Методы реакции на внешнее событие

§ С помощью периодического программного контроля факта наступления события (метод опроса флага или Polling). Самая быстрая реакция, но процессор не может заниматься ничем другим;

§ С помощью прерывания, то есть насильственного перевода процессора с выполнения текущей программы на выполнение экстренно необходимой программы ─ программы обработки прерывания. Более медленная реакция, обмен — со скоростью процессора

§ С помощью прямого доступа к памяти (ПДП), то есть без участия процессора при его отключении от системной магистрали. Медленная реакция, обмен — со скоростью контроллера ПДП (быстрее, чем процессор).

Обмен по прерываниям используется тогда, когда необходима реакция микропроцессорной системы на какое-то внешнее событие, на приход внешнего сигнала. В случае компьютера внешним событием может быть, например, нажатие на клавишу клавиатуры или приход по локальной сети пакета данных. Компьютер должен реагировать на это, соответственно, выводом символа на экран или же чтением и обработкой принятого по сети пакета. Процессор, получив запрос прерывания от внешнего устройства (часто называемый IRQ — Interrupt ReQuest), заканчивает выполнение текущей команды и переходит к программе обработки прерывания. Закончив выполнение программы обработки прерывания, он возвращается к прерванной программе с той точки, где его прервали (рис. 8).

Прямой доступ к памяти (ПДП, DMA) — это режим, принципиально отличающийся тем, что обмен по системной шине идет без участия процессора. Внешнее устройство, требующее обслуживания, сигнализирует процессору, что режим ПДП необходим, в ответ на это процессор заканчивает выполнение текущей команды и отключается от всех шин, сигнализируя запросившему устройству, что обмен в режиме ПДП можно начинать. Операция ПДП сводится к пересылке информации из устройства ввода/вывода в память или же из памяти в устройство ввода/вывода. Когда пересылка информации будет закончена, процессор вновь возвращается к прерванной программе, продолжая ее с той точки, где его прервали (рис. 9). Это похоже на режим обслуживания прерываний, но в данном случае процессор не участвует в обмене. Как и в случае прерываний, реакция на внешнее событие при ПДП существенно медленнее, чем при программном режиме. В этом случае требуется введение в систему дополнительного устройства (контроллера ПДП), которое будет осуществлять полноценный обмен по системной магистрали без всякого участия процессора. Причем процессор предварительно должен сообщить этому контроллеру ПДП, откуда ему следует брать информацию и/или куда ее следует помещать. Контроллер ПДП может считаться специализированным процессором, который отличается тем, что сам не участвует в обмене, не принимает в себя информацию и не выдает ее. В принципе контроллер ПДП может входить в состав устройства ввода/вывода, которому необходим режим ПДП или даже в состав нескольких устройств ввода/вывода.

До сих пор мы рассматривали только один тип архитектуры микропроцессорных систем — архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд (одношинную, или принстонскую, фон-неймановскую архитектуру). Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд (рис. 10). Но существует также и альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы — это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская, архитектура). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд (рис. 11). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине. Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с раздельными шинами применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах.

Сравнение архитектур

§ Одношинная (принстонская) архитектура — проще, меньше требований к процессору, более гибкое перераспределение памяти между программами и данными (память обычно большая), но медленнее (тратится время на чтение команд). Сложные универсальные системы.

§ Двухшинная (гарвардская) архитектура — сложнее, больше требований к процессору(одновременное обслуживание двух потоков), нельзя перераспределять память (память обычно небольшая), но быстрее (команды читаются одновременно с пересылкой данных). Простые однокристальные системы — специализированные

Назначение регистров процессора представлено на рис.14. Особые области памяти МПС представлены на рис.18

Структура модуля памяти представлена на рис.17.

