Функции устройств ввода/вывода

Устройства ввода/вывода обмениваются информацией с магистралью по тем же принципам, что и память. Наиболее существенное отличие с точки зрения организации обмена состоит в том, что модуль памяти имеет в адресном пространстве системы много адресов (до нескольких десятков миллионов), а устройство ввода/вывода обычно имеет немного адресов (обычно до десяти), а иногда и всего один адрес.

Но модули памяти системы обмениваются информацией только с магистралью, с процессором, а устройства ввода/вывода взаимодействуют еще и с внешними устройствами, цифровыми или аналоговыми. Поэтому разнообразие устройств ввода/вывода неизмеримо больше, чем модулей памяти. Часто используются еще и другие названия для устройств ввода/вывода: устройства сопряжения, контроллеры, карты расширения, интерфейсные модули и т.д.

Объединяют все устройства ввода/вывода общие принципы обмена с магистралью и, соответственно, общие принципы организации узлов, которые осуществляют сопряжение с магистралью. Упрощенная структура устройства ввода/вывода (точнее, его интерфейсной части) приведена на рис. 6.11. Как и в случае модуля памяти, она обязательно содержит схему селектора адреса, схему управления для обработки стробов обмена и буферы данных.

На внешнее С внешнего

устройство устройства

адреса

данных

управления

Рис. 6.11. Структура простейшего устройства ввода/вывода

Самые простейшие устройства ввода/вывода выдают на внешнее устройство код данных в параллельном формате и принимают из внешнего устройства код данных в параллельном формате. Такие устройства ввода/вывода часто называют параллельными портами ввода/вывода. Они наиболее универсальны, т.е. удовлетворяют потребности сопряжения с большим числом внешних устройств, поэтому их часто вводят в состав микропроцессорной системы в качестве стандартных устройств. Параллельные порты обычно имеются в составе микроконтроллеров. Именно через параллельные порты микроконтроллер связывается с внешним миром.

Входной порт (порт ввода) в простейшем случае представляет собой параллельный регистр, в который процессор может записывать информацию. Выходной порт (порт вывода) обычно представляет собой просто однонаправленный буфер, через который процессор может читать информацию от внешнего устройства. Именно такие порты показаны для примера на рис. 6.11. Порт может быть и двунаправленным (входным/выходным). В этом случае процессор пишет информацию во внешнее устройство и читает информацию из внешнего устройства по одному и тому же адресу в адресном пространстве системы. Входные и выходные линии для связи с внешним устройством при этом могут быть объединены поразрядно, образуя двунаправленные линии.

При обращении со стороны магистрали селектор адреса распознает адрес, приписанный данному устройству ввода/вывода. Схема управления выдает внутренние стробы обмена в ответ на магистральные стробы обмена. Входной буфер данных обеспечивает электрическое согласование шины данных с этим устройством (буфер может и отсутствовать). Данные из шины данных записываются в регистр по сигналу С и выдаются на внешнее устройство. Выходной буфер данных передает входные данные с внешнего устройства на шину данных магистрали в цикле чтения из порта.

Более сложные устройства ввода/вывода (устройства сопряжения) имеют в своем составе внутреннюю буферную оперативную память и даже могут иметь микроконтроллер, на который возложено выполнение функций обмена с внешним устройством.

Каждому устройству ввода/вывода отводится свой адрес в адресном пространстве микропроцессорной системы. Дублирование адресов должно быть исключено, за этим должны следить разработчик и пользователь микропроцессорной системы.

Устройства ввода/вывода, помимо программного обмена, могут также поддерживать режим обмена по прерываниям. В этом случае они преобразуют поступающий от внешнего устройства сигнал запроса на прерывание в сигнал запроса прерывания, необходимый для данной магистрали (или в последовательность сигналов при векторном прерывании). Если нужно использовать режим ПДП, устройство ввода/вывода должно выдать сигнал запроса ПДП на магистраль и обеспечить работу в циклах ПДП, принятых для данной магистрали.

В составе микропроцессорных систем, как правило, выделяются три специальные группы устройств ввода/вывода:

  • • устройства интерфейса пользователя (ввода информации пользователем и вывода информации для пользователя);
  • • устройства ввода/вывода для длительного хранения информации;
  • • таймерные устройства.

К устройствам ввода для интерфейса пользователя относятся контроллеры клавиатуры, тумблеров, отдельных кнопок, мыши, трекбола, джойстика и т.д. К устройствам вывода для интерфейса пользователя относятся контроллеры светодиодных индикаторов, табло, жидкокристаллических, плазменных и электронно-лучевых экранов и т.д. В простейших случаях управляющих контроллеров или микроконтроллеров эти средства могут отсутствовать. В сложных микропроцессорных системах они есть обязательно. Роль внешнего устройства в данном случае играет человек.

Устройства ввода/вывода для длительного хранения информации обеспечивают сопряжение микропроцессорной системы с дисководами (компакт-диски или магнитные диски), а также с накопителями на магнитной ленте. Применение таких устройств существенно увеличивает возможности микропроцессорной системы в отношении хранения выполняемых программ и накопления массивов данных. В простейших контроллерах эти устройства отсутствуют.

Таймерные устройства отличаются от других устройств ввода/вывода тем, что они могут не иметь внешних выводов для подключения к внешним устройствам. Эти устройства предназначены для того, чтобы микропроцессорная система могла выдерживать заданные временные интервалы, следить за реальным временем, считать импульсы и т.д. В основе любого таймера лежат кварцевый тактовый генератор и многоразрядные двоичные счетчики, которые могут перезапускать друг друга. Процессор может записывать в таймер коэффициенты деления тактовой частоты, количество отсчитываемых импульсов, задавать режим работы счетчиков таймера, а читает процессор выходные коды счетчиков. В принципе выполнить практически все функции таймера можно и программным путем, поэтому иногда таймеры в системе отсутствуют. Но включение в систему таймера позволяет решать более сложные задачи и строить более эффективные алгоритмы.

Еще один важный класс устройств ввода/вывода — это устройства для подключения к информационным сетям (локальным и глобальным). Эти устройства распространены не так широко, как устройства трех перечисленных ранее групп, но их значение с каждым годом становится все больше. Сейчас средства связи с информационными сетями вводятся иногда даже в простые контроллеры.

Иногда устройства ввода/вывода обеспечивают сопряжение с внешними устройствами с помощью аналоговых сигналов. Это бывает очень удобно, поэтому в состав некоторых микроконтроллеров даже вводят внутренние ЦАП и АЦП.

Назначение и функции чипсета в микропроцессорной

системе

Чипсет (chIPset) — это набор БИС (обычно 1—3 микросхемы), функционально эквивалентный микросхемам, входящим в стандартную конфигурацию микропроцессорной системы.

Как правило, чипсет интегрирует в себе функции следующих устройств:

  • • контроллера оперативной памяти;
  • • контроллеров кэш-памяти 2-го и/или 3-го уровня;
  • • контроллеров ПДП;
  • • контроллеров приоритетных прерываний;
  • • контроллера клавиатуры;
  • • контроллера мыши PS/2;
  • • контроллера инфракрасного порта;
  • • таймера реального времени;
  • • моста шины РС1
  • • моста шины ISA и др.

Обычно в составе чипсета выделяют:

  • • северный мост (North Bridge) — системный контроллер, в который входит контроллер системной шины, шин AGP и PCI, ОЗУ и кэш-памяти (для наборов под обычный Pentium);
  • • южный мост (SOUTh Bridge) — периферийный контроллер, включающий контроллеры EIDE, клавиатуры, моста PCI-to-PCI, последовательных/параллельных портов, шины USB и других подобных устройств.

Выбор чипсета во многом определяет конфигурацию МПС и ее производительность. Если МП можно заменить, а емкость ОЗУ увеличить, то замена чипсета однозначно связана с заменой системной платы, а ограничения чипсета также однозначно ограничивают возможности замены других элементов МПС: МП, ОЗУ, внешних устройств.

Чипсет накладывает ограничения на следующие функциональные характеристики системы в целом: тип памяти, тип кэш-памяти 2-го и/или 3-го уровня, тип МП, максимальную частоту системной шины, тип шины PCI (32- или 64-разрядная); поддержку многопроцессорной конфигурации и некоторые другие характеристики.

Практика показывает, что разница в производительности системных плат разных фирм, построенных с применением одного и того же чипсета, составляет от силы несколько процентов, между тем как тот же параметр для различных чипсетов может отличаться на порядок.

Рассмотрим использование чипсета на примере организации микропроцессорной системы на базе МП Pentium III на ядре Katmai (рис. 6.12).

Внутренняя шина ЦП

Структура микропроцессорной системы с использованием чипсета

Рис. 6.12. Структура микропроцессорной системы с использованием чипсета

Частота шины PCI составляет 33 МГц при частоте системной шины и 66, и 100 МГц (используется деление частоты на 2 и 3 соответственно). AGP (Accelerated Graphics Port) — 32-разрядная шина (тактовая частота всегда 66 МГц), используемая для подключения графического адаптера и позволяющая ускорить обмен данными между графическим адаптером и основной памятью. В режиме AGP 2х эффективная частота в 133 МГц обеспечивается использованием обоих фронтов импульсов частоты 66 МГц. Шина ISA работает на частоте 8 МГц. За ее функционирование отвечает мост PCI/ISA, являющийся обычным РС/-устройством (просто встроенным в чипсет).

Системная шина может работать на разной частоте, но все эти варианты совместимы по разводке и электрически, что создает почву для «разгона».

Таким образом, при смене частоты системной шины, например, с 66 на 100 МГц замене подлежат лишь три устройства: процессор, чипсет и память. Никакие другие устройства не заметят подмены шины — ни Л(ТР-видеоадаптеры, ни любой из РСУ-контроллеров, ни старые /5/4-карты. В этом и заключается принципиальное отличие шины 100 МГц от шины 66 МГц, разогнанной до 75/83 МГц. В первом случае новый чипсет обеспечивает работу РС1 на частоте 33 (100/3) МГц, во втором — старый чипсет и не подозревает о «разгоне» и продолжает делить частоту системной шины на 2, а в итоге частота ЯСУ-шины равна 37,5 или 41,5 МГц, что может привести к неправильной работе некоторых ^/-устройств.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >