ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА В МИКРОЭВМ
Работа микро ЭВМ сопровождается интенсивным обменом информацией между МП, ЗУ и УВВ. В процессе выполнения программы МП принимает команды из памяти программ, обращается к памяти данных, а при исполнении команд ввода-вывода – к УВВ. Эффективность решения задачи в микро ЭВМ в значительной степени определяется организацией этого обмена и структурой связи между МП, памятью и УВВ.
Система шин, вспомогательной аппаратуры и алгоритмов, реализованных на этом оборудовании, предназначенная для организации обмена между МП, памятью и УВВ, называется интерфейсом.
В функции интерфейса входят дешифрация адреса устройств, синхронизация обмена информацией, согласование форматов слов, дешифрация кода команды, связанной с обращением к памяти или УВВ, электрическое согласование сигналов и некоторые другие операции.
Сложность задач, возлагаемых на интерфейс, а также недостаточная мощность буферных схем, входящих в состав БИС МП, привели к распределению средств интерфейса между различными устройствами:
а) устройством управления памятью и вводом-выводом, входящим в состав МП;
б) непосредственно интерфейсным устройством, являющимся промежуточным звеном между МП, с одной стороны, и памятью и УВВ, с другой;
в) специализированными устройствами управления (контроллерами) УВВ, предназначенными для реализации алгоритмов управления, специфических для различных УВВ.
Организация обмена между МП и памятью или УВВ в простейших случаях возможна на основе средств, содержащихся только в МП. Недостающие функции в таких случаях реализуются программно.
Более сложные ЗУ и УВВ соединяются с МП обязательно через дополнительные интерфейсные устройства, выполненные на основе СИС и МИС или (в некоторых МПК) в виде специальных БИС. Разработка БИС обусловливается значительной сложностью функции интерфейсных устройств: при отсутствии БИС в некоторых случаях может потребоваться до нескольких сотен корпусов СИС и МИС.
Наконец, существуют сложные ЗУ и УВВ со специфическими алгоритмами управления (магнитные диски и ленты, электронно-лучевые трубки и т.д.), реализация которых возможна лишь специальными контроллерами.
Сложность внешнего интерфейса определяется как сложностью периферийных устройств, так и степенью совместимости их с ЭВМ.
Под совместимостью будем понимать возможность объединения отдельных компонентов системы в единую операционную сеть посредством программных и аппаратных средств.
Совместимость определяется четырьмя основными признаками: быстродействием, кодами, используемыми для обмена, архитектурой процессора, электрическими характеристиками. Если объединяемые компоненты не соответствуют друг другу по одному или нескольким признакам, то они не могут быть объединены без интерфейсных модулей.
В любой микроЭВМ необходимы средства обмена данными с разнообразными периферийными устройствами. В зависимости от условий конкретного применения и характеристик периферийного оборудования передача данных производится в параллельном или последовательном формате.
Общность функций ввода-вывода стимулировала разработку БИС периферийных адаптеров, представляющих собой гибкие программируемые приборы, ориентированные исключительно на ввод-вывод.
В настоящее время такие адаптеры стали обязательными компонентами практически всех микропроцессорных систем. Они получили широко распространенные имена как LPT и COM порты соответственно для параллельных и последовательных каналов ввода/вывода.
На рис. 1 приведена структурная схема адаптера и его программная модель. Подключение периферийного оборудования производится через три двунаправленных 8-битных порта (или канала) A, B и С. Интерфейс с системной шиной осуществляется с помощью 14 линий:
Рисунок 1 – Структурная схема (а) и программная модель (б) типового параллельного адаптера
D0
¸
7
– двунаправленная шина данных с трехстабильными каскадами.
А0
, А1
- линии адреса, которые выбирают внутренний регистр адаптера, коммутируемый на шину данных: 00 – порт А, 01 – порт В, 10 – порт С и 11 – регистр управления.
