ПОДКЛЮЧЕНИЕ ПАМЯТИ И УСТРОЙСТВ ВВОДА-ВЫВОДА

Несмотря на то, что линии и предназначены для управления чтением и записью информации в ЗУ, к ним же можно подключить и УВВ — тогда и останутся незадействованными, а УВВ будут рассматриваться ЦП как память. Подключение УВВ к линиям и (см. рис. 1.14 а)) называют совместнымс памятью,а к линиям и , (см. рис. 1.14 б) — раздельным.

Подключение УВВ совместно с памятью требует распределения между ними адресов, а следовательно и линий для того, чтобы ЦП взаимодействовал только с адресованным устройством. На рисунке 1.14 а) показано распределение линий и между двумя блоками ЗУ и УВВ соответственно. Если ЦП адресует ЗУ, то активен сигнал , а если УВВ — . Общее количество блоков при таком подключении УВВ не может превышать числа линий , равного 2ⁿ , где n — число входов ДА (см. п. 1.4.1). Соотношение количества блоков ЗУ и УВВ будет определять возможности МПС по объему сохраняемой информации и подключению внешних устройств. В этой связи при проектировании МПС необходим поиск оптимального решения по применению как памяти, так и УВВ.

Особенность подключения УВВ раздельно с памятью заключается в том, что ДА предварительно разрешает обмен данными как с блоком ЗУ, так и УВВ одним и тем же сигналом . Например, (см. рис.1.14 б)) если ЦП выбирает блок ЗУ с нулевым адресом, то одновременно по линии будет выбран и блок УВВ, имеющий при таком подключении тот же самый адрес. Блоки, подключенные к , также будут иметь одинаковые адреса. Таким образом, уникальный адрес присваивается не отдельным блокам, а их парам.

Бесконфликтный доступ к ячейкам ЗУ или УВВ, находящихся в паре, обеспечивается тем, что окончательное разрешение работы одного из двух одновременно выбранных блоков и его настройку на запись или чтение осуществляется сигналами, принадлежащими двум разным классам:

· класс 1: и (чтение и запись в ЗУ);

· класс 2: и (чтение и запись в УВВ).

Таким образом, выбранный блок ЗУ или УВВ должен переключаться из Z-состояния на прием или выдачу информации только на то время, когда один из сигналов управления чтением или записью, относящийся к определенному классу, активен. Это исключит конфликтную ситуацию даже в том случае, если ЗУ и УВВ имеют одинаковые адреса. Действительно, если осуществляется чтение (запись) из УВВ, выбранного L-уровнем , то только это устройство переключится на выдачу (прием) данных сигналом (). Блок ЗУ, также подключенный к ,останется в Z-состоянии, поскольку в интервале времени, когда () активен, все сигналы управления обменом данными с памятью пассивны (см. таблицу 1.2).

Рассмотренный подход к управлению устройствами дает возможность подключить к ЦП столько же блоков УВВ, сколько и ЗУ. Таким образом, если число линий составляет 2ⁿ, то к ЦП может быть подключено 2ⁿ блоков ЗУ и 2ⁿ блоков УВВ общим количеством 2ⁿ + 2ⁿ. Это позволит создать МПС как с достаточным объемом памяти, так и с развитыми средствами ввода-вывода.

ТИПЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

В МПС применяются следующие типы ЗУ:

· оперативные (ОЗУ);

· постоянные (ПЗУ).

ОЗУ и ПЗУ представляют собой ИМС, содержащие встроенный дешифратор и ячейки для приема, хранения и выдачи информации, (см. п. 1.4.2 и рис. 1.12). Электрические выводы этих ИМС имеют назначение:

· адресации ячейки по ША;

· приема и выдачи информации из адресованной ячейки на ШД;

· управления передачей информации (чтение и запись);

· управления Z-состоянием ИМС (входы , и );

· электропитания U_cc и заземления GND.

