1.1. Общая структура микропроцессорной системы

На рисунке 1 представлена упрощенная типовая структура мик­ропроцессорного устройства или системы, предназначенной для об­работки данных или управления некоторым процессом. Примерно та­кую же структуру имеют микроЭВМ широкого назначения.

Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который подобно процессору обычных ЭВМ непосредственно вы­полняет арифметические и логические операции над данными, осу­ществляет программное управление процессом обработки информа­ции, организует взаимодейсгвие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхрони­зации и начальной установки (таймера), часто выполняемой в виде отдельного кристалла.

Показанный на рисунке МП, может представлять собой или од­нокристальный МП с фиксированной системой команд или много­кристальный МП с микропрограммным управлением.

Рисунок 1. Типовая структура микропроцессорного устройства, системы или микроЭВМ

Для МПС так же, как и для МП. требуется память, в которой хранится информация о том, как управлять процессом обработки информация с помощью команд программы пользователя. Этот тип памяти используется только для считывания информация к относится к памяти типа ROM (Read Only Memory), или постоянной памяти. Постоянная память программируется при изготовлении, и ее содержимое не может меняться пользователем.

Кроме ROM, или постоянной памяти, для микропроцессорной системы требуется память, в которой пользователь может хранить данные и команды собственной программы, и из которой МПС счи­тывает данные под действием управляющих команд, хранящихся в постоянной памяти. Эта память относится к типу памяти для считы­вания и записи (или, иначе, к оперативной памяти), обозначаемой RAM. Первоначально она создавалась как память с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory), однако постоянная па­мять также является памятью с произвольным доступом, т. е. при об­ращении к ней нет необходимости в организации последовательного считывания информации. Можно обращаться к любой ее части в лю­бом порядке подобно перелистыванию страниц в справочнике.

Итак, ROM - это постоянная память, допускающая только считывание, или, иначе говоря, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), a RAM - оперативная память, т. е. память для считывания и записи, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

В МПС так же требуются специальные вводные и выводные устройства связи, или так называемые порты, для подсоединения ЦП к внешним устройствам, называемым также периферийным оборудованием. К числу последних относят: клавишный пульт, монитор, печатающее устройство и т. д. Порты, или устройства сопряжения ЦП с периферийным оборудованием, относятся к интерфейсам.

Линии, по которым данные передаются к различным устройствам МПС, называются линиями передачи данных. По каждой линии может передаваться лишь один двоичный ряд (бит) информации. Совокупность линий передачи данных называется шиной данных.

Для передачи команд к различным устройствам МПС необходимы еще управляющие и адресные линии. Эти линии, как правило, отделены от линий передачи данных.

Чтобы все части (устройства) МПС действовали в правильной последовательности, необходим синхронизатор, или специальный генератор тактовых импульсов, синхронизирующий работу всей системы. Иногда микросхема ЦП содержит в себе и схему синхрогенератора, для работы которого необходимо подключение нескольких внешних компонентов, в частности, кварцевого резонатора. Однако некоторые МП нуждаются в полной внешней схеме синхрогенератора.

Представленная на рисунке структура отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СИС, заключенных в корпуса с соответствующим количеством выводов. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент возможен обмен информацией только между двумя модулями системы. Таким образом, обмен информацией производится путем разделения во времени модулями системы коллективных шин (магистралей). Магистральный принцип построения сопряжений модулей (интерфейса) МПС предполагает наличие информационно-логической совместимости модулей, которая реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритма управления обменом, форматов команд управления обменом и способа синхронизации.

Для МП характерна 3-шинная структура (рис.1), содержащая шину адреса ШA, двунаправленную шину данных ШД и шину управления ШУ. Как видно из рисунка, типовая структура МПС предполагает наличие общего сопряжения (общего или единого интерфейса) для модулей памяти — постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ) и периферийных устройств - внешних ЗУ и устройств ввода-вывода (УВВ).

В качестве периферийных устройств (ПУ) а МПС используются устройства ввода с перфоленты, дисплеи, кассетные магнитофоны, гибкие магнитные диски, телетайпы, печатающие устройства и т. д. ПУ подсоединяется к шинам интерфейса (шинам МП) не непосредственно, а через программируемый периферийный адаптер (ППА) и программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие ПУ соответственно с передачей информации параллельным м последовательным кодом. Наличие программно-настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода информации в МПС.

Наличие единого интерфейса для модулей памяти и периферийных устройств, помимо прочего, объясняется ограниченным числом внешних вводов (обычно не более 40) корпуса МП. У большинства однокристальных МП, заключенных в 40-выводовом корпусе, для интерфейса используются от 30 до 38 внешних выводов. При этом они обычно распределены следующим образом: 16 выводов для подсоединения адресной шины данных, 10-17 выводов - для шины управления, образованной однонаправленными линиями, входящими в МП или выходящими из него.

В структуре МП интерфейс является узким местом из-за ограниченного числа выводов корпуса. Узкий интерфейс МП приводит к необходимости использования двунаправленных линий передачи информации, что сопровождается усложнением схем буферов и необходимостью использования временного мультиплексирования шин.

Мультиплексирование шин позволяет при ограниченном числе линий передавать по ним различную информацию: адреса, данные или команды. Однако это требует наличия специальных линий для идентификации передаваемой информации и приводит к снижению скорости передачи информации через интерфейс.

Ограниченная пропускная способность интерфейса МП снижаем производительность МПС и приводит к тому, что обычно МПС работают с небольшим числом источников и потребителей информации