Структура микропроцессорной системы

Структура МПС является магистрально-модульной. В такой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией по одним и тем же шинам поочередно, в режиме разделения времени.

На рисунке 1 представлена типичная трехшинная структура МПС с шинами адресов ША, данных ШД и управления ШУ. Трехшинная структура в чистом виде характерна для простых МПС, в более производительных системах шинная структура образует более сложную иерархию. Но в своей основе разделение на перечисленные виды шин остается справедливым, хотя и может относиться не к отдельным шинам, а к их группам.

Рис. 1. Структура МПС

Функционирование МПС сводится к следующей последовательности действий: получение данных от различ­ных периферийных устройств (с клавиатуры терминала, от дисплеев, из каналов связи, от различного типа внешних запоминающих устройств), обработка данных и выдача результатов обработки на периферийные устройства (ПУ). При этом данные от ПУ, подлежащие обработке, могут поступать и в процессе их обработки.

Для выполнения этих действий в МПС кроме микропроцессора (МП) предусматриваются следующие устройства:

- оперативная память (ОП), предназначенная для хранения и выдачи по запросам команд программ, определяющих работу микропроцессора, различных данных (исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки данных в микропроцессоре);

- контроллеры - устройства, обеспечивающие обмен данными раз­личных ПУ с микропроцессором и ОП.

Микропроцессор выдает на шину адреса номер (адрес) ячейки ОП, в которой хранится очередная команда, и из шины управления в ОП поступают сигналы, обеспечивающие считывание содержимого указы­ваемой шиной адреса ячейки памяти. Оперативная память выдает за­прошенную команду на шину данных, откуда она принимается в микропроцессор. Здесь команда расшифровывается. Если данные, дей­ствия над которыми предусматривает команда, находятся в регистрах микропроцессора, то микропроцессор приступает к выполнению ука­занной в команде операции. Если при расшифровке команды выяснит­ся, что участвующие в операции данные находятся в ОП, то микропроцессор выставляет на шину адреса адрес ячейки, хранящей эти данные; после выдачи данных из ОП микропроцессор принимает их через шину данных, затем выполняется операция над данными. После завершения текущей команды на шину адреса выдается адрес следую­щей команды, и описанный процесс повторяется.

Обмен данными с ПУ может осуществляться следующим образом. Группа ПУ подключается к шине данных МПС через контроллер обмена (устройства сопряжения), управляющий процессом обмена данными. До начала непосредственного обмена данными с ПУ микропроцессор через шину данных должен выдать в контроллер информацию о режи­мах, используемых при передаче, направлениях передачи данных (от микропроцессора к ПУ либо, наоборот, от ПУ к микропроцессору), используемых в дальнейшем при обмене данными с каждым из подклю­ченных к контроллеру ПУ. Затем в момент, когда потребуется, напри­мер, передать в ОП выдаваемые из ПУ данные, микропроцессор, выполняя команду ввода, подает на контроллер соответствующие уп­равляющие сигналы; данные из ПУ принимаются в регистр контролле­ра, откуда они затем контроллером выдаются на шину данных. Далее эти данные с шины данных принимаются в микропроцессор, после чего в процессе выполнения соответствующей команды они передаются в ОП.

Аналогично происходит обмен данными в обратном направлении — от ОП к ПУ. По соответствующей команде программы осуществляется прием из ОП в микропроцессор данных, подлежащих передаче, после чего по одной из следующих команд эти данные выдаются на шину данных и через контроллер обмена передаются на УП.

Описанный обмен предполагает, что моменты обмена данными из­вестны заранее уже на этапе программирования, и в программе предус­матриваются в определенных местах соответствующие команды, обеспечивающие обмен. Моменты обмена могут определяться и самим ПУ. Тогда эти моменты программисту оказываются неизвестными, он не может предусмотреть в программе соответствующие команды обме­на. В этих случаях ПУ, подавая в микропроцессор определенные сигна­лы, переводит его в состояние так называемого прерывания.В этом состоянии микропроцессор прекращает выполнение основной програм­мы и переходит к исполнению команд другой хранящейся в ОП про­граммы (прерывающей программы),обеспечивающей обмен данными, требуемый периферийным устройством. После окончания такой преры­вающей программы микропроцессор возвращается к выполнению ос­новной программы.

Описанные способы обеспечивают низкую скорость обмена, и при­менять их целесообразно при обмене данными с низкоскоростными ПУ. При работе с высокоскоростными ПУ (такими, как запоминающие устройства на дисках и др.) используется так называемый режим прямо­го доступа к памяти(ПДП). В этом режиме микропроцессор отключа­ется от шин адреса и данных, предоставляя их в распоряжение ПУ для непосредственного обмена данными с ОП (без участия микропроцессо­ра). Обмен при этом организуется специальным контроллером ПДП.

В режиме ПДП ПУ обменивается с ОП не одиночными данными, а большими блоками данных. В контроллер ПДП микропроцессор пред­варительно помещает информацию, необходимую для управления об­меном (адрес ячейки ОП, куда помещается или откуда считывается первое подлежащее обмену слово, количество слов в блоке и др.). В процессе обмена контроллер ПДП выдает на шину адреса адрес ячейки ОП, после окончания передачи слова между ОП и ПУ через шину данных контроллер ПДП увеличивает на единицу значение адреса, вы­даваемого на шину адреса. После завершения передачи заданного коли­чества слов контроллер ПДП прекращает обмен, информируя об этом микропроцессор. Последний восстанавливает связь с шинами адреса и данных и продолжает выполнение программы.