Интерфейс микропроцессоров

2. Интерфейс микропроцессоров

Для включения микропроцессора в любую микропроцессорную систему необходимо установить единые принципы и средства его сопряжения с остальными устройствами системы, т.е. унифицированный интерфейс.

Унифицированный интерфейс – совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия устройств микропроцессорной системы. В состав интерфейса входят аппаратурные средства соединения устройств (разъем и связи), номенклатура и характер связей, программные средства, описывающие характер сигналов интерфейса и их временную диаграмму, а также описание электрофизических параметров сигналов.

 

Рис.4 Схема интерфейсных связей микропроцессора

На рис.4 представлена общая схема взаимодействия микропроцессора МП с устройствами ввода – вывода УВВ и ОЗУ в микропроцессорной системе. Связь МП с УВВ требует пяти групп связи, обеспечиваемых через выводы корпуса. По группе шин 1 передается код выбора (адреса) устройства, по шине 2 – сигнал управления считыванием – записью, по шине 3 – сигнал запроса на прерывания, шины 4 и 5 используются для передачи данных от процессора к УВВ и от УВВ к МП. Связь МП с ОЗУ также содержит пять групп связей, которые необходимо обеспечить через выводы корпуса МП. По группе шин 6 передается адрес в ОЗУ, шина 7 нужна для управления чтением/записью, по сигналам на шине 8 принимаются команды в процессор, а шины 9 и 10 обеспечивают передачу данных из ОЗУ в МП и обратно.

Информационные магистрали

При проектировании БИС и устройств на их основе необходимо принимать во внимание сложность выполнения разветвленных связей между различными узлами (блоками) и устройствами. Поэтому практически реализованы и получили широкое распространение магистральные структуры связей, к которым подключены входы и выходы электронных узлов (блоков). Информационная магистраль (МИ) представляет собой совокупность проводников (шин) или кабелей, физические свойства которых обеспечивают передачу высокочастотных информационных сигналов. Электронные узлы (блоки), подключаемые к информационной магистрали, должны обладать определенными свойствами, иначе возможно образование короткозамкнутых связей и низкоомных нагрузок.

Рис.5 Схема магистральных связей трех регистров данных

Рассмотрим пример передачи данных в системе трех 4-разрядных синхронизируемых регистров с информационными магистральными связями, позволяющий определить общие закономерности построения подобных структур (рис.5).

Входные сигналы записи данных А0-А3 передаются в регистр и вызывают срабатывание триггеров только на переднем фронте сигнала синхронизации при наличии управляющего сигнала “Разрешение записи” РЗn. Если сигнал РЗn=0, то сигналы входных данных не проходят на входы триггеров и поэтому не могут изменить состояние регистра. Входные сопротивления для информационных входов Ai при этом становятся достаточно большими, их параллельное подключение к шинам магистрали данных не ведет к каким-либо проблемам.

Выходные информационные сигналы Q0-Q3 в рассматриваемых схемах формируются с помощью управляемых трехуровневых каскадов, вырабатывающих выходные сигналы логических состояний “0”, “1” и “Выключено”. Управление выходными каскадами триггеров регистра осуществляется сигналом “Разрешение выдачи” РВ. При запрете выдачи выходных состояний (РВ=0) выходные каскады переводятся в режим с высоким выходным сопротивлением. Поэтому параллельное подключение выходных выводов регистров к шинам информационной магистрали также не порождает проблем.

Сброс триггеров регистров происходит импульсом синхронизации при подаче сигнала “Разрешение установки 0” (РУ “0”).

В рассматриваемой схеме разрешена только лишь последовательная передача информационных сигналов. Поэтому, несмотря на то, что все входы регистров подключены к шинам магистрали и проходящие по магистрали сигналы поступают на входные каскады всех регистров, запись осуществляется только в один регистр управляющим сигналом РЗn=1 (принципиальных ограничений на одновременную запись одной и той же информации в несколько регистров нет). Однозначность информационных сигналов на магистрали при выдаче информации из регистров обеспечивается подачей только одного управляющего сигнала РВ=1.

Управляющие сигналы РВ=0 других регистров обеспечивают эффективную электрическую изоляцию их выходных каскадов от шин информационных магистралей.

