- •Предисловие
- •Глава 1
- •1.1. Средства микропроцессорной вычислительной техники
- •1.2. Основные характеристики, место и классификация микроЭвм
- •1.3. Индустрия микропроцессорных средств вт
- •Глава 2 элементная база микроэвм. Микропроцессоры
- •2.1. Микропроцессорные бис
- •2.2. Микропроцессор 8086
- •2.3. Развитие семейства мп 8086
- •Глава 3 элементная база микроэвм. Микропроцессорные семейства бис
- •3.1. Сопроцессоры
- •3.2 Интегральные микросхемы памяти
- •3.3. Интерфейсные схемы, контроллеры
- •3.4. Схемы обрамления
- •Глава 4 магистрально-модульная организация микроэвм
- •4.1. Интерфейсы и магистрали микроЭвм
- •4.2. Магистрали типа Multibus
- •4.3. Интерфейсы периферийного оборудования
- •4.4. Конструктивные особенности микроЭвм
- •Глава 5 аппаратура микроэвм
- •5.1. Периферия микроЭвм
- •5.2. Аппаратура персональных микроЭвм
- •5.3. Модульные системы и одноплатные микроЭвм
- •Глава 6
- •6.1. Операционные системы
- •6.2. Средства автоматизации программирования
- •6.3. Пакеты прикладных программ
- •1. Монография я учебные издания
- •2. Периодические издания
- •3. Фирменные издания
- •Глава 1. Введение в микропроцессорную технику .............................. 5
- •Глава 2. Элементная база микроЭвм. Микропроцессоры ...................... 18
- •Глава 3. Элементная база микроЭвм. Микропроцессорные семейства бис ............................................................................................................................ 81
- •Глава 4. Магистрально-модульная организация микроЭвм ……………108
- •Глава 5. Аппаратура микроЭвм ............. ……………………………….148
- •Глава 6. Программное обеспечение микроЭвм ........................................187
4.3. Интерфейсы периферийного оборудования
К стандартной системной магистрали подключаются унифицированные модули, образуя «электронную» часть аппаратуры микроЭВМ (см. рис. 4.1). Но необходимы и периферийные устройства (ПУ). Следуя принципам магистрально-модульной организации, сопряжение ПУ также стандартизируется. По сути, контроллер любого внешнего устройства является согласователем системного интерфейса и некоторого стандартного интерфейса ПУ. Различают три группы интерфейсов периферийных устройств (рис. 4.9): параллельные, последовательные и интерфейсы внешних запоминающих устройств.
Параллельные интерфейсы переферийных устройств. Параллельные интерфейсы используются для сопряжения микроЭВМ с устройствами низкого и среднего быстродействия при небольших объемах передаваемой на малые расстояния информации, например, для подключения печатающих устройств, графопостроителей, алфавитно-цифровых и графических видеотерминалов, перфоленточных и перфокарточных УВВ, измерительного оборудования и тому подобных приборов, расположенных в непосредственной близости от микроЭВМ (до 10—15 м).
Наиболее распространенным сопряжением такого типа является интерфейс (магистраль) программируемых приборов и устройств GPIB, первоначально разработанный фирмой Hewlett-Packard (фирменное название HP-IB), одобренный Советом IEEE (GPIB, IEEE-488) принятый Международной электротехнической комиссией (IEC 625-1, IEC-bus) [1.5, 1.12, 3.111. Интерфейс поддерживает побайтный или поблочный асинхронный обмен между несколькими приемниками и/или источниками информации. Типичная скорость передачи данных 250 Кбайт/с, которую с помощью специальных технических приемов можно увеличить до 1 Мбайт/с. Устройства, подключаемые к магистрали GPIB, классифицируются как приборы-источники (talker — «говоритель»), приборы-приемники (listener — «слушатель»), приборы-источники/приемники и прибор-контроллер. Последний всегда один, он выполняет функции общего управления магистралью. Максимальное число подключаемых устройств 15 (ограничивается электрическими характеристиками драйверов линий), но организация прерываний существенно упрощается, если используется не более 8 приборов. Суммарная длина всех соединительных кабелей между приборами не должна превышать 20 м, не более 2 м между устройствами. Стандарт поддерживает два способа организации прерываний. Первый с помощью специальной линии SRQ, которая возбуждается прибором, требующим внимания. Контроллер, получив запрос, поочередно опрашивает все устройства для определения источника и его обслуживания. Во втором способе устройства выставляют запросы на линии данных, каждый на свою. Это значительно ускоряет установление источника и, следовательно, повышает производительность магистрали в целом.
