Шпаргалка по дисциплине: «Микропроцессоры и микропроцессорные системы»

  Программная модель внешнего устройства

  Подключение внешних устройств к системной  шине осуществляется посредством электронных  схем, называемых контроллерами ВВ (интерфейсами ВВ). Они согласуют  уровни электрических сигналов, а также преобразуют машинные данные в формат, необходимый устройству, и наоборот. Обычно контроллеры ВВ конструктивно оформляются вместе с процессором в виде интерфейсных плат.

  В процессе ввода/вывода передается информация двух видов: управляющие данные (слова) и собственно данные, или данные-сообщения. Управляющие данные от процессора, называемые также командными словами или приказами, инициируют действия, не связанные непосредственно с передачей данных, например запуск устройства, запрещение прерываний и т.п. Управляющие данные от внешних устройств называются словами состояния; они содержат информацию об определенных признаках, например о готовности устройства к передаче данных, о наличии ошибок при обмене и т.п. Состояние обычно представляется в декодированной форме - один бит для каждого признака.

  Регистр, содержащий группу бит, к которой  процессор обращается в операциях  ВВ, образует порт ВВ. Таким образом, наиболее общая программная модель внешнего устройства, которое может  выполнять ввод и вывод, содержит четыре регистра ВВ: регистр выходных данных (выходной порт), регистр входных данных (входной порт), регистр управления и регистр состояния (рис. 3.1). Каждый из этих регистров должен иметь однозначный адрес, который идентифицируется дешифратором адреса. В зависимости от особенностей устройства общая модель конкретизируется, например, отдельные регистры состояния и управления объединяются в один регистр, в устройстве ввода (вывода) имеется только регистр входных (выходных) данных, для ввода и вывода используется двунаправленный порт.

  Рис. 3.1. Программная  модель внешнего устройства

  Непосредственные  действия, связанные с вводом/выводом, реализуются одним из двух способов, различающихся адресацией регистров  ВВ.

  Интерфейс с изолированными шинами характеризуется  раздельной адресацией памяти и внешних  устройств при обмене информацией. Изолированный ВВ предполагает наличие специальных команд ввода/вывода, общий формат которых показан на рис. 3.2. При выполнении команды ввода IN содержимое адресуемого входного регистра PORT передается во внутренний регистр REG процессора, а при выполнении команды OUT содержимое регистра REG передается в выходной порт PORT. В процессоре могут быть и другие команды, относящиеся к ВВ и связанные с проверкой и модификацией содержимого регистра управления и состояния.

  Рис. 3.2. Команды  ввода/вывода (общий формат)

  Нетрудно  заметить, что в этом способе адресное пространство портов ввода и вывода изолировано от адресного пространства памяти, т.е. в ЭВМ один и тот  же адрес могут иметь порт ВВ и ячейка памяти. Разделение адресных пространств осуществляется с помощью управляющих сигналов, относящихся к системам ВВ и памяти (MEMRD# - считывание данных из памяти, MEMWR# - запись данных в память, IORD# - чтение порта ВВ, IOWR# - запись в порт ВВ) (# - активный низкий уровень сигналов).

  В ЭВМ, рассчитанной на изолированный ВВ, нетрудно перейти  к ВВ, отображенному на память. Если, например, адресное пространство памяти составляет 64 Кбайт, а для программного обеспечения достаточно 32 Кбайт, то область адресов от 0 до 32 К-1 используется для памяти, от 32 К до 64 К-1 - для ввода/вывода. При этом признаком, дифференцирующим обращения к памяти и портам ВВ, может быть старший бит адреса.

  Таким образом, интерфейс с общими шинами (ввод/вывод с отображением на память) имеет организацию, при которой часть общего адресного пространства отводится для внешних устройств, регистры которых адресуются так же, как и ячейки памяти. В этом случае для адресации портов ВВ используются полные адресные сигналы: READ - чтение, WRITE - запись.

  В операционных системах ЭВМ имеется набор подпрограмм (драйверов ВВ), управляющих операциями ВВ стандартных внешних устройств. Благодаря им пользователь может  не знать многих особенностей ВУ и  интерфейсов ВВ, а применять четкие программные протоколы.  

