Шинна структура зв’язків у мікропроцесорних системах
Для досягнення максимальної універсальності та спрощення протоколів обміну інформацією в мікропроцесорних системах застосовується так звана шинна структура зв'язків між окремими пристроями, що входять до системи. Суть шинної структури зв'язків зводиться до такого.
При класичній структурі зв'язків всі сигнали та коди між пристроями передаються окремими лініями зв'язку. Кожен пристрій, що входить до системи, передає свої сигнали та коди незалежно від інших пристроїв. При цьому в системі виходить дуже багато ліній зв'язку та різних протоколів обміну інформацією.
Мал. Класична структура зв'язків
При шинної структурі зв'язків всі сигнали між пристроями передаються по одних і тих самих лініях зв'язку, але в різний час (це називається мультиплексованою передачею). Причому передача по всіх лініях зв'язку може здійснюватися обох напрямках (так звана двонаправлена передача). Через війну кількість ліній зв'язку значно скорочується, а правила обміну (протоколи) спрощуються. Група ліній зв'язку, якими передаються сигнали чи коди якраз і називається шиною (англ. bus).
Мал. Шинна структура зв'язків
При шинній структурі зв'язків легко здійснюється пересилання всіх інформаційних потоків у потрібному напрямку, наприклад, їх можна пропустити через процесор, що дуже важливо для мікропроцесорної системи. Однак при шинній структурі зв'язків вся інформація передається лініями зв'язку послідовно в часі, по черзі, що знижує швидкодію системи в порівнянні з класичною структурою зв'язків.
Велика перевага шинної структури зв'язків полягає в тому, що всі пристрої, підключені до шини, повинні приймати та передавати інформацію за одними і тими самими правилами (протоколами обмінуінформацією по шині). Відповідно, всі вузли, відповідальні за обмін із шиною у цих пристроях, мають бути однакові, уніфіковані.
Істотний недолік шинної структури пов'язаний з тим, що всі пристрої підключаються до кожної лінії зв'язку паралельно. Тому будь-яка несправність будь-якого пристрою може вивести з ладу всю систему, якщо вона псує лінію зв'язку. З цієї ж причини налагодження системи з шинною структурою зв'язків досить складне і зазвичай потребує спеціального обладнання.
У системах з шинною структурою зв'язків застосовують усі три існуючі різновиди вихіднихкаскадів цифрових мікросхем:стандартний вихід або вихід з двома станами (позначається 2С, 2S, рідше ТТЛ, TTL);вихід з відкритим колектором (позначається ОК, OC), вихід з трьома станами або (що те саме) з можливістю відключення (позначається 3С,3S).
Типова структура мікропроцесорної системи наведена малюнку.
Мал. Структура мікропроцесорної системи
Вона включає три основні типи пристроїв:
пам'ять, що включає оперативну пам'ять (ОЗУ, RAM - Random Access Memory) і постійну пам'ять (ПЗУ, ROM-Read Only Memory), яка служить для зберігання даних та програм;
пристрої вводу/виводу(УВВ, I/O - Input/Output Devices), службовці для зв'язку мікропроцесорної системи із зовнішніми пристроями, для прийому (введення, читання, Read) вхідних сигналів та видачі (виводу, запису, Write) вихідних сигналів.
Усі пристрої мікропроцесорної системи поєднуються загальною системною шиною (магістраль). Системна магістраль включає чотири основні шини нижнього рівня:
шина даних (Data Bus);
шина керування (Control Bus);
шина живлення (Power Bus).
Шина даних- це основна шина, яка використовується для передачі інформаційних кодів між усіма пристроями мікропроцесорної системи. Зазвичай у пересиланні інформації бере участь процесор, який передає код даних в якийсь пристрій або в комірку пам'яті або приймає код даних з якогось пристрою або з комірки пам'яті. Але можлива також передача інформації між пристроями без участі процесора. Шина даних завжди двоспрямована.
Шина живленняпризначена не для пересилання інформаційних сигналів, а для живлення системи. Вона складається з ліній живлення та загального дроту. У мікропроцесорній системі може бути одне джерело живлення (частіше +5 В) або кілька джерел живлення (зазвичай ще -5, +12 і -12 В). Кожній напрузі живлення відповідає своя лінія зв'язку. Усі пристрої підключені до цих ліній паралельно.
Таким чином, у мікропроцесорній системі всі інформаційні коди та коди команд передаються по шинах послідовно, по черзі. Це визначає порівняно невисоку швидкодію мікропроцесорної системи. Воно обмежене зазвичай навіть швидкодія процесора (яке теж дуже важливо) і швидкістю обміну по системної шині (магістралі), саме послідовним характером передачі з системної шині (магістралі).
Важливо враховувати, що пристрої введення/виводу найчастіше являють собою пристрої на "жорсткійлогіці". На них може бути покладена частина функцій, що виконуються мікропроцесорною системою. Тому у розробника завжди є можливість перерозподіляти функції системи між апаратною та програмною реалізаціями оптимальним чином. Апаратна реалізація прискорює виконання функції, але має недостатню гнучкість. Програмна реалізація значноповільніше, але забезпечує високу гнучкість. Апаратна реалізація функцій збільшує вартість системи та її енергоспоживання, програмна не збільшує. Найчастіше застосовуєтьсякомбінування апаратних та програмних функцій.
Іноді пристрої вводу/виводу мають у своєму складі процесор, тобто є невеликою спеціалізованою мікропроцесорною системою. Це дозволяє перекласти частину програмних функцій на пристрої вводу/виводу, розвантаживши центральний процесор системи.