KNOW INTUIT, Лекция, Философия на микропроцесорната техника

1.2. Структура на шинната връзка

За постигане на максимална гъвкавост и опростяване на протоколите за обмен на информация в микропроцесорните системи се използва така наречената шинна структура на комуникациите между отделните устройства, включени в системата. Същността на шинната структура на връзките е следната.

При класическата структура на комуникациите (фиг. 1.5) всички сигнали и кодове между устройствата се предават по отделни комуникационни линии. Всяко устройство, което влиза в системата, предава своите сигнали и кодове независимо от другите устройства. В същото време в системата се получават много комуникационни линии и различни протоколи за обмен на информация.

При шинна структура на комуникациите (фиг. 1.6) всички сигнали между устройствата се предават по едни и същи комуникационни линии, но по различно време (това се нарича мултиплексирано предаване). Освен това предаването по всички комуникационни линии може да се извършва и в двете посоки (така нареченото двупосочно предаване). В резултат на това броят на комуникационните линии е значително намален, а правилата за обмен (протоколите) са опростени. Група от комуникационни линии, по които се предават сигнали или кодове, се нарича шина.

Ясно е, че с шинна структура от връзки е лесно да се препращат всички информационни потоци в правилната посока, например те могат да бъдат предадени през един процесор, което е много важно за микропроцесорна система. Но при шинна структура на връзките цялата информация се предава по комуникационни линии последователно във времето, което намалява скоростта на системата в сравнение с класическата структура на връзките.

Голямото предимство на комуникационната структура на шината е, че всички устройства, свързани към шината, трябва да получават и предават информациясъщите правила (комуникационни протоколи по шина). Съответно всички възли, отговорни за обмена с шината в тези устройства, трябва да бъдат еднакви, унифицирани.

Съществен недостатък на структурата на шината е свързан с факта, че всички устройства са свързани към всяка комуникационна линия паралелно. Следователно всяка неизправност на всяко устройство може да деактивира цялата система, ако развали комуникационната линия. По същата причина отстраняването на грешки в система с комуникационна структура, базирана на шина, е доста трудно и обикновено изисква специално оборудване.

В системи с шинна структура на връзки се използват и трите съществуващи типа изходни етапи на цифрови микросхеми:

стандартен изход или изход с две състояния (обозначени 2C, 2S, по-рядко TTL, TTL);
изход с отворен колектор (обозначен OK, OC);
изход с три състояния или (което е същото) с възможност за изключване (обозначава се 3C, 3S).

Опростено, тези три вида изходни етапи могат да бъдат представени под формата на вериги на фиг. 1.7.

На изход 2C се затварят последователно два ключа, което съответства на нивата на логическа единица (горният ключ е затворен) и логическа нула (долният ключ е затворен). На изхода OK затворен ключ генерира ниво на логическа нула, отворен - логическо. На изхода 3C ключовете могат да се затворят на свой ред (както в случая с 2C) или могат да се отворят едновременно, образувайки трето състояние с висок импеданс. Преходът към третото състояние (Z-състояние) се управлява от сигнал на специален вход EZ.

Изходните етапи от типове 3C и OK ви позволяват да комбинирате няколко изхода на микросхеми, за да получите мултиплексирани (фиг. 1.8) или двупосочни (фиг. 1.9) линии.

В същото време, в случай на 3C изходи, е необходимо да се гарантира, че линията е винагисамо един активен изход е работил и всички останали изходи ще бъдат в третото състояние в този момент, в противен случай са възможни конфликти. Комбинираните OK изходи могат да работят всички едновременно, без никакви конфликти.

Типична структура на микропроцесорна система е показана на фиг. 1.10. Той включва три основни типа устройства:

ПРОЦЕСОР;
памет, включително памет с произволен достъп (RAM, RAM - Random Access Memory) и памет само за четене (ROM, ROM - Read Only Memory), която се използва за съхраняване на данни и програми;
входно/изходни устройства (I/O - Input/Output Devices), които се използват за свързване на микропроцесорната система с външни устройства, за получаване (въвеждане, четене, четене) на входни сигнали и издаване (извеждане, запис, запис) на изходни сигнали.

Всички устройства на микропроцесорната система са свързани с обща системна шина (наричана ощесистемна магистралаиликанал). Гръбнакът на системата включва четири основни шини от ниско ниво:

Шината за данни е основната шина, която се използва за прехвърляне на информационни кодове между всички устройства на микропроцесорната система. Обикновено в преноса на информация участва процесор, който предава код на данни към някое устройство или клетка с памет или получава код на данни от някое устройство или клетка с памет. Но също така е възможно да се прехвърля информация между устройства без участието на процесора. Шината за данни винаги е двупосочна.

И накрая, захранващата шина е проектирана не да изпраща информационни сигнали, а да захранва системата. Състои се от електропроводи и общ проводник. Микропроцесорната система може да има едно захранване (обикновено +5 V) или множество захранвания (обикновено също -5 V, +12 V и -12 V).IN). Всяко захранващо напрежение има своя собствена комуникационна линия. Всички устройства са свързани към тези линии паралелно.

Така в микропроцесорна система всички информационни кодове и командни кодове се предават по шините последователно, на свой ред. Това определя относително ниската скорост на микропроцесорната система. Обикновено се ограничава дори не от скоростта на процесора (което също е много важно) и не от обменния курс по системната шина (backbone), а точно от серийния характер на преноса на информация по системната шина (backbone).

Важно е да се има предвид, че I/O устройствата най-често са устройства с "твърда логика". На тях могат да бъдат възложени някои от функциите, изпълнявани от микропроцесорната система. Следователно разработчикът винаги има възможност да преразпредели системните функции между хардуерните и софтуерните реализации по оптимален начин. Хардуерното внедряване ускорява изпълнението на функцията, но липсва гъвкавост. Софтуерното внедряване е много по-бавно, но осигурява голяма гъвкавост. Хардуерното изпълнение на функциите увеличава цената на системата и нейната консумация на енергия, софтуерното внедряване не. Най-често се използва комбинация от хардуерни и софтуерни функции.

Понякога I / O устройствата включват процесор, тоест те са малка специализирана микропроцесорна система. Това ви позволява да прехвърлите някои от софтуерните функции към входно-изходни устройства, разтоварвайки централния процесор на системата.