Процессор и цифровые шины

Тема 12. Типовая схема микропроцессорной системы.

Структурная схема типичной микропроцессорной системы

Основным действующим элементом современной микропроцессор­ной системы является микроконтроллер.Однако для того, чтобы понять основополагающие принципы работы, сначала все же необходимо оста­новиться на микропроцессоре.Сразу нужно сказать, что микропроцес­сор не работает сам по себе. Микропроцессор — это всего лишь часть той или иной микропроцессорной системы.

Кроме собственно микропроцессора, в состав микропроцессорной системы входят и другие, не менее важные элементы. На рис. 2.1 приведена обобщенная структурная схема типичной микропроцессорной системы. Рассмотрим детально, как она устроена. Как вы видите, названия всех эле­ментов системы даны как в русском, так и в английском варианте.

Русские названия когда-то пытались внедрить в практику в бывшем СССР. Поэтому и сейчас они иногда встречаются в литературе. Однако в настоящее время более широкое распространение получили английские, а точнее — международные наименования. Каждое наименование как в рус­ском, так и в английском варианте представляет собой определенное сокра­щение полного названия элемента. Ниже приведена их расшифровка.

♦ CPU (Central Processing Unit) — центральное процессорное устрой­ство (ЦПУ).

♦ RAM(Random Access Memory) — устройство с произвольным до­ступом, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

♦ ROM(Read Only Memory) — память только для чтения, или посто­янное запоминающее устройство (ПЗУ).

♦ Port I/O(Port Input/Output) — порт ввода-вывода.

Теперь рассмотрим все эти элементы подробнее. Замечу только, что процессор не всегда был Микропроцессором. Были времена, когда процессор представлял собой одну или даже несколько электронных плат, набитых радиоэлементами.

Виды памяти

Два вида памяти (ОЗУ и ПЗУ) предназначены для хранения информа­ции (данных и программ). Оба вида памяти представляют собой набор ячеек,в каждой из которых может храниться одно двоичное число. Деление на постоянную и оперативную память достаточно условно. С точки зрения процессора, оба эти вида памяти практически идентичны. Однако все же между ними есть одно довольно существенное различие.

После того, как информация записана в ОЗУ, она хранится там лишь до тех пор, пока подано напряжение питания. Как только питание будет отключено, информация, записанная в ОЗУ, тут же теряется. Об этом мы уже говорили выше. Классический пример ячейки ОЗУ — это простей­ший регистр, построенный на D-триггерах.

В такой регистр можно записывать информацию и читать ее оттуда. Однако если отключить, а затем включить питание, то все триггеры, из которых состоят регистры ОЗУ, установятся в случайное состояние. Информация будет утеряна. Современные микросхемы памяти стро­ятся на основе совсем других технологий. Но и по сей день не придумано достаточно быстродействующее устройство памяти, не теряющее инфор­мации при выключении питания.

Самая распространенная на сегодняшний день технология построе­ния ОЗУ — это так называемая динамическая память.Хранение инфор­мации в микросхемах динамической памяти осуществляется при помощи динамически подзаряжаемых миниатюрных емкостей (конденсаторов), выполненных интегральным способом на кристалле кремния.

Каждый конденсатор хранит один бит информации. Если значение бита должно быть равно единице, то схема управления заряжает кон­денсатор. Если в ячейке должен быть логический ноль, то конденсатор разряжается. Заряженный конденсатор может хранить свой заряд, а, значит, и записанную в него информацию в течение всего нескольких миллисекунд. Для того, что бы информация не потерялась, используют регенерацию памяти.

Специальная схема периодически считывает содержимое каждой ячейки памяти и подзаряжает конденсаторы для тех битов, где записана единица. Для ускорения процесса регенерации все ячейки памяти каждой микросхемы разбиваются на строки. Считывание и обновление произво­дится сразу для целой строки. Для нормальной работы динамического ОЗУ регенерации должна непрерывно работать в течение всего времени, пока включено питание. В современных ОЗУ схема регенерации встраи­вается внутрь самих микросхем.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) предназначено для долговременного хранения информации и не теряет записанную инфор­мацию даже после выключения питания. При изготовлении микросхем ПЗУ применяются совершенно другие технологии. На заре микропро­цессорной техники микросхемы ПЗУ осуществляли хранение информа­ции благодаря прожиганию внутренних микроперемычек на кристалле. Занесенная таким образом информация не могла быть изменена. Если информация устаревала, микросхему просто выбрасывали и заменяли на другую.

