Шинные формирователи

Шинные формирователи (ШФ), называемые также приемопередатчиками, шинными драйверами или магистральными вентиль-буферами, включаются между источником информации и шиной. Они усиливают сигналы по мощности при работе на шину, отключают источник информации от шины, когда он не участвует в обмене, формируют при необходимости требуемые] уровни сигналов логической 1 или 0. Двунаправленные ШФ позволяют в зависимости от сигнала управления передавать сигналы в шину или, напротив, принимать их с шины и передавать приемнику данных.

Различные ШФ отличаются не только разрядностью, но и передачей сигналов в прямом или инвертированном виде (ШФИ), а также прямым или инверсными сигналами разрешения работы. Отличаются они и электрическими характеристиками. Рассмотрим ШФ более подробно.

Часто при проектировании цифровых устройств возникает проблема обеспечения передачи данных в разных направлениях, передачи параллельного кода через одну магистраль и т.п.

Для решения данной проблемы были спроектированы и широко используются специальные цифровые устройства комбинационного типа – шинные приёмопередатчики (шинные формирователи, шинные драйверы и т.п.). Иногда говорят, что это магистральные устройства.

Магистральные (шинные) приемопередающие формирователи ‑это специализированные цифровые устройства,предназначенные для согласования входов-выходов других цифровых устройств в узлах передачи данных и для управления направлением передачи данных в шинах.

Классифицировать ШФ можно по направлению передачи информации:

- однонаправленные шинные драйверы (здесь данные передаются в одном направлении, т. е. определенные выводы микросхемы являются входными и определенные ‑ выходными);

- двунаправленные шинные драйверы (здесь одни и те же выходы могут быть как входными, так и выходными).

Шинные формирователи имеют три n-разрядных канала А, В, С. Канал А (DI) предназначен только для приема информации, канал В — для приема информации с выдачей ее в канал С (DO) либо для выдачи информации, принятой через канал А. Кроме того, в состав схемы входят специальные буферные устройства, которые служат для разрешения или запрета передачи через них информации, и логические элементы, играющие управляющую роль.

Рис. 2 УГО шинного формирователя типа К589АП16 (а), КР531АП2 (б).

Шинные формирователи могут иметь следующие УГО, соответственно для ИМС типа К589АП16 (рис. 2а) и ИМС типа КР531АП2 (рис. 2б). На рисунках: вход ВК (ЕВ) – вход выборки кристалла, выходы С₁…С₄ (DO) - выходы информации, В₁…В₄ (DB) – Входы/выходы реверсивной передачи, А₁…А₄ (DI) – входы информации, УВ (EO) – вход управления выдакей.

Схема шинного формирователя типа К589АП16 приведена на рисунке 3.

Из рисунка видно, в состав схемы входят буферные устройства Б₁, Б₂ и двухвходовые элементы И с инверсными входами.

При установке на входе ВК уровня лог. 1 на выходах элементов И1 и И2 устанавливается уровень лог. 0. Все буферные устройства Б₁ и Б₂ устанавливаются в закрытое состояние, и независимо от уровня сигнала на управляющем входе УВ информация через ШФ не передается.

Рис. 3. Схема шинного формирователя типа К589АП16

При установке на входе ВК уровня лог. 0 в зависимости от значения сигнала на входе УВ открывается одна из групп буферов (Б₁ или Б₂), и информация передается через буферы, устанавливаемые в открытое состояние, а именно: если на входе УВ действует уровень лог. 0, происходит передача от входа А к выходу В (открыты буферы Б₁, буферы Б₂ закрыты); при действии на входе УВ уровня лог. 1 происходит передача от входа В к выходу С (открыты буферы Б₂, буферы Б₁ закрыты).

Рис. 4 Схема двунаправленного шинного формирователя

При объединении выводов А и С, как показано на рисунке 4, ШФ обеспечивает управляемую передачу в два направления. Если УВ=0, то передача осущест­вляется в направлении от входа А к выходу В (выходы С отключены); если УВ=1, то передача осуществляется в обратном направ­лении от входа В к выходу С.

Помимо этого, шинные драйверы могут иметь третье состояние выходов (состояние высокого импеданса Z) и открытый коллекторный выход (ОК).

На рисунке 5б показано использование ШФ в качестве буферного устройства между ЗУ и двунаправленной шиной данных. Связь с шиной данных осуществ­ляется через двунаправленный вывод В ШФ. При записи в ЗУ данные с вывода В ШФ при УВ=1 передаются на выход С, при чтении данные из ЗУ принимаются на вход А, с которого они при УВ=0 передаются на выход В. Аналогичные функции выполняет ШФ в схеме на рисунке 5.34б, обеспечивая связь выходной шины дан­ных Д и входной шины В процессора с двунаправленной шиной внешнего устройства.

