Организация интерфейсных модулей в универсальных УЧПУ

ЭВМ осуществляет обмен информацией с периферийными устройствами — принтером (печатающее устройство), дисплеем (индикатор), видеомонитором (индикатор с клавиатурой ввода-вывода), накопителем на магнитных дисках и лентах, контроллерами управления электроавтоматическими устройствами объекта управления, пультами оператора и инженера, АЦП, ЦАП, вычислительными машинами высшего ранга и т. д. Однако к числу периферийных устройств относятся и более простые цифровые устройства, входящие в ЭВМ. Следовательно, все периферийные устройства требуют для функционирования определенный набор управляющих сигналов, несущих следующую информацию: протоколы дисциплины обмена, способы обмена и вид используемого кода при обмене. Поэтому устройства обмена информацией различного типа подключаются к периферийным и другим устройствам через интерфейс, структура и принцип работы которого в значительной степени отличаются друг от друга совместимостью сопрягаемых компонентов (устройств). Сложность интерфейса определяется типом периферийных устройств, особенностями их работы, принципом действия устройств и способами задания параметров обмена информацией. В ряде случаев компоненты интерфейса разбивают на две группы: одну группу относят к ЭВМ, другую — к периферийным устройствам, компоненты второй группы называются контроллерами (контроллером называют программный автомат, в котором программа управления может быть перепрограммирована).

Кроме аппаратной части, для организации интерфейса необходимо также программное обеспечение в виде:

• программы идентификации, с помощью которой обеспечивается преобразование любой программы и преобразование форматов;
• программы драйвера (системная УП микроЭВМ для организации обмена информацией между микропроцессором и конкретными внешними устройствами с соблюдением необходимых правил обмена), предназначенной для управления обменом информацией;
• программы обработки запросов и прерываний и т. д.

Следовательно, под интерфейсом следует понимать совокупность программных и аппаратных средств, с помощью которых идет обмен информацией. За последнее время широкое распространение получили интерфейсы, в которых аппаратные и программные средства совмещены, т. е. те, которые созданы на базе ППЗУ.

Вследствие различного быстродействия ЭВМ и периферийных устройств требуется контроль состояния признаков готовности (флажков) периферийных и других устройств к обмену. Применяют буферные регистры, позволяющие временно хранить приостановленную информацию на отрезке ожидания. Интерфейсные связи с быстродействующими внешними устройствами организованы по мультиплексному принципу, с медленно действующими внешними устройствами – по селекторному принципу.

При обмене информацией большими пакетами применяются интерфейсы портового типа, которые осуществляют функции дешифрации адреса программного управления и кодов команд, формирование запросов на прерывание, согласование сигналов информации, развязку и синхронизацию. В некоторых микроЭВМ управление портами организовано так, что портовые интерфейсы используются как память адресов в ОЗУ и ПЗУ.

Микропрограммные контроллеры выполняют все функции внешнего интерфейса, включая преобразование форматов данных. Таким образом, независимо от МП программируемый микроконтроллер ведет первичную обработку информации. Непрограммируемые интерфейсные микроконтроллеры получили название адаптеров (микроконтроллеров с жесткой логикой, в которых выполняется аппаратная реализация алгоритма работы). Связь микропрограммных устройств с периферийными устройствами осуществляется путем передачи данных тремя способами: программно-управляемым способом, в режиме прерывания микропрограмм, через канал прямого доступа.

Обмен информацией между процессором, памятью и периферийными устройствами осуществляется по системе шин, у которых состав, назначение правила использования, функционирование при передаче данных, адресов и управляющих сигналов различны для различных ЭВМ и УЧПУ. Однако есть принципиально общая закономерность в организации обменного интерфейса — это процедура обмена информацией между двумя устройствами, одним из которых является источник информации, а другим — приемник информации.

Некоторые устройства могут быть одновременно источниками и приемниками информации, что требует наличия шин для приема и передачи информации. Передача данных между приемником и источником информации осуществляется управляющими сигналами, которые обеспечивают выдачу и прием информации кодов, проверку готовности устройств обмена, формирование сигналов для выбранного режима обмена. Если устройство обмена связано более чем с одним адресом, то дополнительно указывается адрес устройства для обмена. Таким образом, в интерфейсах, которые связывает микропроцессор (МП) с другими устройствами, можно выделить три следующих набора шин (рис. 94, а):

• шина данных ввода и вывода, шина передачи адреса команды, шины установления режима обмена, чтения, записи, ввода, вывода;
• шина готовности устройства для приема, шина ожидания, шина запоминания прерывания (по этой шине выдаются сведения по прерыванию, например, результат предыдущего действия (РПД), предыдущий адрес, на котором произошло прерывание и т. д.);
• шина запроса на прямой доступ памяти, шина подтверждения прерывания (ПП) и шина подтверждения прямого доступа к памяти.

Несмотря на многообразие типов ЭВМ, в вычислительных машинах, на базе которых создаются универсальные УЧПУ, можно выделить организацию интерфейса двух типов: двухшинную и одношинную (соответственно интерфейс с изолированной и с общей шиной).

В интерфейсах магистрали (ИМ) (рис. 94, б) с изолированной шиной обращение к памяти (ОЗУ) и периферийным устройствам (ПУ) идет по раздельным шинам, т. е. адреса памяти и периферийных устройств разделены, и для обращения используются отдельные группы команд — команды обращения МП к ОЗУ и другим запоминающим устройствам, команды обращения к периферийным устройствам. Для обмена информации с периферийными устройствами используются двухтактные команды вида input (ввод), output (вывод). Управление обменом осуществляется при помощи управляющих сигналов I/OR (ввод), I/OW (вывод). Обмен информацией МП с памятью производится путем команды MoVr (передача в регистр из ячейки памяти ОЗУ) или HoVr (передача из регистров МП в ячейки памяти ОЗУ).

В интерфейсах магистрали с общей шиной часть общего адресного пространства ОЗУ отводится для периферийных устройств, регистры периферийных устройств адресуются, как и ячейки памяти ОЗУ.

Интерфейсы с общей шиной имеют следующие достоинства:

• расширен набор команд обращения, что повышает быстродействие и сокращает объем программ;
• значительно увеличено число подключаемых внешних устройств;
• возможен внепроцессорный обмен данными, а также обмен данными не только с аккумуляторами, но и с любым регистром МП и внешних устройств.

Работа мини-ЭВМ при использовании интерфейсов с общей шиной особенно эффективна в универсальных УЧПУ. Например, микроЭВМ «Электроника-60» имеет интерфейс с общей шиной, поэтому ее используют как базовую модель для создания универсальных УЧПУ. В УЧПУ обмен информацией с применением интерфейса с общей шиной повышает оперативность устройства, дает возможность обрабатывать информацию и отрабатывать ее на объекте с учетом сведений, полученных от объекта, в реальном масштабе времени.

Организация интерфейса магистрали с общей шиной показана на рис. 94, в. Команды обращения и записи объединены в общую группу: RD — сигнал чтения, WR — сигнал записи. Однако с помощью специальной схемы распределения (CR) чтение из ОЗУ организуется сигналом MEM RD (рис. 94, в), чтение из периферийных устройств — сигналом I/OW. Запись в оперативную память организуется сигналом MEM WR, а в периферийное устройство — сигналом I/OR.