XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В состав разрабатываемого микропроцессорного устройства входит генератор тактовых импульсов, микропроцессор, память, устройства ввода/вывода, шины. Узлы микропроцессорного устройства объединяются системной магистралью (общей системной шиной), при этом системная шина содержит четыре шины нижнего уровня: шину адреса, шину данных, шину управления и шину питания. Шина данных является ключевой шиной, разрядность этой шины задает скорость информационного обмена и его эффективность, количество команд, которые могут использоваться в системе. Шина данных передает информацию в двух направлениях, то есть является двунаправленной. За один цикл обмена по 32-разрядной шине передается 4 байта данных, при этом разрядность всей магистрали определяется разрядностью шины данных, то есть 32-разрядная системная магистраль имеет 32-разрядную шину данных. Для реализации шины данных используется выходной каскад с выходами с тремя состояниями.

Вторая по важности шина, определяющая производительность микропроцессорного устройства - шина адреса. От разрядности шины адреса зависит максимально допустимый объем оперативной памяти устройства и косвенно размер программы, которая может быть запущена на микропроцессорном устройстве. Количество адресов, которое обеспечивает шина адреса, равно 2^N, где N — разрядность шины адреса, поэтому 32-разрядная шина адреса обеспечивает 4294967296 адресов. Как правило, разрядность шины адреса кратна четырем и в общем случае может достигать значения 64 [1]. В отличие от шины данных шина адреса может быть как двунаправленной, так и однонаправленной. При использовании двунаправленной шины адреса микропроцессор способен передавать управление магистралью другому контроллеру, а при использовании однонаправленной шины адреса магистралью управляет только микропроцессор. В реализации выходных каскадов шины адреса используются выходы с двумя или тремя состояниями.

В шине данных и шине адреса разрабатываемого микропроцессорного устройства используется положительная логика, хотя в общем случае может использоваться и отрицательная логика [2]. При использовании положительной логики высокому уровню напряжения на линии связи соответствует логическая единица, низкому уровню напряжения соответствует логический ноль. При использовании отрицательной логики высокому уровню напряжения соответствует ноль и наоборот соответственно.

Для уменьшения числа линий связи магистрали используется мультиплексирование шины адреса и шины данных, при котором одни и те же линии связи в разные промежутки времени используются для передачи и данных, и адреса. При этом в начале цикла использования линии указывается адрес, а в конце цикла передаются данные. Для идентификации момента окончания указания адреса и начала передачи данных используются сигналы стробирования, которые передаются по шине управления. Скорость передачи данных по мультиплексированной шине адреса/данных меньше скорости, которую обеспечивает немультиплексированная шина данных или адреса и поэтому нуждается в более длительном цикле обмена данными. В более сложной схеме по мультиплексированной шине передается один блок адреса, а затем массив блоков данных, что обеспечивает более высокое быстродействие шины [3]. Для частичного мультиплексирования шины несколько разрядов данных передается по мультиплексированной шине с указанием адреса, а остальные разряды передаются по немультиплексированной шине.

Ключевые сигналы шины управления — формируемые микропроцессором стробы обмена, которые представляют собой сигналы, определяющие моменты времени, в которые отправляются данные по мультиплексированной магистрали для обмена данными. В шине управления используются стробы обмена двух типов: строб ввода, указывающий на момент времени, когда исполнительное устройство должно выдать блок данных на шину данных для чтения микропроцессором; строб вывода, указывающий на момент времени, когда исполнительное устройство должно принимать данные с шины данных. Шина управления содержит однонаправленные либо двунаправленные линии. Управляющие сигналы, передаваемые по шине управления, указывают тип текущего цикла обмена данными и стробируют моменты времени, разделяющие циклы на различные этапы мультиплексирования, обеспечивая синхронизацию работы микропроцессора с работой устройств ввода/вывода и памяти, а также обеспечивая запросы на прерывания и предоставление прямого доступа к памяти. Управляющие сигналы реализуются в отрицательной логике, хотя в ряде случаев возможна реализация с использованием положительной логики.

Для синхронизации мультиплексирования важен момент окончания обмена данными в пределах одного цикла и момент снятия собственного строба обмена. При синхронном обмене данными микропроцессор завершает обмен данными через константный временной интервал независимо от запросов со стороны исполнительного устройства; при асинхронном обмене данными микропроцессор завершает обмен данными после подтверждения операции со стороны исполнительного устройства. Преимуществом синхронного обмена данными является меньшее число сигналов управления и упрощенный протокол. К недостаткам относится отсутствие подтверждения выполнения запрошенной операции и более жесткие требования к быстродействию устройства-исполнителя. Преимуществом асинхронного обмена данными является возможность одновременной работы с устройствами-исполнителями разного быстродействия и большая надежность передачи данных. К недостаткам относится требование подтверждения формирования сигнала всеми устройствами-исполнителями, что обусловливает повышенные аппаратные требования к системе.

Список литературы:

1. Анкудинов В.Б. Микропроцессорные устройства систем управления. Вологда: ВоГУ, 2019. 123 с.

2. Лосев С.А. Проектирование аппаратных и программных средств микропроцессорных систем. Санкт-Петербург: БГТУ, 2018. 49 с.

3. Микропроцессорная техника. Специальные вопросы проектирования / Ю.И. Рассадкин, А.В. Синицын. М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 64 с.