Интерфейсы ввода-вывода

В процессе функционирования МПС возникает необходимость при­ема в него данных от различных устройств ввода. Принятые данные подвергаются обработке. Полученные в результате обработки данные выводятся из МПС и передаются в различные устройства вывода. В качестве таких устройств ввода и вывода, называемых периферийными (ПУ), могут использоваться телетайпы, дисплеи, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи информации, линии связи и т.п. Очевидно, для обеспечения такого обмена данными требуются опреде­ленные средства — система команд, сигналов и соответствующие уст­ройства сопряжения. Эти средства объединяются под наименованием интерфейс ввода-вывода.

Рассмотрим способы обмена данными. Обмен данными между МПС и ПУ может либо быть программно-управляемым, либо осуществляться спо­собом прямого доступа к памяти (ПДП). При программно-управляемом вводе микропроцессор в ходе выполнения соответствующей программы ввода побайтно принимает данные От ПУ через шину данных в аккумуля­тор. Прежде чем принимать очередной байт информации микропроцессор пересылает содержимое аккумулятора в ОП. Аналогично при выводе дан­ных из ОП в ПУ байты данных принимаются из ОП в аккумулятор микропроцессора, затем из аккумулятора они выдаются на шину данных, откуда принимаются в соответствующее ПУ.

Большая скорость обмена данными между ОП и ПУ может быть обеспечена в режиме прямого доступа к памяти. В этом режиме микро­процессор отключается от шин адреса и данных (переходя в состояние Захват) и не принимает участия в процессе обмена. Обмен между ОП и ПУ осуществляется непосредственно.

Рассмотрим подробнее принципы программно-управляемой переда­чи данных.

Синхронная передача. Синхронная передача предполагает, что при каждом выполнении встречающихся в программе команд обмена Вв и Выв ПУ готово к выдаче на шину данных запрашиваемого микропро­цессором байта или к приему с шины данных байта, выданного на эту шину микропроцессором.

Асинхронная передача. При асинхронной передаче, прежде чем про­изводить обмен данными, микропроцессор выясняет готовность ПУ к такому обмену. Приведенная на рис. схема алгоритма иллюстриру­ет этот процесс. Микропроцессор получает из ПУ информацию о состо­янии; анализируя ее, он выясняет готовность ПУ к обмену; если ПУ не готово к обмену, то микропроцессор повторяет чтение состояния ПУ; если ПУ готово к обмену, то осуществляется передача данных между микропроцессором и ПУ.

Передача данных с прерыванием программы. В рассмотренных слу­чаях обмен данными инициировался микропроцессором. Встречаются задачи, в которых обмен должен осуществляться в произвольных точ­ках программы в моменты, определяемые периферийным устройством. При выполнении такого вида обмена данными по запросу, поступив­шему из ПУ, производится прерывание выполняемой микропроцессо­ром программы и переход к выполнению специальной программы обмена.

В МПК серии 580 имеются микросхемы, предназначенные для по­строения интерфейса ПУ; одной из таких мик­росхем является программируемый параллель­ный интерфейс КР580ВВ55, описание которого приводится ниже.

Программируемый параллельный интер­фейс. На рис. приведена упрощенная струк­турная схема программируемого параллельного интерфейса (ППИ).

С помощью ППИ осуществляется обмен Данными (рис.5.24) между микропроцессором (МП) и различными ПУ. Для подключения ППИ к шине данных (ШД) микропроцессор­ной системы в ППИ предусмотрен 8-разрядный канал данных (КД). Периферийные устройст- ва могут подключаться к 8-разрядным каналам ППИ: КА, KB, КС. Канал КС состоит из двух 4-разрядных подканалов КС1 и КС2. Каналы КА, KB, КС снабжены регистрами. В канале КА предусмотрено два регистра, один из них используется для приема данных, поступающих из ШД МПС, и выдачи их к ПУ, другой — для приема данных, посту­пающих от ПУ, и выдачи их на шину данных МПС. В каналах KB, КС1 и КС2 имеется по одному регистру, который обеспечивает передачу данных между МП и ПУ в требуемом направлении. Все каналы снабже­ны буферными устройствами (входными и выходными формирователя­ми с тремя состояниями), через которые осуществляется связь ППИ с внешними шинами.

