3.2. Модульный принцип построения.

Этот принцип предполагает разделение электрической схемы МПУ на функционально завер­шенные модули. Исходя из классической схемы вычислительного ­устройства, любое МПУ должно включать как минимум микро­процессор, ЗУ и УВВ. Конструкция модуля представляет собой либо функциональную ячейку (ФЯ), либо микросборку (МСБ), либо СБИС. Современные модули МПУ чаще всего вы­полняются в виде ФЯ. Приведенный выше состав модулей позво­ляет построить универсальное МПУ. При решении вопроса о функ­циональном составе модулей МПУ необходимо учитывать много­функциональность (универсальность) и специализацию модулей. Повышение универсальности модулей обеспечивает сокращение их номенклатуры, снижение затрат на проектирование. Специализа­ция модулей является средством достижения соответствия струк­туры МПУ выполняемым алгоритмам и тем самым повышения быстродействия, а, следовательно, и эффективности применений МПУ в РЭА.

Модульный принцип конструирования МПС дает возможность, разработчику выбирать только необходимые ему модули и посте­пенно наращивать функциональные возможности МПУ. Иногда при проектировании МПУ, реализующих конкретные алгоритмы, для обеспечения требуемых характеристик достаточно небольшой фрагмент алгоритма реализовать аппаратно. Конструирование спе­циального модуля или БИС для реализации такого фрагмента может оказаться неоправданно дорогим. Целесообразно на моду­ле МП установить специальный соединитель для подключения ма­лых модулей, реализующих конкретные функции. Такой подход был реализован в микромодульных платах iSBX.

Для расширения функциональных возможностей одноплатной микро-ЭВМ разработаны три модуля: последовательного ввода­-вывода iSBXx25i, параллельного ввода-вывода iSВХх350 и арифметического процессора с плавающей точкой iSВX332. При­менение таких модулей увеличивает гибкость одноплатной микро-ЭВМ. Для обеспечения аппаратной специализации системы разра­ботана переходная плата iSBXyx960=5, содержащая пять гнезд шины iSBX, к которым разработчик может подключать специаль­ные аппаратные модули.

Модульный принцип построения позволяет повысить эффектив­ность применения МПС для конкретных задач. Это достигается выбором типа и числа модулей, учитывающих особенности решае­мого алгоритма. Например, микро-ЭВМ «Электроника С5-12» в минимальной конфигурации представляет собой микропроцессор, содержащий ПЗУ емкостью 1КХ32 и ОЗУ емкостью 128X16. Микро-ЭВМ может использоваться совместно с модулями «Элект­роника С5-121» — АЦП (число каналов 115, время преобразования 10 мс, погрешность 0,4%), «Электроника С5-125» — модуль внеш­него ОЗУ емкостью 8К байт, «Электроника C5-I123» — модуль со­пряжения с устройством ввода-вывода и некоторыми другими.

Комбинируя модули, можно получать вычислительные средства различного назначения. Приведем некоторые из них: микро-ЭВМ +ОЗУ — минимальная конфигурация одноплатной микро-ЭВМ с относительно большим объемом памяти, микро-ЭВМ + АЦП — применяется в измерительных приборах, цифровых следящих сис­темах.

3.3. Магистральный принцип обмена информацией.

Некоторые вы­воды МПС должны соединяться с различными внешними устрой­ствами. Это обеспечивается объединением выводов МПС в магист­рали (шины) и мультиплексированием во времени обмена инфор­мацией между модулями. Весь информационный поток, циркули­рующий в МПС, обычно разбивается на три группы: адреса, данные и управление. В соответствии с этим выделяют шину данных, шину адресов и управляющую шину. Применяя последовательно временное мультиплексирование, можно построить МПС с трех-, двух- и однотипной структурой.

При выборе структуры МПУ необходимо учитывать следующее: при уменьшении числа шин увеличивается площадь кристалла или модуля, отводимая под функциональные элементы, и тем са­мым повышаются функциональные возможности МПС. Вместе с тем применение временного мультиплексирования обмена инфор­мацией приводит к снижению быстродействия и необходимости ис­пользования дополнительных буферных регистров.

В некоторый период времени только два устройства могут быть одновременно подключены к шине. Одно из них — ведущее, дру­гое — ведомое. Ведущим устройством обычно является МП. При обмене информацией между МП и ведомым остальные устройст­ва, подключенные к шине, не должны им мешать. Такое раздель­ное использование шины достигается различными способами под­ключения к ней выводов устройств. Известны три способа подклю­чения: логическое объединение, объединение с помощью схем с открытым коллектором и объединение с использованием схем с тремя состояниями.