Операция передачи данных “регистр-регистр” осуществляется следующим образом. Рассмотрим таблицу истинности (табл.1) регистров с трехуровневыми выходными состояниями.

Таблица 1

РЗn	РВ	РУ “0”	Выходное состояние
ø 1 0 ø	1 1 1 0	1 0 0 ø	Q0=Q1=Q2=0 Qi=Ai (на заднем фронте С) Режим хранения (сигналы С не действуют) “Отключено”

Примечание: Знаком ø отмечены сигналы, которые могут принимать значения либо “0”, либо “1” и не влияют на выполнение тех функций регистром, которые определены другими управляющими сигналами.

Используя таблицу истинности, определим условия передачи состояния регистра данных РгД1 в регистр данных РгД3 (в условной записи [РгД1 → РгД3]):

После установки уровней управляющих сигналов передача информационного состояния происходит по импульсу синхронизации.

При увеличении числа регистров (или иных электронных блоков), подключенных к магистрали, правильность работы схемы не нарушается, если соблюдены правила проектирования регистров и схем управления ими.

Единая информационная магистраль микропроцессорной системы связывает между собой все устройства и функционально состоит из информационных магистралей, адресов, данных и сигналов управления.

Магистраль адресов

В простой микропроцессорной системе только микропроцессор может вырабатывать адреса передаваемой в системе информации. Поэтому магистраль адресов (МА) – однонаправленная: микропроцессор генерирует сигналы кода адреса, а остальные устройства, подключенные к МА, только могут воспринимать их, выполняя непрерывно микрооперацию опознания кода адреса.

Количество шин магистрали адресов совпадает с разрядностью передаваемого кода адреса. Если используется 16-разрядный код, то в системе разрешается выработка =65536 адресов. Они могут все относиться к адресам ячеек памяти или к адресам ячеек памяти и адресам регистров данных устройств ввода-вывода.

Магистраль данных

Микропроцессор, а также ОЗУ, ВЗУ, дисплеи могут воспринимать или передавать данные. Другие устройства могут либо только принимать данные, например устройство печати, либо только выдавать их, например ПЗУ.

Чтобы обеспечить все возможности системы, магистраль данных является двунаправленной. Ее разрядность определяется разрядностью микропроцессора и равна 2, 4, 8, 16 и 32 бит. Если в микропроцессоре обрабатываются данные по программам двойной разрядности, то двойное слово пересылается за два цикла, т.е. имеет место временное мультиплексирование (оно также применялось в нескольких первых микропроцессорах, когда использовалась общая магистраль адресов и данных).

Магистраль управления

Микропроцессор и некоторые шины устройств ввода-вывода генерируют управляющие сигналы, предназначенные для синхронизации и определения операций устройств. Эти сигналы передаются по совокупности однонаправленных шин, в целом образующих магистраль сигналов управления (МУ). Все сигналы управления в электронной системе согласованы с системными сигналами синхронизации. Эти сигналы задают начало и последовательность срабатывания, как различных устройств системы, так и различных блоков и узлов внутри всех кристаллов БИС. Для задания главной последовательности синхронизирующих импульсов, как правило, применяется внешний кварц или генератор на его основе. Выдаваемые микропроцессором сигналы синхронизации бывают однофазными, реже двухфазными.

Каждый микропроцессор имеет уникальную систему сигналов управления. Поэтому конкретное описание всех шин МУ, так же как и цоколевки выводов корпуса, дается в технической документации на конкретный микропроцессор. Тем не менее, практически все микропроцессоры имеют общие сигналы. Среди них – сигнал “Сброс” – входной сигнал, вырабатываемый на пульте управления системы. Он приводит к сбросу всех внутренних регистров микропроцессора и загрузке счетчика команд – узла, определяющего последовательность выполнения команд программы, начальным значением адреса, где записана первая команда программы.