ОЗУ могут хранить данные только при включенном электропитании — при его отключении информация утрачивается. ПЗУ в отличие от ОЗУ сохраняют информацию и при отключенном питании. Тем не менее запись данных в ПЗУ нельзя осуществить сигналом — в МПС ПЗУ применяются только для работы в режиме выдачи информации, которая ранее была записана с помощью устройства, называемого программатором. В этой связи ПЗУ называют памятью только для чтения (read only memory — ROM). ОЗУ допускают как чтение, так и запись данных, в связи с чем были названы памятью с произвольной выборкой (random access memory — RAM).В зависимости от типа элементов, запоминающих один бит информации, (запоминающих элементов) ОЗУ подразделяют на следующие типы:

· статические;

· динамические.

Запоминающим элементом статических ОЗУ является триггер, а динамических — конденсатор. Заряженный конденсатор соответствует хранению логической 1, а разряженный — 0.

Изображение на электрических схемах ИМС ПЗУ и статического ОЗУ приведено на рис. 1.15 а) и б), где обозначено:

· ША — А0 — Аm-1;

· ШД — D0 — Dk;

· , — входы управления Z-состоянием

· (Write Enable) — вход управления чтением и записью;

· линии электропитания и заземления — U_СС и GND.

Значения сигналов на входах и , при которых ПЗУ выдает данные или находится в Z-состоянии представлены в таблице 1.4.

Согласно таблице считывание данных возможно только в том случае, если на входах и установлены сигналы L-уровня.

Режимы работы ОЗУ, определяемые сигналами и , приведены в таблице 1.5.

Из таблицы следует, что переключение микросхемы из Z-состояния в рабочий режим осуществляется только при значении 0 на входе , а управление чтением и записью данных в ОЗУ осуществляется сигналом , не влияющим на Z-состояние.

Отличие статических ОЗУ от динамических состоит в том, что триггеры могут сохранять данные до тех пор, пока включено электропитание, а конденсаторы достаточно быстро разряжаются и при включенном питании. Если их вовремя не подзаряжать, то информация в динамическом ОЗУ будет разрушена. Чтобы не допустить разрушения информации ее чтение и запись осуществляется через устройства, предназначенные для своевременного восстановления (регенерации) кода, хранимого в ячейках динамических ОЗУ. В этой связи ИМС этих ОЗУ кроме входов управления чтением, записью и Z-состоянием имеют также входы управления регенерацией. Последняя требует определенного времени, в течение которого считывать и записывать данные в ОЗУ нельзя. При этом устройство, отвечающее за восстановление данных, вырабатывает специальный управляющий сигнал, указывающий другим устройствам на необходимость ожидания приема или выдачи данных до завершения регенерации.

ОСНОВНЫЕ УСТРОЙСТВА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР

Главные функции по обработке данных и управлению работой других устройств МПС выполняет центральный процессор. Рассмотрим модуль ЦП, построенный на основе одного микропроцессора с 16-разрядной ША и 8-разрядной ШД (16-разрядный микропроцессор). Схема модуля приведена на рис. 2.1, на которой обозначены следующие ИМС:

· DD1 — микропроцессор;

· DD2 — генератор тактовых импульсов (ГТИ);

· DD3, DD4 — регистры-формирователи ША (ФША);

· DD5 — системный контроллер-формирователь ШД и части ШУ (СКФ).

ГТИ вырабатывает синхроимпульсы CLC1, CLC2 и предназначен для обеспечения работы микропроцессора — этими импульсами осуществляется синхронизация процессов обработки информации во времени. ФША и СКФ являются тристабильными ИМС, повышающими нагрузочную способность шин микропроцессора — обеспечивающими подключение к ним достаточного числа цифровых устройств со значительным током потребления, а также позволяющими отключить от этих устройств микропроцессор в необходимых случаях по сигналу (определение сигнала см. ниже). ША и ШД, соединяющие микропроцессор с формирователями, называют локальнымишинами,а те же шины с повышенной нагрузочной способностью, к которым подключаются управляемые микропроцессором устройства —системными.

ИМС, входящие в ЦП, принимают и выдают следующие сигналы ШУ:

· RESET – начальная установка (сброс);

· CLC1, CLC2 – сигналы синхронизации;

· SYNC – строб синхронизации;

· READY – готовность;

· –разрешение работы шин;

· INTE – разрешение прерываний;

· IRQ – запрос прерывания;

· – подтверждение запроса прерывания

· HRQ – запрос прямого доступа к памяти (ПДП);

· HLDA – подтверждение запроса ПДП;

· WR – запись;

· DBIN – чтение;

· WAIT – ожидание.