Логическое объединение выполняется с помощью логических схем ИЛИ, И (рис.3.3,а). На входы логических вентилей посту­пают информационные сигналы И1 — И4. Подключением этих сиг­налов к шине управляют сигналы У1 — У4, схема формирования которых приведена на рис. 3.3,б. На вход схемы поступают два адресных сигнала: A1 и А2. Схема формирует четыре взаимоиск­лючающих управляющих сигнала У1 — У4. Вместо этой схемы может быть использован любой дешифратор типа 1 из 4 на два вхо­да и более. Максимальное число подключаемых устройств опре­деляется числом входов логического элемента ИЛИ.

Объединение с помощью схем с открытым коллектором пред­полагает электрическое соединение выходов нескольких логиче­ских элементов, как это показано на рис.3.3,в. В схемах с откры­тым коллектором отсутствует .нагрузочный резистор. Выходы схем с открытым коллектором объединены с использованием общего нагрузочного резистора R_K. Выходной сигнал равен 0, если сигнал на любом из объединенных выходов равен 0, и 1, если сигналы на всех объединенных выходах равны 1. По аналогии с реализуемой логической функцией такой способ подключения называют «мон­тажным ИЛИ», или «монтажным И». При поступлении на вход управляющего сигнала 1, на выходе схемы ИЛИ появляется 1 (независимо от значения информационного сигнала И); в резуль­тате общий выходной сигнал не меняется. При (низком уровне управляющего сигнала сигнал на выходе схемы ИЛИ равен инфор­мационному. Итак, если один управляющий сигнал равен 0, а ос­тальные II, то общий выходной сигнал повторяет значение инфор­мационного входа схемы ИЛИ, имеющей низкое значение сигна­ла управления.

Для подключения устройств к шине с использованием схем с открытым коллектором требуется меньшее число логических эле­ментов, чем при логическом объединении. Однако шины на схе­мах с открытым коллектором (как и шины с логическим объеди­нением) имеют ограниченное применение. В основном, это обус­ловлено следующими причинами:

1) Значение выходного тока стандартной управляющей схемы, выполненной по ТТЛ-технологии, около 20 мА. Поэтому с по­мощью «монтажного ИЛИ» можно объединить сравнительно не­много (не более 20) схем с открытым коллектором.

2) Нагрузочный резистор занимает место на плате и потреб­ляет около 1 мА, когда шина находится в рабочем состоянии. На­личие этого тока еще больше снижает уровень сигнала в шине.

Рисунок 3.3 - структурные схемы подключения выходов нескольких микросхем к общей шине: а — логическое объединение сигналов; б — схема формирования управляющих сигналов; в — подключение с помощью схем с открытым коллектором; г — подключение с помощью схем с тремя состояниями

Объединение с использованием схем с тремя состояниями сво­бодно от недостатков, присущих рассмотренным выше способам. На рис.3.3,г нагрузочными являются транзисторы VT1 и VT3. На входы транзисторов подаются управляющие и информационные сигналы. Каждая пара транзисторов управляет подключением од­ного устройства. При подключении устройства к шине транзистор­ной парой управляет информационный сигнал. Например, при по­даче лог. 1 на VT1 и лог. 0 на VT2 транзистор VT1 открыт, VT2 закрыт; на шине — лог. 1. Если на VT1 подается 0, а на VT2 1, то на шине — лог. 0. Одновременно значение управляющего сиг­нала на входах транзисторов VT3, VT4 равно 0. Оба транзистора закрыты, и схема находится в третьем устойчивом состояния: «цепь разомкнута». В этом состоянии через схему протекает очень маленький ток.

Шины с тремя состояними имеют следующие преи­мущества:

1) схема в состоянии «цепь разомкнута» потребляет ток не более 0,4 мА (схема с открытым коллектором около 2 мА), поэтому в схемах с тремя состояниями можно объединить гораздо больше выходов (до 50);

2) не требуется дополнительных логических схем. Микропроцес­сорные БИС имеют буферные схемы с тремя состояниями внутри кристалла, для этого предусматривается дополнительный вывод;

3) нет необходимости использовать нагрузочный резистор.

При разработке МПУ логическое объединение и объединение с помощью схем с открытым коллектором используются обычно при организации внутренних шин МП, модулей ОЗУ, ПЗУ и др. При организации внешних по отношению к МП шин обычно использу­ются схемы с тремя состояниями.