Таким образом, обмен между МП и ППИ распадается на две фазы обмена: обмен между регистром выбранного канала ППИ (регистром каналов КА, KB, КС) и НТД МПС и обмен между регистрами каналов ППИ и ПУ. Рассмотрим, как организуется каждая из этих фаз обмена.

Обмен между ШД МПС и регистром ППИ организуется под управ­лением сигналов, подаваемых на входы устройства управления (УУ) ППИ. Аф, Aj — содержимое двух младших разрядов шины адреса (ША) МПС, ВК — сигнал выборки микросхемы. В качестве последнего сиг­нала в системах с малым числом интерфейсных устройств может быть выбрано содержимое одного из шести стар­ших разрядов шины адреса, в системах с большим числом интерфейсных устройств этот сигнал формируется дешифратором шести старших разрядов адреса. Вв и Выв — сигналы, формируемые в цепях управле­ния МПС (системные управляющие сигна­лы на выходах микросхемы системного контроллера КР580ВК28). В табл. по Рис. показаны виды обмена данными между ШД и регистрами ППИ и соответствующие им наборы значений сиг­налов выборки.

По командам микропроцессора IN (ввод данных) и OUT (вывод данных) буферы канала КД обеспечивают обмен данными между ШД МПС и внутренней магистралью данных ППИ. Принятая с ШД МПС на внутреннюю магистраль данных ППИ информация представляет собой либо данные, которые через внутреннюю магистраль принимают­ся в регистр одного из каналов для дальнейшей их выдачи к ПУ, под­ключенному к этому каналу, либо так называемое управляющее слово. Управляющее слово (УС) принимается в регистр управляющего слова (РУС) и организует обмен данными между регистрами каналов ППИ и ПУ. С помощью УС производится установка ППИ в один из режимов работы (называемых режимами 0, 1, 2) для выполнения каналами опре­деленных функций и задается направление передачи. На рис. пред­ставлен формат управляющего слова.

При поступлении из шины управления МПС сигнала Сброс все ка­нальные регистры сбрасываются в нулевое состояние, а в РУС заносится информация, при которой все каналы устанавливаются на прием в режиме 0 (при этом выходные формирователи каналов оказываются в третьем — выключенном — состоянии).

Опишем функционирование каналов в отдельных режимах работы.

Режим 0. В этом режиме любой из каналов КА, KB, КС1 и КС2 может быть установлен на ввод или вывод информации. При этом, если про­изводится ввод информации, то регистр канала (в канале КА — входной регистр) непрерывно следит за всеми изменениями информации на входе канала; если осуществляется вывод информации, то содержимое регистра канала (в канале КА — выходного регистра) непрерывно пере­дается на выход канала. Сигналы управления (квитирования) в этом режиме не формируются.

Режим 1. В этом режиме передача данных может производиться через каналы КА и KB, а канал КС используется в основном для приема и выдачи сигналов управления.

Если канал KB установлен на ввод информации, периферийное уст­ройство одновременно с подачей данных в канал KB подает в ППИ через разряд 2 канала КС лог.О, сигнализируя о выдаче информации. При этом через разряд 1 канала КС периферийное устройство получает от ППИ сигнал (лог. 1) подтверждения приема выданных периферийным устройством данных.

В случае установки канала КА на ввод информации сигнал о выдаче данных периферийным устройством ППИ осуществляется через разряд 4 канала КС, сигнал подтверждения приема ППИ выдает на ПУ через разряд 5 канала КС.

При выводе информации через канал KB разряд 1 канала КС исполь­зуется для выдачи на ПУ сигнала (лог.О) вывода данных, через разряд 2 канала КС осуществляется прием от ПУ сигнала (лог.О) подтверждения записи выданных из ППИ данных в ПУ.

При выводе данных через канал КА для передачи указанных сигна­лов используются соответственно разряды 7 и 6 канала КС.