  Вопрос  №15

        Способы обмена информацией  в микропроцессорной системе

  В ЭВМ  применяются три режима ввода/вывода: программно-управляемый ВВ (называемый также программным или нефорсированным  ВВ), ВВ по прерываниям (форсированный ВВ) и прямой доступ к памяти. Первый из них характеризуется тем, что инициирование и управление ВВ осуществляется программой, выполняемой процессором, а внешние устройства играют сравнительно пассивную роль и сигнализируют только о своем состоянии, в частности, о готовности к операциям ввода/вывода. Во втором режиме ВВ инициируется не процессором, а внешним устройством, генерирующим специальный сигнал прерывания. Реагируя на этот сигнал готовности устройства к передаче данных, процессор передает управление подпрограмме обслуживания устройства, вызвавшего прерывание. Действия, выполняемые этой подпрограммой, определяются пользователем, а непосредственными операциями ВВ управляет процессор. Наконец, в режиме прямого доступа к памяти, который используется, когда пропускной способности процессора недостаточно, действия процессора приостанавливаются, он отключается от системной шины и не участвует в передачах данных между основной памятью и быстродействующим ВУ. Заметим, что во всех вышеуказанных случаях основные действия, выполняемые на системной магистрали ЭВМ, подчиняются двум основным принципам.  
1. В процессе взаимодействия любых двух устройств ЭВМ одно из них обязательно выполняет активную, управляющую роль и является задатчиком, второе оказывается управляемым, исполнителем. Чаще всего задатчиком является процессор.  
2. Другим важным принципом, заложенным в структуру интерфейса, является принцип квитирования (запроса - ответа): каждый управляющий сигнал, посланный задатчиком, подтверждается сигналом исполнителя. При отсутствии ответного сигнала исполнителя в течение заданного интервала времени формируется так называемый тайм-аут, задатчик фиксирует ошибку обмена и прекращает данную операцию.

  Программно-управляемый  ввод/вывод

  Данный  режим характеризуется тем, что все действия по вводу/выводу реализуются командами прикладной программы. Наиболее простыми эти действия оказываются для "всегда готовых" внешних устройств, например индикатора на светодиодах. При необходимости ВВ в соответствующем месте программы используются команды IN или OUT. Такая передача данных называется синхронным или безусловным ВВ.

  Однако  для большинства ВУ до выполнения операций ВВ надо убедиться в их готовности к обмену, т.е. ВВ является асинхронным. Общее состояние устройства характеризуется флагом готовности READY, называемым также флагом готовности/занятости (READY/BUSY). Иногда состояния готовности и занятости идентифицируются отдельными флагами READY и BUSY, входящими в слово состояния устройства.

  Процессор проверяет флаг готовности с помощью одной или нескольких команд. Если флаг установлен, то инициируются собственно ввод или вывод одного или нескольких слов данных. Когда же флаг сброшен, процессор выполняет цикл из 2-3 команд с повторной проверкой флага READY до тех пор, пока устройство не будет готово к операциям ВВ (рис. 3.10). Данный цикл называется циклом ожидания готовности ВУ и реализуется в различных процессорах по-разному.

  Рис. 3.10. Цикл программного ожидания готовности внешнего устройства

  Основной  недостаток программного ВВ связан с  непроизводительными потерями времени  процессора в циклах ожидания. К  достоинствам следует отнести простоту его реализации, не требующей дополнительных аппаратных средств.  
 

  Вопрос  №16

  Память  в микропроцессорной системе

  Для хранения информации в микропроцессорных  системах используются запоминающие устройства на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические внешние носители. Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) собственно памяти и элементов, включенных в состав других ИМС, не выполняющих непосредственно функцию хранения программ и данных - это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры различных устройств.

  Для создания элементов запоминающих устройств, в основном, применяют СБИС со структурой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) на основе кремния (в связи с тем, что в качестве диэлектрика чаще всего используют его оксид Si02, то их обычно называют МОП (металл-оксид-полупроводник) структурами).

  Для функционирования компьютерной системы необходимо наличие  как оперативного запоминающего  устройства (ОЗУ), так и постоянного  запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего сохранение информации при выключении питания. ОЗУ может быть статическим и динамическим, а ПЗУ однократно или многократно программируемым.

  Степень интеграции, быстродействие, электрические  параметры ЗУ при записи и хранении информации, помехоустойчивость, долговременная стабильность, стабильность к внешним неблагоприятным факторам при функционировании и т.д. зависят от физических принципов работы приборов, применяемых материалов при производстве ИМС и параметров технологических процессов при их изготовлении.

