Буферирование сигналов магистрали

Буферирование магистральных сигналов применяется для элек­трического согласования и выполняет две основные функции: электрическая развязка (для всех сигналов) и передача сигналов в нужном направлении (только для двунаправленных сигналов). Это первая и наиболее очевидная интерфейсная функция любого УС. Иногда с помощью буферирования реализуется также мультиплексирование сигналов. Для буферирования наиболее часто используются микросхемы магистральных приемников, передатчиков, приемопередатчиков, называемые также нередко буферами или драйверами.

Электрическая развязка подразумевает обеспечение нужных входных и выходных токов (уровни напряжения на ISA — ТТЛ). Как уже упоминалось, входные каскады УС должны обеспечивать уровень входного тока не более 0,8 мА, а выходные и двунаправленные каскады должны выдавать выходной ток не менее 24 мА (при нулевом выходном сигнале). Несоблюдение этого правила может привести к сбоям в работе компьютера и даже к выходу из строя его отдельных узлов. При этом, строго говоря, все определяется конфигурацией системы. Если к магистрали компьютера подключена только одна плата расширения, то требования к ней будут гораздо мягче, чем в случае использования нескольких плат. Но всегда надо рассчитывать на возможность развития системы и подключения дополнительных плат. Поэтому лучше все-таки придерживаться приведенных величин.

Выбор типа драйвера для каждого магистрального сигнала (приемник, передатчик или приемопередатчик) определяется назначением этого сигнала и возможными режимами работы УС. Так, например, в случае, когда УС работает в режиме программного обмена, приемники используются для сигналов адреса SAO ... SA9 и для управляющих сигналов -IOR, -IOW, AEN, BALE, -SBHE, передатчики используются для I/O СН RDY и -I/O CS 16. Для сигналов данных могут использоваться приемники (если УС работает только в режиме записи), передатчики (если УС работает только в режиме чтения) или приемопередатчики (если УС работает как в режиме чтения, так и в режиме записи). Если возможен обмен по прерываниям, то добавляется передатчик для сигнала IRQ, а если применяется ПДП, то применяется передатчик для сигнала DRQ и приемник для сигнала DACK.

Остановимся подробнее на характеристиках микросхем, которые могут применяться для буферирования.

Приемники магистральных сигналов должны удовлетворять двум основным требованиям: малые входные токи и высокое быстродействие (они должны успевать отрабатывать в течение отведенных им временных интервалов циклов обмена).

Конкретное значение допустимых времен задержек определяется используемой схемой интерфейсной части УС в целом, но можно определенно сказать, что микросхемы обычных (не быстродействующих) КМОП серий здесь непригодны, несмотря на их малые входные токи. Не подходят и микросхемы серии К155 (SN74) из-за их больших входных токов.

Требованиям, предъявляемым к приемникам, удовлетворяют следующие серии микросхем: КР1533 (SN74ALS), К555 (SN74LS) и КР1554 (74АС). Величины входных токов логического нуля для них составляют соответственно 0,2 мА, 0,4 мА и 0,2 мА, а величины временных задержек не превышают соответственно 15 нс, 20 нс и 10 нс. Кроме этих серий, в качестве приемников можно использовать специальные микросхемы магистральных приемников серии КР559 (входной ток не более 0,12 мА, задержка не более 30 нс). Требованиям, предъявляемым к приемникам, удовлетворяют также микросхемы электрически программируемых ППЗУ и ПЛМ серии КР556 (136, N82S, DM87S, НМ76). Это тоже немаловажно, так как их очень удобно использовать в схемах селекторов адреса УС. Входные токи этих микросхем не превышают 0,25 мА. Пример входного буфера показан на рис. 9.7.

Отметим, что малые входные токи микросхем серий КР1533 и КР1554 позволяют подключать к линии магистрали даже два входа таких микросхем.

Рис. 9.7. Пример входного буфера

Перейдем к передатчикам. Требования к ним: большой выходной ток и высокое быстродействие. Часто они должны иметь также отключаемый от линии выход (например, для шины данных), то есть иметь выход с открытым коллектором или с тремя состояниями. Это связано с необходимостью перехода УС в пассивное состояние в случае отсутствия обращения к нему. Выбор микросхем передатчиков гораздо больше, такие микросхемы есть практически в каждой серии (К155, К555, КР1533, К559 и т.д.).

Рис. 9.8. Мультиплексирование шины данных.

Передатчики часто выполняют функцию мультиплексирования данных, которые должны поступать на шину данных ISA от различных источников. На рис. 9.8. упрощенно показаны два наиболее распространенных подхода к решению данной задачи (для 8-разрядной шины данных). Отметим, что при использовании микросхем мультиплексоров следует брать те из них, которые имеют выходы с тремя состояниями и большие выходные токи.

Рассмотрим теперь приемопередатчики. Требования к ним включают в себя требования к приемникам и передатчикам, то есть малый входной ток, большой выходной ток, высокое быстродействие и обязательное отключение выходов. Надо отметить, что в простейшем случае (когда разрядов немного) приемопередатчики могут быть построены на микросхемах приемников и передатчиков с отключаемыми выходами. Однако при большом количестве разрядов надо использовать специальные микросхемы приемопередатчиков. Эти микросхемы бывают двух основных типов (рис. 9.9): с двумя двунаправленными шинами или с тремя шинами (одной двунаправленной, одной входной шиной и одной выходной шиной).

Приемопередатчик с тремя шинами	Приемопередатчик с двумя шинами
Рис. 9.9. Типы приемопередатчиков

Для управления работой приемопередатчиков используются два управляющих сигнала. Характеристики некоторых приемопередатчиков приведены в таблице 9.10. В ней указаны разрядность шин, величины задержек и входных/выходных токов всех шин микросхем. В табл. 9.11 приведены режимы работы в зависимости от управляющих сигналов. Отметим такую особенность микросхемы КР59ИПЗ, как невозможность одновременного отключения ее двунаправленной и выходной шин. В таблице использованы следующие обозначения: ОК — выход с открытым коллектором, ЗС — выход с тремя состояниями. Отметим, что если приемопередатчики с открытым коллектором используются для буферирования шины данных, то на их выходах необходимо включать резисторы на шину +5В (если они не работают на линию, к которой эти резисторы уже подключены). Поэтому их применение иногда оказывается нежелательным. Это совсем не означает, что они не могут быть использованы, например, в операционной части УС. Особенностью микросхемы КР580ВА86 (87) является то, что шины имеют различные выходные токи, и только одна из них (В) удовлетворяет требованиям стандарта ISA. У других микросхем все двунаправленные шины выдают требуемые выходные токи. Те или иные сигналы управления могут быть более или менее удобны в каждом конкретном случае.

Табл. 9.10.

Характеристики приемопередатчиков.

Табл. 9.11.

Микросхемы приемопередатчиков.

На рис. 9.10 показаны три варианта реализации приемопередатчиков для шины данных: на приемнике и передатчике, на приемопередатчике с двумя шинами и на приемопередатчике с тремя шинами (для 8-разрядных данных).

Отметим, что чаще нужны приемопередатчики с раздельными входными и выходными шинами данных УС, но при использовании многоразрядных микросхем ОЗУ или сдвиговых регистров типа КР1533ИР24 (SN74ALS299), которые имеют двунаправленную шину данных, удобнее применять приемопередатчики с совмещенными входными/выходными данными УС.