Важнейшая управляющая функция микропроцессора – определение потоков данных в системе. Микропроцессор вызывает слова команд из памяти в процессе их чтения, обращается в память за операндами или к внешним устройствам за новыми данными, может записать результат операции в память или, сформировав массив данных, определить необходимость их вывода на внешние устройства. Когда микропроцессор посылает данные какому-то устройству, происходит операция записи данных, а когда получает данные от какого-то устройства, то считывает данные из его информационного регистра и выполняет операцию чтения данных. Чтобы задать направление передачи данных по МД, микропроцессор генерирует сигналы “Чтение/запись”, передаваемые по одной из шин МУ.

Специфика устройств ввода-вывода данных такова, что информация может быть потеряна, если МП своевременно не осуществит операцию с устройством. Поэтому эти устройства генерируют сигналы “Запрос прерывания процессора”, обращающие внимание микропроцессора на состояние готовности (или неисправности). Микропроцессор имеет вход для приема, по крайней мере, одного сигнала “Запрос прерывания процессора”. Если же запрос принимается, то МП информирует систему, вырабатывая ответный сигнал “Запрос прерывания удовлетворен”.

Разная скорость работы устройства ввода-вывода и микропроцессора порождает необходимость приостановки процессора на время подготовки данных во внешнем устройстве. Поэтому режим работы ожидание микропроцессора определяется внешним сигналом “Данные подготовлены (данные не подготовлены)”. Всего в МУ передается до десятка (и более) разнообразных сигналов управления.

Преобразователи интерфейсов

Когда необходимо перейти от одного вида интерфейса к другому, применяют специальные аппаратурные средства в виде преобразователя интерфейсов и интерфейсного контроллера. При построении микропроцессорных систем наиболее часто осуществляются преобразования, связанные с разными форматами электронных сигналов.

Все МП обрабатывают цифровые данные, представленные в параллельной форме. В этом случае разряды слов данных передаются одновременно по информационной магистрали и обрабатываются параллельно во всех разрядах АЛБ микропроцессора, поэтому внутри электронной системы все передачи данных также производятся в параллельном формате. Но в периферийной части электронных систем могут быть разнообразные форматы информационных сигналов, среди которых наиболее важными являются аналоговые и цифровые последовательные

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи в виде БИС решают задачи преобразования аналоговых сигналов в параллельные коды и наоборот. Развитие управляющих средств этих преобразователей позволяет не только существенно упростить их интерфейс с МП, но практически обеспечить прямое соединение без дополнительных аппаратурных средств. Данные в последовательном цифровом формате передаются по одной информационной шине, что существенно снижает количество связей в периферийной части систем, в случаях, когда не требуется осуществлять сопряжение с периферийными быстродействующими устройствами. Эти данные могут прямо вводиться (или выводиться) в МП, для чего необходимо разработать программные модули приема и преобразования форматов данных с соответствующей синхронизацией МП и внешних устройств. Временные затраты и низкая эффективность такого решения могут быть преодолены переходом к аппаратурной реализации системы ввода-вывода данных на основе использования специальных БИС контроллеров – преобразователей форматов данных, которые получили название универсальных асинхронных приемников-передатчиков.

Асинхронная передача данных означает, что приемник (например, МП) и передатчик (например, телетайп) осуществляют связь в условиях, когда каждый имеет свою собственную систему синхронизации, поэтому передатчик посылает свои данные в любой момент, не сообразуясь с временным состоянием приемника. В приемнике должны быть предусмотрены средства анализа и вхождения во “временное зацепление”, т.е. средства синхронизации своей работы с работой передатчика.

Формат последовательных информационных сигналов

Последовательные информационные сигналы формируются в виде “1” или “0” уровней тока (напряжения), значения которых сохраняются постоянными в течение периода следования информационных сигналов Тп. Уровень сигнала может изменять свою величину только в начале периода следования информационных сигналов.

До начала подачи цифровой информации в линию связи постоянно поступает сигнал “1” уровня. Если необходимо начать передачу данных, то им всегда предшествует так называемый стартовый бит “0”. Затем следует посылка битов слова данных, например 7-разрядного.

