Майк Тули - Справочное пособие по цифровой электронике

Например, в микропроцессоре Z80 для этого используются сигналы:

— линия запроса памяти, на которой формируется сигнал низкого уровня, когда ЦП выполняет операцию считывания или записи с памятью;

— линия запроса ввода-вывода, на которой формируется сигнал низкого уровня, когда ЦП выполняет операцию ввода-вывода.

Для ввода и вывода в микропроцессоре Z80 существуют специальные команды, например:

OUT(FFH), А— записывает содержимое аккумулятора (8-битное значение) в порт с 16-ричным адресом FF;

IN (A) FFH— считывает содержимое порта с 16-ричным адресом FF и помещает результат в аккумулятор.

Необходимо различать также параллельный и последовательный ввод-вывод. В первом случае одновременно передается байт данных (следовательно, здесь требуется 8-битный буфер или защелка), а во втором данные передаются отдельными битами. Параллельный ввод-вывод реализуется довольно просто (рис. 7.3). Здесь для вывода применяется стандартная 8-битная защелка, а для ввода — 8-битный тристабильный буфер. Однако такая простая схема оказывается недостаточно гибкой, и лучше воспользоваться программируемой микросхемой параллельного ввода-вывода.

Рис. 7.3. Схема простого параллельного ввода и вывода.

Поскольку данные обычно представлены на шине микропроцессора в параллельной форме (байтами), их последовательный ввод-вывод оказывается несколько сложнее. Для последовательного ввода потребуются средства преобразования последовательных входных данных в параллельные данные, которые можно поместить на шину. С другой стороны, для последовательного вывода необходимы средства преобразования параллельных данных, представленных на шине, в последовательные выходные данные. В первом случае преобразование осуществляется регистром сдвига с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO), а во втором — регистром сдвига с параллельным входом и последовательным выходом (PISO). Схемы обоих вариантов ввода и вывода показаны на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Схемы последовательного ввода и вывода:

а — последовательный ввод с регистром сдвига SIPO; б— последовательный вывод с регистром PISO

Их можно реализовать на обычных логических элементах, но более эффективное решение заключается в применении специализированных программируемых микросхем.

Существуют три основных метода управления операциями ввода-вывода. Наиболее простой и очевидный метод заключается в том, чтобы разрешить ЦП управлять всеми операциями ввода-вывода. Этот метод, называемый программным вводом-выводом (или вводом-выводом с опросом), обеспечивает ЦП полное управление ситуацией, но оказывается наименее гибким и довольно медленным. По существу, ЦП периодически опрашивает каждое периферийное устройство (через соответствующую схему ввода-вывода), не требует ли оно обслуживания. Если запрос имеется, ЦП выполняет необходимую процедуру обслуживания. Когда воспринят запрос на обслуживание, все запросы от других периферийных устройств игнорируются; эти устройства должны ожидать до тех пор, пока ЦП не освободится для обработки их запроса на обслуживание.

Более удобный, но и более сложный метод заключается в том, чтобы разрешить периферийным устройствам прерывать обычную работу ЦП. При наличии сигнала прерывания и с учетом состояния своего флажка прерывания ЦП должен приостановить текущую программу (сохранив в стеке все важные параметры и адрес возврата), а затем выполнить необходимую процедуру обслуживания.

Прерывания можно схемно упорядочить по приоритетам так, чтобы самое важное периферийное устройство обслуживалось в первую очередь. В качестве примера рассмотрим тормозную систему автомобиля. ЦП должен отреагировать на отказ тормозов и выдать об этом предупреждение независимо от других одновременно происходящих событий.

Согласно третьему, самому сложному методу управления вводом-выводом внешним устройствам обеспечивается полный доступ к пространству памяти системы без всякого участия ЦП в передачах данных. Такой метод называется прямым доступом к памяти (ПДП) и оказывается очень эффективным. Данные можно передавать с исключительно высокой скоростью (так как вмешательства ЦП не требуется), поэтому ПДП используется, например, для передач данных в накопитель на твердом диске или из него. В простых управляющих применениях ПДП не требуется, но о нем нужно знать. Упрощенные структурные схемы всех методов управления вводом-выводом показаны на рис. 7.5.