47. Управление памятью и внешними устройствами.

Память состоит из ячеек, каждой из которых присваивается свой адрес. Совокупность адресов, которые могут быть сформированы процессором, образует адресное пространство МПС. Адреса памяти могут занимать все адресное пространство (АП) или его часть, а сама память независимо от ее технической реализации может быть условно представлена набором регистров (ячеек), число которых М, а разрядность — N (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Условное представление памяти

Свои адреса имеют и внешние устройства (ВУ). Процессор при обмене данными всегда должен выбрать только одну из ячеек памяти или одно ВУ. Такой выбор осуществляется схемами декодирования адреса.

При управлении памятью и ВУ процессор должен вначале сформировать нужный адрес, который затем декодируется.

В МГТС применяют несколько способов формирования адресов.

При прямой адресации код адреса содержится в команде, подлежащей выполнению. Прямая адресация удобна, но удлиняет команды (увеличивает их разрядности), т.к. при значительных емкостях памяти разрядности адресов достаточно велики. В случае прямой регистровой адресации, когда операнд находится в одном из внутренних регистров процессора, адрес является малоразрядным, поскольку число таких регистров мало. В этом случае прямая адресация проявляет все свои достоинства.

При косвенной адресации в команде явно или неявно указывается регистр процессора, содержащий адрес операнда. Команда сохраняет компактность, но для ее выполнения требуется предварительная настройка — загрузка адреса в регистр (регистр косвенного адреса). Косвенная адресация удобна при обработке списков, когда настройка производится однократно, а очередной адрес получается модификацией предыдущего (изменением его на единицу).

При непосредственной адресации в команде содержится сам операнд.

Помимо перечисленных имеются и более сложные способы адресации: индексная, относительная и др., однако в простейших МП они не используются.

Возможность использования различных видов адресации сокращает объем и время выполнения программ.

С помощью того или иного способа адресации формируется физический адресный код, поступающий на шину адреса для выбора ячейки памяти или ВУ, с которыми взаимодействует процессор.

Адресация может быть абсолютной или неабсолютной. При абсолютной адресации обратиться к ячейке памяти или ВУ можно только по одному-единственному адресу. При неабсолютной адресации для ячейки памяти или ВУ можно выделить некоторую зону адресов. Число таких зон, естественно, будет меньше, чем число отдельных адресов, поэтому для указания зоны потребуется меньшая разрядность адреса. Иными словами, абсолютная адресация требует полного декодирования адреса, а неабсолютная — частичного, что упрощает схемы декодирования. Возможность использования неабсолютной адресации связана с наличием в АП "лишнего" пространства. Частным случаем неабсолютной адресации ВУ является так называемая линейная селекция (линейный выбор), подробнее рассмотренная ниже.

В рамках первой концепции для адресов памяти и ВУ выделяются части общего АП. К ВУ, обращение происходит так же, как и к ячейкам памяти, т.е. с помощью тех же команд и той же шины. Недостатком этой концепции является сужение АП для памяти, поскольку часть АП занимается внешними устройствами. Достоинство состоит в том, что над данными, получаемыми от ВУ, можно производить все те операции, которые имеются в системе команд процессора для данных, находящихся в ячейках памяти. Таких операций много и это способствует улучшению параметров программ и упрощению программирования. Концепцию "с обшей шиной" называют также вводом/выводом, отображенным на память.

В концепции "с раздельной шиной" ячейки памяти и ВУ имеют свои АП. При этом требуется наличие управляющих сигналов, определяющих, с каким типом объектов ведется обмен. Например, вводится сигнал Ю/М, указывающий, адресуется память или ВУ. При этом память может использовать все АП. Для обмена с ВУ обычно имеются только операции ввода IN port и вывода OUT port, и теряется возможность применять к данным от ВУ широкий набор команд, имеющихся для работы с данными, хранимыми в памяти.

Сигналы управления

Адресация — только часть процесса управления памятью и ВУ. Кроме адресов требуются стробы чтения и записи (RD и WR), задающие направление обмена, сигналы разрешения работы (CS, EN), признак обращения к ВУ или памяти (IO/М). Процессор обычно вырабатывает минимальную группу сигналов, тогда как в системном интерфейсе может быть предусмотрена несколько иная группа. В частности, МП К1821ВМ85А дает три сигнала: сигнал чтения (RD), записи (WR) и сигнал IO/М, т. е. обращения к ВУ при высоком уровне и к памяти — при низком. В системном же интерфейсе используется система из четырех сигналов: сигнала чтения из памяти MEMW, записи в память MEMW, чтения из ВУ IOW и записи в ВУ IOR.

Статические ОЗУ могут быть асинхронными или тактируемыми. Для тактируемых ОЗУ нужен импульсный характер какого-либо сигнала управления (обычно сигнала CS). В этом случае для повторного разрешения работы памяти нужно предварительно вернуть сигнал в пассивное состояние. Для придания сигналу импульсного характера можно применить, в частности, соотношение CS = МЕМК × MEMW. При этом обеспечивается пассивное состояние сигнала CS на интервалах, на которых не действуют ни сигнал чтения, ни сигнал записи (MEMR = MEMW = 1).

Иногда условием обмена является готовность к нему памяти или ВУ. Для выявления готовности применяют такой метод: появление адреса медленного устройства ведет к запуску генератора одиночного импульса необходимой длительности, на время существования которого сигнал готовности RDY снимается. Длительность интервала неготовности рассчитывается согласно требованиям медленного устройства. Процессор ждет появления сигнала готовности и только после его появления выполняет операцию обмена. Чтобы избежать потерь времени, желательно генерировать интервал неготовности с привязкой его к синхроимпульсам МПС.

Виды обмена

Выполнение процессором операций записи и чтения данных может проходить в режимах программно-управляемого обмена, прерывания и прямого доступа к памяти (ПДП).

Для обмена между памятью и ВУ без участия процессора используется режим ПДП. В обычном режиме пересылка данных между памятью и ВУ требует вначале приема данных в процессор, а затем выдачи их приемнику, что снижает темп передачи. В режиме ПДП процессор отключается от системных шин и передает управление обменом специальному контроллеру ПДП, что увеличивает темп передачи данных. Наличие ПДП повышает эффективность МПС.

Диапазон адресов, к которым может обращаться процессор (т. е. емкость АП) связан с разрядностью шины адреса m соотношением АП = 2m. Например, с помощью 16-разрядной шины адреса можно адресовать 216 = 64К объектов, с помощью 20-разрядной 1М объектов и т. д.

АП используется блоками ОЗУ, ПЗУ и ВУ, к которым обращается процессор. Распределение АП между указанными претендентами производится проектировщиком системы, имеющим известную свободу действий, хотя у конкретных процессоров могут быть особенности, заставляющие отдавать определенную область АП для адресации определенных объектов.

Для краткости записей адреса в АП обычно выражают в шестнадцатеричной системе счисления, для оценки емкостей АП используется часто единица измерения К = 210 = 1024 или М = 220 = 1048576.