  На развитие микропроцессорной техники решающее значение оказывает технология производства интегральных схем.

  Полупроводниковые интегральные микросхемы подразделяются на биполярные ИМС и МОП схемы, причем первые - более быстродействующие, а вторые имеют большую степень интеграции, меньшую потребляемую мощность и меньшую стоимость. Цифровые микросхемы могут по идеологии, конструкторскому решению, технологии относится к разным семействам, но выполнять одинаковую функцию, т.е. быть инвертором, триггером или процессором. Наиболее популярными семействами можно назвать у биполярных ИМС: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ТТЛШ (с диодами Шоттки), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика); у МДП: n-МОП и КМОП.

  Базовым материалом для изготовления ИМС является кремний. Несмотря на то, что он не обладает высокой подвижностью носителей заряда (mn=1500 см2/Вс), а значит, приборы на его основе теоретически будут уступать по быстродействию приборам на основе арсенида галлия GaAs, однако система Si-SiO2 существенно более технологична. С другой стороны, приборы на кремниевой основе кремний-оксид кремния) обладают совершенной границей раздела Si-SiO2, химической стойкостью, электрической прочностью и другими уникальными свойствами.

  Технологический цикл производства ИМС включает:  
- эпитаксиальное наращивание слоя на подготовленную подложку;  
- наращивание слоя SiO2 на эпитаксиальный слой;  
- нанесение фоторезиста, маскирование и вытравливание окон в слое;  
- легирование примесью путем диффузии или имплантацией;  
- аналогично повторение операций для подготовки других легиро-ванных областей;  
- повторение операций для создания окон под контактные площадки;  
- металлизацию всей поверхности алюминием или поликремнием;  
- повторение операций для создания межсоединений;  
- удаление излишков алюминия или поликремния;  
- контроль функционирования;  
- помещение в корпус;  
- выходной контроль.

  Наиболее  критичным для увеличения степени  интеграции является процесс литографии, т.е. процесс переноса геометрического рисунка шаблона на поверхность кремниевой пластины. С помощью этого рисунка формируют такие элементы схемы, как электроды затвора, контактные окна, металлические межкомпонентные соединения и т.п. На первой стадии изготовления ИМС после завершения испытаний схемы или моделирования с помощью ЭВМ формируют геометрический рисунок топологии схемы. С помощью электронно-лучевого устройства или засветки другим способом топологический рисунок схемы последовательно, уровень за уровнем можно переносить непосредственно на поверхность кремниевой пластины, но чаще на фоточувствительные стеклянные пластины, называемые фотошаблонами. Между переносом топологического рисунка с двух шаблонов могут быть проведены операции ионной имплантации, загонки, окисления и металлизации. После экспонирования пластины помещают в раствор, который проявляет изображение в фоточувствительном материале - фоторезисте.

  Увеличивая  частоту колебаний световой волны, можно уменьшить ширину линии  рисунка, т. е. сократить размеры  интегральных схем. Но возможности этой технологии ограничены, поскольку рентгеновские лучи трудно сфокусировать. Один из вариантов - использовать сам свет в качестве шаблона (так называемое позиционирование атомов фокусированным лазерным лучом). Этим способом, осветив двумя взаимно перпендикулярными лазерными пучками, можно изготовить решетку на кремниевой пластине из хромированных точек размером 80 нм. Сканируя лазером поверхность для создания произвольного рисунка интегральных наносхем, теоретически можно создавать схемы с шириной линии рисунка в 10 раз меньшей, чем сегодняшние. Второе ограничение при литографии накладывает органическая природа фоторезиста. Путь ее решения - применение неорганических материалов, например, оксидов ванадия.

  Физические  процессы, протекающие в изделиях микроэлектроники (и в микросхемах памяти тоже), технология изготовления и конструктивные особенности ИМС высокой степени интеграции могут влиять на архитектуру и методы проектирования ЭВМ и систем. Естественно, уменьшение геометрических размеров транзисторов приводит к увеличению электрических полей, особенно в районе стока. Это может привести к развитию лавинного пробоя и, как следствие, к изменению выходной ВАХ МОП транзистора:  
- включению паразитного биполярного транзистора (исток-подложка-сток);  
- неравномерному заряжению диэлектрика у стока;  
- деградации приповерхностной области полупроводника;  
- пробою диэлектрика.