Управление памятью и внешними устройствами

Память состоит из ячеек, каждой из которых присваивается свой адрес. Совокупность адресов, которые могут быть сформированы МП, образует адресное пространство МПС. Адреса памяти могут занимать все адресное пространство (АП) или его часть, а сама память независимо от ее технической реализации может быть условно представлена набором регистров (ячеек).

Свои адреса имеют и внешние устройства (ВУ). МП при обмене данными всегда должен выбрать только одну из ячеек памяти или одно ВУ. Такой выбор осуществляется схемами декодирования адреса.

При управлении памятью и ВУ процессор должен вначале сформировать нужный адрес, который затем декодируется.

В МПС применяют несколько способов формирования адресов или способов адресации. При прямой адресации код адреса содержится в команде, подлежащей выполнению. Прямая адресация удобна, но удлиняет команды (увеличивает их разрядности), так как при значительных емкостях памяти разрядности адресов достаточно велики. В случае прямой регистровой адресации, когда операнд находится в одном их внутренних регистров МП, адрес является малоразрядным, поскольку число таких регистров мало. В этом случае прямая адресация проявляет все свои достоинства.

При косвенной адресации в команде явно или неявно указывается регистр МП, содержащий адрес операнда. Команда сохраняет компактность, но для ее выполнения требуется предварительная настройка – загрузка адреса в регистр (регистр косвенного адреса). Косвенная адресация удобна при обработке списков, когда настройка производится однократно, а очередной адрес получается модификацией предыдущего (изменением его на единицу).

При непосредственной адресации в команде содержится сам операнд.

Помимо перечисленных имеются и более сложные способы адресации: индексная, относительная и др., однако в простейших МП они не используются.

Возможность использования различных видов адресации сокращает объем и время выполнения программ.

С помощью того или иного способа адресации формируется физический адресный код, поступающий на шину адреса для выбора ячейки памяти или ВУ, с которыми взаимодействует МП.

С точки зрения использования АП памятью и ВУ различают концепции интерфейса с общей шиной и раздельной шиной.

В рамках первой концепции для адресов памяти и ВУ выделяются части общего АП. К ВУ, обращение происходит так же, как и к ячейкам памяти, т. е. с помощью тех же команд и той же шины. Недостатком этой концепции является сужение АП для памяти, поскольку часть АП занимается внешними устройствами. Достоинство состоит в том, что над данными, получаемыми от ВУ, можно производить все те операции, которые имеются в системе команд процессора для данных, находящихся в ячейках памяти. Таких операций много и это способствует улучшению параметров программ и упрощению программирования. Концепцию «с общей шиной» называют также вводом/выводом, отображенным на память.

В концепции «с раздельной шиной» ячейки памяти и ВУ имеют свои АП. При этом требуется наличие управляющих сигналов, определяющих, с каким типом объектов ведется обмен. Например, вводится сигнал , указывающий, адресуется память или ВУ. При этом память может использовать все АП. Для обмена с ВУ обычно имеются только операции ввода IN port и вывода OUT port, и теряется возможность применять к данным от ВУ широкий набор команд, имеющихся для работы с данными, хранимыми в памяти.

Диапазон адресов, к которым может обращаться процессор (т. е. емкость АП) связан с разрядностью шины адреса n соотношением АП = 2ⁿ. Например, с помощью 16-разрядной шины адреса можно адресовать 2¹⁶ = 64 K объектов, с помощью 20-разрядной 1 M объектов и т. д.

Адресация – только часть процесса управления памятью и ВУ. Кроме адресов требуются стробы чтения и записи ( и ), задающие направление обмена, сигналы разрешения работы ( , EN), признак обращения к ВУ или памяти ( ). Процессор обычно вырабатывает минимальную группу сигналов, тогда как в системном интерфейсе может быть предусмотрена несколько иная группа. В частности, МП К1821ВМ85А дает три сигнала: сигнал чтения ( ), записи ( ), и сигнал , т.е. обращения к ВУ при высоком уровне и к памяти – при низком. В системном же интерфейсе используется система из четырех сигналов: сигнала чтения из памяти , записи в память , чтения из ВУ и записи в ВУ .

Иногда условием обмена является готовность к нему памяти или ВУ. Для выявления готовности применяют такой метод: появление адреса медленного устройства ведет к запуску генератора одиночного импульса необходимой длительности, на время существования которого сигнал готовности RDY снимается. Длительность интервала неготовности рассчитывается согласно требованиям медленного устройства. Процессор ждет появления сигнала готовности и только после его появления выполняет операцию обмена. Чтобы избежать потерь времени, желательно генерировать интервал неготовности с привязкой его к синхроимпульсам МПС.

Выполнение процессором операций записи и чтения данных может проходить в режимах программно-управляемого обмена, прерывания и прямого доступа к памяти (ПДП).

В первом случае инициатором обмена является программа. Возможно взаимодействие с устройством, всегда готовым к обмену или с ожиданием готовности устройства. В последнем случае вырабатываются сигналы, сообщающие о состоянии устройства. Процессор анализирует их и при готовности устройства реализует программу обслуживания данного устройства. Такой обмен может быть сопряжен с большими потерями времени. Быстродействие внешних устройств, с которыми идет обмен, зачастую очень мало в сравнении с быстродействием процессора. Ожидая готовности устройства, процессор не выполняет полезной работы, а занят в каждом цикле проверкой состояния внешнего устройства и простаивает в течение больших интервалов времени.

При обменах по прерываниям ожидание исключается, так как инициатива обмена исходит от ВУ. При своей готовности ВУ сигнализируют процессору, запрашивая у него прерывания основной программы и обслуживания обмена. Процессор завершает выполнение текущей команды и переходит к подпрограмме обслуживания прерывания. Отсутствие длительных интервалов ожидания существенно увеличивает производительность МПС.

Для обмена между памятью и ВУ без участия процессора используется режим ПДП. В обычном режиме пересылка данных между памятью и ВУ требует вначале приема данных в процессор, а затем выдачи их приемнику, что снижает темп передачи. В режиме ПДП процессор отключается от системных шин и передает управление обменом контроллеру ПДП, что увеличивает темп передачи данных.

МИКРОПРОЦЕССОР К1821ВМ85А

Во всем мире широко применяются микропроцессоры (МП) фирмы Intel и их аналоги. Эта фирма разработала первый МП, а затем целый ряд их семейств. При изучении МП целесообразно ориентироваться на конкретные образцы. МП К1821ВМ85А – аналог микропроцессора Intel 8085A. Это простой для изучения объект, на котором легко проследить основные принципы работы МП. Несмотря на свой многолетний возраст (выпущен в 1977 г.), этот МП до сих пор выпускается промышленностью и встречается в каталогах фирм. Естественно, что областью его применения не являются компьютеры, в которых сейчас применяются гораздо более мощные и производительные МП. Такие МП, как К1821ВМ85А, используются в системах управления различной аппаратурой, где их возможностей вполне достаточно.