Импульсы синхронизации чтения и записи , и , рассматривались в п. 1.4. Остальные сигналы, перечисленные выше, их назначение, а также источники и приемники будут рассмотрены далее.

МИКРОПРОЦЕССОР

Основой ЦП является микропроцессор — программируемая ИМС, непосредственно осуществляющая арифметические и логические действия над данными, а также функции управления устройствами МПС.

СТРУКТУРА

Структура микропроцессора приведена на рис. 2.2, где обозначено:

· ДК — дешифратор команд;

· УУС — устройство управления и синхронизации;

· АЛУ — арифметико-логическое устройство

· регистры:

Þ IP — счетчик команд (instruction pointer);

Þ АR — регистр адреса (address register);

Þ SP — указатель стека (stack pointer);

Þ F — регистр признаков результатов операций с данными;

Þ A — аккумулятор;

Þ B, C, D, E, H, L — регистры общего назначения (РОН);

Одним из основных регистров микропроцессора является IP, содержащий адрес ячейки ЗУ или УВВ, с которой осуществляется информационный обмен. Содержимое IP через регистр адреса, выдается на ША. По адресному коду производится выборка нужной ячейки для записи или чтения информации (см. п. 1.4.1).

Из определенных ячеек памяти по ШД микропроцессор считывает команды, указывающие ему действия по обработке данных. Каждая команда представляет собой цифровой код, состоящий из одного или нескольких байтов, формат которого приведен на рис. 2.3. Число байтов называют длиной командного кода или длиной команды. Первый байт команды называют кодом операции — именно он определяет действия с объектами, называемыми операндами. Последними могут быть как сами данные, так и адреса их размещения в памяти. Преобразование кода операции в сигналы, управляющие информационной обработкой, осуществляет дешифратор команд. Эти сигналы могут быть как внутренними, так и внешними, предназначенными другим устройствам. Некоторые внешние сигналы от этих устройств через устройство управления и синхронизации позволяют управлять работой дешифратора команд и АЛУ.

АЛУ непосредственно реализует арифметические и логические операции с данными в соответствии с принятой микропроцессором командой. Одновременно может быть обработано не более двух операндов, причем один из них должен быть помещен в аккумулятор. В этот же регистр записывается и результат обработки — в этом случае он выполняет функцию ячейки, предназначенной для приема и временного хранения выходной информации АЛУ.

Автоматизация программной обработки данных (организация циклического выполнения нескольких команд, реализация логических условий, осуществляющих переходы в программе, и т.д.) требует учитывать ряд признаков результатов операций в АЛУ, называемых флагами. Каждому флагу соответствует определенный разряд (D0 — D7) регистра F (см. рис. 2.4). Логическая «1» в разрядах этого регистра означает:

· CY =1 — перенос из старшего разряда аккумулятора;

· Р=1 — число единичных бит в аккумуляторе четное;

· АС=1 — в аккумуляторе произошел перенос из разряда D3 в D4;

· Z=1 — результат в аккумуляторе нулевой;

· S=1 — результат в аккумуляторе отрицателен.

Регистры B, C, D, E, H, L предназначены для хранения данных и используются как ячейки ОЗУ, которое называют сверхоперативным(СОЗУ). Обработка информации, находящейся в СОЗУ, происходит с большей скоростью, чем данных в обычной памяти — ОЗУ или ПЗУ. Это обусловлено меньшим временем выборки (доступа) ячеек СОЗУ при чтении или записи по сравнению с обычной памятью.

Регистры B, C, D, E, H, L могут объединяться в пары в том случае, если число разрядов (разрядность) обрабатываемого числа больше, чем у отдельно взятого регистра. Пары ВС, DE и HL обозначают B, D и Н соответственно. Если результат операции в АЛУ превосходит по разрядности аккумулятор, то последний объединяется в пару с регистром F — этот регистр обеспечивает хранение бита (CY), вытесняемого при переносе из старшего разряда результата. Полное содержимое AF называют словом состояния программы(program status word — PSW).