Рис. 5. Применение шинных формирователей:
а – двунаправленная шина, б – буферное устройство

Показанное на рисунке 5 включение ШФ может быть использовано для увеличения нагрузочной способности двунаправленной шины.

К основным параметрам ШФ относятся: потребляемая мощность, время задержки, напряжение питания.

Буферные регистры

Буферные регистры служат для подключения к магистрали внешнего устройства. В отличие от ШФ, буферные регистры способны хранить данные. Благодаря этому они могут выполнять временную буферизацию данных, что составляет важнейшую функцию портов. Буферные каскады с тремя состояниями на выходах регистра обеспечивают портам возможность отключения от магистрали под действием управляющих сигналов, а также необходимую нагрузочную способность.

Через порты ввода данные от ВУ поступают в магистраль, а через порты вывода данные с магистрали передаются тому или иному модулю. Порты ввода-вывода могут выполнять обе указанные операции.

В МПК К580 имеются восьмиразрядные буферные регистры ИР82 и ИР83 (инвертирующий) — аналоги зарубежных ИС Intel 8282 и 8283.

Таким образом, интерфейсные БИС в «железе» реализуют обмен информацией различных узлов МПС и внешних устройств.

3. Проектирование микроконтроллеров и микропроцессоров

Основные положения

При проектировании микроконтроллеров приходится решать одну из самых сложных задач разработки – задачу оптимального распределения функций микроконтроллера между АС и ПО. Для решения такой задачи применяются различные методы.

В настоящее время наибольшее распространение получил методологический прием, при котором весь цикл разработки микроконтроллеров рассматривается как последовательность трех фаз проектирования:

1) анализ задачи и выбор (и/или разработка) АС микроконтроллера,

2) разработка прикладного ПО микроконтроллера,

3) комплексирование АС и ПО в прототипе микроконтроллера и его отладка.

Фаза разработки ПО, то есть фаза получения прикладного программного продукта (ППП), в свою очередь разбивается на два существенно различных этапа: «от постановки задачи к исходной программе», «от исходной программы к объектному модулю».

Этап разработки «от исходной программы к объектному модулю» имеет своей целью получение машинных кодов прикладных программ, работающих в микроконтроллере. Этот этап легко поддается формализации и поддержан всей мощью системного программного обеспечения МП, направленного на автоматизацию процесса получения ППП.

В отличие от первого, этап разработки ПО «от постановки задачи к исходной программе» практически не поддается формализации и, следовательно, не может быть автоматизирован. Проектная работа здесь носит творческий характер, изобилует решениями, имеющими «волевую» или «вкусовую» окраску, и решениями, продиктованными конъюнктурными соображениями. В силу этих обстоятельств именно на этом этапе разработки ПО проектировщик микроконтроллера сталкивается с наибольшим количеством трудностей.

Качество получаемого прикладного ПО всецело зависит от уровня проектных решений, принятых на этапе «от постановки задачи к исходной программе», который в свою очередь определяется опытом и квалификацией разработчика.

Ниже приводится описание формализованной методики, регламентирующей последовательность действий разработчика прикладного ПО на самом сложном и слабо формализуемом этапе работы «от постановки задачи к исходной программе».

Трудоресурсы, затрачиваемые собственно на программ­мирование, то есть на получение машинных кодов, столь незначительны по сравнению с ресурсами, затрачиваемыми на процесс формализации прикладной задачи и разработку алгоритма, что говорят не о проблеме разработки прикладного ПО микроконтроллеров, а о проблеме формализации профессиональных знаний конечного пользователя МП. Подобно тому как появление МП привело к продолжающемуся процессу перемещения основного объема затрат на проектирование контроллеров из сферы разработки АС в сферу разработки ПО, так и стремительное расширение возможных областей применения МП приводит к перемещению центра тяжести усилий по разработке прикладного ПО с фазы реализации на фазу постановки и формализации задачи.

Если задача уже поставлена, то наиболее трудоемкой и сложной (из-за тесной связанности с областью приложения будущей программы) стадией работы является стадия формирования алгоритма решения поставленной задачи. Вся последующая работа по преобразованию алгоритма в машинные коды – это просто совокупность процессов трансляции. Реализация этих процессов опирается на системное ПО. Вследствие этого собственно программирование требует только около 10 % общих трудозатрат. Отсюда видно, что основную творческую нагрузку при разработке прикладного ПО микроконтроллеров несет не профессиональный программист, а программирующий профессионал – специалист в данной предметной области знаний. Ориентация на разработку ППП для микроконтроллеров силами программирующих профессионалов получает распространение еще и потому, что в условиях быстро дешевеющей памяти изменились стиль и технология разработки программ. Экономят теперь уже не память микроконтроллеров, а время разработчика ПО, то есть сокращают сроки разработки изделия.