Рис.6 Формат сигналов последовательных данных (А), последовательный байт данных с контролем по нечетности (Б)

Слово данных может сопровождаться контрольным битом, соответствующим четности/нечетности “1” в передаваемом коде. Завершается посылка двумя стоповыми битами, всегда имеющими значение “1”. Внутри слова данных младший значащий разряд передается первым, старший – последним. После выдачи сигналов СТОП передатчик может либо сразу же передавать следующее слово данных, либо сохраняет уровень “1”, соответствующий исправности линии связи и передатчика при отсутствии передаваемых данных. Приемник следит за уровнями сигнала в линии связи, фиксируя переход от “1” к “0” как начало передачи, воспринимает данные следующих семи или восьми интервалов, анализирует наличие СТОП-битов и принимает решение о прекращении или продолжении приема. Следовательно, введение СТАРТ и СТОП в кодовую посылку позволяет осуществить синхронизацию приемника и передатчика и правильно интерпретировать сигналы данных.

На рис.6,А приведен формат последовательных данных, а на рис.6,Б – пример последовательной передачи двух слов данных с контролем на нечетность передаваемых “1” данных.

Схемы и принцип работы контроллера последовательно-параллельного интерфейса

Чтобы облегчить построение схем сопряжения внешних устройств с последовательным форматом выходных сигналов при создании микропроцессорных систем, в состав комплектов микропроцессорных БИС включается БИС контроллера последовательно-параллельного интерфейса. Такие контроллеры интерфейса имеют различную сложность, свои специфические особенности, но функции, выполняемые ими, практически одинаковы и соответствуют смысловому названию БИС универсальных асинхронных приемников-передатчиков (УАПП) или асинхронных интерфейсных адаптеров связи (АСИА).

Рис.7 Функциональная структура асинхронного приемопередатчика

Рассмотрим особенности функционального построения и режим работы типового БИС УАПП (рис.7). В структуре БИС УАПП содержатся следующие основные электронные блоки: приемник последовательных сигналов, выполняющий преобразование данных последовательного формата в параллельный код; передатчик сигналов, осуществляющий преобразование параллельного кода в последовательный формат; блок центрального управления, блок буферного хранения данных и блок связи с информационной магистралью микропроцессора, блок системного управления.

Как и любой другой компонент электронной информационно-управляющей системы, БИС УАПП имеет адресное программное управление. УАПП по командам МП может выполнять четыре операции, для задания которых достаточно выдавать коды двух адресов и управляющий сигнал на магистрали управления “Чтение/запись” (Чт/Зп).

Рассмотрим выполнение команд УАПП.

1. Записать слово в передающий регистр данных. По этой команде слово данных из аккумулятора МП передается в передающий регистр данных (РгД) передатчика через буферный регистр данных (БРгД). Затем это слово данных передается в сдвигающий регистр данных передатчика и выдается в последовательном формате в интерфейс соответствующего внешнего устройства.

2. Считать слово из приемного регистра данных. При выполнении этой команды в аккумулятор МП передается слово данных, образованное в результате параллельной передачи из сдвигающего регистра приемника после окончания приема одного слова данных в последовательном формате.

3. Записать код управляющего слова в регистр сигналов управления. Блок центрального управления преобразует сигналы триггеров регистра управления (РгУ) (обычно восьмиразрядного) в сигналы управления различными блоками. Микропроцессор передает в БЦУ информацию о внешнем источнике синхронизации, формате последовательного кода и направлении передачи. В коде управления форматом задается число разрядов данных (обычно до восьми), число СТОП битов и признаки четности. Этой информации достаточно для программирования работы УАПП по передаче данных.

4. Считать информацию состояния. При осуществлении операции ввода данных МП может осуществлять считывание, ввод и анализ статусной информации УАПП, которая хранится в регистре состояния (РгС) (обычно восьмиразрядный).

Рассмотрим режим взаимодействия МП и УАПП при вводе последовательных данных от внешнего устройства (ВУ). В программе работы МП должен быть предусмотрен процесс инициализации УАПП, который осуществляется засылкой управляющей информации в РгУ по команде 3. В составе этой управляющей информации имеются сигналы “Разрешение прерывания” (РПр) и “Готовность слова данных” (ГСД). Получив управляющую информацию, УАПП начинает анализ слова данных на входе и их ввод при наличии сигнала СТАРТ в коде слова данных. Когда в приемный РгД передается полное слово данных, то в триггере готовности слова данных устанавливается уровень “1”. Установка этого триггера является основанием для генерации сигнала запроса прерывания МП, если ранее от МП в составе управляющего слова поступил сигнал уровня “1”. На разрешение передачи слова микропроцессор вырабатывает сигнал “Запрос прерывания удовлетворен” и осуществляет переход на выполнение программы прерывания по вводу данных.