– L-активный вход выбора кристалла; высокий уровень запрещается, а низкий разрешает связь прибора с системной шиной.
– L-активный вход считывания информации из адресуемого по линиям А, регистра на шину данных.
– L-активный вход записи информации с шины данных в адресуемый внутренний регистр адаптера.
RESET – H-активный сигнал сброса для приведения прибора в начальное состояние; при действии сброса регистр управления обнуляется, а все три порта переводятся в режим ввода.
Отметим, что считывание из регистра управления ( = 0, A1,0
= 11) не допускается, а одновременные запись и считывание ( = 0 и = 0) приводят к непредсказуемому результату.
Программирование и обмен данными с адаптером осуществляются командами ввода IN и вывода OUT, при выполнении которых на линиях А0
¸
7
(и одновременно А8
¸
15
) находится адресная информация.
Приемником и источником данных в микропроцессоре является аккумулятор. Входы А0,1
адаптера обычно подключаются к младшим линиям шины адреса, а подключение входа зависит от принятого способа выбора адаптеров, если их несколько. В линейном выборе с кодами адреса 011111XX, 101111XX,..., 111110XX входы подключаются без дополнительного дешифратора к соответствующим (нулевым) линиям адреса А2
¸
7
. В этом способе система может иметь до шести адаптеров; при большем числе адаптеров потребуется дешифратор с L-активными выходами, вход которого подключается к линиям А2
¸
7
.
Рисунок 2 – Формат управляющего слова для настройки ППА на допустимый режим
Программирование адаптера заключается в загрузке кода (приказа) в регистр управляющего слова (РУС). Формат приказа определения режима, идентифицируемого условием D7
= 1, приведен на рис. 2.
Отметим, что 8-битные порты А и В не разделены, а линии порта С разделены на две 4-битные группы, представляющие собой два независимых порта. Например, приказ конфигурации порта А на ввод в режиме 0, порта В на вывод в режиме 1, бита 3
Управляющее слово с нулевым старшим битом D7
= 0 используется для установки или сброса любого бита порта С. Биты D4
¸
6
не используются и обычно содержат нули; биты D1
¸
3
содержат двоичный номер (адрес) модифицируемого бита порта С, а бит D0
задает установку (D0
= 1) или сброс (D0
= 0) адресуемого бита. Например, приказ сброса бита 2 порта С имеет код 00000100. Приказы данного формата используются для формирования сигналов квитирования в режимах 1 или 2. Формирование положительного импульса на выходе бита 3 порта С реализуется следующими командами:
MVIA,00000111B;Установка бита 3
OUTРУС;Вывод в порт РУС
MVIA,00000110B;Сброс бита 3
OUTРУС;Вывод в порт РУС
Здесь РУС – символический адрес регистра управления, который определяется интерфейсом адаптера с системной шиной. Например, им может быть РУС = 0FBH.
Отметим, что в приведенном фрагменте можно сэкономить один байт, заменив вторую команду MVI на команду DCR A.
Аналогичная функция установки и сброса отдельных бит портов А и В реализуется в три этапа: содержимое порта вводится в аккумулятор, командами ORI и ANI с соответствующими операндами-масками модифицируется нужный бит, а затем измененный результат выводится в тот же порт.
Как видно из приказа определения режима, адаптер имеет три режима работы.
Режим 0
– программно-управляемый ввод-вывод данных в синхронном режиме по трем 8-разрядным каналам А, В и С. Каждый канал может быть использован только для ввода или вывода информации, а канал С дополнительно может быть разделен на два 4-разрядных канала, что обеспечивает 16 возможных конфигураций адаптера.
Выводимые данные фиксируются в регистрах-защелках, входящих в состав всех портов, а вводимые данные не запоминаются, т. е. в операции считывания входного порта в аккумулятор передается текущее состояние входных линий. Режим 0 применяется в программно-управляемом вводе-выводе медленно меняющихся данных или постоянных значений.
