Процессоры современных микроЭВМ (микропроцессоры) обычно изготавливают в виде одной большой интегральной схемы (БИС), имеющей до 300 тыс. элементов в кристалле, или в виде одной печатной платы, на которой кроме процессора часто размещают еще генератор тактовой частоты, часть памяти ЭВМ и ряд других устройств. Такой микропроцессор должен соединяться системой шин с памятью и контроллерами внешних устройств, и

Для связи с памятью (см. рис. 3.1) процессору базовой ЭВМ необходимо передавать адрес (11-разрядная шина адреса), получать команды или операнды (16-разрядная шина “Чтение”) или передавать результаты (16-разрядная шина “Запись”). Кроме того, необходимы провода для передачи ряда управляющих сигналов, т. е. всего около 45 проводов. Для связи с" контроллерами ВУ процессор должен иметь около 30 проводов (8 — шина ввода, 8 — шина вывода, 8 — адрес ВУ, состояние флагов ВУ, запрос на прерыва-, ние и др.).

Следовательно, при изготовлении в виде БИС процессору базовой ЭВМ требуются более 75 выводов (надо подавать еще и питающие напряжения), а при изготовлении на печатной плате — два разъема по 40 или 48 контактов в каждом. Такое количество выводов БИС или печатной платы неоправдано увеличивает их геометрические размеры, массу и стоимость (в настоящее время приходится учитывать стоимость печатных соединений, разъемов и кабелей, служащих для связи между устройствами ЭВМ).

Сокращения выводов БИС (контактов разъемов) добиваются за счет использования двунаправленных шин. Так, вместо шин “Чтение” и “Запись” можно иметь лишь одну шину, по которой в зависимости от значения дополнительного управляющего сигнала (READ/WRITE) данные передаются либо из памяти в процессор, либо в обратном направлении (сокращение на 15 выводов) . Аналогичную двунаправленную шину можно использовать и для связи с контроллерами ВУ (ввод или вывод по сигналу IN/OUT), благодаря чему достигается сокращение еще на 7 выводов. Полученную таким образом структуру (рис. 5.2, а) будем называть структурой с раздельными шинамн

Сходство процессов обмена информацией процессора — ячеек памяти и процессора — регистров контроллеров ВУ приводит к мысли об использовании одних и тех же выводов для связи с памятью и контроллерами ВУ, т. е. об организации структуры, изображенной на рис. 5.2, б. При такой структуре ЭВМ (структуре с изолированными шинами ) число выводов БИС сокращается еще на 16, но исчезает возможность одновременного обмена информацией между процессором, памятью и каким-либо ВУ. Чтобы занять шины для обмена с памятью, процессор подает управляющие сигналы R/W (READ/WRITE), а для обмена с ВУ — сигналы I/O (IN/OUT).

Дальнейшего сокращения выводов БИС микропроцессора с трехшинной структурой (шина адреса, данных и управления) можно добиться за счет объединения адресной шины и шины данных (двухшинная структура на рис. 5.2, в). При этом возникает так называемая ìóëüòèïëåêñèðîâàííàÿ øèíà (от лат. multiplex — многократный), по которой в одни моменты времени передаются адреса, а в другие — данные. Такая структура позволила бы создать БИС микропроцессора базовой ЭВМ всего лишь с 30 выводами.

Еще большего упрощения структуры процессора и шин добиваются за счет исключения команд ввода-вывода из системы команд ЭВМ. При этом часть адресного пространства памяти (пространства, определяемого разрядностью регистра адреса) отводят для адресов регистров контроллеров ВУ и используют для ввода и вывода любые команды ЭВМ, которые осуществляют запись данных в эту “область памяти” (в базовой ЭВМ команда MOV) и чтение из нее (например, ADD, AND из состава команд базовой ЭВМ).

Рис. 5.2. Структуры микроЭВМ:

В первой из них (структура типа представленной на рис. 5.2, г) при 16-разрядной адресной шине адреса с 0000 по DFFF (56K * байт) отведены для ячеек памяти, а адреса с ЕООО до FFFF (8K байт) — для регистров данных контроллеров ВУ. Для ввода-вывода используют команды обращения к па-

мяти с адресами от ЕООО до FFFF. Процессор как бы обманывают, заставляя его выполнять операцию с регистром данных контроллера ВУ, тогда как процессор работает так, как если бы он имел дело с ячейкой памяти ЭВМ.

Во всех современных микропроцессорах (даже в тех, которые имеют команды ввода-вывода) можно организовать ввод-вывод по аналогии с обращением к памяти. Некоторые из них обладают богатым набором команд (в том числе арифметических и логических) и способов адресации операндов, расположенных в памяти ЭВМ. Для таких микропроцессоров организация ввода-вывода по аналогии с обращением к памяти особенно выгодна.

Описание связей между процессором, памятью и контроллерами ВУ, выполненное по типу рис. 5.2, не позволяет ответить на множество чрезвычайно важных вопросов.

Какими напряжениями кодируются двоичные 0 и I?

Ответы на эти и многие другие вопросы можно получить, ознакомившись с системным интерфейсом (англ. interface—общая граница).

К процессору микроЭВМ обычно подключается достаточно много внешних устройств. Это могут быть: различные датчики и исполнительные органы систем управления каким-либо объектом или прибором; устройства для долговременного хранения результатов измерения или обработки экспериментальных данных (магнитные ленты и диски); различные клавиатуры, индикаторы и печатающие устройства. Многие из этих ВУ начала выпускать промышленность задолго до появления современных микроЭВМ и иногда совсем для других целей (например, ВУ телетайп—телеграфный аппарат, имеющий клавиатуру, считыватель с перфоленты, перфоратор и печатающее устройство). ВУ свойственны различное быстродействие, различный набор управляющих сигналов, различные электрические параметры, т. е. их интерфейс (интерфейс ВУ), как правило, не совместим с системным интерфейсом микроЭВМ. Для сопряжения микроЭВМ с ВУ (системного интерфейса с интерфейсом ВУ) используют контроллеры ВУ.

Упрощения и унификации аппаратуры сопряжения добиваются за счет введения промежуточного стандартного интерфейса параллельной или последовательной передачи данных (см. параграфы 8.2, 8.3). В этом случае для подключения к микроЭВМ различных ВУ с такими стандартными интерфейсами можно использовать одинаковые (для данной ЭВМ) контроллеры параллельного или последовательного интерфейса. Такие контроллеры (иногда их называют интерфейсами или адаптерами ) серийно выпускают в виде программируемых БИС для всех распространенных микроЭВМ.

Так как у терминов интерфейс, контроллер и адаптер нет общепринятых четких определений, то в литературе они часто считаются синонимами. В гл. 8 можно ознакомиться с их трактовкой в данной книге.