22. Принципы организации мпс: модульность, магистральный способ обмена информацией, микропрограммное управление.
Организация (архитектура) МПС
Под организацией МПС понимают её конфигурацию, т.е. способ объединения входящих в неё основных компонент. Компонентами системы являются ЦП (микро-процессор), схемы синхронизации, память, подсистема ввода-вывода, подсистема пре-рываний, логика управления шиной и системная шина.
В основу построения МПС положен принцип трёх «М»: микропрограммируе-мость, модульность и магистральность.
Микропрограммное управление
Для секционных микропроцессоров – разработка МП с требуемой разрядностью и создание с помощью микропрограммного устройства управления (МПУУ) системы команд, адаптированной к классу решаемых задач.
Для однокристальных микропроцессоров с фиксированной разрядностью микро-программирование реализовано при разработке МП в его системе команд.
Что касается модулей, входящих в МПК ИС, то, как правило, все они являются программируемыми. Это означает, что они могут быть запрограммированы на различ-ные режимы работы путём записи в них в процессе инициализации соответствующих управляющих слов.
Модульная организация систем
Принцип модульной организации предполагает построение МПС на основе модулей, составляющих микропроцессорный набор интегральных схем. При решении вопроса о функциональном составе модулей сосуществуют две диалектические противоположности: многофункциональность и специализация модулей.
Повышение универсальности модулей рассматривается как средство, обеспечи-вающее сокращение номенклатуры, снижение затрат на проектирование и изготовле-ние, высокую серийность, а, следовательно, и низкую стоимость.
Специализация модулей - как средство достижения высокой эффективности сис-тем за счёт оптимального согласования структуры микропроцессорных средств и реа-лизуемых ими алгоритмов и функций, а также уменьшения избыточности структуры модулей. Специализированные БИС реализуют, главным образом, функции обмена и связи с объектами управления
Оба этих подхода нашли сегодня практическое применение. Практика подтвердила целесообразность создания систем в виде совокупности многофункциональных и специализированных модулей, проблемно и функционально ориентированных в рамках определённых классов задач, алгоритмов, функций.
23. Системная шина мпс. Сравнительная характеристика мпс с общей шиной и с изолированной шиной.
Системная шина (магистраль)
Отдельные блоки МПС связаны друг с другом с помощью системной шины, или магистрали, включающей в себя адресную шину (АШ), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ).
Системная шина представляет собой совокупность линий, с помощью которых организуется передача информации от любого из нескольких источников к любому из нескольких приемников. Основным назначением шины является минимизация числа взаимосвязей, необходимых для передачи информации между цифровыми устройства-ми. В каждый момент времени по шине может передаваться информация только между одной парой источник - приемник. Все другие источники и приемники информации, подключенные к шине, должны находиться в состоянии высокого выходного сопротивления (в третьем состоянии).
Шинная организация используется для передачи информации не только между блоками системы, но и внутри самих блоков МПС (например, внутренняя шина МП или внутренняя шина микроконтроллера).
Схемы для подключения устройств к системной шине называются интерфейсом. Логика управления шиной образует интерфейс ЦП. (Логика управления шиной частично размещается на кристалле ЦП).
Под интерфейсом понимается совокупность программных и аппаратных средств, с помощью которых компоненты системы объединяются для решения поставленной за-дачи.
Сложность интерфейса в значительной мере определяется степенью совместимо-сти системной шины и периферийных устройств, т.е. сложностью необходимых преоб-разований.
Проектирование интерфейсов и логики управления шиной упрощается, как уже говорилось, благодаря наличию разнообразных интерфейсных схем и контроллеров, выполненных в виде БИС. У этих терминов нет чётких определений, и они иногда считаются синонимами.
Одно из основных различий между МПС состоит в различной организации сис-темной шины или магистрали. Различают одномагистральные и многомагистральные структуры МПС.
В многомагистральных МПС устройства группами подключаются к своей ин-формационной магистрали (системной шине). Это позволяет осуществить одновремен-ную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.
В одномагистральных МПС все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды дан-ных, адресов и управляющих сигналов.
Структура с изолированными шинами.
Сходство процессов обмена информацией между процессором и памятью и между процессором и внешними устройствами позволяет объединить одноименные шины памяти и внешних устройств. Это ведет к сокращению числа выводов процессора, но исчезает возможность одновременного обмена информацией между процессором, памятью и внешними устройствами.
Чтобы указать, что обмен информации по шинам идет с памятью программ, памятью данных или с внешним устройством, в шину управления введены дополнительные управляющие сигналы: RAM - работа с памятью данных, СОМ - работа с памятью команд, I/O - работа с внешними устройствами. Этими сигналами шины как бы изолируются для памяти и внешних устройств.
Рис. 2. Структура МПС с изолированными шинами
На рис. 2 показана структура с изолированными шинами. Шины на рисунке показаны жирными линиями, в отличие от дополнительно введенных сигналов шины управления. Разрядность шин обозначается косой чертой с числом. На рисунке разрядность ША – 16, ШД – 8. Адресное пространство для структуры с изолированными шинами, изображённой на рис. 2, соответствует адресному пространству с раздельными шинами (рис. 3).
