Схемотехника подсистем ЭВМ

Введение
Подсистемы ЭВМ:
Память: Кэш, Виртуальная память
Системная шина
Подсистема прерываний
Система ввода-вывода
Большинство из этих тем рассматриваются в курсах “Организация ЭВМ и систем”, “Операционные системы”, “Сети ЭВМ и телекоммуникации”
В этом курсе рассмотрим простые примеры реализации отдельных элементов подсистем ЭВМ

Вычислительная машина с одной шиной

Шинная организация ЭВМ
Системная шина обеспечивает простой и гибкий механизм взаимодействия между подсистемами ЭВМ.
Для обеспечения хорошей производительности системная шина должна работать на высокой частоте, это рождает ряд ограничений:
Все подключенные устройства должны работать на одной частоте (синхронная шина)
Из-за проблем с разфазировкой тактового сигнала, протяженность системной шины должна быть небольшой
Поэтому на практике используется иерархия шин.

Пример: Иерархия шин в архитектуре Intel
Выделенная шина памяти
“Северный мост” для PCI Express x2 (GPU)
“Южный мост” : USB, PCI, Ethernet, SATA

Подсистемы ЭВМ с позиции системного программиста
Для программиста внешние устройства отображаются в области адресного пространства
Пример SDK 1.1.
*(volatile unsigned char xdata*)
address= 0xAA;

Схема шины с адресным селектором

Пример реализации адресного селектора
Если сигнал CS не установлен, тогда выводы микросхема переходит в высокоимпедансное состояние
(Z- состояние)

Пример простой ‘on-chip’ шины
Рассмотрим максимально упрощенный пример системной шины для построения СнК
Необходимо обеспечить взаимодействие следующих устройств: CPU (Master), SRAM, FLASH, UART
Структура адресного пространства:

Интерфейсы MASTER и SLAVE
ADDR – Адрес
WE – Write Enable (1 – Запись, 0 - чтение)
REQ – Запрос от Master
ACK – Подтверждение от Slave
DIN, DOUT - Данные

Цикл записи

Цикл чтения

Структурная схема шины

Последовательные интерфейсы
Параллельные интерфейсы применяются для высокоскоростной передачи данных на небольшие расстояния
Проблемы использования параллельных интерфейсов:
Сложность синхронизации сигналов во всех линиях
Сложность конструкции
Цена
Для передачи данных на большие расстояния используются последовательные интерфейсы.
В последовательных интерфейсах данные передаются последовательно, бит за битом

Синхронные и асинхронные последовательные интерфейсы
Синхронные:
PS/2
SPI
I2C
…
Асинхронные:
UART
USB
Ethernet
...
В синхронных интерфейсах сигнал синхронизации передается по одной из линий.
Асинхронные интерфейсы тактируется от внутренних генераторов приемника и передатчика.

Пример синхронного последовательного интерфейса: SPI
SCLK – Тактирование
MOSI - Master Output, Slave Input
MISO - Master Input, Slave Output
SS – Slave Select

Протокол SPI

Структурная схема приемопередатчика SPI

Пример асинхронного последовательного интерфейса: UART
UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
Обеспечивает дуплексную передачу данных по двум линиям: RX, TX
RX – Receive
TX – Transmit
Несколько режимов работы:
9600, 14400, 19200, 38400, 57600, 115200 бод

Протокол UART

Структурная схема UART

Структурная схема UART (раздельный приемник и передатчик)

oversampling
Каждый бит сигнала
данных читается с линии несколько раз

Генерация сигнала синхронизации данных
Для генерации сигнала
синхронизации можно
использовать счетчик по
модулю N