Вопрос 7. Организация обмена по магистрали микропроцессорной системы

Команды и данные передаются между МП и другими устройствами системы в ходе операции обмена, которая может включать один или несколько магистральных циклов, т.е. физический обмен через магистраль выполняется словами определенной разрядности в виде следующих друг за другом обращений к магистрали. Время осуществления одного считывания, записи, ввода или вывода называется циклом обращения к магистрали или просто циклом магистрали (циклом шины). За один цикл обращения к магистрали между МП, памятью или периферийным устройством передается одно слово. Таким образом, циклы магистрали обеспечивают доступ к пространству физической памяти и пространству ввода/вывода.

Существует несколько типовых циклов магистрали. Основные циклы магистрали связаны с возможными операциями, выполняемыми в микропроцессорной системе. К ним относятся циклы чтения и записи. При совмещенном вводе/выводе по этим циклам осуществляется как обращение к памяти, так и к портам ввода/вывода. При изолированном вводе/выводе эти циклы разделяются на циклы обращения к памяти и цикла обращения к портам ввода/вывода. Поэтому в микропроцессорной системе с изолированным вводом/выводом выделяется четыре основных цикла:

• цикл чтения из памяти;

• цикл записи в память;

• цикл ввод из порта ввода;

• цикл вывода в порт вывода.

В случае гарвардской архитектуры вводится также цикл чтения памяти программ.

Рассмотрим основные сигналы, связанные с выполнением приведенных выше циклов магистрали.

Основными сигналами являются сигналы двух типов:

• сигналы управления записью/чтением, связанные с обращением к памяти;

• сигналы управления записью/чтением (вводом/выводом), связанные с обращением к портам ввода/вывода.

Когда применяется изолированный ввод/вывод, передаются четыре управляющих сигнала (рис. 6):

1. чтение данных из памяти ;

2. запись данных в память ;

3. ввод данных из порта ввода ;

4. вывод данных в порт вывода .

Р ис. 6

Для гарвардской архитектуры добавляется сигнал чтение памяти программ .

Сигналы , , , , являются как сигналами, определяющими цикл магистрали, так и управляющими синхронизирующими сигналами, показывающими, в какой интервал времени в цикле шины должна осуществляться соответствующая операция. Управляющие синхронизирующие сигналы также называются стробирующими сигналами. Эти сигналы делятся на два типа:

1. сигналы, имеющие в обычном состоянии низкий уровень и в установленное время переходящие на высокий уровень;

2. сигналы, имеющие в обычном состоянии высокий уровень и в установленное время переходящие на низкий уровень.

Первые называются сигналами с высоким активным уровнем, а вторые  сигналами с низким активным уровнем. Сигналы , , , , относятся ко второму типу.

В случае ввода/вывода с отображением на память порты ввода/вывода и память не различаются по способу доступа, поэтому можно использовать два стробирующих сигнала и .

Кроме рассмотренной существуют системы с другим составом управляющих сигналов, например с тремя управляющими сигналами:

1. , , . Сигнал указывает, к какому из пространств (памяти или порту ввода-вывода) осуществляется обращение в данном цикле (выбор пространства), т.е. разделяет циклы обращения к памяти и циклы ввода/вывода.  строб чтения,  строб записи. Оба эти сигнала являются общими как для памяти, так и для портов ввода/вывода;

2. , , . Сигнал указывает, является ли данный цикл циклом записи или циклом чтения (выбор операции чтения или записи), т.е. разделяет циклы чтения и циклы записи.  строб, используемый как для чтения, так и для записи.

Как отмечалось выше, память в микропроцессорной системе адресуется с точностью до байта. Если шина данных МП является многобайтной (например, в 16-разрядном МП шина данных состоит из двух байт, в 32-разрядном МП – из четырех и т.д.), то удобно обращение к определенному байту в слове осуществлять с помощью специальных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов выбирает определенный байт шины данных. В этом случае младшие разряды шины адреса становятся не нужными, и они не используются. Оставшиеся старшие разряды адресной шины адресуют многобайтное слово. Так в 16-разрядной системе отсутствует самый младший разряд шины адреса и оставшиеся разряды адреса адресуют 16-разрядное слово, а два управляющих сигнала обеспечивают обращение к старшему и младшему байтам шины данных (рис. 7). При этом память состоит из двух параллельно работающих блоков, один из которых хранит старшие байты, а второй – младшие байты всех слов. Аналогично в 32-разрядной системе адресная шина не имеет двух младших разрядов , и оставшиеся разряды адреса адресуют 32-разрядное слово, а четыре управляющих сигнала прямо определяют выбираемые байты внутри этого слова. При этом память состоит из четырех параллельно работающих блоков, каждый из которых хранит соответствующие байты всех слов.

Р ис. 7