На смену однократно программируемым ПЗУ пришли ПЗУ с ультра­фиолетовым стиранием. Такие микросхемы ПЗУ допускали многократ­ное использование. Пережигаемые перемычки получили возможность восстанавливаться. Перед повторным использованием микросхему нужно было «стереть». То есть восстановить перемычки. Для этого кри­сталл микросхем подвергался облучению световым потоком ультрафио­летового диапазона, для чего микросхемы снабжались специальным око­шечком в верхней части корпуса.

Количество циклов записи-стирания для таких микросхем было ограничено. Микросхемы с ультрафиолетовым стиранием просуще­ствовали достаточно долго. Они и сейчас работают во множестве микропроцессорных устройств, изготовленных на рубеже прошлого и нынешнего веков.

Современные же микросхемы ПЗУ строятся по так называемой флэш-технологии (Flash). Такие микросхемы также основаны на применении специальных пережигаемых перемычек с возможностью восстановления. Но стирание информации в данном случае происходит электрическим путем. Поэтому такие микросхемы еще называют ЭСПЗУ (электрически стираемые ПЗУ). Весь процесс стирания осуществляется внутри микро­схемы. Для запуска процесса стирания достаточно подать определенную комбинацию сигналов на ее входы.

Будучи включенными в состав микропроцессорной системы, микро­схемы ОЗУ и микросхемы ПЗУ работают как единая память программ и данных. Хотя процессор и работает с обоими видами памяти одинаково, но из ПЗУ он может только читать информацию. Запись информации в ПЗУ невозможна. Если микропроцессор все же попытается произвести запись, то ничего страшного не произойдет. Просто в ячейке останется то, что там было до попытки записи.

Порты ввода-вывода

Это полезно запомнить. Порты ввода-вывода — это специальные устройства, при помощи которых микропроцессорная система может общаться с внешним миром.

Без портов теряется весь смысл микропроцессорной системы. Она не может работать сама по себе. Микропроцессор должен чем-то управлять, а иначе зачем он? Через порты ввода процессор получает внешние воз­действия (управляющие сигналы). Например, сигналы от кнопок, датчи­ков. При помощи портов вывода процессор управляет внешними устрой­ствами (реле, моторами, световыми индикаторами, дисплеями).

Процессор работает с портами ввода-вывода практически так же, как и с ячейками памяти. Работа с портами сводится к тому, что процессор просто читает число из порта ввода или записывает число в порт вывода. В качестве порта вывода чаще всего выступает обыкновенный парал­лельный регистр. Порт ввода еще проще. Это простая ключевая схема, которая по команде с центрального процессора подает внешние данные на его входы.

Процессор и цифровые шины

Главным управляющим элементом всей микропроцессорной системы является процессор. Именно он, за исключением нескольких особых случаев, управляет и памятью, и портами ввода-вывода. Память и порты ввода-вывода являются пассивными устройствами и могут только отве­чать на управляющие воздействия.

Для того, чтобы процессор мог управлять микропроцессорной систе­мой, он соединен со всеми ее элементами при помощи цифровых шин. Как мы уже говорили, шина — это набор параллельных проводников, по которым передается цифровой сигнал. Эти проводники называются линиями шины.

В каждый момент времени по шине передается одно двоичное число. По каждой линии передается один разряд этого числа. В любой микро­процессорной системе имеется, по крайней мере, три основные шины. Все они изображены на рис. 2.1, но даны только русскоязычные названия шин.

Ниже приведена расшифровка этих названий и их англоязычный эквивалент:

♦ ШД — шина данных (DATA bus);

♦ ША — шина адреса (ADDR bus);

♦ ШУ — шина управления (CONTROL bus).

Все вместе эти три шины образуют системную шину. Рассмотрим под­робнее назначение каждой шины.

Шина данных

Шина данных предназначена для передачи данных от микропроцес­сора к периферийным устройствам, а также в обратном направлении. Разрядность шины данных определяется типом применяемого процес­сора. В простых микропроцессорах шина данных обычно имеет 8 раз­рядов. Современные процессоры могут иметь шину данных в 16, 32, 64 разрядов. Количество разрядов всегда кратно восьми.

Это полезно запомнить.Двоичное число, имеющее восемь разрядов, называется байтом.

В вычислительной технике байт, по сути, стал минимальной (после бита) единицей информации. Шестнадцатиразрядная шина данных может за раз передавать до двух байтов. 32-разрядная шина передает до четырех байт. 64-разрядная — до восьми. Какой бы ни была разрядность шины, она всегда имеет возможность при необходимости передать всего один байт. И это не случайно. Любой процессор должен иметь возмож­ность записать информацию в одну отдельную ячейку памяти или в один отдельный порт ввода-вывода. А также прочитать информацию из одной ячейки или одного порта.

