Организация интерфейсов в микропроцессорных системах

В МПС приемники (МП и оперативная память) и источники информации (УВВ) связаны между собой через специальное устройство управления (контроллер), в качестве которого может использоваться микропроцессор (МП) или более простое устройство (мультиплексор, БИС программируемого интерфейса и др.)

Например, при магистральной структуре интерфейса все источники и приемники информации, а также контроллер подключены к системе коллективных линий.

В интерфейсах МПС линии управления двунаправленные, и их объединяют для передачи осведомительных и управляющих сигналов. Адресные линии однонаправленные, информационные линии могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными.

Для обеспечения связи микропроцессора с различными внешними устройствами используется два вида интерфейса – параллельный и последовательный и их комбинация. Широко в МПС применяется последовательно-параллельная форма, когда каждое слово передается параллельно, а отдельные слова — последовательно. Обмен данными может производиться по синхронному и асинхронному принципам.

Простейшим является параллельный интерфейс. При использовании параллельного интерфейса 8-разрядный микропроцессор за каждую операцию обмена обеспечивает передачу 8 бит информации. Рабочее состояние для линий параллельного ввода-вывода ограничивается 1-2 метрами. При увеличении длины кабеля возрастает его емкость, поэтому становится невозможной передача данных на высокой скорости (частоте). Длину линий параллельной передачи данных можно увеличить до 10-20 м путем использования специальных формирователей и путем уменьшения скорости передачи. Однако дальнейшее увеличение длины линий при параллельной передаче данных практически невозможно.

В схеме обеспечения ввода-вывода данных имеется регистр состояния, с помощью которого микропроцессор проверяет состояние порта ввода-вывода. Обычно регистр состояния, входной и выходной регистры имеют подряд идущие адреса портов ввода-вывода. Например, регистр состояния может адресоваться как порт ввода-вывода с адресом 01, а выходной регистр - как порт ввода-вывода с адресом 02.

Регистр состояния имеет только два разряда. Нулевой разряд регистра состояния устанавливается в 1 по сигналу ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ ГОТОВЫ. Вместе с тем в микропроцессор поступает сигнал прерывания. По этому сигналу микропроцессор должен выполнить программу обработки прерывания, соответствующую устройству, вызвавшему прерывание. Для передачи данных, находящихся на входных линиях, в аккумулятор МП может воспользоваться командой ВВОД (INPUT).

Команда OUT МП служит для вывода данных. Данные, подаваемые МП на шину данных, помещаются в 8-разрядный буфер данных. Вместе с тем устанавливается в 1 первый разряд регистра состояния, что соответствует рабочему состоянию линии ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ ГОТОВЫ. Тем самым внешнее устройство информируется о том, что новые данные готовы к выводу.

Если микропроцессору необходимо узнать, свободен ли выходной регистр, он может ввести слово состояния портов ввода-вывода и проанализировать первый разряд этого слова.

Эта пара рассмотренных сигналов позволяет МП и внешнему устройству проверить готовность данных к передаче, тем самым устраняется возможность потери данных и обеспечивается их корректная передача.

Обычно несколько параллельных портов ввода-вывода может размещаться на кристалле самого микропроцессора или на кристаллах, реализующих другие функции МП системы.

Такой подход к размещению портов ввода-вывода приводит к созданию МПС с небольшим количеством кристаллов. Например, обычным решением является размещение двух или нескольких портов ввода-вывода в большой интегральной схеме, реализующей ПЗУ с масочным программированием. Такой модуль может использоваться совместно с кристаллом микропроцессора и кристаллом ОЗУ. Используя элементы трех указанных типов, можно построить микропроцессорную систему, включающую в себя некоторое количество портов ввода-вывода и большее количество модулей ПЗУ и ОЗУ, чем у микроЭВМ на одном кристалле.

Для выполнения операций ввода-вывода используются две байтные команды INPUT - ВВОД и OUT - ВЫВОД. Во вторых байтах этих команд указывается адрес порта ввода-вывода. Каждая команда осуществляет обмен информацией между аккумулятором и портом ввода-вывода и выполняется за три машинных цикла. В изложенной схеме обеспечения ввода-вывода рассмотрен такой способ организации выполнения операций, когда в командах ввода-вывода используются специальные адреса портов ввода-вывода. При этом обмен данными между МП и внешними устройствами отличается от обмена данными между МП и памятью. Однако в некоторых МП обращение к устройствам ввода-вывода организовано аналогично обращению к памяти. При этом устройствам ввода-вывода ставят в соответствие определенные адреса и данные. Устройства подключаются к адресной шине памяти, а для управления обменом данными между ними и МП используются сигналы ЧТЕНИЕ ПАМЯТИ и ЗАПИСЬ В ПАМЯТЬ. При этом нет необходимости использовать специальные команды ввода-вывода. Недостатком такого способа организации ввода-вывода является то, что часть адресного пространства используется для адресации устройств ввода-вывода. Размер этой части определяется количеством используемых в системе портов ввода-вывода. Конечно, такой недостаток остро проявляется в системах, имеющих много устройств ввода-вывода, или когда в системе почти все адресное пространство памяти использовано для других целей. Обычно в микроЭВМ используется 5-10 портов ввода-вывода, и поэтому затруднения не возникает.

Организация ввода-вывода по аналогии с обращением к памяти упрощает процесс обмена данными, что является достоинством такого способа организации ввода-вывода. Поскольку обращение к портам ввода-вывода по форме не отличается от обращения к памяти, реализация этих обращений оказывается одной и той же. Все команды МП, предназначенные для обращения к памяти, могут использоваться и для работы с устройствами ввода-вывода. Используя способ организации ввода-вывода, аналогичный способу организации обращения к памяти, можно выполнить сложение вводимого слова данных с содержимым аккумулятора или сравнить входные данные с его содержимым.

Таким образом, интерфейс - совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации.

2. Интерфейсные БИС

Уже в первые годы развития техники интерфейсов фирма Intel разработала ряд БИС, предназначенных для реализации системных шин. В маркировке их микросхем первыми были цифры 82, после которых стояли еще две цифры, обозначающие конкретный тип интерфейсной схемы. Простейшими микросхемами были шинные формирователи и порты (буферные регистры), более сложные операции обслуживались адаптерами и контроллерами В ходе последующего развития интерфейсные схемы (схемы системной поддержки) претерпели ряд изменений, связанных с совершенствованием схемотехнологии ИС. Сейчас уровень интеграции ИС позволяет на одном кристалле объединить целый ряд устройств, которые ранее выполнялись в виде отдельных микросхем. Микросхемы с набором различных интерфейсных устройств, тем не менее, в структурном плане до сих пор базируются на "простых" ИС типа 82ХХ. Например, о современном периферийном контроллере 82С206 сказано: содержит две ИС 8259, две ИС 8237, одну ИС 8254 и др., где перечисленные ИС представляют собою давно разработанные структуры типа 82ХХ. Более того, даже в библиотеках схемных решений новейших СБИС программируемой логики структуры традиционных интерфейсных схем используются в качестве макрофункций. Таким образом, рассматриваемые ниже адаптеры и контроллеры имеют как бы три лица: отдельных микросхем, частей более сложных кристаллов и макрофункций библиотек СБИС программируемой логики.

Кратко охарактеризуем основные интерфейсные устройства, реализуемые в БИС.