В программе прерывания, прежде всего, осуществляются сохранение информационного содержания внутренних регистров МП и блокировка других сигналов прерывания на входе блока прерывания МП. Затем выполняется команда 4 и следует анализ тех битов информации состояния, которые связаны с контролем правильности выполнения операции приема данных, т.е. проверяется нарушение четности, переполнение или определяются ошибки форматирования. Если произошла ошибка, то совершается переход к подпрограмме анализа причин ошибок. Если ошибок нет, то выполняется команда 2, и принятые данные передаются в аккумулятор или какой-либо регистр МП. Затем МП снимает блокировку сигналов блока прерывания, восстанавливает состояние прерванной программы и продолжает ее выполнение до получения следующего сигнала запроса прерывания.

Прием-передача последовательных информационных сигналов

Для ввода данных МП через буферный регистр данных передается слово в передающий РгД. Узел управления передачей (УУПд) осуществляет параллельную передачу слова из передающего регистра в сдвигающий передающий регистр (СПР). Здесь слова данных дополняются стартовым битом, битом четности и необходимым числом СТОП-битов. Наличие 8-разрядов данных в аппаратурных ресурсах УАПП позволяет применять различные методы кодирования данных 5-, 7- и 8-разрядными кодами. Затем слово данных, сформированное в СПР, под действием импульсов синхронизации сдвигается, и электрические сигналы в виде токовых посылок поступают в линию связи. Таким образом, формируется последовательный информационный формат пересылаемых данных.

При приеме данных последовательные кодовые сигналы принимаются в сдвигающий приемный регистр (СПрР). Затем информационные разряды данных параллельно передаются в приемный регистр данных УАПП.

Как уже отмечалось, МП при взаимодействии с УАПП выполняет четыре основные операции, которые аналогичны чтению и записи данных, осуществляемых в определенных регистрах УАПП. Один и тот же адрес используется для операций с регистрами состояния и управления, поскольку сигнал на шине Чт/Зп магистрали управления точно дополняет адрес кода команды. Аналогично, оказывается достаточно только одного кода адреса для операций с приемным и передающим регистрами данных РгД.

Если формат последовательных сигналов данных может быть реализован рассмотренными средствами приемника и передатчика, то УАПП используют для работы с любыми внешними устройствами последовательного действия без необходимости применения новых команд или каких-либо дополнительных аппаратурных средств.

Для настройки аппаратурных интерфейсов средств УАПП на определенные функции приема-передачи данных необходимо выполнить его программную инициализацию. Рассмотрим функции, определяемые каждым битом типичного управляющего слова.

Бит “Разрешение прерывания при приеме” управляет вместе с битом “Готовность слова данных” регистра состояния УАПП выработкой сигнала запроса прерывания работы МП при приеме данных.

Бит “Разрешение прерывания при передаче данных” управляет вместе с битом “Окончание передачи слова данных” регистра статуса выработкой сигнала запроса прерывания работы МП при передаче данных.

Несколько битов управляющего регистра используются для кодирования разрядности слов (7 или 8 бит), четности/нечетности или отсутствия контроля, количества СТОП-битов (1 или 2).

Два бита кода управляющего слова достаточно для задания сигналов сброса управляющих цепей УАПП и определения коэффициента деления частоты синхроимпульсов при приеме данных. Отметим, что инициализации УАПП предшествует сброс управляющих цепей посылкой кода управляющего слова, в котором заданы условия обнуления (установкой соответствующих управляющих битов в уровень “1”).

Коэффициент деления частоты синхроимпульсов отражает принятую схему выделения принимаемых информационных сигналов. Как уже было показано, начальная синхронизация вызывается СТАРТ-битом, сообщающим приемнику, что далее следуют, биты данных, четности, СТОП.

