Керування роботою мікропроцесорних пристроїв (систем)

Почасове узгодження інформаційних сигналів в МПП здійснюється за допомогою спеціальних сигналів, які надходять з пристрою керування МП. МПП чи МПС функціонує синхронно з появою тактових сигналів. Найпростіша дія, яка виконується в МПП (МПС), називається станом. Він охоплює один період сигналу тактування — такто­вий інтервал, чи такт. Певна кількість тактових інтервалів становить машинний цикл. Для одного звернення до пам'яті чи пристрою вводу/виводу необхідний один машинний цикл. За один цикл здійснюється вибірка команди чи даних, а також коду адреси (можливо, байта команди чи даних і байта коду адреси).

Машинний цикл — частина команди (інколи повністю команда). З початком кожного машинного циклу на виводі синхронізації МП виникає сигнал синхронізації. Він передається в запам'ятовуючий пристрій (ЗП) чи пристрій вводу/виводу (ПВВ) і «сповіщає» про початок нового ма­шинного циклу, в результаті чого досягається узгодження в часі дії цих пристроїв з роботою МП.

Цикл команди — інтервал часу, необхідний для вибірки команди з пам'яті та її виконання. Він складається з одного або кількох машинних циклів. їх кількість, як правило, дорівнює кількості звернень МП до пам'яті чи одного з ПВВ. Структуру команди показано на рис.1.1.

Рис.1.1. Структура команди

Керуючий пристрій виконує функції керування і син­хронізації, тобто керує зміною подій в необхідній послі­довності, узгоджуючи їх із сигналами тактового генерато­ра. Він складається з керуючого автомату, призначеного для керування процесами всередині МП, і схеми, яка, одержуючи сигнали ззовні, виробляє сигнали, що керу­ють системою.

Код команди дешифрується, перетворюючись на двій­кові сигнали, які діють на модулі та блоки МП, що беруть участь у виконанні цієї команди.

Цикл команди поділяється на дві фази: фаза вибірки і фаза виконання.

Фаза вибірки — автомат задає початок чергового цик­лу, надсилає сигнал, за яким число, що знаходиться в лі­чильнику команд, передається в буферний регістр адреси. Звідти через шину адреси код адреси команди спрямову­ється в пам'ять, де дешифрується. За сигналом «зчитуван­ня» з комірки пам'яті слово команди зчитується і переда­ється шиною даних у буферний регістр даних, з якого пе­ресилається в регістр команд, потім дешифрується.

Фаза виконання — пристрій керування генерує послі­довність сигналів, необхідну для виконання команди. За цей час дані лічильника збільшуються на одиницю. Цим формується адреса наступної виконуваної команди.

Зчитування чи запис слова відбувається протягом пев­ного інтервалу часу, який називають часом доступу. Інтер­вал часу, що витрачається на звернення до пам'яті та одержання від неї сигналу готовності, називається циклом очі­кування готовності. Він становить частину машинного циклу.

Обмін інформацією між МП, ЗП і ПВВ реалізується пе­реважно в трьох режимах: програмно керованого обміну, обміну в режимі переривань, обміну в режимі прямого

ІІрограмнокерований обмін. В цьому режимі МП виз­начає, чи готовий ЗП або периферійний пристрій (ПП) до виконання операції вводу-виводу до того, коли почнеться програмна передача даних. ПВВ повинні мати апаратні за­соби для вироблення інформації про їх внутрішній стан. МП зчитує цю інформацію і на підставі аналізу результату робить висновок про готовність пристрою до обміну інфор­мацією. Надалі згідно з протоколом інтерфейсу відбувається обмін даними.

Режим переривання. Використовується за необхіднос­ті негайної передачі даних з ПВВ у МП, не передбаченої програмою (реакція на неочікування, виникнення зовніш­ньої умови). При цьому МП повинен перервати роботу за програмою і почати виконувати програму обробки зовніш­ньої умови. Такий режим називають перериванням. Переривання можливе тільки за команди, що дозволяє МП реагувати на запит на переривання.

Після приймання сигналу переривання МП завершує поточну операцію, передає на зберігання в пам'ять всю інформацію внутрішніх регістрів даних та керування і переходить до підпрограми обслуговування переривання. Після виконання обміну інформацією за перериванням відновлюється стан МП, який існував до початку переривання. Розрізняють три види переривань: просте, векторне та пріоритетне.

Просте переривання сповіщає про те, що єдиний пристрій вводу/виводу потребує обслуговування МП.

Векторне переривання дає змогу розпізнати переривання, якого вимагає будь-який з периферійних пристроїв. У векторі вказується конкретна адреса пристрою.

Пріоритетне переривання полягає в тому, що, крім розпізнавання переривання, визначається пріоритет в обслуговуванні одного пристрою порівняно з іншими.

Режим прямого доступу до пам'яті. Інколи виникає необхідність здійснити обмін інформацією поза МП. Це пов'язано зі зменшенням витрат часу для обміну масивами даними. У такому випадку до складу апаратної частини МПП чи МПС входить контролер прямого доступу до пам'яті, який керує передачею даних, звільняючи від цих функцій МП.

Пристрої прямого доступу до пам'яті підключаються паралельно процесорові. Розділення цих каналів здійснюється використанням тристабільного стану шин МПС. МП під час прямого доступу до пам'яті переводить свої вихід­ні схеми у високоімпедансний стан та ізолюється від сис­теми, що аналогічно розриву інформаційного каналу. Стан внутрішніх регістрів зберігається таким, як на мо­мент запиту каналу прямого доступу.

Існує кілька способів реалізації прямого доступу до пам'яті. Всі вони забезпечують вищу швидкість обміну да­ними порівняно з режимом програмно-керованого обміну. Найчастіше режим прямого доступу до пам'яті реалізуєть­ся із зупиненням МП і захопленням циклу МП.

Метод зупинки заснований на тому, що в цьому стані МП відключається від системних шин на час передачі да­них. Перед переходом у стан зупинки МП завершує виконання поточної команди і тому затримується на кілька так­тів до того, як шини звільняться. За такої реалізації пря­мого доступу до пам'яті МП через його відключення від шин не реагує на переривання, що в деяких випадках може бути неприйнятним для МПС.

Метод захоплення полягає в послідовному обміні да­ними. Швидкодіючі ПВВ обмінюються даними по одному слову. їх запит на обслуговування задовольняється шля­хом затримки виконання поточної команди на один ма­шинний цикл, коли МП перебуває в стані переходу з одно­го машинного циклу до іншого. В цьому режимі прямий доступ до пам'яті МП призупиняється тільки на один ма­шинний цикл при передачі кожного слова даних, після чо­го керування повертається МП.