Тема 6.1. Структура и логическая организация подсистемы ввода-вывода

Структура и логическая организация подсистемы ввода-вывода.

Порты ввода-вывода.

1.Одной из важнейших задач проектирования МПС является организация взаимодействия с устройствами ввода/вывода (УВВ) — источниками и приемниками данных. К устройствам ввода относятся переключатели, клавиатура, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), датчики двоичной информации, а к устройствам вывода — индикаторы, светодиоды, дисплеи, печатающие устройства, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), транзисторные ключи, реле, коммутаторы. Примерами устройств одновременно и ввода и вывода являются накопители на гибких и жестких магнитных дисках. В дальнейшем под устройством ввода/вывода или внешним устройством будем понимать одно из перечисленных выше устройств, т. е. устройство
ввода, вывода или ввода/вывода. УВВ различаются: разрядностью данных, быстродействием, управляющими сигналами, типом протокола обмена, т. е. определенным порядком обмена. Данные в УВВ изменяются в произвольный или определенный момент времени. Соединение УВВ с системной шиной МПС осуществляется с помощью интерфейса ввода/вывода, который
согласовывает сигналы УВВ с системной шиной МПС. Как правило, интерфейс состоит из одного или нескольких портов ввода/вывода и схем управления ими.

При проектировании интерфейса ввода/вывода необходимо обеспечить:

□ хранение информации, поступающей от УВВ;

□ доступ к информации со стороны МП;

□ управление обменом;

□ преобразование форматов данных.

Хранение информации и доступ к ней со стороны МП. Ввод и вывод информации выполняется с помощью портов ввода/вывода, которые представляют собой 8- или 16-разрядные регистры со схемами выборки и управления чтением/записью.

Ввод или вывод данных можно осуществлять двумя способами:

□ с использованием отдельного адресного пространства УВВ;

□ с использованием общего с памятью адресного пространства, т. е. с отображением на память.

В 1-ом случае ввод-вывод данных выполняются по командам in и out.

Управление обменом. Существуют три способа управления обменом:

□ программный обмен;

□ обмен по прерыванию;

□ обмен в режиме прямого доступа к памяти.

Программный обмен инициируется МП и осуществляется под его управлением. Различают простой и стробированный программный обмен. При простом программном обмене считается, что УВВ в любой момент готово к обмену по командамINили OUT. При стробированном обмене УВВ извещает о своей готовности к обмену стробом. Например, выдача 8-разрядных
данных сопровождается девятым битом — стробом. При таком обмене схема интерфейса содержит триггер или порт управления для сохранения информации о готовности внешнего устройства к обмену. Процессор опрашивает соответствующий разряд порта управления для определения состояния внешнего устройства — его готовности к обмену.

Если УВВ имеет встроенное аппаратное средство для определения готовности к обмену, о состоянии устройства свидетельствует флаг готовностиREADYили флаг готовности/занятости READY/BUSY. Информация о готовности устройств принадлежит к статусной информации и входит в состав слова состояния устройства. Иногда состояние готовности и занятости
идентифицируется отдельными флагами: READYи BUSY. Флаг READYзаменяет бит порта управления.

Недостатками программного стробированного обмена является то, что данный способ
обмена информацией не разрешает внешним устройствам инициировать обмен. Преимущество программного обмена состоит в простоте реализации, а также в том, что нет необходимости в дополнительных аппаратных средствах.

Программный обмен используется для обмена с УВВ, производительность которых меньше производительности МП.

Обмен по прерыванию инициируется УВВ и осуществляется под управлением МП. В этом случае сигнал готовности УВВ к обмену используется как запрос прерывания и поступает в программируемый контроллер прерываний (ПКП). Ввод или вывод осуществляется в подпрограмме обработки запроса прерывания.

Обмен по прерыванию более производительный, чем программный обмен, поскольку не требует времени для опроса готовности УВВ к обмену.

Обмен в режиме ПДП инициируется УВВ и осуществляется под управлением контроллера прямого доступа к памяти (КПДП) без участия МП. При обмене данными между УВВ и памятью нет необходимости в пересылке данных через МП. Данные с помощью КПДП пересылаются непосредственно из УВВ в память или наоборот. Прямой доступ к памяти при выполнении
операций ввода/вывода позволяет значительно увеличить скорость передачи данных и повысить эффективность использования средств МП.

Информацию об области памяти, используемой при обмене в виде начального адреса и длины массива, загружают в КПДП при его программировании. Производительность обмена в режиме ПДП наиболее высокая из рассмотренных способов обмена.

Преобразование форматов данных. Если разрядность данных, с которыми оперирует МП, меньше разрядности данных, с которыми оперирует УВВ, то для согласования разрядности увеличивают число портов ввода/вывода. Если разрядность данных, с которыми оперирует МП, больше разрядности данных, с которыми оперирует УВВ, то для согласования разрядности выполняют упаковку данных, полученных из нескольких источников, в одно слово нужной разрядности или используют дополнение нулями. Для преобразования последовательного кода в параллельный и наоборот используют контроллер последовательного обмена.