Системная магистраль микросистемы.

Системная магистраль микропроцессорной системы – это совокупность унифицированного (стандартного) набора сигналов, проводов (шин), по которым они передаются, и правил обмена (протоколов) между устройствами, подключенными к магистрали. На физическом уровне CPU взаимодействует с памятью и подсистемой ввода/вывода через единый набор системных шин – внутрисистемную магистраль, в общем случае архитектуры фон - Неймана, состоящую из:

· шины данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и подсистемой ВВ;

· шины адреса АВ (Address Bas),

· шины управления CB (Control Bus), реализующей функцию управления циклами обмена и работой системы.

Магистраль такого типа носит название трехшинной с раздельными шинами передачи адреса и данных.

Шина данных используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Обычно в пересылке информации участвует процессор, который передает данные в ячейку памяти или порт ввода/вывода; процессор может принимать код данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная. Число проводников, составляющих шину данных, называют ее разрядностью. РазрядностьDB измеряется в байтах, она как правило. совпадает с разрядностью CPU и определяет его производительность.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и портов ВВ, с которыми процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому порту устройству, каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией. В различные фазы работы системы шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной. Разрядность A B измеряется в битах, она определяет диапазон значений адресов ячеек памяти и диапазон значений адресов портов ВВ.

Шина управления в отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов, для каждого из которых, как правило, выделен отдельный провод шины управления. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет определенную функцию. Основные сигналы служат для точного определения момента времени при приеме и передаче, когда информационный код выставлен на шину данных (сигналы стробирования). Прочие управляющие сигналы используются для подтверждения факта приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние, для тактирования всех устройств и т.д. Линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.

Мультиплексирование. По мере совершенствования технологии производства СБИС возрастало число элементов на кристалле МП, увеличивалась функциональная сложность МП, возрастали разрядность адресной шины, шины данных, а также увеличивалась количество периферийного оборудования, размещенного на кристалле и, как следствие этого, необходимое число интерфейсных линий. При этом тактовая частота и быстродействие МПВ значительно возросли. В результате, так как число контактов СБИС ограничено, возникла необходимость и возможность использовать эти контакты для передачи различных видов сигналов в различных фазах исполнения одной команды процессора. Таким образом, часть контактов CPU и линий системной магистрали стали работать в режиме разделения времени- в режиме мультиплексирования.

Например, в некоторых МС с целью дальнейшего сокращения ширины физической магистрали вводят совмещенную шину адреса/данных AD (Address/Data Bus), по которой передаются как адреса, так и данные. Этап передачи адресной информации отделен по времени от этапа передачи данных и стробируется специальным сигналом ALE (Address Latch Enable), который включен в состав СВ. Данную магистраль обычно называют двухшинной фон – Неймановской с совмещенными шинами передачи адреса и данных.

Входящий в состав шины управления сигнал ALE служит для разделения функций, выполняемой совмещенной шиной AD. Для этой цели обычно используется срез ALE (переход из состояния 1 в 0), по которому присутствующая на ширине AD адресная информация должна быть принята во внешний адресный регистр. При напряжении низкого уровня (0) на линии ALE шина AD выполняет функцию передачи данных.

Обычно каждый модуль МС с двухшинной магистралью для фиксации адресной информации, будь то модуль памяти или устройство ввода/вывода, содержит локальный адресный регистр RG или другие средства для запоминания адресной информации по срезу ALE. Этот вариант представлен на рис.2.2.

Рис. 2.2. Двухшинная магистраль с локальными адресными регистрами.

 

Для фиксации адресной информации может быть использован и один общий адресный регистр, в результате МПС с двухшинной магистралью преобразуется в базовый вариант МПС с тремя раздельными шинами. Построенная таким образом система относится уже к классу трехшинных МС. Этот вариант представлен на рис.2.3.

Рис. 2.3. МПС с общим адресным регистром (АR).

В однокристальных микроконтроллерах часто применяется гарвардская архитектурамикропроцессорной системы— это архитектура с раздельными шинами данных и команд. Этот тип архитектуры предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд. Следовательно, взаимодействие процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине и по своему отдельному протоколу.

Гарвардская архитектура также имеет различные варианты исполнения, например в сигнальных процессорах (DSP) применяется модифицированная гарвардская архитектура.

Ее особенность состоит прежде всего в том, что в отличии от привычных нам двух шин: шины адреса и шины данных, а также одного банка памяти, DSP имеет как минимум 6-7 различных шин и 2-3 банка памяти. Эта особенность име­ет своей целью максимально ускорить выполнение операции умножения с сохранением результата, которая, несомненно, является наиболее употребляемой и ресурсоемкой при цифровой обработке сигналов. Ар­хитектура DSP позволяет выполнить практически любую операцию за один машинный цикл.

 

 

Рис. 2.4. МПС гарвардской архитектуры с раздельными шинами данных и команд.

 

У обоих архитектурных решений построения МПС есть свои плюсы и минусы. Архитектура фон-Неймана (принстонская) проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное — чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Гарвардская архитектура сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

Основное преимущество гарвардской архитектуры состоит в быстродействии. Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать и передавать данные (в память или в устройство ввода/вывода ), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов по магистрали происходить не могут, они должны производиться по очереди. Современные процессоры используют конвейерные технологии, которые позволяют им ускорить выполнение команд. Эти процессоры способны совместить во времени выполнение команд и проведение циклов обмена по системной шине.

В случае двухшинной гарвардской архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд — свое.

Двухшинную архитектуру достаточно легко реализовать внутри одной микросхемы. Поэтому основное ее применение — в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.