9.2. ТИПОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ МП И МПС

Физические компоненты и схемы, составляющие МП и МПС, — это их аппаратная часть. Аппаратура способна выполнять только ограниченный набор элементарных операций. Все прочие функциональные. возможности достигаются программным путем, т. е. путем соответствующей организации некоторой совокупности и последовательности выполнения элементарных машинных операций.

Хотя в МП аппаратные средства подчинены программным, однако как те, так и другие находятся в полном распоряжении разработчика. Поэтому необходимо хорошо знать, какие возможности они предоставляют.

Аппаратная часть МП и МПС представляет собой совокупность многократно повторяющихся типовых логических узлов, представляющих, в свою очередь, схемы из типовых логических элементов.

К типовым логическим узлам относятся триггеры, регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры, системы шин, запоминающие устройства и т. д.

С точки зрения способов преобразования информации часть этих узлов может быть классифицирована как комбинационные схемы, с помощью которых выполняются арифметические и логические операции над двумя многоразрядными словами.

Комбинационные схемы — это схемы без памяти.

Другая часть — это последовательностные схемы, осуществляющие операции хранения, сдвига, счета и передачи информации. Последовательностные схемы содержат запоминающие элементы (ЗЭ).

Функциональные возможности МП определяются в основном его комбинационной частью, составляющей основу АЛУ.

Ввиду ограничений на объем пособия ниже будут рассмотрены только шины и кратко охарактеризованы типы запоминающих устройств.

Принцип магистральности дает основной способ уменьшения количества соединений в системах — это применение шин. Число возможных подсоединений к тому или иному блоку лимитируется компоновочными ограничениями интегральных схем или печатных плат. Более того, число связей вообще желательно сводить к минимуму, так как они составляют главную часть стоимости устройства.

Шины — это общие информационные каналы, т. е. каналы, используемые многими устройствами в системе. В общем случае информация по шинам передается в виде слов, представляющих собой группу битов. Отдельные биты слова могут передаваться по отдельным линиям в шине, а могут передаваться и по единственной линии последовательно во времени. В первом случае шины называются параллельными, а во втором — последовательными.

Таким образом, шина — это линия или набор линий, соединяющих между собой отдельные логические устройства и позволяющих какому-то устройству посылать данные одному или нескольким другим устройствам.

Шина может быть однонаправленной — в этом случае одни устройства выступают всегда в качестве посылающих, а другие — всегда в качестве принимающих, шина может быть двунаправленной — в этом случае каждое устройство, подключенное к шине, в какой-то момент может посылать сигналы другим устройствам.

С технической точки зрения способ обмена информацией посредством шин сводится к созданию двунаправленных буферных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и реализации временного мультиплексирования каналов обмена.

Примерами физической реализации шин являются: шина специального исполнения, состоящая из гибких проводов, и шина, выполненная в виде печатной схемы. В любой момент времени, зная логическое состояние шины, можно полностью определить путь, который проходят данные в системе от одной точки к другой.

Для микропроцессорных систем наиболее общей является архитектура с тремя шинами: адресной, данных и управления. Адресная шина всегда является однонаправленной (относительно МП).

При использовании шинной организации как внутри кристалла, так и при подключении нескольких БИС к одной внешней шине возникают трудности, обусловленные способами связи нескольких элементов с одной линией общей шины.

Возможность подключения к шине нескольких входов логичен ских элементов ограничивается лишь нагрузочной способностью схем, к выходу которых эта шина присоединена. При использовании мощных буферных схем нагрузочная способность оказывается достаточной для большинства практических случаев применения шинной организации.

Сложнее организуется подключение выходов нескольких элементов к одной шине. Известны три способа решения этой задачи: логическое объединение; объединение с помощью схем с открытым коллектором («монтажная логика»); объединение с использованием схем с тремя состояниями.

Анализ особенностей различных способов организации общих шин в МП и МПС позволяет сделать выводы, которые подтверждаются практическими разработками: при организации внутренних шин МП, как правило, используются логические объединение и объединение с помощью схем с открытым коллектором; при организации внешних по отношению к МП магистралей, как правило, используется логика с тремя состояниями.