Приборы объединяются с помощью 24-проводного кабеля, имеющего 16 сигнальных линий и 8 нулевых. Последние образуют с линиями данных витую пару, что повышает помехоустойчивость передачи информации. Кроме 8 линий данных (D108—DI01) используются следующие линии управления:
внимание (ATN), возбуждается контроллером и сопровождает выдачу на линии данных адреса устройства или команды;
конец или идентификация (ЕЮ), выполняет две функции. Во-первых, прибор-источник устанавливает низкий уровень, когда передает последний байт блока данных. Во-вторых, контроллер генерирует низкий уровень одновременно с ATN для идентификации параллельного опроса устройств;
запрос на обслуживание (SRQ), любое устройство может перевести линию в низкий уровень, что сигнализирует контроллеру о запросе на обслуживание. Линия выполнена по схеме «монтажное ИЛИ»;
сброс (IFC), используется контроллером для перевода всех
устройств в некоторое предопределенное исходное состояние;
разрешение (REN), используется контроллером для сигнализации приборам о возможности работы вне магистрали (высокий уровень);
нет готовности (NRFD), низкий уровень на линии свидетельствует о том, чти приемник (или приемники) не готовы выполнить прием данных. Уровень поддерживается низким, пока все приемники не будут в состоянии принять байт;
информация не принята (NDAC), низкий уровень на линии свидетельствует о том, что приемник (или приемники) еще не приняли информацию. Уровень поддерживается низким, пока все приемники не примут байт;
действительные данные (DAV), прибор-источник устанавливает низкий уровень на линии, сопровождая действительные данные на линиях D108—DI01. Прибор имеет право установить этот сигнал только тогда, когда NRFD высокий, и снять, когда высоким становится NDAC.
Особенностью стандарта GPIB является отделение интерфейсных функций, гарантирующих совместимость с другими устройствами, и приборных, определенных основным назначением изделия. Выделено 10 интерфейсных функций, пять из них главные, без которых невозможно обеспечить построение работоспособной системы. Взаимосвязь приборов поддерживается с помощью команд, передаваемых по магистрали. Команды разделяются на однолинейные (EOI, SRQ, ... , которые передаются по соответствующим линиям магистрали) и многолинейные, передаваемые кодом по линиям данных в сопровождении сигнала ATN. Стандарт регламентирует коды команд и сообщений, коды и форматы представления информации, форматы представления чисел.
Широко используется и параллельный интерфейс BS 4421 (английский стандарт) и его аналог ИРПР [1.11, 1.201. Интерфейс радиальный параллельный (ИРПР) является стандартным интерфейсом ПУ в системе малых ЭВМ (СМ ЭВМ), выпускаемых странами СЭВ. Интерфейс обеспечивает однонаправленный обмен только между одним источником и одним приемником. Дчя двунаправленного обмена (дуплексного режима) требуются два сопряжения. Стандарт определяет 18 линий, которые можно разбить на три группы. Сигнальная группа содержит 8 линий данных и линию контрольного разряда (в ИРПР расширена до 16 разрядов). Группа управления включает линии готовности источника и приемника, строб источника и запрос приемника, линии проверки и ошибки и линию завершения работы источника (в ИРПР имеются только первые четыре). Две линии, экран и нуль образуют группу заземления. Передача данных по сопряжению асинхронная, скорость обмена зависит от схемных решений приемника и источника. Для микроЭВМ на базе МП 8086/8088 типичным значением является 0,1 Мбайт/с при максимальной длине соединительного кабеля 15 м.
Последовательные интерфейсы периферийных устройств. Последовательная передача данных в МпВТ используется для сопряжения с устройствами ввода-вывода, когда нет необходимости в высокой скорости обмена, и для подключения к различным государственным и коммерческим информационно-вычислительным сетям. Последовательная передача характеризуется низкой стоимостью, возможностью разнесения устройств на значительные расстояния, удобством эксплуатации. Она не только имеет давнюю и интересную историю (телеграфная связь, телетайпная связь), но и продолжает бурно развиваться в настоящее время (глобальные и локальные вычислительные сети). Существует большое количество разнообразных способов последовательной передачи данных и протоколов обмена, имеющих различный уровень стандартизации. Некоторая унификация в этой области была установлена благодаря семиуровневой модели открытых систем, разработанной Международной организацией по стандартизации (см., например, [1.18]) два нижних уровня которой тесно связаны с последовательной передачей данных.