Чтобы облегчить синхронизацию работы внешних устройств, в УАПП используется в 16 или 64 раза более высокая частота, чем скорость передачи данных, определяемая соотношением 1/Тп. Следовательно, один период следования синхроимпульсов, передаваемых в УАПП, должен быть равен 1/16 Тп или 1/64 Тп. Поэтому после обнаружения перехода “1” или “0”, вызываемого СТАРТ-битом, с помощью средств УАПП можно подтвердить этот переход через 8 (или 32) периодов (т.е. приблизительно в середине периода Тп) и установить, что именно СТАРТ-бит имеет место, а не случайная помеха. Аналогичным образом осуществляется стробированием всех остальных информационных переходов внутри периода следования последовательных сигналов, что увеличивает вероятность правильного выделения информационных сигналов на уровне помех.

Узлы управления приемом и передачей данных (УУПд и УУПр) ведут анализ поступаемых и передаваемых сигналов. В случае отклонения от заданного режима эти блоки управления формируют уровень “1” соответствующих битов в регистре состояния.

Регистр состояния фиксирует следующие важные сигналы состояния. Бит “Запрос прерывания” всегда находится в состоянии, соответствующем сигналу “Запрос прерывания работы МП” УАПП. Этот бит сбрасывается в состояние “0”, когда МП выполняет команды чтения или записи данных в приемных – передающих регистрах УАПП. Установка бита “Запрос прерывания” в регистре состояния УАПП позволяет МП выделить только один УАПП, выставивший запрос прерывания, из нескольких УАПП, работающих параллельно в системе. Микропроцессор по своим внутренним программам может осуществить последовательное считывание и анализ данного бита в кодах состояний всех подключенных УАПП и выделить активный интерфейсный контроллер, т.е. сформировавшийся сигнал запроса прерывания.

Бит “Контроль четности” соответствует состоянию четности битов данных, если четность включена в формат и задана в управляющем слове. При нарушении четности данный бит регистра состояния устанавливается в значение “1”, что позволяет обратить внимание МП на нарушение установленного режима работы.

Как только завершается прием последовательного слова с приемного сдвигающего регистра, УУПр выполняет анализ количества СТОП-битов. При обнаружении каких-либо отклонений генерируется сигнал “Ошибка форматирования” путем установки соответствующего бита регистра в состояние “1”.

При приеме данных УАПП сформированные слова передаются из сдвигающего регистра в приемный РгД, а из него в МП. Если после приема одного слова не поступил запрос на его передачу в МП, то другое последовательное слово, сформированное в сдвигающем регистре, не может быть передано в приемный РгД. Поскольку приемный РгД заполнен, передача в него второго слова затрет первое. При этом теряется слово данных и нарушается правильная работа системы. Поэтому обнаружение факта приема следующего слова до передачи в МП предыдущего ведет к установке РгС в “1” бита “Ошибка переполнения”. Этот сигнал сообщает МП о том, что произошла потеря слова в процессе передачи последовательного массива данных.

Бит “Приемный регистр данных заполнен” свидетельствует о готовности слова данных к передаче в МП.

Бит “Передающий регистр данных освобожден” устанавливается в состояние “1” после передачи содержимого передающего регистра данных в сдвигающий регистр данных передатчика. Этот сигнал регистра состояния указывает микропроцессору те моменты, в которые может быть осуществлена передача очередного слова данных из МП и УАПП.

В составе регистра состояния УАПП могут быть также триггеры, устанавливаемые сигналами состояния модемов. Модемы – электронные блоки связи МП с дистанционно отдаленными внешними устройствами по телефонной линии связи. Они преобразуют цифровую информацию в аналоговую, предназначенную для распространения по телефонным линиям связи. Модемы ставятся на обоих концах линии связи для осуществления процессов модуляции и демодуляции цифровой информации.

Большая степень автономности работы УАПП позволяет обеспечить высокую эффективность использования МП в системе, поскольку требует от него только данных по инициализации своего состояния и позволяет МП выполнять вычислительный процесс одновременно с выполнением процесса ввода-вывода информации в УАПП. Отметим также, что развитые 16-разрядные МП имеют все те возможности, которые обеспечиваются в микросистемах на основе обычных МП и БИС УАПП.