Методы ускорения работы памяти

§ Уменьшение внутренних временных задержек в памяти — совершенствование технологии;

§ Использование статической оперативной памяти вместо динамической — только в небольших микропроцессорных системах (дороже);

§ Добавление небольшой быстрой статической памяти к большой медленной динамической — кэш-память;

§ Использование копии содержимого постоянной памяти в оперативной памяти;

§ Оптимизация структуры модулей памяти и способов обмена с модулями памяти.

Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления. Понятно, что мультиплексированная шина адреса / данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительного цикла обмена Иногда в магистралях применяется частичное мультиплексирование, то есть часть разрядов данных передается по немультиплексированным линиям, а другая часть — по мультиплексированным с адресом линиям.

§ Достоинство мультиплексирования — уменьшение количества линий магистрали;

§ Недостаток мультиплексирования — снижение скорости обмена по магистрали;

§ Возможно частичное мультиплексирование (часть данных — по отдельной шине, часть — по шине адреса/данных)

На прохождение сигналов по магистрали влияют следующие факторы (рис.12):

1. конечная величина задержки распространения сигналов по линиям магистрали;
2. различие задержек распространения сигналов по разным линиям шины;
3. неодновременное выставление сигналов на линии шины;
4. искажение фронтов сигналов, проходящих по линиям магистрали;
5. отражение сигналов от концов линий связи

Для учета всех этих факторов разработчики стандартных магистралей обмена и стандартных протоколов обмена всегда закладывают необходимые задержки между сигналами, участвующими в обмене. Кроме того, задержки между сигналами выбираются таким образом, чтобы устройство, которому адресован тот или иной сигнал, имело достаточно времени для его обработки. Поэтому пытаться "модернизировать" какой-то стандартный протокол и ускорять обмен по магистрали путем уменьшения задержек, предусмотренных стандартом, очень опасно. Точно так же опасно, не изменяя протокола обмена, пытаться увеличить длину магистрали, увеличивая тем самым задержки распространения сигналов по линиям и шинам.

Например, длительность фазы данных в цикле чтения должна выбираться такой, чтобы устройство-исполнитель успело получить строб чтения и выдать код читаемых данных на шину данных. Затем этот код должен успеть дойти до процессора и процессор должен успеть его прочитать. После чего процессор снимает сигнал строба чтения, этот задний фронт сигнала доходит с задержкой до устройства-исполнителя, которое также с задержкой снимает свой код данных. Для улучшения формы сигналов, распространяющихся по магистрали, иногда применяют оконечные согласователи (терминаторы) на концах линий магистрали. Особенно важно их применение в случае, когда допустимая длина магистрали превышает несколько метров. Например, в случае магистрали Q-bus применяются два типа согласователей: 120-омный и 250-омный (рис. 13).

Структура устройства ввода/вывода представлена на рис.16. Основные типы устройств ввода/вывода: Устройства интерфейса пользователя (ввод — клавиатура, мышь, джойстик; вывод — дисплей, индикаторы); Звуковые устройства (ввод — микрофон, линейный вход; вывод — динамик, линейный выход); Устройства долговременного хранения информации (диски) — в простейших системах отсутствуют; Таймерные устройства — могут не иметь выхода наружу, но необходимы для контроля времени (часы, интервалы); Контроллеры связных интерфейсов — USB, локальная сеть, Wi-Fi — для связи с удалёнными внешними устройствами и другими микропроцессорными системами.

Программы составляются на языках высокого уровня (удобные для разработчика, не зависящие от аппаратуры, имеющие развитые готовые средства обработки и отображения, программы легко переносятся на другую аппаратуру; но формируют большие и медленные программы (Си, Паскаль, Фортран и т.д.)) и я зыках низкого уровня (максимально приближены к аппаратуре, на другой аппаратуре могут не работать, трудно писать сложные программы обработки, формируют максимально компактные и быстрые программы (язык машинных кодов, Ассемблер)). Сочетание языков высокого и низкого уровней даёт оптимальные результаты.

 

Лист 22 Цифровые запоминающие устройства