Наиболее низкий уровень — физический, определяет электрические, функциональные и процедурные характеристики для установления, поддержания и разрыва физической связи. В первую очередь здесь регламентируются способ и уровни представления двоичной цифры, количество и тип линий, их назначение, тип разъема. Опишем кратко ряд наиболее распространенных физических интерфейсов последовательного обмена.
Интерфейс «токовая петля» (current loop, CL) или интерфейс радиальный последовательный (ИРПС) (1.2, 1.201. Интерфейс позволяет осуществлять асинхронную последовательную передачу И прием данных по четырехпроводной линии связи, по два провода на каждое направление (витая пара). Информация передается в виде уровня тока в двухпроводной линии (петле). Состояние логической единицы представляется наличием тока в цепи, состояние нуля — его отсутствием. Различают два типа цепей: 40-миллиамперная петля (состояние 1—30...50 мА, состояние 0—5...10 МА) и 20-мил-лиамперная петля (состояние 1 — 15...30 мА, состояние 0—О... ...З мА). Интерфейс обеспечивает передачу данных со скоростью 9600 бит/с на расстояние до 900 м, при увеличении расстояния скорость пропорционально снижается. Время нарас1ания и спада тока в петле не должно превышать 50 мкс. Рекомендуется управляемые источники тока и приемники выполнять на оптических согласующих устройствах (оптронных парах), обеспечивающих гальваническую развязку управляющих и сигнальных цепей. Источник тока, как правило, устанавливается на передатчике.
Интерфейс RS-232C, стык С2[\.2, 1.20]. Интерфейс применяется для асинхронного обмена данными по самым разнообразным каналам. Он первоначально использовался для сопряжения оборудования с аппаратурой передачи данных по телефонным линиям (модемами). Полный интерфейс имеет 25 однопроводных линий, однако в большей части терминальных устройств используются только три — пять основных. Сюда в первую очередь вносятся линии передачи и приема данных, запроса передатчика и готовности приемника, синхронизации и заземления. Скорость передачи данных ограничена величиной 20 Кбит/с (стандартные скорости 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 2800, 9600, 19200 бит/с. Логическая единица представляется напряжением — 3...—15 В, логический нуль — + 3...+ 15 В. Такие необычные для интегральной схемо-техники уровни привели к разработке стандартов RS-422 и RS-423, полностью функционально аналогичных RS-232C, но совместимых с ТТЛ схемами. Разработан и получил широкое использование стандарт RS-499 (расширенный вариант RS-232C), обеспечивающий скорость передачи данных до 2 Мбайт/с.
На втором уровне реализуется протокол управления физическим каналом обмена. Здесь в первую очередь решаются вопросы пересылки данных: как узнать, где они начинаются и кончаются;
как проверить правильность передачи? Протоколы обмена делятся на асинхронные, биториентированные и байториентированные.
Наиболее прост и получил широкое распространение старт-стопный механизм передачи — асинхронный, байт-ориентированный протокол. Информация передается посимвольно, между символами допускаются произвольные, но не меньше определенной длительности, промежутки. Каждый символ представляется последовательностью бит, обрамленных стартовым и стоповым битами (рис. 4.10, а). Длительность передачи одного бита (удержания сигнала соответствующего уровня на линии) заранее оговорена и должна выдерживаться источником достаточно строго. В пассивном состоянии в линии поддерживается единичный уровень, начиная передачу, источник формирует следующую последовательность:
стартовый (нулевой) бит, пять — восемь бит кода символа, бит контроля по паритету (необязательно) и один, полтора или два стоповых бита (единичных). Далее следует либо новый символ, либо пассивное единичное состояние.
