2.4. Обмен информацией между мпс и внешними устройствами

Информация передается между компьютером и внешним миром через различные устройства ввода/ вывода. Программы обычно передаются в память компьютера из таких внешних устройств как магнитные или оптические устройства хранения. Данные, которые должны использоваться программой, могут передаваться в память с клавиатур, сканеров, магнитных дисков, аналого-цифровых преобразователей, и других входных устройств. Программа может выводить данные в различные типы периферийных устройств.

Обмен данными между МПС и внешними устройствами происходит через интерфейс ввода/вывода. Интерфейсом мы назвали устройство сопряжения. Это упрощенное определение. В микропроцессорной технике этот термин имеет более широкое определение.

Под интерфейсом понимают совокупность электрических, механических и программных средств, позволяющих соединять модули системы между собой и с периферийными устройствами. Его составными частями служат аппаратные средства для обмена данными между узлами и программные средства – протокол, описывающий процедуру взаимодействия модулей при обмене данными.

В МПС применяют специальные интерфейсные схемы для сопряжения периферийных устройств с системой (они показаны в виде модулей интерфейса ввода и интерфейса вывода). Основой этих схем являются порты ввода/вывода – схемы, спроектированные для обмена данными с конкретными периферийными устройствами. Порт – это адресуемый многорежимный буферный регистр ввода/вывода с выходными трехстабильными схемами, логикой управления и разъемом для подключения устройств ввода-вывода. Так же как и ячейки памяти порты пронумерованы, то есть имеют свой уникальный адрес.

Для многих МПС характерно несоответствие между относительно высокой скоростью обработки информации внутри микропроцессора и низкой скоростью обмена данными между модулями через интерфейс. Характеристики последнего в значительной степени определяют эффективность и производительность системы в целом.

Отдельные части МПС объединены между собой шинами.

Шиной называют группу физических проводников (линий передачи), используемых для передачи информации в виде электрических сигналов, предназначенных для выполнения определенной функции (по одной линии на каждый передаваемый бит).

Особенность структуры МПС заключается в магистральной организации связей между входящими в ее состав модулями. Связь осуществляется с помощью трех шин. По ним передается вся информация и сигналы, необходимые для работы системы. Эти шины соединяют процессор с памятью и интерфейсами ввода/вывода, в результате чего создается возможность обмена данными между процессором и другими модулями системы, а также передачи управляющих сигналов. Рассмотрим назначение и функции каждой из трех шин.

Шина данных (ШД) – это двунаправленная шина: по ней данные могут направляться либо в процессор, либо из него. При этом необходимо подчеркнуть, что невозможна одновременная передача; данных в обоих направлениях. Эти процедуры разнесены во времени в результате применения временного мультиплексирования.

Шина адреса (ША) это шина, по которой информация передается только в одном направлении – от микропроцессора к модулям памяти или ввода/вывода. По шине передаются многоразрядные двоичные числа. Каждый из них соответствует адресу определенной ячейки памяти или устройства ввода/вывода.

Шина управления (ШУ) служит для передачи сигналов, обусловливающих взаимодействие, синхронизацию работы всех модулей системы и внутренних узлов процессора. Одна часть линий шины управления служит для передачи сигналов, выходящих из процессора, а по другой части линий передаются сигналы к микропроцессору.

Достоинством шинной структуры является возможность подключения к МПС новых модулей, например нескольких блоков ОЗУ и ПЗУ для получения требуемой емкости памяти.

При обращения к конкретной ячейке памяти или порту ввода/вывода с целью записи или считывания слова реализуется цикл шины. Выделяют цикл чтения шины (ввод данных в процессор) и цикл записи (вывода данных из процессора), а также несколько специальных циклов, которые определяются конкретной архитектурой процессора. В циклах чтения и записи процессор помещает на шину адреса код ячейки памяти или порта ввода/вывода, к которым происходит обращение. С адресной шины адрес ячейки/порта в форме двоичного кода подается на входы дешифратора адреса. При этом на выходе дешифратора появится сигнал, открывающий доступ к соответствующей ячейке или порту.

Цикл чтения заключается в выборке байта (или слова), хранимого в ячейке/порте указанного адреса (содержимое ячейки при этом остается неизменным). Для выполнения операции необходимо, чтобы в схему управления чтением/записью поступил с шины управления сигнал, устанавливающий режим ВЫВОД. Этот сигнал формируется устройством управления процессора. При этом буферный регистр пропускает байт из ячейки памяти определенной адресом на шину данных. При отсутствии управляющего сигнала выходы буферного регистра блокируются и связи ячейки памяти с шиной данных нет.

Цикл записи предполагает ввод нового байта (слова) в ячейку/порт. Если там имелся байт, то он стирается и его место занимает новый байт. При выполнении цикла с шины управления поступает сигнал устанавливающий режим ВВОД, буферный регистр открывается и становится возможным прием байта с шины данных в ячейку памяти по указанному адресу.