Режим 1
– обмен данными с ВУ по каналам А и В в асинхронном режиме и режиме прерывания программы. Шесть линий порта С используются для управления обменом.
Данный режим предоставляет пользователю следующие возможности: запрограммировать один или два параллельных порта с линиями квитирования и прерывания, каждая из которых может работать на ввод или вывод; при использовании только одного порта остальные 13 линий запрограммировать в режиме 0; при определении двух портов в режим 1 оставшиеся 2 линии использовать для ввода или вывода.
Режим 2
– двунаправленный обмен данными с ВУ по каналу А в режиме прерывания программы. Пять разрядов порта С используется как управляющие для порта А.
Только группа А ППА может быть настроена на этот режим.
Пример 1. Необходимо настроить ППА на режим 0, причем порт А должен выполнять ввод; порт В – ввод; порт С (4-7й разряды) – вывод; порт С (0-3й разряды) – ввод (рис. 3).
а) управляющее слово; б) заданный режим
Рисунок 3 – Управляющее слово для программирования ППА
Положим, что регистр управления требуемого ППА имеет адрес 0FBH. Для задания требуемого режима необходимо загрузить в аккумулятор МП управляющее слово (рис. 3) и по команде OUT записать его в регистр управления ППА.
Пример 2. Необходимо настроить ППА на режим 1, причем порт А и В должен обеспечивать стробируемый ввод.
На рис. 4 изображены управляющие слова для настройки портов А и В.
а) порт А – ввод; б) порт В – ввод
Рисунок 4 – Управляющие слова для настройки ППА
Для реализации этого режима триггер разрядов PC.4 для порта А и PC.2 для порта В должны быть предварительно установлены в "1", если программист разрешает прерывание.
Настройка триггеров «разрешение прерывания» осуществляется посредством загрузки управляющего слова с нулем в старшем разряде с помощью команды OUT в регистр управляющего слова:
для порта А: MVI A, 01011001B;PC.4:=1
0UT 0FBH;
для порта В:MVI A, 01010101 B;PC.2:=1
OUT 0FB H ;
Общий формат управляющего слова поразрядной установки порта С представлен на рис.5.
Рисунок 5 – Формат управляющего слова поразрядной настройки установки Порта С
Пример 3. Написать управляющее слово режима для адаптера со следующей конфигурацией:
1. Порт А – режим 0, ввод; Порт В – режим 0, ввод; Порт С4¸С7 – вывод.
Управляющее слово установки режима имеет вид 92 H.
2. Порт А – режим 2, ввод.
Управляющее слово установки режима имеет вид D0H.
Следует обратить внимание, что разряды, определяющие режим работы Порта С, в управляющем слове равны нулю.
Пример 4. Написать управляющее слово:
для установки разряда С3
.Ответ: 07 H
для сброса разряда С3
. Ответ: 06 H
для установки разряда С6
. Ответ: 0D H
для сброса разряда С6
. Ответ: 0C H
Установка соответствующего уровня сигнала на выходе порта С реализуется следующими командами МП:
MVI A, 07H
OUTРУС
MVI A, 06H
OUTРУС и т.д.
Здесь РУС – символический адрес регистра управляющего слова ППА.
Список использованных источников
1. Фарассат Ф., Валев С. “Кристалл на плате” (СОВ): новая эра сборочной технологии // Технологии в электронной промышленности. – 2005. – № 6. – C. 71 – 76.
2. Still А. CDF Run II silicon tracking projects // Nucl. Instr. and Meth. – 2008.- A 447.-Р. 1 – 8.
3. Merkel P. et al. CDF Run IIb Silicon Detector: Тhe Innermost Layer // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 2004. - Vol. 51, No 5. – Р. 2215-2219.
4. Tricomi A. The CMS Inner Tracker Silicon Microstrip Modules: Production and test // Nucl. Instr. аnd Meth.- 2007. - A 570. – Р. 248 – 252.