Раздел 4. Функции контроллеров и их техническая реализация .

План

· Классификация, назначение контроллеров и их техническая реализация.

· Организация параллельного интерфейса на примере параллельного порта IBM PC. Логическая организация.

· Электрическая организация.

· Уровни сигналов и быстродействие.

· Регистры параллельного порта.

· Управляющий и статусный регистры.

· Различия в способах организации обмена по параллельному порту.

· Параллельно-последовательный контроллер.     

· Асинхронный режим обмена на примере последовательного порта компьютера.

· Последовательный синхронный и периферийный интерфейсы.

· Сходство и различия.

· Режимы Master и Slave на примере однокристальных микроконтроллеров семейства PIC. Шина I2C.

· Логическая и электрическая организация.

· Процедуры START и STOP.

· Запись данных.

· Чтение данных.

· Режимы Master и Slave.

· Аппаратная реализация интерфейса.

· Встроенные в микроконтроллеры модули I2C.

· Возможные коллизии на шине.

· Арбитраж шины.

· Мультимастерный режим функционирования шины.

 

Сразу же оговоримся, что под интерфейсами персонального компьютера в данном случае имеются в виду только внешние интерфейсы, то есть средства сопряжения с внешними по отношению к компьютеру в целом устройствами. При этом внешние устройства могут быть как стандартными (например, принтер или модем), так и нестандартными (например, измерительные и управляющие модули, приборы, установки).

В настоящее время компьютеры могут иметь множество внешних интерфейсов. Наиболее распространены следующие:

· системная шина (магистраль) ISA;

· шина PCI;

· шина AGP;

· шина PC Cards (старое название PCMCIA) — обычно только в ноутбуках;

· параллельный порт (принтерный, LPT-порт) Centronics;

· последовательный порт (COM-порт) RS-232C;

· последовательный порт USB (Universal Serial Bus);

· последовательный инфракрасный порт IrDA.

Кроме того, компьютеры могут иметь разъемы для подключения внешнего монитора, клавиатуры, мыши. Некоторые компьютеры имеют встроенные модемы и сетевые адаптеры, тогда они располагают, соответственно, телефонным и сетевым внешними интерфейсами.

Подключение стандартных внешних устройств обычно не вызывает никаких проблем: надо только присоединить устройство к компьютеру соответствующим стандартным кабелем и (возможно) установить на компьютер программный драйвер. Знать особенности внешних интерфейсов пользователю в данном случае не обязательно. В случае инфракрасного порта не нужен даже кабель.

Гораздо сложнее ситуация, когда к компьютеру требуется присоединить нестандартное внешнее устройство. В этом случае необходимо доскональное знание особенностей используемых интерфейсов и умение эффективно с ними работать. Ограниченный объем книги не позволяет полностью рассмотреть данный вопрос, поэтому мы остановимся только на общем описании некоторых внешних интерфейсов компьютера.

Чаще всего для подключения нестандартных внешних устройств используются системная магистраль ISA, параллельный интерфейс Centronics (LPT) и последовательный интерфейс RS-232C (COM).

Системная магистраль ISA

Системная шина (магистраль) ISA была разработана специально для персональных компьютеров типа IBM PC AT и является фактическим стандартом. В то же время, отсутствие официального международного статуса магистрали ISA (она не утверждена в качестве стандарта ни одним международным комитетом по стандартизации) приводит к тому, что многие производители допускают некоторые отклонения от фирменного стандарта.

ISA явилась расширением магистрали компьютеров IBM PC и IBM PC XT. В ней было увеличено количество разрядов адреса и данных, увеличено число линий аппаратных прерываний и каналов ПДП, а также повышена тактовая частота. К 62-контактному разъему прежней магистрали был добавлен 36-контактный новый разъем. Тем не менее, совместимость была сохранена, и платы, предназначенные для IBM PC XT, годятся и для IBM PC AT. Характерное отличие ISA состоит в том, что ее тактовый сигнал не совпадает с тактовым сигналом процессора, как это было в IBM PC XT, поэтому скорость обмена по ней не пропорциональна тактовой частоте процессора.

Магистраль ISA относится к немультиплексированным (то есть имеющим раздельные шины адреса и данных) 16-разрядным системным магистралям среднего быстродействия. Обмен осуществляется 8-ми или 16-ти разрядными данными. На магистрали реализован раздельный доступ к памяти компьютера и к устройствам ввода/вывода (для этого имеются специальные сигналы). Максимальный объем адресуемой памяти составляет 16 Мбайт (24 адресные линии). Максимальное адресное пространство для устройств ввода/вывода — 64 Кбайт (16 адресных линий), хотя практически все выпускаемые платы расширения используют только 10 младших адресных линий (1 Кбайт). Магистраль поддерживает регенерацию динамической памяти, радиальные прерывания и прямой доступ к памяти. Допускается также захват магистрали.

Разъем магистрали ISA разделен на две части, что позволяет уменьшать размеры 8-разрядных плат расширения, а также использовать платы, разработанные для компьютеров IBM PC XT. Внешний вид плат расширения показан на рис. 8.1. Назначение контактов разъемов представлено в табл. 8.1 и 8.2. На магистрали присутствуют четыре напряжения питания: +5 В, –5 В, +12 В и –12 В, которые могут использоваться платами расширения.

Рис. 8.1. Нумерация контактов разъема ISA (для IBM PC XT — только А1... А31 и В1... В31).

В роли задатчика (Master) магистрали могут выступать процессор, контроллер ПДП, контроллер регенерации или другое устройство. Исполнителями (Slave) могут быть системные устройства компьютера, подключенные к ISA, или платы (карты) расширения.

Наиболее распространенное конструктивное исполнение магистрали — разъемы (слоты), все одноименные контакты которых параллельно соединены между собой, то есть все разъемы абсолютно равноправны. В слоты устанавливаются платы расширения, которые оснащены интерфейсными разъемами магистрали, выполненными печатными проводниками на краю платы. Количество установочных мест для плат расширения зависит от типа корпуса компьютера и составляет обычно от 2 до 8 и даже более.

В таблицах 8.1 и 8.2 знак минус перед названием сигнала говорит о том, что активному (рабочему) уровню сигнала соответствует низкий уровень напряжения на соответствующей линии магистрали. На линиях адреса и данных логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а единице — высокий (то есть логика положительная).

Таблица 8.1. Назначение контактов разъема магистрали ISA (продолжение в Табл. 8.2).