4.6.Буферні схеми. Магістральний принцип

компоновки мікропроцесора.

Мікропроцесор проводить обмін інформацією із зовнішніми пристроями через шини.

Шина  сукупність ліній звязку обєднаних єдиним змістом. На межі МП та зовнішнього пристрою розміщені буферні схеми основними функціями яких є 

1. Формування рівня сигналу.

2. Забезпечення високої навантажувальної здатності

а) по струму

б) по напрузі

тобто вихідний каскад даних схем повинен працювати на велику ємність і при цьому забезпечувати круті фронти сигналів.

В якості буферних схем використовують схеми з трьома станами

стан логічного 0

стан логічної 1

відімкнене від зовнішнього (внутрішнього) колатобто коли вихідний опір (вхідний опір) рівні . Наявність третього стану дає можливість підєднуватися до загальних шин.

Магістральний принцип компоновки МП дає можливість всім функціональним вузлам мікропроцесора підєднуватися до загальної шини. Сукупність шин  магістраль. Відключення від магістрілі в МП необхідне для багатофункціонального використання виводів, яке досягається мультиплексуванням  або інакше переключенням. Зараз використовують корпуси МП з 48 та 68 виводами а в матричних МП  до 110.

Шини поділяються на три групи 

1. Шина даних ( розрядність така сама як у МП ).

2. Шина адреси ( в основному розрядність у двічі більша ніж у МП ).

3. Шина керування ( розрядність залежить від типу МП ).

По шині даних передається інформація в обох напрямках що забезпечується каскадами із трьома станами ( третій стан саме і забезпечує двонаправленість ).

Шина адреси  однонаправлена шина від МП але як правило на виході ША також є каскади із трьома станами.

Шина керування є двонаправленою.

Мультиплексування шини даних та шини адреси означаєщо використовуються одна шина мультиплексором ША та ШД. Зазвичай передається спочатку адреса а потім йде переключення і подається дане.

4.6.1.Внутрішні шини.

В різних мікропроцесорах використовуються 1 2 або 3 внутрішні шини і їх кількість суттєво впливає на структуру та характеристики самого МП. Для визначення оптимальної кількості шин слід враховувати що зменшення числа шин приводить до зменшення швидкодії МП воно супроводжується введенням додаткових буферних регістрів збільшує площу на кристалі яка відводиться під функціональні елементи і тим самим збільшуються функціональні можливості МП.

Варіант трьохшинної організації МП приведений на рис.4.16.

Рис.4.16.Трьохшинна організація МП.

При визначеній внутрішній організації регістра загального призначення (РЗП) можливе виконання арифметичних та логічних операцій за один такт. Крім високої швидкодії тут відсутній буферний регістр. До недоліків такої організації МП відносять велику площу яку займають шини (провідники) на кристалі.

Двошинна організація МП зображена на рис.4.17.

Варіант такої організації при меншій площі на кристалі вимагає введення одного (іноді двох) буферних регістрів  це означає що арифметичні та логічні операції будуть виконуватися не менше ніж за два такти ( часто навіть три такти).

ШД ША

Шина А

Шина В

Рис.4.17.Структура МП з двошинною організацією.

В даній схемі застосовано такі скорочення

 БР  буферний регістр

 АЛП  арифметико-логічний пристрій

 РЗ  регістр зсуву

 РЗП  регістр загального призначення

 ПК  пристрій керування

 РК  регістр команд

 ДШК  дешифратор команд

 ЛК  лічильник команд.

Можлива і одношинна організація МП структура якої може бути подібна до такої  яка приведена на рис.4.18.

Рис.4.18.Структура МП з одношинною організацією.

В даній структурній схемі використані ті ж самі скорочення. Перевагами такої схеми є те  що в ній площа яку займає шина є найменшою в порівнянні з іншими  це дозволяє максимально ускладнити архітектуру МП при фіксованій площі кристалу. Однак необхідність введення не менш ніж двох буферних регістрів збільшує цикл операцій до трьох тактів.

4.17.Мультиплексування шин.

Підключення декількох виходів до однієї шини можна організувати трьома способами 

1. Логічне обєднання виконується за допомогою схеми або (рис.4.19).

У1

загальна шина

У2

Рис.4.19.

Недоліком даної схеми є те що необхідна n-вхідна схема або тобто при відсутності зовнішніх входів або неможливо підключити зовнішній пристрій.

2. Обєднання за допомогою схем з відкритим колектором  часто ще називають  монтажне або (рис.4.20).

У1 Ек

шина

У2

Рис.4.20. Монтажне або.

Дана схема використовується при організації не тільки внутрішніх але і зовнішніх шин. При цьому допускається можливість підключення додаткових зовнішніх пристроїв. До недоліків даної схеми відносять різну швидкодію для 0 та 1 а також те  що ця схема є інверсною і тому 1 на шині даних буде низький рівень.

3. Обєднання з використанням схем з трьома станами. тут застосовується нелінійне колекторне навантаження (рис.4.21)

Ек Ек шина

У2

У1

Рис.4.21.Схеми із трьома станами.

На відміну від звичайних ключових схем  в даній схемі можливий третій режим  стан високого імпедансу  стан  коли обидва ключі закриті. Така схема використовується при організації зовнішніх по відношенню до МП магістралей.