Шинна структура зв’язків
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. Розглянемо спочатку класичну чи радіальну структуру зв'язків.
Мал. 1.7. Класична структура зв'язків.
При класичній структурі зв'язків (рис. 1.7) 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.
При шинної структурі зв'язків (рис. 1.8) всі сигнали між пристроями передаються по одним і тим самим лініям 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).
Зрозуміло, що 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
Мал. 1.8. Шинна структура зв'язків.
Велика перевага шинної структури зв'язків полягає в тому, що всіпристрої, підключені до шини, повинні приймати та передавати інформацію за тими самими правилами (протоколам обміну інформацією 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 вихідних каскадів цифрових мікросхем:
• стандартний вихід або вихід із двома станами (позначається 2С, 2S, рідше ТТЛ, TTL);
• вихід із відкритим колектором (позначається ОК, ОС);
• вихід з трьома станами або (що теж саме) з можливістю відключення (позначається ЗС, 3S).
Спрощено ці три типи вихідних каскадів можуть бути представлені у вигляді схем на рис. 1.9.
У виходу 2С два ключі замикаються по черзі, що відповідає рівням логічної одиниці (верхній ключ замкнутий) та логічного нуля (нижній ключ замкнутий). У виходу ОК замкнутий ключ формує рівень логічного нуля, розімкнений - логічної одиниці. У виходу ЗС ключі можуть замикатися по черзі (як у випадку 2С), а можуть розмикатися одночасно, утворюючи третій, високоімпедансний стан. Перехід до третього стану (Z-стан) управляється сигналом на спеціальному вході EZ.
Мал. 1.9. Три типи виходів цифрових мікросхем.
| Мал. 1.10. Мультиплексовані лінії. |
Вихідні каскади типів ЗС і ОК дозволяють об'єднувати кілька виходів мікросхем отримання мультиплексованих (рис. 1.10) чи двунаправленных (рис. 1.11) ліній.
Мал. 1.11. Двонаправлена лінія.
При цьому у разі виходів ЗС необхідно забезпечити, щоб на лінії завжди працював лише один активний вихід, а всі інші виходи перебували б у цей час у третьому стані, інакше можливі конфлікти. Об'єднані виходи ОК можуть працювати все одночасно, без жодних конфліктів.
Типова структура мікропроцесорної системи наведено на рис. 1.12. Вона включає три основні типи пристроїв:
• пам'ять, що включає оперативну пам'ять (ОЗУ, RAM - Random Access Memory) та постійну пам'ять (ПЗУ, ROM -Read Only Memory), яка служить для зберігання даних та програм;
• пристрої вводу/виводу (УВВ, I/O — Input/Output Devices), що служать для зв'язку мікропроцесорної системи із зовнішніми пристроями ми, для прийому (введення, читання, Read) вхідних сигналів та видачі (ви вода) , запис, Write) вихідних сигналів.
Мал. 1.12. Структура мікропроцесорної системи.
Усі пристрої мікропроцесорної системи об'єднуються загальною системною шиною (вона називається ще системною магістраллю чи каналом). 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 жприймає код даних із якогось пристрою або з комірки пам'яті. Але можлива також передача інформації між пристроями без участі процесора. Шина даних завжди двоспрямована.
Нарешті,шина живлення призначена задля пересилання інформаційних сигналів, а 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). 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. Его визначає порівняно невисоку швидкодію мікропроцесорної системи. Воно обмежене звичайно навіть не швидкодією процесора (яке теж дуже важливо) і не швидкістю обміну системним типом (магістралі), а саме послідовним характером передачі інформації по системній шині (магістралі).
Важливо враховувати, що пристрої введення/виводу найчастіше є пристроями на «жорсткій логіці». Там може бути покладено частина функцій, виконуваних мікропроцесорної 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 значно повільніша, але забезпечує високу гнучкість. Апаратна реалізація функцій збільшує вартість системи та її енергоспоживання, програмна не збільшує. Найчастіше застосовується комбінування апаратних та програмних функцій.
Іноді пристрої вводу/виводу маютьсвоєму складі процесор, тобто є невеликою спеціалізованою мікропроцесорною системою. Це дозволяє перекласти частину програмних функцій на пристрої введення/виведення, розвантаживши центральний процесор системи.