Приемник воспринимает переход сигнала на линии из высокого уровня в низкий как начало стартового бита и символьной посылки в целом. Отсчитывая затем известное количество интервалов, приемник может зафиксировать каждый бит символа. Обычно это делается под управлением встроенного в приемник генератора синхроимпульсов, частота которого в 16 или 64 раза выше частоты передачи бит. На рис. 4.10,6 показана синхронизация сигналом с 16-кратной частотой (16х). Приняв переход входного сигнала из еди-цы в ноль, приемник отсчитывает 8 тактов синхросигнала Rx и проверяет состояние входа. Если фиксируется ноль, то подтверждается стартовый бит. Если не ноль — то считается, что принята помеха и далее символьной комбинации нет. Обратите внимание, хотя Rx никак не синхронизирован со спадающим фронтом входного сигнала, отсчитав 8 тактов, определяется момент приблизительно равный середине стартового бита. Если стартовый бит подтвержден, отсчитывается 16 тактов и фиксируется состояние первого бита символа, затем еще 16 тактов — принимается второй бит и так далее. Несомненное достоинство такого механизма передачи — не требуется линий общей синхронизации приемника и передатчика, они работают полностью асинхронно. Но за это приходится расплачиваться снижением на 20 % скорости передачи, так как на 8 бит символа необходимо не менее 2 дополнительных бит.
Протокол BSC (Binary Synchronous Communication, BISYNC) фирмы IBM относится к синхронным, байториентированным протоколам [1.4]. Для представления передаваемых символов допускается использование трех кодов: ASCII (American Standard Code for Information Interchange — 7 бит, совместим с принятым
в СССР кодом КОИ-7), EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code — 8 бит, совместим с принятым в СССР кодом ДКОИ) и 6-битовым кодом Transcode. Некоторые кодовые комбинации зарезервированы для специальных функций. Информация передается в виде последовательности символьных кодов, образующих блок данных. Формат блока приведен на рис. 4.11, а. Он начинается двумя синхронизирующими символами, в качестве которых могут использоваться любые допустимые комбинации. Затем следует специальный символ STX, указывающий на начало поля данных. Само поле данных может иметь произвольную длину, но должно завершаться специальным символом ЕТХ. Затем следуют два байта контрольного кода. Работа приемника и передатчика синхронизируется общим генератором тактовых импульсов, так что определение моментов фиксации битового интервала реализуется достаточно просто. Если, например, источник формирует уровень бита по переднему фронту синхросигнала, то приемник фиксирует бит по заднему фронту. Более сложно решается задача байтовой синхронизации, для чего перед блоком источник передает два синхросимвола. В начале передачи приемник анализирует принимаемый код. Только когда код совпадает с оговоренным синхросимволом, приемник предполагает, что байтовая синхронизация выполнена и проверяет ее по второму синхросимволу. Если повторно получен синхро-символ, начинается прием блока данных.
Более современным являются протоколы HDLC (High Level Data Link Control), ADCCP ANSI (Advanced Data Communication Control Procedure) и SDLC (Synchronous Data Link Control) фирмы IBM, незначительно отличающиеся друг от друга. Все эти протоколы биториентированные, синхронные. Блок сообщения (кадр» в терминологии протоколов) имеет следующий формат (рис. 4.11,б):
первым передается байт флага, затем два служебных байта (адреса и управления), далее поле данных переменной длины, контрольный 16-разрядный код it снова байт флага. Поле данных может содержать любые коды, тип кода не регламентируется. Для полной синхронизации источника и приемника используется специальный байт флага, содержащий подряд шесть единичных бит. В протоколе не допускаются кодовые комбинации с шестью единицами, если это не флаг. Когда в кодовой последовательности поля данных появляются пять единичных бит подряд, то автоматически вставляется нулевой бит, который в приемнике также автоматически удаляется. Эта процедура получила название битстаффинга (bit stuffing), она поддерживает уникальность флаговой комбинации в потоке бит. Флаг предшествует передаче и завершает ее, им же заполняют интервалы между кадрами. Считается [1.4], что биториентированные протоколы по гибкости и простоте превосходят байториентирован-ные, легко применимы для дуплексного и полудуплексного режимов.
