Общая структура МПС

 

Асинхронный способ по методу регистрации  сигналов делится на:

 

• стробируемый;
• «запрос-ответ».

 

Метод стробирования

 

Строб – дополнительный сигнал, является подтверждением действительности других сигналов.

Стробирование может осуществляться по фронту или по уровню.

Синхронный способ

 

В синхронном способе передачи информации выделяют изохронный метод.

 

Синхронизация бывает:

 

• внутренняя
• внешняя

 

Изохронный метод

 

В этом методе передачи информации возможна потеря данных. Здесь сам приемник определяет какие данные принимать, а какие нет (например для звуковой информации).

 

Внешняя синхронизация

 

Сигналы синхронизации поступают  вместе с данными. В этом случае форма  сигналов может быть неправильной. Поэтому внешняя синхронизация используется только при передаче на небольшие расстояния, т.е. внутри платы.

 

Внутренняя синхронизация

Достоинства:

• достаточно двух линий: сигнал и земля;
• высокая частота;
• высокая надежность связи;
• длина пакета определяется взаимной синхронностью передатчики и приемника.

Синхроимпульсы обеспечивают синхронизацию  передаваемых бит, а начало передачи отмечается по-разному.

При организации внешней синхронизации сигнал начала передачи BD генерируется передатчиком и передается на приемник по специальной линии (Рис. 3.6).

В системах с внутренней синхронизацией отсутствует линия BD, а на линию данных генерируются специальные коды длиной 1-2 байта - “символы синхронизации”. Для каждого приемника предварительно определяются конкретные синхросимволы, таким образом можно осуществлять адресацию конкретного абонента из нескольких, работающих на одной линии. Каждый приемник постоянно принимает биты с RxD, формирует символы и сравнивает с собственными синхросимволами. При совпадении синхросимволов последующие биты поступают в канал данных приемника.

 

Асинхронно-синхронный способ

 

Предположим, что мы умеем преобразовывать  каждый байт в поток единиц и нулей, то есть биты, которые могут быть переданы через среду связи (например, телефонную линию). В самом деле, универсальный асинхронный приемопередатчик (UART), как мы увидим ниже, выполняет точно такую же функцию. Обычно, в то время как линия находится в режиме ожидания, для демонстрации того, что линия в порядке, по ней передается единица, обозначая незанятость линии. С другой стороны, когда линия находится в состоянии логического нуля, говорится, что она стоит в режиме выдерживания интервалов. Таким образом, логические единица и ноль рассматриваются соответственно как MARK и SPACE.

В асинхронной связи изменение  условия состояния линии с MARK на SPACE означает начало символа. Это  называется стартовым битом. За стартовым битом следует комбинация битов, представляющая символ, и затем бит контроля четности. Наконец, линия переходит в состояние ожидания MARK, которая представляет собой стоповый бит и означает конец текущего символа. Число битов, используемых для представления символа, называется длиной слова и обычно бывает равно семи или восьми. Контрольный бит используется для выполнения элементарной проверки на наличие ошибки.

Длительность каждого бита определяется генераторами тактовых импульсов приемника и передатчика. Отметим, однако, что генераторы в приемнике и передатчике должны иметь одну и ту же частоту, но не требуется, чтобы они были синхронизированы. Выбор частоты генератора зависит от скорости передачи в бодах, которая означает число изменений состояния линии каждую секунду. Номинально, тактовая частота "16-кратная скорость передачи в бодах" означает, что линия проверяется достаточно часто для надежного распознавания стартового бита.

Рассмотренные принципы асинхронной  последовательной связи реализованы в ряде стандартов для передачи информации, среди которых наиболее популярным является стандарт RS-232С.

7 Принципы работы интерфейса RS-232

 

В состав PC AT входит оборудование, которое  обеспечивает обмен данными между различными устройствами в последовательном коде по асинхронному методу. Это оборудование соответствует требованиям стандарта США RS-232C и рекомендациям V.24 и V.28 международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии МККТТ (CCITT). Этим стандартам соответствуют ГОСТ 18145-81 и ГОСТ 23675-79 соответственно.

