Организация интерфейса в МП и МП-системах

Интерфейс – совокупность программных и аппаратных средств, с помощью которых компоненты системы объединяются так, чтобы она могла решать определенную задачу. Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, эл.схем, связывающие данные устройства, и алгоритмы (протоколы) процедур, обеспечивающие обмен информации между устройствами системы.

Для подключения ПУ к МП используют спец. электронные схемы, называемыми интерфейсными модулями. Кроме аппаратных средств для организации интерфейса необходимо ПО, которое включает в себя программы идентификации типа информации (данные, управляющие символы и т.п.), программы преобразования форматов, программы-драйверы для управления обменом информации, программы обработки запросов прерываний и др.

Сложность интерфейса определяется: 1) типом ПУ; 2) их числом; 3) расстоянием между МП и ПУ; 4) физической природой; 5) их архитектурой.

Совместимость интерфейса определяется: 1) быстродействием ЭВМ и ПУ; 2) кодами, использ. для обмена; 3) архитектурой процессора; 4) электрич. параметрами.

Можно выделить две основные организации интерфейса между МП, памятью и ПУ:

1) ДВУХШИННУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ, или интерфейс с изолированной системой шин. Особенностью данного интерфейса является раздельная адресация памяти и периферийных устройств при обмене информацией. Это осуществляется путем использования отдельных групп команд для обмена информацией с ПУ и памятью. В качестве примера рассмотрена организация обмена в МПС на базе КР580. Для обмена с ПУ используются двухбайтовые команды ввода IN port и вывода OUT port, формат которых приведен на рис.б.

Число выполняемых тактов у этих команд равно 10. Число циклов равно 3 (4+3+3) Данные команды позволяют адресовать 256 портов ввода и 256 портов вывода. Управление обменом выполняется под действием управляющих сигналов ввода I/OR и I/OW, которые формируются системным контроллером при выполнении этих команд. МП передает адрес порта по 8 младшим и 8 старшим линиям шины адреса. Передача осуществляется между аккумулятором А и буферным регистром интерфейсного модуля ПУ.

Недостатками при организации интерфейса с изолированной шиной являются:
1. Обмен с ПУ осуществляется только через аккумулятор и приводит к удлинению программ обработки слов от ПУ.
2. Число подключаемых периферийных устройств ограничено. Это ограничение определяется размерами поля адреса в командах ввода-вывода и в нашем случае-256 ПУ ввода и вывода.
3. Для обработки содержимого буферного регистра ПУ, например, для анализа готовности к обмену, его код необходимо передать в МП.

2) ОДНОШИННУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ интерфейса, или интерфейс с общей шиной. При данной организации интерфейса часть общего адресного пространства отводится для периферийных устройств, регистры которого адресуются, как и ячейки памяти. Обращение к ПУ осуществляется посредством набора команд, используемых для передачи данных в память.

При этом команда ввода-вывода не используется, а в некоторых МП вовсе отсутствует. Под ПУ можно выделить любое адресное пространство, но при этом, если нет аппаратного разделения этих адресных пространств, необходимо разделить их программно.

Достоинства этого интерфейса:
1) расширение набора команд для обращения к ПУ, что позволяет сократить объем программ и повысить быстродействие;
2) значительное увеличение числа подключаемых к МП периферийных устройств;
3) возможность внепроцессорного обмена информацией между ПУ, если в системе команд имеются команды передачи между ячейками памяти;
4) возможность обмена информацией не только с аккумулятором, но и с любым регистром МП.

Недостатки данной организации интерфейса:
1) сокращение объема памяти;
2) усложнение дешифрирующих схем (при аппаратном разделении адр. пространства).

1.16 Методы и способы обмена информацией в ЭВМ. Организация передачи данных с использованием систем прерывания и прямого доступа к памяти.

Выбор метода обмена по системной шине определяется в основном требованиями к пропускной способности, времени отклика на событие, происходящее во внешнем устройстве и допустимой загрузкой процессора.

Способы обмена данными:

а) Программно-управляемый ввод-вывод
Программно-управляемый ввод-вывод означает обмен данными с внешними устройствами с использованием команд процессора. Передача данных происходит через регистры процессора и при этом в конечном счете может реализовываться обмен с процессором, обмен внешнего устройства с памятью, обмен между внешними устройствами.
Процессоры х86 имеют раздельную адресацию памяти и портов ввода-вывода и соответственно ввод-вывод может быть отображен либо в пространство ввода-вывода, либо в пространство оперативной памяти (memory-mapped I/O). В последнем случае адрес памяти декодируется во внешнем устройстве и для выполнения ввода-вывода могут быть использованы все команды обращения к памяти.
Каждое адресуемый элемент адресного пространства ввода-вывода именуется портом ввода, портом вывода или портом ввода-вывода. Для обращения к портам предназначены четыре основные команды процессора: In (ввод в порт), Out (вывод из порта), Ins (ввод из порта в элемент строки памяти) и Outs (вывод элемента из строки памяти). Последние две строковые команды ввода-вывода используются для быстрой пересылки блоков данных между портом и памятью в случае последовательно расположенных адресов портов в внешнем устройстве. Обмен данными с портами, при котором используются строковые команды ввода-вывода, получил название PIO (Programmed Input/Output) - программированный ввод-вывод.

б) Прямой доступ к памяти (ПДП)
Прямым доступом к памяти (DMA - Direct Memory Access) называется способ обмена данными, обеспечивающий автономно от процессора установление связи и пе­редачу данных между основной памятью и внешним устройством.

В режиме прямого доступа к памяти используется специализиро­ванное устройство — контроллер прямого доступа к памяти, кото­рый перед началом обмена программируется с помощью центрально­го процессора: в него передаются адреса основной памяти и количе­ство передаваемых данных. Затем центральный процессор от контроллера прямого доступа к памяти отключается, разрешив ему работать, и до окончания обмена может выполнять другую работу. Об оконча­нии обмена контроллер прямого доступа к памяти сообщает процес­сору. В этом случае участие центрального процессора косвенное. Об­мен ведет контроллер прямого доступа к памяти. Прямой доступ к памяти (ПДП):
►освобождает процессор от управления операциями ввода-вывода;
►позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение про­цессором программы с обменом данными между внешним устрой­ством и основной памятью;
►производит обмен данными со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью основной памяти и внешним устрой­ством.

ПДП разгружает процессор от обслуживания операций ввода-вы­вода, способствует увеличению общей производительности ЭВМ, дает возможность машине более приспособленно работать в системах ре­ального времени.

Рис.Взаимодействие устройств в режиме ПДП

Методы инициализации обмена:

Программно-управляемый обмен может инициироваться несколькими причинами:
►Процессором, точнее соответствующей командой в его программе. Эта ситуация подразумевает, что обмен данными является основной задачей процессора.
►Запросом аппаратного прерывания. Аппаратные прерывания вызываются внешними устройствами и теми компонентами компьютера, которые требуют немедленной обработки своей информации и приходят асинхронно по отношению к исполняемой программе. Прерывание можно рассматривать как некоторое особое событие в системе, которое заставляет процессор приостановить выполнение своей программы для реализации некоторой затребованной деятельности.

►Возможно также и комплексное решение - опрос готовности одного или нескольких внешних устройств (polling) по периодическим прерываниям, например, от системного таймера. Готовое устройство обслуживается, неготовое пропускается до следующего прерывания. Без анализа готовности возможно и периодическое выполнение каких-то действий с внешним устройством.