Интерфейсы внешних запоминающих устройств. Сопряжение микроЭВМ с внешними ЗУ на магнитных дисках имеет существенные особенности, вызванные большими объемами передаваемой за один сеанс информации (128—512 байт), высокой скоростью передачи (0,5—5 Мбит/с) и сложными алгоритмами управления механизмов ЗУ (позиционирование головок, управление двигателем, секториро-вание). Поставляемые промышленностью устройства имеют упрощенный встроенный контроллер, вход которого и представляет собой интерфейс ВЗУ (см. рис. 4.1). Первоначально каждая фирма использовала свой собственный интерфейс, но в конце 70-х гг. чаще стали применяться интерфейсы ST 506/ST412 и SMD, ставшие фактическими стандартами для дисковых ВЗУ. Основные характеристики интерфейсов приведены в табл. 4.9 [1.20, 2.10], Интерфейс
Таблица 4.9. Основные характеристики интерфейсов ВЗУ
|
||||||
Характеристика
|
Тип интерфейса
|
|||||
SMI1 SMI2 ANSI ХЗ. 80—8982 |
ST506/ST412 |
ESDI3 |
RDI4 ANSI X3T9/122 |
|||
Скорость передачи Расстояние (м) Количество сигналов
Разъем/контактов |
3 Мбайт/с 15 А: 30 В:9 А: 60 В: 26 |
|
5 Мбит/л
А:16 B:3 А: 34 В: 20 |
3 Мбайт/с 15 А: 18 В:9 А: 34 В: 20 |
23 |
|
1 SMD (Storage Modul Device) — устройство модульное запоминающее. 2 SMI (Storage Module Interface) — интерфейс модульных ЗУ. 3 ESDI (Enhanced Small Device Interface)—расширенный интерфейс малых устройств. 1 RDI (Rigid Disk Interface)—интерфейс жестких дисковых накопителей.
|
ST506/ST412 ориентирован на ВЗУ со сменными гибкими и жесткими дисками диаметрами 5,25 и 8 дюймов при средних скоростях передачи. Используется в основном в бытовых и персональных микро ЭВМ.
Более сложный интерфейс SMD поддерживает накопители Со сменными и фиксированными жесткими дисками диаметрами 5,25, 8 и 14 дюймов, находит применение в многопользовательских микроЭВМ и мини-ЭВМ. Расширенный интерфейс ESDI занимает среднее положение между ними, по скорости соперничая с SMD, а по сигналам практически совпадая с ST506/ST412.
В настоящее время широкое распространение в микропроцессорных системах получают «интеллигентные» интерфейсы периферийных устройств, обеспечивающие подключение к одному основному контроллеру (host adapter) нескольких ВЗУ и/или других периферийных устройств. Идея такого интерфейса иллюстрируется на рис. 4.12. Фактически это некоторая унифицированная магистраль, к которой можно подключить различные устройства через групповые или встроенные контроллеры, т.е. это— локальная системная магистраль подсистемы ввода-вывода микроЭВМ. Основная цель разработки и внедрения такого рода «интеллигентных» интерфейсов — сделать аппаратуру и программное обеспечение микроЭВМ совершенно независимыми от типа используемых периферийных устройств, обеспечив учет конкретных особенностей ВЗУ или УВВ групповыми или встроенными «интеллигентными» контроллерами. Характеристики интерфейсов приведены в табл. 4.10. По-видимому, наиболее перспективен интерфейс SCSI, допускающий несколько основных контроллеров, что дает возможность многим микроЭВМ совместно использовать периферийное оборудование и строить мультимикромашинные системы.
Таблица 4.10. Основные хараккрктяг сипе яякгеитных» периферийных интерфейсов
|
|||
Характеристик»
|
Тыл интерфейса
|
||
CSI/SASI1
|
ISI2
|
IPI3(IPI-2)
|
|
Скорость передачи (Мбайт/с)
|
1,5; 4
|
3
|
6 (10)
|
Расстояние (м) |
6; 25 |
15 |
3; 15; 125; (50) |
Количество сигналов |
18 |
24 |
24 |
Шина данных (биг) |
8, двунаправ-ленная |
16, двуна-правленная |
8+8 |
Разъем (контактов)
|
50
|
50
|
|
Количество подключаемых групповых контроллеров
|
8
|
8
|
8
|
Количество устройств, подключаемых к групповому контроллеру |
8 |
8 |
16 |
1 SCSI (Small Computer System Interface)—интерфейс малых вычислительных систем.
|
|||
2 ISI (Intelligent Standard Interface)—«интеллигентный» стандартный интерфейс.
|
|||
3 IPI (Intelligent Peripheral Interface)—«интеллигентный» периферийный интерфейс.
|