§ 6. Архитектура микропроцессорных систем
Реализация вычислительных функций возможна лишь в том случае, если кроме МП имеются по крайней мере устройства памяти и ввода-вывода. Эти устройства являются внешними по отношению к МП и в совокупности с ним составляют микропроцессорную систему (рис. 6). Роль памяти в микропроцессорных системах разнообразна. Соответственно и реализация отдельных блоков памяти тоже различна.
Постоянные запоминающие устройства. Информация, хранящаяся в ПЗУ, — а это могут быть как команды, так и наборы данных, — сохраняется при выключении питания. Такую память называют энергонезависимой. ПЗУ может быть физически реализована на магнитной ленте, магнитных дисках и специальных интегральных микросхемах (ИМС). Последний тип ПЗУ получил наибольшее применение в микроконтроллерах.
В каждой из микросхем ПЗУ может быть размещен значительный объем информации — до 16 кбайт. В ПЗУ обычно размещают основную, неизменяемую часть рабочих программ, а также служебные программы, предназначенные для обеспечения связи с пультом оператора, реализации отладочных режимов, режимов самоконтроля системы и т. п.
Существуют три основных типа микросхемных ПЗУ, отличающихся характером программирования.
В ПЗУ с масочным программированием запись программы осуществляется в процессе производства микросхемы. Такие ПЗУ обычно используются в изделиях, выпускаемых большими тиражами.
Рис. 6. Структурная схема МП-системы
В ПЗУ, однократно программируемых пользователем, внутренние соединения выполнены из плавкого материала. Часть этих соединений, расположенных по определенным адресам, может быть целенаправленно разрушена в процессе программирования ПЗУ. Это дает возможность пользователю запрограммировать ПЗУ в соответствии с предназначенной для хранения информацией.
Третий тип — перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ), выполнены так, что можно неоднократно осуществлять режим записи — стирания информации.
Программирование ИМС ПЗУ всех типов обычно производится вне МП-системы, в специальных устройствах, называемых программаторами.
Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) —это энергозависимая память с высоким быстродействием осуществления операций записи — считывания. Доступ к ячейкам ОЗУ прямой, т. е. отсутствует необходимость проходить через некоторую последовательность ячеек памяти. Чтобы получить информацию из какой-либо ячейки, достаточно выставить на ША адрес этой ячейки.
ОЗУ, используемые в микроконтроллерах, в отличие от ОЗУ ЭВМ, имеют небольшой объем памяти. Эта память предназначена для организации ячеек временного хранения информации, стековой памяти, для хранения изменяемой части программ, параметров, вводимых оператором, и т. п..
Реализуются ОЗУ на базе ИМС оперативной памяти. Такие ИМС различаются быстродействием, емкостью, энергопотреблением, разрядностью слова.
Устройство ввода-вывода. Устройство ввода предназначено для приема информации от внешних источников и передачи ее в МП или внешнюю память МП. Посредством этого устройства пользователь загружает в микропроцессорную систему исходные данные и программы. К устройствам ввода относятся клавиатуры, телетайпы, пишущие машинки, пульты управления. Широко применяются также устройства ввода с перфолент. Основным средством диалога человека с микроЭВМ является клавиатура. С ее помощью информация загружается в память, причем контроль вводимых данных осуществляется через дисплей.
Устройство вывода преобразует информацию в виде кодов в удобную для пользователя форму. Выходная информация может быть представлена на дисплее, графопостроителе, цифропечатающем устройстве и т. д.
Блоки ввода-вывода включают в себя порты ввода-вывода. Каждый порт имеет входные или выходные линии. При обращении к порту данные поступают по этим линиям. Через порт ввода данные поступают на ШД и далее — в МП, а через порт вывода данные, или, точнее, результат операции, выполненной МП, выводится из МП-системы.
Связь между отдельными блоками в микропроцессорной системе осуществляется путем включения специальных сопрягающих устройств.
Особенное значение эти устройства приобретают при согласовании внешних или, как их часто называют, периферийных устройств с МП. В этом случае наличие промежуточных блоков обеспечивает совместимость устройств с разной элементной базой, системой команд, а иногда и различной физической природой. Причем следует отметить, что обмен информацией между МП и периферийными устройствами должен осуществляться по определенной программе, хранящейся в памяти МП. Такого рода промежуточные устройства носят наименование интерфейсов. Таким образом, под термином интерфейс следует понимать совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих связь МП с внешними устройствами. Включение интерфейсов позволяет получить из отдельных компонентов единую систему.
В зависимости от способа обмена информацией применяют последовательные и параллельные интерфейсы. Простейшим и наиболее быстродействующим является параллельный интерфейс, включение которого позволяет передавать одновременно число бит информации, равное разрядности МП, т. е. одного слова данных. Применение параллельного интерфейса ограничивается расстоянием между МП и внешними устройствами. При длине кабеля 1...2 м его емкость оказывает существенное влияние на скорость обмена информацией. Применение специальных формирователей позволяет довести длину соединительного кабеля до 15 ... 20 м.
Последовательный обмен информацией не накладывает жестких условий на длину кабеля, но отличается значительно меньшим быстродействием и необходимостью преобразования параллельной формы данных в последовательную. Такая последовательная передача данных отличается большей надежностью по сравнению с параллельной.