Режим 2. В режимах 0 и 1 направление передачи между каналами ППИ и подключенными к ним периферийными устройствами задается управляющим словом, предварительно засылаемым из МП в ППИ. Следовательно, в указанных режимах всякое изменение направления передачи между ППИ и ПУ требует предварительной посылки в ППИ соответствующего управляющего слова. Особенность режима 2 состоит в том, что сигналами Вв и Выв, посылаемыми в ППИ, устанавливается направление передачи не только между МП и ППИ, но и между ППИ и подключенным к нему ПУ. Таким образом обеспечивается возможность быстрого переключения направления передачи информации в целом между МП и ПУ без предварительной засылки управляющего слова в ППИ при каждом изменении направления обмена.

В режиме 2 может работать только КА. Для передачи управляющих сигналов в этом режиме используются следующие разряды канала КС разряд 4 для приема в ППИ сигнала (лог. О) выдачи данных из ПУ, разряд 5 для выдачи из ППИ сигнала (лог.1) подтверждения приема данных, разряд 7 для выдачи на ПУ сигнала (лог.О) вывода данных из ППИ, разряд 6 для приема от ПУ сигнала (лог.О) подтверждения записи в ПУ данных, выданных из ППИ.

Применение микропроцессоров в системах управления технологическим оборудованием

Не ослабевающие темпы роста сложности технических объектов и требований к качеству управления ими влекут за собой необходимость использования в системах управления средств вычислительной техники, многофункциональ­ность которых позволяет обеспечить множественность режимов управления, повысить способности системы к адаптации, обеспечить требуемые надежно­стные характеристики.

К числу задач, ставящихся перед системами управления, традиционно отно­сятся следующие:

- формирование сложных импульсных последовательностей;

- определение длительности временных интервалов;

- аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование;

- "ввод—преобразование—вывод цифровых кодов" и др.

(' 70-х годов разработчики систем управления стали использовать вычисли­тельные системы на базе микропроцессоров (МП), выпуск которых был осво­ен рядом производителей (Intel, Motorola и др.). Применение этой технологии разработки систем управления позволяло повысить скорость и эффектив­ность проектирования новых систем на базе старых, снизить затраты на об­наружение и устранение неисправностей, а также удешевить производство.

Однако в силу своих архитектурных ограничений микропроцессоры не обла­дали возможностью непосредственно решать задачи управления, и для дос- шжения поставленных целей разработчики вынуждены были снабжать их набором дополнительных устройств: памятью программ и данных, а также набором периферийных элементов: таймерами, счетчиками, аналого-цифровыми (АЦП) и цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП), программи­руемыми контроллерами ввода-вывода и т. п.

Характерный пример структуры подобной системы показан на рис.

Структура системы управления на базе микропроцессора

Здесь применен микропроцессор МП с шинами данных ШД, адреса ША и управления ШУ. Программа функционирования МП занесена в энергонеза­висимую память ПЗУ, необходимые переменные и выборки измерений хра­нятся в оперативной памяти ОЗУ. Объект управления ОУ имеет аналоговый исполнительный механизм ИМ и снабжен системой аналоговых датчиков Д1—Ды- Для возможности изменения оператором режимов работы системы применяется пульт управления ПУ.

Взаимодействие МП с ОУ и ПУ напрямую невозможно, и для их сопряжения применен ряд периферийных устройств.

Дешифратор DC дополняет ШУ сигналами активизации устройств по их ад­ресу. Процессор ввода-вывода ПВВ1 на основе информации с ШД под воз­действием сигналов с ШУ управляет мультиплексором MUX для подачи на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП аналогового сигнала с одного из датчиков. АЦП преобразует сигнал в цифровую форму и выдает его на ШД под воздействием сигналов с ШУ. Процессор ввода-вывода ПВВ2 пере­дает н систему информацию о воздействиях оператора, взаимодействуя с ПУ. Цифроапалогонын преобразим л гель ЦАЦ по коду с ШД и управляющим сиг­налам с ШУ выдает на исполнительный механизм ИМ объекта управления ОУ управляющее воздействие.

