Внешние запоминающие устройства.

Внешнее запоминающее устройство - ВЗУ — энергонезависимое запоминающее устройство большой емкости, подключаемое к микропроцессорной системе через УВВ. Наиболее распространенными ВЗУ сегодня являются накопители на жестких магнитных дисках – HDD и разнообразные накопители на основе микросхем FLASH-памяти.

В HDD-накопителе носителями информации являются круглые металлические пластины, обе поверхности которых могут быть намагничены. Запись и считывание информации выполняют электромагнитные головки, перемещаемые механической системой накопителя над поверхностями дисков. Емкость современных HDD измеряется в сотнях Гигабайт и единицах Терабайт. Это наибольшая емкость среди всех ВЗУ. Скорость записи/считывания информации составляет несколько десятков Мегабайт в секунду.

ВЗУ на основе микросхем FLASH-памяти могут иметь емкость от единиц до сотен Гигабайт и различаются видом интерфейса для подключения к микропроцессорной системе. При использовании высокоскоростных интерфейсов, таких, как USB 3.0, M.2 и им подобных, скорость обмена может достигать нескольких сотен мегабайт в секунду.

Устройства ввода/вывода.

Устройства ввода и вывода - устройства взаимодействия микропроцессорной информационно-управляющей системы с внешним окружением: с каналами связи, объектами управления, внешними накопителями, пультами операторов и другими информационными системами. Устройства ввода позволяют вводить информацию в систему для дальнейшего хранения и обработки, а устройства вывода - получать информацию из системы. Микропроцессор взаимодействует с УВВ посредством шин адресов данных и управления. Обращения производятся к регистрам, через которые вводится и выводится информация, а также к регистрам управления вводом-выводом, позволяющим выбрать нужный режим обмена и регистрирующим текущее состояние УВВ.

Особенности конструирования и производства микропроцессорных управляющих устройств.

Для конструирования микропроцессорных систем используются автоматизированные компьютерные системы. Специализированное программное обеспечение позволяет выполнить все этапы конструирования на компьютере: разработку принципиальной схемы и спецификации компонентов, трассировку печатной платы, создание набора электронных документов для станков с числовым программным управлением.

Производство электронного оборудования выполняется на автоматизированных линиях. Пример такой линии представлен на рис. 3.5.

Рис. 3.5

Интерфейсы информационных и управляющих систем

Области применения параллельных и последовательных интерфейсов. Порты ввода/вывода. Прерывания, программный опрос, прямой доступ к памяти. Способы взаимодействия микропроцессора с устройствами ввода-вывода.

Различают параллельные и последовательные интерфейсы. В параллельных интерфейсах передача информационного слова осуществляется за один такт одновременной подачей цифровых сигналов на несколько параллельных линий шины данных. Приемник и передатчик при этом должны работать синхронно. В ранних микропроцессорных системах параллельные интерфейсы играли важнейшую роль, поскольку они обеспечивали максимальную скорость обмена информацией. С ростом тактовой частоты микропроцессоров, задержки при передаче сигналов даже по линиям длиной в несколько сантиметров в пределах печатной платы начали создавать существенные трудности для синхронизации приемников и передатчиков. Поэтому даже высокоскоростные интерфейсы, связывающие современные микропроцессорные системы с внешними накопителями, заменены на последовательные. В последовательном интерфейсе передача информационного слова осуществляется последовательно – бит за битом. При этом момент отправки бита в линию передатчиком может на совпадать с моментом прихода этого бита на вход приемника, что позволяет использовать для обмена линии большой протяженности.

Обмен информацией с объектами управления микропроцессорная система осуществляет посредством портов ввода-вывода. Порты ввода-вывода представляют собой регистры в составе УВВ, к которым, с одной стороны, может обращаться процессор, а с другой стороны, связанные с управляемым объектом. Существует три основных способа взаимодействия МП с портами ввода-вывода: программный опрос, прерывания и прямой доступ к памяти.

Программный опрос (сканирование) характеризуется тем, что все действия по вводу-выводу реализуются в те моменты времени, когда выполняется соответствующий фрагмент прикладной программы. Наиболее простыми эти действия оказываются для "всегда готовых" внешних устройств, например для коммутационного поля АТС.

Однако для многих объектов управления до выполнения операций ввода-вывода надо убедиться в их готовности к обмену. Процессор проверяет флаг готовности с помощью одной или нескольких команд. Если флаг установлен, то инициируются собственно ввод или вывод одного или нескольких слов данных. Когда же флаг сброшен, процессор выполняет цикл ожидания с повторной проверкой флага до тех пор, пока устройство не будет готово к операциям (рис. 4.1).

Рис. 4.1

Основной недостаток программного опроса связан с непроизводительными потерями времени процессора в циклах ожидания. К достоинствам следует отнести простоту его реализации, не требующей дополнительных аппаратных средств.

Ввод-вывод по прерыванию, отличается от программного опроса тем, что переход к выполнению команд, физически реализующих обмен данными, осуществляется с помощью специальных аппаратных средств. Команды обмена данными в этом случае выделяют в отдельный программный модуль - программу обработки прерывания. Задачей аппаратных средств обработки прерывания в микропроцессоре является приостановка выполнения одной программы (ее еще называют основной программой) и передача управления программе обработки прерывания. Действия, выполняемые при этом процессором, как правило, те же, что и при обращении к подпрограмме. Только при обращении к подпрограмме они инициируются командой, а при обработке прерывания - управляющим сигналом от УВВ, который называют "Запрос прерывания".

Эта важная особенность обмена по прерыванию позволяет организовать обмен данными с портами ввода-вывода в произвольные моменты времени, не зависящие от программы, выполняемой в системе. Таким образом, появляется возможность обмена данными в реальном масштабе времени, определяемом внешней по отношению к микропроцессору средой. Обмен по прерыванию существенным образом экономит время процессора, затрачиваемое на обмен. Это происходит за счет того, что исчезает необходимость в организации программных циклов ожидания готовности, на выполнение которых тратится значительное время.

Прерывание программы не должно оказывать на прерванную программу никакого влияния кроме увеличения времени ее выполнения за счет приостановки на время выполнения программы обработки прерывания. Поскольку для выполнения программы обработки прерывания используются различные регистры процессора (программный счетчик, регистр флагов и т.д.), то информацию, содержащуюся в них в момент прерывания, необходимо сохранить для последующего возврата в прерванную программу.

Третьим способом ввода-вывода является обмен в режиме прямого доступа к памяти (ПДП). В этом режиме обмен данными между УВВ и ЗУ происходит без участия процессора. Обменом в режиме ПДП управляет не программа, выполняемая процессором, а электронные схемы, внешние по отношению к процессору. Обычно схемы, управляющие обменом в режиме ПДП, размещаются в специальном контроллере, который называется контроллером прямого доступа к памяти.

Для реализации режима прямого доступа к памяти необходимо обеспечить непосредственную связь контроллера ПДП и ЗУ. Для этой цели можно Такое решение используется достаточно редко, поскольку оно приводит к значительному усложнению микропроцессорной системы в целом. В целях сокращения количества наборов шин адресов, данных и управления контроллер ПДП подключается к ЗУ посредством шин адреса и данных основного системного интерфейса, связывающего микропроцессор с запоминающими устройствами. При этом возникает проблема совместного использования шин системного интерфейса процессором и контроллером ПДП. При возникновении необходимости обмена контроллер ПДП отправляет запрос в микропроцессор. Последний освобождает системный интерфейс, после чего данные пересылаются из УВВ в ЗУ. При наличии у микропроцессора кэш-памяти он может продолжать работу и во время ПДП.