Рис. 3. Адресные пространства структуры с изолированными шинами
Для данной структуры адрес A1h имеется и в пространствах памяти, и в пространстве устройств ввода/вывода. Обращение к тому или иному устройству осуществляется при активности соответствующего сигнала управления (COM, RAM, I/O). Сигнал называется активным, если он вызывает соответствующее действие, например, запись или чтение. Неактивный сигнал не активизирует устройство. Напомним, что активный сигнал может иметь уровень как логической единицы (говорят о положительной логике), так и уровень логического нуля (при отрицательной логике). Если активный сигнал имеет уровень логического нуля, то он обозначается с чертой вверху, или знаком минус (-INT), или со знаком "диез" позади (INT#).
Для процессоров, приспособленных к данной структуре, обращение к памяти программ, памяти данных и к устройствам ввода/вывода осуществляется различными командами.
Разновидностью структуры с изолированными шинами является структура с изолированными шинами и мультиплексированием шин адреса и данных (шина адрес/данные (ША/Д)). Мультиплексирование применяется с целью уменьшения числа выводов у корпуса процессора, отводимых под эти шины. Для демультиплексирования (разделения) шин адреса и данных в шину управления введен дополнительный управляющий сигнал ALE и дополнительный внешний регистр адреса.
Рис. 4. Структура с изолированными шинами и мультиплексированием ША и ШД
В начальный момент процессор выставляет на ША/Д адрес и формирует сигнал ALE, по которому этот адрес записывается в регистр (RGA). На второй стадии процессор использует ША/Д в качестве ШД, определяя направление передачи данных по ней при помощи сигналов записи или чтения (ввода или вывода). На рис. 4 приведена структура с изолированными шинами и мультиплексированием шин адреса и данных.
Таким образом, основная особенность системы с многошинной организацией состоит в том, что для различных видов обмена информацией используются разные группы шин: одна группа шин для обмена с памятью, другая - для ввода-вывода. В этом случае адресные пространства памяти и УВВ разделены. Передача информации между МП и памятью обеспечивается командами обращения к памяти, а между МП и ВУ - командами ввода-вывода. Подобная структура шин позволяет оптимальным образом адаптировать протоколы обмена данными для каждого из указанных видов взаимодействия.
Структура с общими шинами.
Упрощения структуры процессора и шин можно добиться за счет объединения всех адресных пространств в одно адресное пространство. При этом обращение к памяти команд, памяти данных и устройствам ввода/вывода осуществляется при помощи одних и тех же команд, сигналы записи и чтения для них также одни и те же.
Такая структура называется структурой с общими шинами. Недостатки такой структуры - в целом адресное пространство системы уменьшается, усложняются задачи аппаратного и программного характера по разделению пространства между устройствами. На рис. 5 приведена структура МПС с общими шинами, а на рис. 6 ее адресное пространство. Для данной структуры также существует вариант с мультиплексированием шин адреса и данных.
Рис 5. Структура МПС с общей шиной
Рис. 6. Адресные пространства структуры с общими шинами
Таким образом, в системах с общей шиной память и порты ввода-вывода используют общее адресное пространство, и обращение к ним выполняется по единому правилу. При такой организации системы шин команды ввода-вывода не используются, а в некоторых МП вовсе отсутствуют. Это позволяет повысить гибкость и эффективность МПС, так как весь набор команд обращения к памяти может использоваться для передачи и обработки содержимого регистров периферийных устройств. Кроме того, другим важным достоинством является простота структуры шин и минимизация числа связей для обмена информацией между устройствами МПС. В качестве недостатка системы с ОШ можно отметить сокращение области памяти программ и усложнение дешифрирующих схем.
В реальных системах обычно встречаются комбинированные структуры, в которых часть устройств находится в общем адресном пространстве (общие шины), а часть устройств - в отдельных адресных пространствах (раздельные шины, изолированные шины).
Рис. 7. Адресные пространства микроконтроллера MCS-51
Так, на рис. 7 представлена структура памяти одного из самых распространенных микроконтроллеров MCS-51, который имеет отдельное адресное пространство для памяти команд и общее адресное пространство для внешней памяти данных и внешних устройств ввода/вывода Распределение адресного пространства между УВВ и ОЗУ микроконтроллера MCS-51 зависит от требований к МПС, от числа устройств и т.д.
Другие микроконтроллеры могут иметь более сложное распределение адресного пространства.
В заключение отметим, что в состав МПС могут входить самые разнообразные внешние устройства (ВУ), например, терминалы, индикаторы на светоизлучающих диодах, видеотерминалы, накопители на гибких магнитных дисках, аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, цифровые ВУ, ленточные считыватели и перфораторы, накопители на магнитной ленте, принтеры и графопостроители. Однако необходимо иметь в виду, что к числу периферийных устройств относятся также и более простые цифровые устройства: триггеры, регистры и т.п.