ЛЕКЦИЯ 15-16. ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА В ЭВМ
В процессе своего функционирования
процессор ЭВМ производит обращение к памяти,
извлекая из нее команды и данные, и
производит запись промежуточных результатов.
Кроме того, производится обращение к внешним
устройствам, с помощью которых
осуществляется брод и вывод информации в ЭВМ от
объекта управления или человека. Во всех случаях
при обращении профессора
к ЗУ и внешним устройствам необходимо добиться
такого положения, при котором все они будут иметь
одинаковые системы сигналов управления, правила
обмена - протоколы, системы кодов и
т.д. Многообразие типов ЗУ и внешних устройств, к
которым относятся: телетайпы, дисплеи,
преобразователи, дисководы, отдельные триггеры,
регистры и т.д., ставит задачу согласования
компонентов в систему. Для ее решения имеются
специальные
средства, которые входят в состав
микропроцессорных наборов.
Задача согласования компонентов в системе имеет
две составляющие - аппаратную и программную.
Соотношение между ними зависит от многих
факторов, имеющихся в микропроцессорном наборе
специализированных БИС - согласователей, набором
внешних устройств и степень их
стандартизированности и т.д. Для упрощения
задачи согласования стандартные устройства
ввода вывода и
имеют стандартные интерфейсы. Под интерфейсом
понимается совокупность программных и
аппаратных средств, с помощью которых
компоненты системы объединяются таким образом,
чтобы она могла решить требуемую задачу.
Интерфейс оценивают по его сложности. Можно
сложность определить по количеству и
последовательности сигналов, по сложности
используемых кодов и т.д.
Можно на сложность интерфейса смотреть с позиции
совместимости, т.е. оценивать по тому, на сколько
сложными должны быть
преобразования для того, чтобы сопрягаемые
устройства могли
выполнять свои функции в системе. Совместимость
определяется
четырьмя основными признаками: быстродействием,
кодами, используемыми для обмена, архитектурой
процессора и электрическими характеристиками.
Согласование устройств без использования
специальных средств возможно только в том
случае, если
совпадают все признаки. Различное
быстродействие компонентов требует буферизации
данных и контроля со стороны процессора
за ходом обмена с помощью сигналов готовности, ответных сигналов, стробирования.
Буферные регистры при согласовании по
скорости позволяют
осуществлять временное хранение информации.
Механизм их действия достаточно прост. Буфер
принимает и хранит данные до тех
пор, пока устройство, которому эти данные
предназначены не считает их. В это время
быстродействующая компонента системы,
чаще всего это процессор, может заниматься
другой работой, а
не ожидать завершения процедуры обмена со
стороны "медленной"
компоненты. Если передача идет от
"медленной" компоненты к
"быстрой", то буфер накапливает данные от
"медленной" и по
готовности выдает с требуемой скоростью
"быстрой" компоненте.
Использование буферов требует ряда
дополнительных сигналов,
например, сигнала состояния буфера. При
считывании данных
из буфера сигнал снимается, а при загрузке
выставляется.
При передаче информации между
компонентами системы используют стандартные
коды, содержащие алфавитно-цифровые символы,
специальные и управляющие символы, которые
должны пониматься компонентами одинаковым
образом. Для передач в пределах одной системы
чаще всего используется код КОИ-7. Семь
разрядов этого кода информационные, а восьмой
служит для контроля на четность. Значение
восьмого разряда зависит от того
четное или нечетное число единиц находится в
информационной
части передаваемого байта данных. При
однократных ошибках
изменяется значение одного из информационных
разрядов. Это
событие определяется путем контроля на четность.
Если произошло изменение 0 или 1 на обратное, то
число единиц или нулей
измениться относительно исходного - заданного.
Архитектура процессора определяет
число и назначение
дин, предназначенных для организации обмена. В
общем случае
процессор может иметь отдельные шины,
предназначенные для
передачи данных и отдельные шины адреса (рис. 2.1.),
а также
ряд других шин, которые предназначены для
синхронизации. 3
виду того, что число выводов у однокристальных
микропроцессоров ограничено в некоторых случаях
шина данных и адреса совмещаются. При обмене
первоначально на шины выдается адрес, а
затем данные.
Обычно интерфейсы ЗУ и внешних устройств различны. Поэтому для организации связи с этими группами устройств в ЭВМ
могут быть предусмотрены отдельные
группы шин. Такая организация
характерна для секционных МП с микропрограммным
управлением.
Промышленность, в настоящее время,
освоила выпуск большого
числа разнообразных микропроцессорных наборов
микросхем различной степени интеграции. На их
основе могут строится ЭВМ,
различного назначения. В этих условиях следует
учитывать электрические характеристики
объединяемых микросхем. Прежде всего
значения логических уровней и потребляемые токи по
каждому входу, входные емкости и нагрузочные
способности выходов микросхемы.
Таким образом, при объединении таких
компонент системы
как процессор, память, устройства ввода-вывода
необходимо решить
задачу совместимости. Каждый из компонент должен
содержать
средства, определяющие его функциональное
назначение и средства,
которые обеспечивают согласование компонент -
интерфейсные функции. Процессор имеет интерфейс
ориентированный на обмен с памятью. Это делается
из за того, что с памятью процессор обменивается
чаще чем с устройствами ввода вывода. Ж с
микропрограммным управлением могут иметь
отдельную группу входов-выходов для связи с
устройствами ввода-вывода и соответственно
отдельный интерфейс, учитывающий особенности
внешних устройств.
