Основные понятия и определения микропроцессорной техники: микропроцессор, микропроцессорная система, микроконтроллер. Принципы построения микропроцессорных систем.
Микропроцессорная техника (МПТ) включает технические и программные средства для построения микропроцессоров и микроконтроллеров, а также различных микропроцессорных устройств и систем, в том числе персональных компьютеров.
Микропроцессор (МП) – программно-управляемое устройство, выполняющее процесс обработки цифровой информации и управления им, построенное на одной или нескольких БИС.
Микропроцессорная система (МПС) – функционально законченное изделие, выполненное на основе микропроцессора. Она включает в себя также память, устройства ввода/вывода и ряд других для выполнения заданных функций.
Микроконтроллер (МК) – это функционально законченная микропроцессорная система обработки данных, которая реализована в виде одной БИС. МК объединяет в одном кристалле все основные элементы МПС: центральный процессор, память, устройства ввода/вывода, а также большой набор периферийных устройств. МК предназначены для реализации устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру.
При построении МПС используют два основных принципа:
модульность построения;
магистральный принцип обмена информацией.
Модульный принцип предполагает, что система строится на основе ограниченного количества типов конструктивно и функционально завершенных модулей. Исходя из классической схемы компьютера, любая МПС должна состоять, как минимум, из модуля процессора, модуля памяти и модуля управления вводом/выводом. Основой модуля процессора является МП.
Магистральный принцип обмена информацией определяет характер связей между модулями МПС. Существует два принципа взаимодействия элементов модулей и самих модулей в системе: принцип произвольных связей, реализующих правило «каждый с каждым», и принцип упорядоченных связей – магистральный или шинный.
При использовании принципа произвольных связей все сигналы между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается много линий связи и разных правил (протоколов) обмена информацией.
При магистральном принципе все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется временным мультиплексированием). Обмен информацией по отдельным линиям связи может осуществляться в одном направлении (однонаправленная передача) или в двух направлениях (двунаправленная передача). Группа линий связи, по которым передаются сигналы и коды называется магистралью или шиной (англоязычный термин – bus).
Применение принципа магистрального обмена позволяет минимизировать число связей между устройствами системы, сократить число выводов БИС. Большое достоинство магистрального принципа связи состоит в том, что все устройства должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена). Это обеспечивает стандартизацию интерфейсов всех устройств, входящих в систему.
При использовании магистрального принципа обмена информацией все модули МПС соединяются с единой магистралью, которую часто называют системной шиной. Шина представляет собой набор электрических проводников, объединенных функционально и часто физически, например, на печатной плате.
На рис. 1.1 приведена типичная структура МПС, состоящая из модуля процессора, модуля памяти и модуля ввода/вывода. По сложившейся практике при описании МПС слово модуль опускают и говорят: процессор, память, устройство ввода/вывода (УВВ).
Весь информационный поток, циркулирующий в МПС, обычно разделяется на три группы: адреса, данные и сигналы управления. В соответствие с этим в системной шине (магистрали) выделяют три шины нижнего уровня:
шина адреса – ША (Address Bus);
шина данных – ШД (Data Bus);
шина управления – ШУ (Control Bus).
Магистраль (системная шина)
Рис. 1.1. Магистрально-модульная структура МПС
Шина адреса предназначена для однозначного определения адреса элемента МПС (например, ячейки памяти или устройства ввода/вывода). Обычно адрес задает процессор, поэтому шина адреса чаще всего однонаправленная.
Шина данных служит для обмена данными между элементами МПС. Шина данных всегда двунаправленная.
Шина управления предназначена для управления работой элементов МПС. По ней передаются управляющие сигналы. Отдельные линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.
Для организации шин используются специальные буферные микросхемы (шинные формирователи), отличающиеся высокой нагрузочной способностью. Поэтому возможность подключения к шине нескольких входов логических элементов ограничивается лишь нагрузочной способностью буферных элементов, к выходу которых эта шина присоединена.
Сложнее организуется подключение выходов нескольких элементов к одной шине. Возможны два способа такого подключения:
использование схем, имеющих выходы с тремя состояниями;
использование схем, имеющих выходы с открытым коллектором (открытым стоком).