Шина адреса

Как и шина данных, шина адреса представляет собой набор прово­дников, по которым происходит передача двоичных чисел в электронной форме. Однако, в отличие от шины данных, двоичные числа, пере­даваемые по шине адреса, имеют другой смысл и назначение. Они пред­ставляют собой адрес ячейки памяти или номер порта ввода/вывода, к которому в данный момент обращается процессор. Количество разрядов адресной шины отличается большим разнообразием.

Пример.Микропроцессор серии К580ИК80 имеет 16 разрядов адреса. Это можно считать минимальным количеством для микропроцессора. Процессор Intel 8086, на котором собран компьютер IBM PC-XT, родо­начальник всех PC-совместимых персональных компьютеров, имеет 20 разрядов шины адреса. Современные процессоры имеют до 32 раз­рядов и больше.

От количества разрядов шины адреса зависит то, какое количество ячеек памяти может адресовать процессор. Процессор, имеющий шест­надцатиразрядную шину данных, может обращаться к 2¹⁶ (то есть к 65536) ячейкам памяти. Это число называется объемом адресуемой памяти.

Реальный объем подключенной памяти может быть меньше, но никак не больше этой величины. Если все же есть необходимость в подключе­нии большего объема памяти, применяют специальные схемные ухищре­ния (переключаемые банки памяти). В каждый момент времени к микро­процессору подключается свой банк памяти. Переключением банков управляет сам микропроцессор.

Объем памяти определяется в байтах.Сколько ячеек памяти, столько и байт. Существует понятие килобайт, мегабайт, гигабайт, терабайт и т. д. Однако в вычислительной технике используется необычный способ под­счета количества байт в килобайте.

Внимание.

Один килобайт в вычислительной технике не равен 1000 байтов, как этого можно было бы ожидать. Число 1000 не является круглым числом в двоичной системе. В двоичной системе круглыми чис­лами удобнее считать степени числа 2. Например, 4, 8, 16, 32, 64 и т. д. Ближайшей степенью двойки для числа 1000 будет 2¹⁰, то есть число 1024. Поэтому 1 килобайт равен 1024 байтам. Точно так же 1 мегабайт равен 1024 килобайтам. А один гигабайт равен 1024 мегабайтам.

Такой способ подсчета может показаться странным. Но это только на первый взгляд. На самом деле тут действуют те же закономерности, что и в случае с дешифратором. Вспомните полный и неполный дешифраторы.Для того, чтобы это было более понятно, приведу один небольшой пример.

Пример.

Для адресации 1024 ячеек памяти нужна шина адреса, имеющая ровно 10 разрядов. То есть к адресной шине в 10 разрядов максимально можно подключить 1024 ячейки памяти. Если бы мы подключили 1000 ячеек, то нам все равно пришлось бы использовать 10 разрядов адреса, которые, в этом случае, использовались бы не полностью. Поэтому вы никогда не встретите микросхему памяти, имеющую 1000 ячеек. Именно по этой причине реальный объем памяти любой микропроцессорной системы, даже если она меньше максимально возможной для данной разрядно­сти шины адреса, всегда будет кратным степени двойки.

Для адресации портов ввода-вывода используется та же самая шина адреса. Но микропроцессору обычно не требуется так много портов, как ячеек памяти. Поэтому чаще всего для адресации портов используется не вся шина данных, а только несколько его младших разрядов. Например,в микропроцессоре К580ИК80 для адресации портов используется только 8 младших разрядов шины адреса.

Шина управления

Шина управленияв строгом понимании не является цельной циф­ровой шиной. Просто для управления процессами обмена информации микропроцессорная система должна иметь некий набор линий,передаю­щих специальные управляющие сигналы. Эти линии и принято объеди­нять в так называемую шину управления. Что же это за линии и что за сигналы? Ниже приведен примерный набор линий шины управления.

♦ RD (Read) — сигнал чтения.

♦ WR (Write) — сигнал записи.

♦ MREQ— сигнал инициализации устройств памяти (ОЗУ или ПЗУ).

♦ IORQ— сигнал инициализации портов ввода-вывода. Кроме того, к сигналам шины управления относятся:

♦ READY— сигнал готовности;

♦ RESET— сигнал сброса.

И еще несколько специальных сигналов, о которых мы поговорим позже