Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е]

Разработка языка программирования Си, обладающего большими возможностями, минимизировала количество тех случаев, когда вы должны использовать ассемблерные программы, тем самым расширив сферу применимости Си. В любом случае вам трудно будет понять, как отдельные узлы компьютера работают совместно, без уяснения существа ассемблерных команд ввод-вывода. Соответствие между мнемоникой языка ассемблера и исполняемыми машинными командами будет изучено ниже в разд. 11.03, где будет проиллюстрировано примерами программирования МП 68000.

Сигналы магистрали и ее функционирование 

Типовая магистраль данных микроЭВМ имеет около 50-100 сигнальных линий, предназначенных для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. IBM PC/XT — типичный микрокомпьютер, внутренняя магистраль которого состоит из 53 сигнальных линий и 8 линий, предназначенных для подачи питания и заземления. Для того чтобы не обрушивать на вас все эти сигналы сразу, мы будем приближаться к осмыслению полного набора сигналов, «надстраивая» магистраль, начав с такого количества сигнальных линий, какое необходимо для простейшего режима обмена данными (программируемого ввода-вывода) и добавляя по мере необходимости дополнительные сигнальные линии. Далее мы приведем несколько полезных примеров организации сопряжения тех или иных узлов с магистралью для того, чтобы всесторонне обсудить эту тему, не теряя интереса читателя.

Для того чтобы переслать данные на магистраль с разделяемыми ресурсами (мультиплексируемую), вы должны уметь описать сами данные, приемник, а также момент, когда данные являются достоверными. Таким образом, по минимуму магистраль должна иметь шину данных (для передачи данных), адресную шину (для того чтобы идентифицировать устройство ввод-вывода или адрес в памяти) и несколько линий синхронизации, или стробирования (которые сообщают, когда передаются данные). Обычно в шине данных предусматривается столько же проводников, сколько разрядов в компьютерном слове, чтобы можно было сразу передать все слово. Однако в PC есть только 8 проводников шины данных (D0-D7); за один цикл передачи вы можете переслать байт, но для того, чтобы переслать 16-разрядное слово, необходимо выполнить два цикла передачи. Количество разрядов шины адреса определяет количество адресуемых устройств: если магистраль используется для обращения как к устройствам ввода-вывода, так и к памяти (стандартная ситуация), она должна иметь от 16 до 32 проводников адресной шины, что соответствует адресному пространству от 64 Кбайт до 4 Гбайт; магистраль, используемая только для ввода-вывода, может иметь от 8 до 16 разрядов адреса (от 256 до 64 К устройств ввода-вывода). [IBM PC общается по своей магистрали как с памятью, так и с устройствами ввода-вывода и имеет 20 адресных проводников (А0-А19), что соответствует 1 Мбайт адресного пространства.] И наконец, передаваемые данные синхронизуются стробирующими импульсами, передаваемыми по дополнительным проводникам магистрали. Для того чтобы реализовать описанную схему, существуют два пути: предусмотреть отдельные линии «чтение» и «запись» (с названиями, например, READ и WRITE) и возбуждать на той или другой из этих линий сигналы, синхронизирующие передачу данных; иметь одну линию стробирующих сигналов (STROBE) и одну линию READ/WRITE', причем импульс на линии STROBE синхронизирует передачу данных в направлении, которое определяется уровнем сигнала на линии READ/WRITE'. IBM PC использует схему (действующий уровень сигнала-низкий) с линиями «чтение/запись», названными IOR', IOW', MEMR' и MEMW'. Поскольку PC различает память и устройства ввода-вывода, то и линий этих четыре, по два строба (чтения и записи) на тот и другой тип ввода-вывода.

Сигналы данных, адреса и четыре строб-сигнала — это обычно все, что требуется для организации простейшего режима передачи данных. Однако для PC необходим еще один сигнал, названный выбор адреса (AEN — Adress ENable) для того, чтобы различать обычную передачу данных в устройстве ввода-вывода от режима передачи, называемого прямой доступ к памяти (ПДП) (DMA — Direct Memory Access). Режим ПДП мы рассмотрим в разд. 10.12, а сейчас вам достаточно знать, что AEN имеет низкий уровень для обычного ввода-вывода и высокий-для режима ПДП. Таким образом, сейчас у нас есть 33 сигнала магистрали: D0-D7, А0-А19, IOR', IOW', MEMR', MEMW' и AEN. Давайте посмотрим, как они работают.

Простейший метод обмена данными по магистрали компьютера известен как программируемый ввод-вывод, это обозначает, что данные передаются с помощью операторов программы IN или OUT (направления передачи для IN и OUT входят в состав тех немногих правил, которых придерживаются все изготовители компьютеров: IN всегда означает направление к ЦП, a OUT всегда означает направление из ЦП). В целом процесс вывода данных (и записи в ОЗУ) предельно прост и логичен (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Цикл ввода-вывода при записи (все измерения в нc).

Адрес приемника и данные, которые необходимо передать, выставляются на соответствующие линии магистрали центральным процессором. Строб-сигнал записи (IOW' или MEMW') устанавливается в низкое состояние цетральным процессором для того, чтобы сигнализировать приемнику о том, что данные установлены и их можно считывать. На магистрали PC адрес гарантированно установлен, начиная с момента времени приблизительно за 100 нс до IOW', а данные гарантированно установлены по крайней мере за 500 нс до окончания IOW' (и в течение следующих 185 нс после окончания этого сигнала).

Для того чтобы принимать участие в подобных играх, периферийное устройство (пусть в нашем случае это — графический дисплей) наблюдает за шинами адреса и данных. Когда устройство обнаруживает свой собственный адрес, оно считывает информацию с шины данных по спаду сигнала IOW'. Вот и все.

Рассмотрим пример, приведенный на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Растровый дисплей.

Здесь мы спроектировали растровый графический дисплей; вы последовательно передаете ему пары чисел X, Υ и на его экране отображается каждая точка в декартовой прямоугольной системе координат, причем первое число соответствует абсциссе, а второе — ординате отображаемой точки. Сначала мы должны выбрать адрес устройства ввода-вывода. На рис. 10.8 приведены зарезервированные и доступные адреса устройства ввода-вывода для IBM PC; мы выбираем 3C0H для Х-регистра и ЗС1Н для Y-peгистра.

Рис. 10.8. Адреса ввода-вывода IBM PC.

Микросхема `688-8-разрядный компаратор со стробированием; состоянию равенства сравниваемых кодов которого соответствует низкий уровень на выходе, вырабатывает низкий выходной сигнал в том случае, когда 8 бит разрядов А2-А9 совпадают с заданными значениями, в нашем случае - когда адрес на магистрали лежит в диапазоне 3C0H-3С3Н (вы можете использовать комбинационную схему, но компаратор адреса компактнее). Мы также потребуем в соответствии с ранее приведенными разъяснениями, чтобы AEN был низкого уровня. Трехвходовые логические схемы И-НЕ завершают дешифрацию адреса, используя адресные линии А0, А1 для того, чтобы установить низкий уровень на своих выходах отдельно для адресов 3C0H и ЗС1Н (другой способ будет вкратце описан ниже). В конце концов указанные выходы логически перемножаются с IOW' для того, чтобы получить синхросигнал для Х- и Y-регистров, которые представляют собой 8-разрядные регистры на D-триггерах (микросхемы `574). Эти регистры фиксируют байты с шины данных в тех случаях, когда а) выбран требуемый адрес, б) сигнал AEN — в низком состоянии, в) был выработан сигнал IOW'. Восьмиразрядные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) преобразуют считываемые байты в аналоговое напряжение, подаваемое на Х- и Y-входы устройства управления выводом на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) дисплея. Спустя несколько микросекунд после считывания Y-координаты, два одновибратора вырабатывают 5-микросекундный импульс подсветки, увеличивающий интенсивность свечения изображаемой на экране точки (все устройства управления выводом на ЭЛТ имеют для этого вход Z). Для того чтобы изобразить график или набор символов на экране, необходимо последовательно выводить Х- и Y-координаты, повторяя их в одном и том же порядке (сначала X, а затем Y) достаточно быстро, чтобы глаз не видел мерцания.

Микрокомпьютеры достаточно быстры для того, чтобы успевать в цикле отображать на дисплее несколько тысяч точек без раздражающего мерцания. Учитывая, что растровый дисплей — это стандартное устройство микрокомпьютера для вывода изображений, приведенный пример более полезен в качестве модели фотографического графопостроителя сверхвысокого разрешения, использующего 14-разрядный ЦАП и дисплей с микроскопическим размером точек (см. следующее упражнение).