру, но позволяет оптимальным образом использовать все ресурсы системы.

Для повышения наглядности, упрощения написания и отладки программ используют программирование на языке ассемблер, в котором двоичные коды операций, адресов и данные представляют с помощью символических буквенных обозначений (мнемокода). Преобразование мнемокода в соответствующий двоичный эквивалент осуществляется специальной программой — транслятором ассемблера. Язык ассемблер, как и машинный язык, является машинно-ориентированным, и составленные на них программы имеют области применимости, ограниченные определенными классами микропроцессоров.

Для упрощения программирования и унификации разработанных программ применяют алгоритмические языки высокого уровня, не зависимые от типа используемого микропроцессора. С помощью языков высокого уровня можно создать достаточно компактную программу и автоматически транслировать ее в последовательность машинных команд конкретной системы с помощью специальных программ (компиляторов и интерпретаторов). Однако объектные программы, полученные в результате трансляции с языка высокого уровня, требуют большого объема памяти.