В дальнейшем будем называть такое  оборудование наиболее распространённым термином - интерфейсом RS-232C, или последовательным асинхронным интерфейсом.

Обычно PC имеют в своем составе  два интерфейса RS-232C, которые обозначаются COM1 и COM2. Возможна установка дополнительного оборудования, которое обеспечивает функционирование в составе PC четырех, восьми и шестнадцати интерфейсов RS-232C.

Интерфейс RS-232C обеспечивает следующие  возможности:

1) применение PC в качестве абонентского  пункта в системах и сетях телеобработки данных. В этом случае PC подключается через этот интерфейс к устройствам преобразования сигналов (модемам), которые в свою очередь подключаются к каналам связи;

2) подключение к PC различных  устройств ввода-вывода (графопостроителей, принтеров, графических манипуляторов, внешних НГМД, стриммеров и т.д.);

3) объединение нескольких PC между  собой и с другими ЭВМ для  организации перекачки файлов  между ними.

Широкое применение интерфейса RS-232C объясняется  его универсальностью в части диапазона скоростей передачи информации (от 50 до 115 000 бит в секунду), "прозрачностью", т.е. отсутствием запрещенных к использованию для передачи данных кодовых комбинаций, наличием специализированных БИС и ИС, на которых достаточно эффективно реализуется данный интерфейс, простотой конструкции соединительных кабелей.

Основные принципы обмена информацией  по интерфейсу RS-232C заключаются в  следующем:

1) обмен данными обеспечивается  по двум цепям, каждая из  которых является для одной из сторон передающей, а для другой приемной;

2) в исходном состоянии по  каждой из этих цепей передается  двоичная единица, т.е. стоповая  посылка. Передача стоповой посылки  может выполняться сколько угодно  долго;

3) передаче каждого знака данных  предшествует передача стартовой посылки, т.е. передача двоичного нуля в течение времени, равного времени передачи одного бита данных;

4) после передачи стартовой посылки  обеспечивается последовательная передача всех разрядов знака данных, начиная с младшего разряда. Количество разрядов знака может быть 5, 6, 7 или 8;

5) после передачи последнего  разряда знака данных возможна  передача контрольного разряда,  который дополняет сумму по  модулю 2 переданных разрядов до  четности или нечетности. В некоторых  системах передача контрольного разряда не выполняется;

6) после передачи контрольного  разряда или последнего разряда  знака, если формирование контрольного  разряда не предусмотрено, обеспечивается  передача стоповой посылки. Минимальная  длительность посылки может быть  равной длительности передачи одного, полутора или двух бит данных.

Обмен данными по описанным выше принципам требует предварительного согласования приемника и передатчика по количеству используемых разрядов в символе, правилам формирования контрольного разряда и длительности передачи бита данных.

Последнее согласование обеспечивается путем стандартизации ряда скоростей: 50, 75, 100, 110, 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 000 или 115 000 бит в секунду. Установленная скорость должна отличаться от номинальной не более чем на 2 %, что гарантированно обеспечивается применением генераторов с кварцевыми резонаторами.

Обычно используется генератор  с частотой 1,8432 МГц.

8. Методы ввода/вывода и их классификация

Подсистема ввода/вывода (ПВВ) обеспечивает связь МП с внешними устройствами, к которым будем относить:

• устройства ввода/вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, датчики и исполнительные механизмы, АЦП, ЦАП, таймеры и т.п.
• внешние запоминающие устройства (ВЗУ): накопители на магнитных дисках, "электронные диски" и др.

В рамках рассмотрения ПВВ будем  полагать термины "УВВ" и "ВУ" синонимами, т.к. обращение к ним  со стороны процессора осуществляется по одним законам.

