1.3. Шинна структура зв'язків

Для досягнення максимальної універсальності і спрощення протоколів обміну інформацією в мікропроцесорних системах застосовується так звана шинна структура зв'язків між окремими пристроями, що входять в систему. Суть шинної структури зв'язків зводиться до наступного.

Мал. 1.5. Класична структура зв'язків.

При класичній структурі зв'язків (мал. 1.5) всі сигнали і коди між пристроями передаються по окремих лініях зв'язку. Кожний пристрій, що входить в систему, передає свої сигнали і коди незалежно від інших пристроїв. При цьому в системі виходить дуже багато ліній зв'язку і різних протоколів обміну інформацією.
При шинній структурі зв'язків (мал. 1.6) всі сигнали між пристроями передаються по одних і тих же лініях зв'язку, але в різний час (це називається мультиплексованою передачею). Причому передача по всіх лініях зв'язку може здійснюватися в обох напрямах (так звана двонаправлена передача). В результаті кількість ліній зв'язку істотно скорочується, а правила обміну (протоколи) спрощуються. Група ліній зв'язку, по яких передаються сигнали або коди якраз і називається шиною (англ. bus).
Зрозуміло, що при шинній структурі зв'язків легко здійснюється пересилка всіх інформаційних потоків в потрібному напрямі, наприклад, їх можна пропустити через один процесор, що дуже важливе для мікропроцесорної системи. Проте при шинній структурі зв'язків вся інформація передається по лініях зв'язку послідовно в часі, по черзі, що знижує швидкодію системи в порівнянні з класичною структурою зв'язків.

Мал. 1.6. Шинна структура зв'язків.

Велика перевага шинної структури зв'язків полягає в тому, що всі пристрої, підключені до шини, повинні приймати і передавати інформацію за одними і тими ж правилами (протоколам обміну інформацією по шині). Відповідно, всі вузли, що відповідають за обмін з шиною в цих пристроях, повинні бути одноманітні, уніфіковані.
Істотний недолік шинної структури зв'язаний з тим, що всі пристрої підключаються до кожної лінії зв'язку паралельно. Тому будь-яка несправність будь-якого пристрою може вивести з ладу всю систему, якщо вона псує лінію зв'язку. З цієї ж причини відладка системи з шинною структурою зв'язків досить складна і звичайно вимагає спеціального устаткування.
В системах з шинною структурою зв'язків застосовують всі три існуючі різновиди вихідних каскадів цифрових мікросхем:

Мал. 1.7. Мультиплексована лінія.

Мал. 1.8. Двонаправлена лінія.

Типова структура мікропроцесорної системи приведена на мал. 1.10. Вона включає три основні типи пристроїв:

Мал. 1.9. Структура мікропроцесорної системи.

Всі пристрої мікропроцесорної системи об'єднуються загальною системною шиною (вона ж називається ще системною магістраллю або каналом). Системна магістраль включає чотири основні шини нижнього рівня:

Шина адреси служить для визначення адреси (номери) пристрою, з яким процесор обмінюється інформацією в даний момент. Кожному пристрою (окрім процесора), кожному елементу пам'яті в мікропроцесорній системі привласнюється власна унікальна адреса. Коли код якоїсь адреси виставляється процесором на шині адреси, пристрій, якому ця адреса приписана, розуміє, що йому належить обмін інформацією. Шина адреси може бути однонаправленою або двонаправленою.
Шина даних - це основна шина, яка використовується для передачі інформаційних кодів між всіма пристроями мікропроцесорної системи. Звичайно в пересилці інформації бере участь процесор, який передає код даних в якийсь пристрій або в елемент пам'яті або ж приймає код даних з якогось пристрою або з елемента пам'яті. Але можлива також і передача інформації між пристроями без участі процесора. Шина даних завжди двонаправлена.
Шина управління на відміну від шини адреси і шини даних складається з окремих управляючих сигналів. Кожний з цих сигналів під час обміну інформацією має свою функцію. Деякі сигнали служать для стробування передаваних  даних (тобто визначають моменти часу, коли інформаційний код виставлений на шину даних). Інші управляючі сигнали можуть використовуватися для підтвердження прийому даних, для скидання всіх пристроїв в початковий стан, для тактування всіх пристроїв і т.д. Лінії шини управління можуть бути однонаправленими або двонаправленими.
Нарешті, шина живлення призначена не для пересилки інформаційних сигналів, а для живлення системи. Вона складається з ліній живлення і загального провідника. В мікропроцесорній системі може бути одне джерело живлення (частіше +5 В) або декілька джерел живлення (звичайно ще -5 В +12 В і -12 В). Кожній напрузі живлення відповідає своя лінія зв'язку. Всі пристрої підключені до цих ліній паралельно.
Якщо в мікропроцесорну систему треба ввести вхідний код (або вхідний сигнал), то процесор по шині адреси звертається до потрібного пристрою вводу/виводу і приймає по шині даних вхідну інформацію. Якщо з мікропроцесорної системи треба вивести вихідний код (або вихідний сигнал), то процесор звертається по шині адреси до потрібного пристрою вводу/виводу і передає йому по шині даних вихідну інформацію.
Якщо інформація повинна пройти складну багатоступінчату обробку, то процесор може зберегти проміжні результати в системній оперативній пам'яті. Для звернення до будь-якого елемента пам'яті процесор виставляє її адресу на шину адреси і передає в неї інформаційний код по шині даних або ж приймає з неї інформаційний код по шині даних. В пам'яті (оперативній чи постійній) знаходяться також і управляючі коди (команди виконуваної процесором програми), які процесор також читає по шині даних з адресацією по шині адреси. Постійна пам'ять використовується в основному для зберігання програми початкового пуску мікропроцесорної системи, яка виконується кожного разу після включення живлення. Інформація в неї заноситься виробником МПС один раз і назавжди.
Таким чином, в мікропроцесорній системі всі інформаційні коди і коди команд передаються по шинах послідовно, по черзі. Це визначає порівняно невисоку швидкодію мікропроцесорної системи. Вона обмежена звичайно навіть не швидкодією процесора (що теж дуже важливо) і не швидкістю обміну по системній шині (магістралі), а саме послідовним характером передачі інформації по системній шині (магістралі).
Важливо враховувати, що пристрої вводу/виводу частіше за все є пристроями на «жорсткій логіці». На них може бути покладена частина функцій, виконуваних мікропроцесорною системою. Тому у розробника завжди є можливість перерозподіляти функції системи між апаратною і програмною реалізаціями оптимальним чином. Апаратна реалізація прискорює виконання функції, але має недостатню гнучкість. Програмна реалізація значно повільніша, але забезпечує високу гнучкість. Апаратна реалізація функцій збільшує вартість системи і її енергоспоживання, програмна - не збільшує. Частіше за все застосовується комбінування апаратних і програмних функцій.
Іноді пристрої вводу/виводу мають в своєму складі процесор, тобто є вони невеликою спеціалізованою мікропроцесорною системою (в персональному комп”ютері це, наприклад, відеоадаптер). Це дозволяє перекласти частину програмних функцій на пристрої вводу/виводу, розвантаживши центральний процесор системи.

попередня тема наступна тема