В вычислительных системах получили
применение магистральный
и радиальный интерфейсы. Радиальный интерфейс
(см.рис.3.1а)
отличается тем, что для каждого устройства ввода
или вывода
процессор или вся ЭВМ имеет отдельный вход,
который позволяет
учесть особенности каждого из них. Однако, такой
способ имеет
ряд недостатков. Во первых, ограниченное число
входов. Во вторых, каждый выход имеет "свой"
интерфейс и подключить к нему
устройство с интерфейсом немного отличающимся
от исходного
невозможно без дополнительных схем.
Магистральный интерфейс свободен в
определенной мере от
указанных недостатков, но у него есть свои
недостатки. При
обмене необходимо указывать адрес устройства.
Источником может
быть только одно устройство, остальные должны в
момент передачи
"молчать" Эта особенность важна при
организации высокоскоростных
передач.
С целью упрощения решения задачи сопряжения разных интерфейсов их число ограничено и они стандартизированы. Кроме
pa-порта: первый - регистр выводимых
данных, второй - регистр
вводимых данных, третий - регистр состояния и
четвертый регистр
управления.
В зависимости от особенностей
конкретного устройства об-
щая модель конкретизируется и может содержать
меньшее число регистров. Для обмена по шине
данных регистры должны иметь свои
адреса отличные друг от друга.
Обычно магистральный интерфейс имеет
в своем составе функциональные выделенные
группы шин - проводников, по которым идет
передача управляющей, адресной информации и
данных. В зависимости
от сложности магистрали выделяют:
- адресную шину (AШ);
- шину данных (ШД);
Рис.3.2. Общая программная модель
периферийного
устройства.
Непосредственные действия, связанные
е вводом-выводом
реализуются одним из двух способов,
различающихся адресацией
регистров ввода-вывода. Первый способ
предполагает наличие специальных команд
ввода-вывода таких как Ifl/pott и OUT рогf .
При выполнении команды вывода
содержимое одного регистра процессора
пересылается в регистр - порт {рог1 ),
отождествляемый с
устройством ввода-вывода, а при
выполнении.команды ввода наоборот,
При таком способе организации обмена
пространство адресов
устройств ввода-вывода изолировано от
пространства адресов уст-
ройств памяти и для обращения к последней
предусмотрены свои ко-
манды. Дело в том, что в управляющей шине для
управления памятью
предусмотрены свои сигналы записи и
чтения (MR и MW). В
результате в ЭВМ могут быть входной и выходной
порты и ячейка
памяти с одинаковыми адресами.
Второй способ предполагает наличие
общих команд обращения
к устройствам ввода-вывода и ячейкам памяти, но
тогда все они
будут размещены в общем пространстве адресов. В
результате в
ЭВМ могут быть входной и выходной порты с
одинаковыми адресами,
но ячейки памяти с такими же адресами быть не
должно.
Достоинство второго способа состоит в
том, что при обращении к периферийным
устройствам могут быть использованы все способы
адресации, принятые для обращения к памяти, что
часто бывает
необходимо , особенно при создании сложения
системы ввода-вывода
с большим числом устройств.
На рис. 3.3. показан® схема поясняющая первую организацию интерфейса с изолированной шиной.
Рис.3.3. Интерфейс с изолированной
шиной.
Характерным признаком этой организации является наличие отдельных команд обращения к внешним устройствам следующего
формата:
IN port и OUT port
и отдельных команд обращения к памяти, например
MOV r, M; MOV M, r;
LDAX rp; STAX rp
команд с косвенно-регистровой адресацией;
LDA addr, STA addr LHLD addr, SHLD addr
с прямой адресацией и
LXI rp, data ; MVI M,data
смешанной адресацией,
Большое разнообразие способов
адресации принятое при обращении к ЗУ позволяет
используя особенности каждого из них
строить обмен с наибольшей эффективностью.
Недостатки прямого способа адресации,
принятого в командах ввода-вывода проявляют себя
в системах с большим числом
устройств ввода-вывода и случайным потоком
заявок на обслуживание.
На рис. 9.4. приведен интерфейс с общей
шиной. Все
пространство адресов адресной шины А15 поделено
на две части.
Первая половина отведена под память, вторая ~ под
адреса внешних устройств
Рис. 3.4. Интерфейс с общей шиной.
Такое разделение адресного
пространства позволяет, как указывалось,
использовать все способы адресации при
обращении к
внешним устройствам и памяти. Собственно, порты,
принадлежащие
периферийным устройствам рассматриваются при
этом как ячейки памяти. Безусловно, такое
распределение адресного пространства между
памятью и периферийными устройствами уменьшает
память, но увеличивает возможное число внешних
устройств. В рассмотренном примере
(рис. 3.4.)32К отводится под память и столько же под
адреса
периферийных устройств.
В заключении рассмотрим достоинства и
недостатки каждой из
организаций интерфейсов. Для большей
наглядности сведем их в
одну таблицу.
Таблица 3.1.
Интерфейс с общей шиной |
интерфейс с изолированной шиной |
|
Достоинства |
1. Наличие отдельных команд обмена с памятью и периферийными устройствами. |
1.
Расширение набора команд |
2. Непересекающееся пространство адресов, позволяющее иметь память максимальной емкости. |
2. Увеличение числа подключаемых внешних устройств. |
|
Недостатки |
С участием аккумулятора. |
3.
Возможность внепроцессорного обмена в системе
команд. Предусмотрены команды обмена между
ячейками |
2. Ограниченное число периферийных устройств. |
4.
Возможность обмена не только с участием
аккумулятора |
|
1. Сокращение области памяти. |
||
2.
Усложнение дешифрирующих |