Регистр SP содержит адрес области ОЗУ, называемой стекоми предназначенной для временного хранения некоторых данных и адресов. Ячейку, которой присвоен начальный адрес названной области, называют вершиной стека. При записи каждого байта в стек содержимое SP всякий раз уменьшается на 1, а записываемые байты образовывают очередь, растущую по уменьшающимся адресам. Чтение данных из этой очереди начинается с адреса, по которому был записан последний байт — в этом случае он считывается первым. При чтении каждого следующего байта содержимое SP увеличивается на 1. Таким образом стек — область ОЗУ, считывание информации из которой осуществляется в порядке обратном записи.

ОБРАБОТКА КОМАНД

Включение электропитания МПС сопровождает импульс RESET, по которому микропроцессор начинает обработку команд, осуществляемой в следующем порядке:

· в регистры микропроцессора, включая IP, записываются нули;

· содержимое IP выдается на ША, после чего микропроцессор переходит к считыванию первого байта из ячейки ПЗУ (в ОЗУ после включения питания еще никакой информации нет) с нулевым адресом — этот байт всегда воспринимается микропроцессором как код операции команды;

· на основании кода операции дешифратор команд определяет общее число байтов команды, которые должны быть считаны далее;

· после чтения очередного байта адрес в IP увеличивается на единицу, выдается на ША, и микропроцессор переходит к считыванию следующего байта из ячейки с этим адресом.

Байты команд располагаются в памяти в порядке очередности друг за другом, а процесс выполнения каждой команды представляет собой последовательность действий, определенных кодом операции. После считывания очередной команды, состоящей из некоторого числа байтов, адрес в IP обязательно увеличится именно на это число. Если выполнение командного кода более никак не изменило адресной информации в IP, то содержимое этого регистра будет указывать на первый байт команды, следующей в очереди. В этом случае командные коды, расположенные в памяти друг за другом, будут выполняться подряд.

Существует группа команд, изменяющих адрес в IP в соответствии с кодом, заданным программистом, и дающих возможность переходить к другим командам, находящимся по требуемым адресам. Таким образом реализуется переход к различным участкам программы и подпрограммам, а также организация программных циклов — циклического выполнения последовательности команд. Другая группа содержит команды, позволяющие по адресу, заданному разработчиком программы, реализовать чтение или запись информации в определенные ячейки памяти или УВВ. При завершении выполнения таких команд IP содержит адрес, указывающий на код операции следующей команды. Более подробно группы команд будут рассмотрены ниже.

Каждая команда выполняется за время, называемое командным циклом.Поскольку она может состоять из нескольких байтов, обработка каждого из которых требует времени, командный цикл обычно составляют несколько машинных циклов.

Машинный цикл — временной интервал, в течение которого осуществляется чтение или запись одного байта. В свою очередь каждый машинный цикл образуют несколько периодов тактовой частоты ГТИ —машинных тактов.

Число тактов машинного цикла можно увеличить с помощью сигнала READY. Если READY пассивен, то микропроцессор при поступлении каждого такта ни чтения ни записи данных не производит — таким образом длительность цикла увеличивается. Обычно это бывает необходимо при обмене информацией с устройствами, работающими медленнее микропроцессора.

Выполнение команды начинается с момента ее считывания, определяемого первым тактом командного цикла. В первом же такте каждого машинного цикла на локальную ШД, (соединяющую микропроцессор и СКФ) выдается специальный код, называемый словом состояния процессора(status word — SW). Назначение активных сигналов SW приведено в таблице 2.1. Это слово содержит информацию о типе машинного цикла, необходимую для управления устройствами МПС. Существуют следующие типы:

· выборка первого байта команды;

· чтение данных из памяти;

· запись данных в память;

· чтение стека;

· запись в стек;

· чтение данных из УВВ;

· запись данных в УВВ;

· прерывание;

· останов;

· прерывание в останове.

В зависимости от типа цикла микропроцессор по-разному взаимодействует с подключенными к нему устройствами — считывает или записывает данные в память либо УВВ, производит операции со стеком и т.д. Временные диаграммы некоторых процессов взаимодействия, определяемых тем или иным типом цикла, будут рассмотрены ниже.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: