Структура микропроцессорной системы

Структура микропроцессорной системы

МПС - сложная система, включающая в себя большое количество различных устройств. Основой ее является микропроцессор. Связь устройств ЭВМ между собой осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

Интерфейс - это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для передачи информации между компонентами ЭВМ и включающих в себя электронные схемы, линии, шины и сигналы адресов, данных и управления, алгоритмы передачи сигналов и правила интерпретации сигналов устройствами.

В широком смысле интерфейс включает также механическую часть (совместимость по типоразъемам) и вспомогательные схемы, обеспечивающие электрическую совместимость устройств по уровням логических сигналов, входным и выходным токам и т. д.

Подробное изучение интерфейсов и системных шин не входит в задачи данного курса. Поэтому эти вопросы мы будем рассматривать лишь с точки зрения общего представления об организации работы микропроцессорной системы и принципах взаимодействия составляющих ее устройств.

Основным способом организации МПС является магистрально-модульный (рис. 8.1): все устройства, включая и микропроцессор, представляются в виде модулей, которые соединяются между собой общей магистралью. Обмен информацией по магистрали удовлетворяет требованиям некоторого общего интерфейса, установленного для магистрали данного типа. Каждый модуль подключается к магистрали посредством специальных интерфейсных схем.

На интерфейсные схемы модулей возлагаются следующие задачи:

Эти интерфейсные схемы могут быть достаточно сложными. Обычно они выполняются в виде специализированных микропроцессорных БИС. Такие схемы принято называть контроллерами.

Контроллеры обладают высокой степенью автономности, что позволяет обеспечить параллельную во времени работу периферийных устройств и выполнение программы обработки данных микропроцессором.

Кроме того, предварительно буферируя данные, контроллеры обеспечивают пересылку сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование так называемого "взрывного"

(burst) режима работы шины - 1 цикл адреса и следующие за ним многочисленные циклы данных.

Недостатком магистрально-модульного способа организации ЭВМ является невозможность одновременного взаимодействия более двух модулей, что ставит ограничение на производительность компьютера.

Взаимодействие микропроцессора с оперативной памятью (ОП) и внешними устройствами (ВУ) проиллюстрировано на рис. 8.2.

Микропроцессор формирует адрес внешнего устройства или ячейки оперативной памяти и вырабатывает управляющие сигналы - либо IOR/IOW при обращении на чтение/запись из внешнего устройства, либо MR/MW для чтения/записи из оперативной памяти.

Для обмена информацией с внешними устройствами в МП имеются только 2 команды:

Сигналы IOR/IOW формируются при выполнении только этих команд.

Формирование сигналов MR/MW происходит в командах, для которых операнд и/или приемник результата располагаются в оперативной памяти, например, ADD [EBX], AX.

В связи с этим возможны два основных способа организации адресного пространства микропроцессорной системы:

В первом случае к портам ввода/вывода можно обращаться как к ячейкам оперативной памяти. Достоинством такого подхода является возможность использовать различные режимы адресации при обращении к внешним устройствам, а также выполнять над содержимым портов ввода/вывода различные арифметико-логические операции. Но в то же время при этом сокращается емкость адресуемой ОП и снижается защищенность системы, так как она лишается дополнительных средств защиты, связанных с выполнением команд ввода/вывода (не работает поле IOPL регистра флагов). К тому же нарушение в логике работы программы (формирование неверного адреса оперативной памяти) может привести к ложному срабатыванию внешнего устройства.

Если первый недостаток не столь существенен при современных объемах запоминающих устройств, то второй может весьма негативно сказаться на работе МПС. Возможность использования сложных режимов адресации при обращении к внешним устройствам для микропроцессорных систем на основе универсальных МП не столь важна. Поэтому в настоящее время при построении МПС предпочтение отдается второму подходу.

Рассмотрим особенности обмена информацией микропроцессора с внешними устройствами. Упрощенная временная диаграмма этого процесса представлена на рис. 8.3.

При таком обмене микропроцессор использует стандартный цикл шины длительностью 2 периода тактового генератора, начало которого определяется сигналом A DS шины.

Однако если в обмене задействованы относительно медленное внешнее устройство или оперативная память, которые не успевают завершить обмен в текущем цикле работы микропроцессора, то они сбрасывают сигнал READY, который проверяется микропроцессором в конце второго тактового сигнала цикла. При READY = 0 МП вставляет дополнительные такты ожидания в цикл шины, чтобы дать возможность внешнему устройству завершить операцию ввода/вывода. Однако сигнал неготовности внешнего устройства не может длиться более установленного времени (для шины ISA - 2,5 мкс), в противном случае генерируется прерывание по ошибке ввода/вывода. Это предотвращает зависание системы в случае, например, механического повреждения данного контакта.

В общем случае стандартный цикл шины при обмене уже включает несколько дополнительных тактов ожидания. При этом циклы обращения к памяти короче циклов обращения к портам ввода/вывода. Минимальная длительность цикла определяется чипсетом и может программироваться опциями BIOS Setup заданием тактов ожидания. Если ОП или внешнее устройство не нуждаются в дополнительных тактах, то их контроллеры выставляют на шину сигнал OWS, по которому дополнительные такты не вставляются.

Прямой доступ к памяти

В МПС используются два основных способа организации передачи данных между памятью и периферийными устройствами: программно управляемая передача и прямой доступ к памяти ПДП ( Direct Memory Access - DMA ).

Программно управляемая передача данных осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора. Например, при пересылке блока данных из внешнего устройства в оперативную память процессор должен выполнить следующую последовательность шагов:

Как мы видим, программно управляемый обмен ведет к нерациональному использованию мощности микропроцессора, который вынужден выполнять большое количество относительно простых операций, приостанавливая работу над основной программой. При этом действия, связанные с обращением к оперативной памяти и к внешнему устройству, обычно требуют удлиненного цикла работы микропроцессора, что приводит к еще более существенным потерям производительности.

Альтернативой программно управляемому обмену служит прямой доступ к памяти - способ быстродействующего подключения внешнего устройства, при котором оно обращается к оперативной памяти, не прерывая работы процессора. Такой обмен происходит под управлением отдельного устройства - контроллера прямого доступа к памяти (КПДП).

Схема включения КПДП в состав микропроцессорной системы представлена на рис. 8.4.

Перед началом работы контроллер ПДП необходимо инициализировать: занести начальный адрес области ОП, с которой производится обмен, и длину передаваемого массива данных. В дальнейшем по сигналу запроса прямого доступа контроллер фактически выполняет все те действия, которые обеспечивал микропроцессор при программно управляемой передаче.

Последовательность действий КПДП при запросе на прямой доступ к памяти со стороны внешнего устройства следующая:

Прямой доступ к памяти позволяет осуществлять обмен данными между внешним устройством и оперативной памятью параллельно с выполнением процессором программы.

Структура КПДП представлена на рис. 8.5.

Контроллер состоит из 4 идентичных каналов, позволяющих подключить к системе до четырех устройств, работающих в режиме ПДП.

В состав каждого канала входят следующие регистры:

Значения в регистрах BAR и WCR устанавливаются при инициализации и в ходе циклов ПДП не меняются. В регистры CAR и CWR в начале выполнения ПДП заносятся значения из регистров BAR и WCR соответственно. При выполнении ПДП эти регистры изменяются.

Управляющие регистры, общие для всего контроллера:

Во избежание ложных срабатываний внешних устройств, не использующих в данный момент режим прямого доступа, контроллер ПДП во время режима ПДП вырабатывает сигнал AEN, который блокирует работу остальных внешних устройств:

Для увеличения количества внешних устройств, которые могут быть подключены к микропроцессору в режиме ПДП, используется каскадное включение КПДП (рис. 8.6).

При этом ведомый КПДП подключается к одному из каналов ведущего контроллера по схеме подключения внешнего устройства, а непосредственно с микропроцессором связывается только ведущий контроллер. В стандартной конфигурации персональной ЭВМ применяются два КПДП (ведущий и ведомый), которые позволяют подключить до 7 внешних устройств, причем 2 канала закреплены за накопителями на жестком и гибком

дисках. В максимальной конфигурации при использовании ведущего и 4 ведомых КПДП, подключенных к каждому из каналов ведущего, к МП можно подключить до 16 внешних устройств, работающих в режиме ПДП.

Назначение и функции чипсета в микропроцессорной системе

Чипсет (chIPset) - это набор БИС (обычно 1-3 микросхемы), функционально эквивалентный микросхемам, входящим в стандартную конфигурацию микропроцессорной системы.

Как правило, чипсет интегрирует в себе функции следующих устройств:

Обычно в составе чипсета выделяют:

Выбор чипсета во многом определяет конфигурацию МПС и ее производительность. Если МП можно заменить, а емкость ОЗУ увеличить, то замена чипсета однозначно связана с заменой системной платы, а ограничения чипсета также однозначно ограничивают возможности замены других элементов МПС: МП, ОЗУ, внешних устройств.

Чипсет накладывает ограничения на следующие функциональные характеристики системы в целом: тип памяти, тип кэш-памяти второго и/или третьего уровня, тип МП, максимальная частота системной шины, тип шины PCI (32- или 64-разрядная); поддержка многопроцессорной конфигурации и некоторые другие характеристики.

Практика показывает, что разница в производительности системных плат разных фирм, построенных с применением одного и того же чипсета, составляет от силы несколько процентов, между тем как тот же параметр для различных чипсетов может отличаться на порядок.

Рассмотрим использование чипсета на примере организации микропроцессорной системы на базе МП Pentium III на ядре Katmai (рис. 8.7).

Частота шины PCI составляет 33 МГц и при частоте системной шины и 66, и 100 МГц (используется деление частоты на 2 и 3 соответственно). AGP ( Accelerated GraphiCS Port ) - 32-разрядная шина (тактовая частота всегда 66 МГц), используемая для подключения графического адаптера и позволяющая ускорить обмен данными между графическим адаптером и основной памятью. В режиме AGP 2х эффективная частота в 133

МГц обеспечивается использованием обоих фронтов импульсов частоты 66 МГц. Шина ISA работает на частоте 8 МГц. За ее функционирование отвечает мост PCI/ISA, являющийся обычным PCI-устройством (просто встроенным в чипсет).

Системная шина может работать на разной частоте, но все эти варианты совместимы по разводке и электрически, что создает почву для "разгона".

Таким образом, при смене частоты системной шины, например, с 66 на 100 МГц замене подлежат лишь три устройства: процессор, чипсет и память. Никакие другие устройства не заметят подмены шины - ни AGPвидеоадаптеры, ни любой из PCI-контроллеров, ни старые ISA-карты. В этом и заключается принципиальное отличие шины 100 МГц от шины 66

МГц, разогнанной до 75/83 МГц. В первом случае новый чипсет обеспечивает работу PCI на частоте 33 (100/3) МГц, во втором старый чипсет и не подозревает о "разгоне" и продолжает делить частоту системной шины на 2, а в итоге частота PCI-шины равна 37,5 или 41,5 МГц, что может привести к неправильной работе некоторых PCI-устройств.

Краткие итоги. В лекции рассмотрены вопросы организации микропроцессорных систем, взаимодействия входящих в нее устройств. Подробно изложен режим прямого доступа в память и используемый, представлена структура контроллера ПДП. Описаны функции чипсета в микропроцессорной системе.