Описанная структура с непринципиальными изменениями употреблялась в разработках достаточно часто, в связи с чем возникла идея интеграции наи­более часто применяемых элементов систем управления на одном кристалле (подобная идея интеграции применялась и ранее, что дало разработчикам возможность скомпоновать набор транзисторов в виде интегральной микро­схемы).

Воплощение идеи произошло в 1976 году с выпуском фирмой Intel устройст­ва под кодовым обозначением 8048, позднее получившего название микро­контроллер (МК) и ставшего основой систем управления, встраиваемых в робототехнические комплексы, бытовую электронику и др.

Под микроконтроллером здесь и далее подразумевается программируемое вычислительное устройство, обладающее набором периферийных устройств и применяемое для решения задач управления в технических системах.

Появившись на рынке, МК наращивали свою популярность, и в настоящее время применяются чрезвычайно широко — объем выпуска микроконтролле­ров продолжает увеличиваться и составляет в настоящее время около двух миллиардов штук в год.

По области применения, структурной организации, разрядности, набору пе­риферийных устройств, системе команд и прочим признакам МК сгруппиро­ваны в семейства, число которых достаточно велико. К наиболее ярким пред­ставителям различных семейств следует отнести 32-разрядные микрокон­троллеры фирмы Motorola, 16-разрядные микроконтроллеры MCS-96 Intel, RISC-микроконтроллеры AVR фирмы Atmel, миниатюризированные РК контроллеры фирмы Microchip, микроконтроллеры общего назначения SAB фирмы Siemens.

Структура микроконтроллера

Микроконтроллер представляет собой вычислительную систему, реализован­ную в виде одной интегральной схемы, и включает следующие основные блоки: ядро, память программ и память данных, периферийные устройства (рис.).

Память программ
	Ядро микроконтроллера
Память данных
Периферийные устройства

Ядро микроконтроллера реализует процесс управления, задаваемый про­граммой. На базе микроконтроллерного ядра фирмами-производителями ин­тегральных схем разрабатываются изделия, различные по номенклатуре мо­дулей памяти и периферийных устройств, но совместимые между собой по системе команд и циклам обмена данными. Множество совместимых по это­му признаку МК носит название семейства микроконтроллеров.

Память программ предназначена для хранения управляющих программ. Не­обходимые для процесса управления данные располагаются в памяти данных.

Периферийные устройства предназначены для обеспечения сопряжения МК с внешними объектами и аппаратной реализации ряда управляющих функций.

Микроконтроллеры, как и вычислительные машины других классов, реали­зуются на основе гарвардской или принстонской архитектур (рис.). В микроконтроллерах, выполненных на основе гарвардской архитектуры, программы и данные располагаются в логически независимых блоках памяти с различными методами доступа. В микроконтроллерах, выполненных на ос­нове принстонской архитектуры, программы и данные могут располагаться в общем блоке памяти; для обращения используется единый метод доступа.

К числу типовых, наиболее часто интегрируемых на кристалл МК перифе­рийных устройств, относятся следующие блоки:

- параллельные цифровые порты ввода-вывода, осуществляющие обмен данными, представленными в виде логических сигналов;

- таймеры-счетчики, осуществляющие формирование временных интерва­лов и выполняющие подсчет логических событий;

- узлы аппаратной обработки событий с привязкой по времени;

- цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, осуществляющие вывод и ввод непрерывных сигналов;

- последовательные порты ввода-вывода, осуществляющие обмен данными в распределенных системах;

- блоки обслуживания прерывающих событий;

-средства повышения надежности функционирования.

Каждый периферийный узел МК обладает возможностью настройки посред­ством записи управляющих кодов в программно-доступные конфигурацион­ные регистры узла, называемые регистрами специальных функций. Настрой­ка позволяет производить выбор режима работы устройства (например, тре­буемой разрядности таймера, направления передачи данных на разрядах параллельного порта и т. п.).

Состав размещаемых на МК периферийных блоков зависит от целевого на­значения устройства и определяется производителем на основе типовых за­дач, реализуемых на микроконтроллерах данного семейства.

Дата добавления: 2014-12-10