Шины микропроцессорной системы

Прежде чем переходить к особенностям циклов обмена, остановимся под­робнее на составе и назначении различных шин микропроцессорной системы.

Как уже упоминалось, в системную магистраль (системную шину) мик­ропроцессорной системы входит три основные информационные шины: адреса, данных и управления.

Шина данных — это основная шина, ради которой и создается вся сис­тема. Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и эф­фективность информационного обмена, а также максимально возможное количество команд.

Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает передачу информации в обоих направлениях. Наиболее часто встречающийся тип выходного каскада для линий этой шины — выход с тремя состояниями.

Обычно шина данных имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за одинцикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт ин­формации, а по 8-разрядной — только один байт. Разрядность шины дан­ных определяет и разрядность всей магистрали. Например, когда говорят о 32-разрядной системной магистрали, подразумевается, что она имеет 32-разрядную шину данных.

Шина адреса — вторая по важности шина, которая определяет макси­мально возможную сложность микропроцессорной системы, то есть до­пустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный раз­мер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных.Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2*^N, где N — количество разрядов. Например, 16-разрядная шина адреса обес­печивает 65 536 адресов. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и мо­жет достигать 32 и даже 64.

Шина адреса может быть однонаправленной (когда магистралью всегда управляет только процессор) или двунаправленной (когда процессор может временно передавать управление магистралью другому устройству, напри­мер контроллеру ПДП). Наиболее часто используются типы выходных кас­кадов с тремя состояниями или обычные ТТЛ (с двумя состояниями).

Как в шине данных, так и в шине адреса может использоваться положи­тельная логика или отрицательная логика. При положительной логике высо­кий уровень напряжения соответствует логической единице на соответству­ющей линии связи, низкий — логическому нулю. При отрицательной логике наоборот. В большинстве случаев уровни сигналов на шинах — ТТЛ.

Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления. Понятно, что мультиплексированная шина адреса/данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительного цикла обмена (рис. 2.1). По типу шины адреса и шины данных все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексиронанные.

Немультиплексированные шины Мультиплексированная шина

Рис. 2.1. Мультиплексирование шин адреса и данных.

В некоторых мультиплексированных магистралях после одного кода адреса передается несколько кодов данных (массив данных). Это позво­ляет существенно повысить быстродействие магистрали. Иногда в магис­тралях применяется частичное мультиплексирование, то есть часть раз­рядов данных передается по немультиплексированным линиям, а другая часть — по мультиплексированным с адресом линиям.

Шина управления — это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой определяют тип текущего цикла и фиксируют моменты вре­мени, соответствующие разным частям или стадиям цикла. Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласование работы процессора (или другого хозяина магистрали, задатчика, master) с работой памяти или устройства ввода/вывода (устройства-исполнителя, slave). Управляющие сигналы также обслуживают запрос и предоставление прерываний, запрос и предоставление прямого доступа.

Сигналы шины управления могут передаваться как в положительной логике (реже), так и в отрицательной логике (чаще). Линии шины управ­ления могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными. Типы выходных каскадов могут быть самыми разными: с двумя состояниями (для однонаправленных линий), с тремя состояниями (для двунаправленных линий), с открытым коллектором (для двунаправленных и мультиплекси­рованных линий).

Самые главные управляющие сигналы — это стробы обмена, то есть сигналы, формируемые процессором и определяющие моменты време­ни, в которые производится пересылка данных по шине данных, обмен данными.

Чаще всего в магистрали используются два различных строба обмена:

• Строб записи (вывода), который определяет момент времени, когда
устройство-исполнитель может принимать данные, выставленный
процессором на шину данных;

• Строб чтения (ввода), который определяет момент времени, когда
устройство-исполнитель должно выдать на шину данных код дан­ных, который будет прочитан процессором.

При этом большое значение имеет то, как процессор заканчивает об­мен в пределах цикла, в какой момент он снимает свой строб обмена. Воз­можны два пути решения (рис. 2.2):

• При синхронном обмене процессор заканчивает обмен данными самостоятельно, через раз и навсегда установленный временной интервал выдержки (t_ВЫД), то есть без учета интересов устройства-ис­полнителя;

• При асинхронном обмене процессор заканчивает обмен только тогда,
когда устройство-исполнитель подтверждает выполнение операции специальным сигналом (так называемый режим handshake-рукопожатие).

Синхронный обмен Асинхронный обмен

Рис. 2.2. Синхронный обмен и асинхронный обмен.

Достоинства синхронного обмена — более простой протокол обмена, меньшее количество управляющих сигналов. Недостатки — отсутствие га­рантии, что исполнитель выполнил требуемую операцию, а также высо­кие требования к быстродействию исполнителя.

Достоинства асинхронного обмена — более надежная пересылка дан-мых, возможность работы с самыми разными по быстродействию исполнителями. Недостаток — необходимость формирования сигнала подтвер­ждения всеми исполнителями, то есть дополнительные аппаратурные пираты.

Какой тип обмена быстрее, синхронный или асинхронный? Ответ на этот вопрос неоднозначен. С одной стороны, при асинхронном обмене требуется какое-то время на выработку, передачу дополнительного сигнала и на его обработку процессором. С другой стороны, при синхронном обмене приходится искусственно увеличивать длительность строба обме­на для соответствия требованиям большего числа исполнителей, чтобы они успевали обмениваться информацией в темпе процессора. Поэтому иногда в магистрали предусматривают возможность как синхронного, так и асинхронного обмена, причем синхронный обмен является основным и довольно быстрым, а асинхронный применяется только для медленных исполнителей.

По используемому типу обмена магистрали микропроцессорных систем также делятся на синхронные и асинхронные.