ПВВ в общем случае должна обеспечивать выполнение следующих функций:

1. согласование форматов данных, т.к. процессор всегда выдает/принимает данные в параллельной форме, а некоторые ВУ (например, НМД) - в последовательной. С этой точки зрения различают устройства параллельного и последовательного обмена. В рамках параллельного обмена не производится преобразование форматов передаваемых слов, в то время как при последовательном обмене осуществляется преобразования параллельного кода в последовательный и наоборот. Все варианты, когда длина слова ВУ (больше 1 бита) не совпадает с длиной слова МП, сводятся к разновидностям параллельного обмена;
2. организация режима обмена - формирование и прием управляющих сигналов, идентифицирующих наличие информации на различных шинах, ее тип, состояние ВУ (Готово, Занято, Авария), регламентирующих временные параметры обмена. По способу связи процессора и ВУ (активного и пассивного) различают синхронный и асинхронный обмен. При синхронном обмене временные характеристики обмена полностью определяются МП, который не анализирует готовность ВУ к обмену и фактическое время завершения обмена. Синхронный обмен возможен только с устройствами, всегда готовыми к нему (например, двоичная индикация). При асинхронном обмене МП анализирует состояние ВУ и/или момент завершения обмена. Временные характеристики обмена в этом случае могут определяться ВУ;
3. адресную селекцию внешнего устройства.

Классификация методов  ввода/вывода

1. Под управлением ЦП.

• По опросу
• По прерыванию

2. Под управлением внешних устройств (прямого доступа к памяти).

Метод по опросу подразумевает регулярную проверку процессором готовности к ответу.

Недостатки:

 быстродействие очень низкое;

• процессор занимается постоянным опросом.

Достоинства:

• не требует дополнительной аппаратуры;
• можно использовать несколько источников.

Необходимо чтобы процессор  и устройства были согласованны по скорости. Эффективность низка, если информация поступает редко (процессор опрашивает, а информации нет).

9. Подсистема прерываний МПС

Подсистема прерываний - совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих реакцию программы  на события, происходящие вне программы. Такие события возникают, как правило, случайно и асинхронно по отношению к программе и требуют прекращения (чаще временного) выполнения текущей программы и переход на выполнение другой программы (подпрограммы), соответствующей возникшему событию.

 

Внутренние и внешние  прерывания

 

Различают внутренние и внешние (по отношению к процессору) события, требующие реакции подсистемы прерываний. К внутренним событиям относятся  переполнение разрядной сетки при  выполнении арифметических операций, попытка деления на 0, извлечение корня четной степени из отрицательного числа и т.п., появление несуществующего кода команды, обращение программы в область памяти, для нее не предназначенную, сбой при выполнении передачи или операции в АЛУ и многое другое. Внутренние прерывания должны обеспечиваться развитой системой аппаратного контроля процессора, поэтому они не получили широкого распространения в простых 8- и 16-разрядных МП.

Внешние прерывания могут возникать  во внешней по отношению к процессору среде и отмечать как аварийные ситуации (кончилась бумага на принтере, температура в реакторе превысила допустимый уровень, исполнительный орган робота дошел до предельного положения и т.п.), так и нормальные рабочие события, которые происходят в случайные моменты времени (нажатие клавиши на клавиатуре, исчерпан буфер принтера или ВЗУ и т.п.). Во всех этих случаях требуется прервать выполнение текущей программы и перейти на выполнение другой программы (подпрограммы), обслуживающей это событие.

С точки зрения реализации внутренние и внешние прерывания функционируют одинаковым образом, хотя при работе подсистемы с внешними прерываниями возникают дополнительные проблемы идентификации источника прерывания. Поэтому ниже будут рассмотрены внешние прерывания.

Анализ состояния внешней среды можно осуществлять путем программного сканирования - считывания через определенные промежутки времени слов состояния всех возможных источников прерываний, выделения признаков отслеживаемых событий и переход (при необходимости) на прерывающую подпрограмму.

Однако, такой способ не обеспечивает для большинства применений приемлемого  времени реакции системы на события, особенно при необходимости отслеживания большого числа событий. К тому же при коротком цикле сканирования большой процент процессорного времени тратится на проверку (чаще безрезультатную) состояния внешней среды.

Гораздо эффективней организовать взаимодействие с внешней средой таким образом, чтобы всякое изменение  состояния среды, требующее реакции  МПС, вызывало появление на специальном входе МП сигнала прерывания текущей программы. Организация прерываний должна быть обеспечена определенными аппаратными и программными средствами, которые мы и называем "подсистемой прерываний".

 

Функции подсистемы прерываний и их реализация

 

Подсистема прерываний должна обеспечивать выполнение следующих функций: