Интерфейсы микропроцессоров.

При работе микроконтроллеров (и МП который является его частью) различают внутренний и внешний обмен информацией. При внутреннем обмене данные передаются из постоянной или оперативной памяти в МП, а результаты вычислений передаются из МП в оперативную память. Внешний обмен предполагает передачу информации между внешними источниками или потребителями информации (УВВ), с одной стороны, и МП или оперативной памятью с другой стороны. При любом (внешнем или внутреннем) обмене он осуществляется по определенному набору проводников (шин), причем соблюдается определенное временное расположение и характеристики передаваемых сигналов. Эта задача возлагается на унифицированные системы сопряжения — интерфейсы. В узком смысле термин «интерфейс» обычно трактуется как синоним слова «сопряжение».

Интерфейс - совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации.

Интерфейс служит для обеспечении информационной, электрической и конструктивной совместимости между функциональными элементами системы.

Интерфейсы можно классифицировать по следующим основным признакам:

1. По функциональному признаку

· внутренний интерфейс;

· внешний интерфейс;

МП выполняются, как правило, по структуре с одним общим внутренним интерфейсом, что предполагает наличие общей шины, к которой подсоединяются все узлы и блоки МП. В каждый момент времени через общую шину может происходить обмен данными только между одной парой подключенных к ней узлов и блоков МП. Каждый функциональный блок микропроцессора подключен к внутренней шине данных, однако воспользоваться ею может только после получения соответствующего сигнала от схем управления. Количество линий в общей шине для передачи данных называется информационной шириной интерфейса.

Внешний интерфейс предполагает передачу информации между внешними источниками или потребителями информации (УВВ), с одной стороны, и МП или оперативной памятью с другой стороны.

2. По способу передачи информации,

· параллельные интерфейсы;

· последовательные интерфейсы;

· параллельно-последовательный.

Параллельные интерфейсы позволяют передавать всю или часть информации по многопроводной линии. Последовательные интерфейсы служат для последовательной передачи информации по двухпроводной линии. Параллельные интерфейсы имеют значительно более высокое быстродействие по сравнению с последовательными, но требуют для своей реализации существенных аппаратурных затрат.

3. По способу подключения устройств друг к другу,

· радиальные интерфейсы

· магистральные интерфейсы

· цепочечные интерфейсы

· комбинированные (смешанные) интерфейсы

Рис. 1 Виды интерфейсов

В радиальных интерфейсах используются индивидуальные для каждого УВВ линии, по которым производится передача только между этим УВВ и микро-ЭВМ. В радиальных интерфейсах (а) все операции по управлению и коммутации осуществляются микро-ЭВМ, в состав которой входят специализированные интерфейсные блоки по одному для каждого периферийного устройства. Все УВВ работают независимо друг от друга и могут передавать информацию в любой момент времени, которая записывается в буферный регистр данных соответствующего специализированного интерфейсного блока. Очередность приема информации из буферных регистров определяется МП микро-ЭВМ. Достоинством радиального интерфейса является относительная конструктивная простота при подключении к нему УВВ. Основным недостатком—увеличение количества линий связи и соответственно усилительных элементов.

В магистральных интерфейсах (б) используются общие линии для всех УВВ и разделение во времени информационных сигналов. Сигнал на любой линии доступен одновременно всем подключенным к ней устройствам. Всем УВВ присваиваются адреса (номера портов), которые фиксируются в виде собственного адреса в специальном регистре, входящем в состав УВВ. Эта запись производится при подключении УВВ к микро-ЭВМ. Если данные передаются из микро-ЭВМ в УВВ, то передаче этого сообщения должна предшествовать передача адреса УВВ. Каждое УВВ производит сравнение передаваемого и собственного адресов. При их совпадении выдается сигнал готовности УВВ к обмену. Эта процедура называется адресацией. Остальные УВВ принимать последующие сообщения не будут. При магистральной структуре передача адреса и данных занимает мало времени, так как сигналы доступны всем устройствам.

В цепочечных интерфейсах (с) передаче данных от УВВ также предшествует передача адреса, однако этот адрес последовательно проходит через все УВВ. Процедура адресации занимает больше времени, чем в радиальных интерфейсах, однако здесь не требуется последовательный перебор всех адресов. Получив сигнал запроса от УВВ, микро-ЭВМ выдает сигнал опроса, который последовательно проходит через все УВВ. Если УВВ готово к передаче сообщения, то дальнейшее прохождение сигнала опроса блокируется, а это УВВ получает разрешение на передачу сообщения.

4. По принципу обмена информацией,

· синхронный интерфейс;

· асинхронный интерфейс;

· полуасинхронный.

В синхронном интерфейсе передающее устройство выдает сигнал на свои линии и поддерживает сигнал на них в течении заранее установленного постоянного интервала времени. Моменты выдачи информации передающим устройством синхронизируются либо при использовании отдельной линии синхронизации, либо специальными синхронизирующими сигналами. При синхронной передаче темп выдачи и приема данных задается регулярной последовательностью синхросигналов.

В асинхронном интерфейсе синхронизация работы УВВ и микро-ЭВМ осуществляется только на одном цикле приема-передачи. Для этого используется либо специальное обрамление каждого передаваемого символа стартовыми и стоповыми сигналами, либо специальные линии. Асинхронная передача происходит при условии подтверждения приемником готовности к приему и завершается подтверждением о приеме данных.

5. По режиму передачи информации.

· симплексный (однонаправленный) интерфейс (используются однонаправленные линии);

· полудуплексный интерфейс;

· дуплексный (двунаправленные) интерфейс(используются двунаправленные линии);

· мультиплексный.

Симплексный интерфейс служит для передачи сигналов в одном направлении. При полудуплексном интерфейсе может передавать информацию каждое из двух взаимодействующих устройств, но в любой момент времени одно из них передаёт информацию, а другое принимает. Дуплексный интерфейс позволяет передавать сигналы в обоих направлениях в произвольный момент времени, т.е. два независимых канала для передачи информации. Это усложняет приемопередающую аппаратуру, и используются в основном в магистральных интерфейсах. Мультиплексный интерфейс связывает несколько абонентов. При этом, в каждый момент времени передача информации может быть осуществлена между любой парой абонентов в любом, но единственном направлении от одного абонента к другому.

Для простоты расширения ЭВМ обеспечивает стандартизацию интерфейсов. При этом различают:

Информационную совместимость - это согласованность взаимодействий функциональных элементов в соответствии с совокупностью логических условий.

Логические условия определяют структуру и состав унифицированного набора шин, набор процедур по реализации взаимодействия и последовательность их выполнения для различных режимов функционирования, способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации и информации состояния, временные соотношения между управляющими сигналами, ограничения на их форму и взаимодействие Логические условия информационной совместимости определяют функциональную и структурную организацию интерфейса. Условия информационной совместимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспечения, а также основные тактико-технические показатели — пропускную способность, надежность интерфейса, а также объем аппаратурных затрат на устройства сопряжения.

Электрическую совместимость -это согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов в системе шин с учетом ограничений на пространственное размещение устройств интерфейса и техническую реализацию приемно-передающих элементов.

Условия электрической совместимости влияют на такие характеристики интерфейса, как скорость обмена данными, предельно допустимое число подключаемых устройств и помехозащищенность.

Конструктивная совместимость -это согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и механической замены схемных элементов, блоков и устройств.

Составными физическими элементами связей интерфейса являются:

1. Электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называется шиной, а вся совокупность линий—магистралью.

В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали:

· магистраль информационного канала и

· магистраль управления информационным каналом.

По информационной магистрали передаются коды данных, адресов, команд и состояний устройств. Соответствующим шинам интерфейса присваивают наименования - шина данных, адресов, команд и т.д. В большинстве случаев коды данных, адресов, команд и состояний передаются по шинам интерфейса с разделением времени за счет мультиплексирования шин. Это достигается введением дополнительных линий для обозначения типа передаваемой информации, называемых линиями идентификации. Их применение позволяет существенно сократить число линий информационной магистрали интерфейса, однако при этом происходит снижение быстродействия передачи информации.

2. Интерфейсные БИС, которые рассмотрим ниже.