Układy wejścia-wyjścia

1. Układy wejścia-wyjścia Opracowały: Szotowicz Ewelina Pawlicka Roksana

2. Układy wejścia-wyjścia służą do transmisji danych miedzy mikroprocesorema urządzeniami zewnętrznymi. Ze względu na ich pośredniczenie w wymianie informacji,często sąnazywane układami sprzęgającymi mikroprocesor z urządzeniami zewnętrznymi.W układach automatyki zwykle układy wejścia-wyjścia pośredniczą w wymianie informacji między systemem mikroprocesorowym a obiektem regulacji. Zwykle sygnałami wejściowymi są wielkości zadane i wielkości mierzone, sygnałamiwyjściowymi wielkości nastawiające i pomocnicze sygnały sterujące.

3. Najprostszymsprzęgającym uniwersalnym układem wyjściowym może byćrejestr, do którego mikroprocesorwpisuje informacje przeznaczone do wysłania na zewnątrz. Natomiast zespół bramek trójstanowych może być prostym układem wejściowym. Układy te mogąbyćstosowane dołączenia mikroprocesora z urządzeniami dwustanowymi, takimi jak:wyłączniki krańcowe, przekaźniki, lampki lub diody sygnalizacyjne itp. Sygnały TTLpojawiające się na wyjściu rejestru powinny być wzmocnione przed doprowadzeniemdo cewki przekaźnika lub lampki. Mogą również być zamienione na postać analogową za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego. Tego typu wejścia-wyjścia noszą nazwę wejść-wyjść bezpośrednich.

4. W ogólnym przypadku można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje układów wejścia–wyjścia:-uniwersalne, przeznaczone do realizacji zadań sterowaniapoprzez wpis do ich odpowiednich rejestrów sterujących danych określających sposóbdziałania tych układów;-specjalizowane, umożliwiające podłączenie specjalnychurządzeń zewnętrznych np.: napędy dysków, monitor ekranowy itp.W obydwu rodzajach układów wejścia-wyjścia można wyróżnić pewne typowestruktury: zespól rejestrów wejściowych, wyjściowych, rejestr definiującysposób działania układu oraz rejestr stanu informujący o aktualnym stanie układu wejścia–wyjścia, a którego zawartość może być odczytywana przez mikroprocesor.

5. Układywejścia–wyjścia są wybierane przez mikroprocesor za pomocą adresu. Istnieją dwasposoby adresowania:1. Adresowanie jednolite(wspólne) polega na dołączaniu układów wejścia-wyjścia w sposób identyczny z modułami pamięci. Pamięć i układy wejścia-wyjścia nie są rozróżniane przez mikroprocesor i są w tej samej przestrzeni adresowej. Dlatego adresy układów wejścia–wyjścia muszą być inne niż adresy dołączonychkomórek pamięci. Do sterowania układami wejścia–wyjścia należy używać sygnałówsterujących pamięci, a w programach do odczytu lub zapisu danych używać rozkazów przesłań miedzy pamięcią a rejestrami mikroprocesora.

6. Zasada jednolitego adresowania.Sygnały sterujące odczyt pamięci MEMR izapisu pamięci MEMW bramkowane sygnałem I/O z dekodera adresów, wybierającegoodpowiedni obszar pamięci dla układów wejścia-wyjścia tworzą sygnały sterującezapisem danych I OW / i odczytu danych I OR / . Do realizacji przesłania danych używasię w takim przypadku rozkazów komunikacji z pamięcią.

8. 2.Adresowanie rozdzielne -pamięć i układy wejścia-wyjścia mają odrębneprzestrzenie adresowe. Wówczas adresy układów wejścia-wyjścia i pamięci mogą być takie same. Do sterowania układami używa się sygnałów sterujących do tegoprzeznaczonych,a do komunikacji programowej stosuje się specjalne rozkazy wejścia-wyjścia. Sygnały I OW / i I OR / są wystawianebezpośrednio przez mikroprocesor i ich pojawienie się oznacza, ze adres ustawiany naliniach adresowych wskazuje lokalizacje w oddzielnym obszarze adresów wejścia-wyjścia.

9. Przesłanie danych miedzy mikroprocesorem a układami wejścia-wyjścia odbywasię wówczas tylko przy użyciu specjalnych rozkazów wejścia-wyjścia. Realizacjatych rozkazów charakteryzuje się występowaniem w odpowiednich cyklach sygnałówI OW / i I OR / .

11. Współpraca mikroprocesora z urządzeniami zewnętrznymi może być organizowanawedług następujących zasad:1. Zasady przeglądania przez mikroprocesor rejestrów stanów poszczególnych układówwejścia–wyjścia (ang. pooling).2. Zasady realizacji przerwań (ang. interput).3. Zasady bezpośredniego dostępu do pamięci (ang. Direct Memory Access).

12. 1. Współpraca na zasadzie przeglądaniarejestrów stanu odbywa się całkowiciepod kontrolą programu. Rejestr stanu układu wejścia-wyjścia zawiera informacjeo aktualnym stanie urządzenia zewnętrznego. Mikroprocesor przenosi do akumulatorazawartość rejestru stanu, sprawdza stany odpowiednich bitów i na tej podstawie podejmujedecyzje o realizacji określonych działań programowych dotyczących obsługiurządzenia. Tego typu komunikacja jest bardzo prosta w realizacji sprzętowej, natomiastdo jej wad można zaliczyć fakt, ze odbywa się jedynie w ściśle określonym miejscuprogramu. Dlatego nie powinna być stosowana do obsługi urządzeń pracującychw czasie rzeczywistym (na bieżąco).

13. 2. Współpraca z przerwaniamiumożliwia praktycznie natychmiastową reakcję nazadanie obsługi przez urządzenie zewnętrzne. Istota tego sposobu komunikowania siępolega na tym, ze mikroprocesor przerywa na chwilę wykonywanie aktualnego programui wykonuje obsługę zgłaszającego się urządzenia. Zadanie obsługi jest wprowadzanena wejście przerywające mikroprocesora za pomocą sygnału INT (ang. Interuprequest) generowanego przez układ wejścia-wyjścia w odpowiedzi na sytuacje powstałą w urządzeniu (np. przekroczenie dopuszczalnych wartości kontrolowanychwielkości fizycznych). Mikroprocesor sprawdza stan sygnału INT podkoniec realizacjikażdego rozkazu.

14. Po wykryciu przerwania, mikroprocesor wprowadza do rejestru rozkazówzamiast kolejnego kodu rozkazu wskazywanego przez licznik rozkazów-specjalnyrozkaz przeznaczony do obsługi przerwania.W wyniku realizacji tego rozkazumikroprocesor musi:- wysłać na stos aktualną zawartość podstawowych rejestrów wewnętrznych (przynajmniejlicznika rozkazów), aby po powrocie z programu obsługi przerwania możnabyło odtworzyć pierwotny stan mikroprocesora i kontynuować przerwany program,- wykonać skok do programu obsługi urządzenia, od którego pochodzi przerwanie.

15. W ogólnym przypadku mikroprocesor w trakcie realizacji obsługi urządzeniazewnętrznego powinien:- zapamiętać stan w chwili przyjęcia sygnału przerwania,- zidentyfikowaćźródło sygnału przerwania i określić jego priorytet, jeżeli jednocześniepojawiła się większa liczba sygnałów przerwań,- ustalić strategie działania obsługi i zrealizować odpowiedni podprogram,- odtworzyć stan mikroprocesora i powrócić do przerwanego programu.Podane zadania mogą być rozwiązywane sprzętowo, programowo lub w sposóbmieszany.

16. W przypadku jednoczesnego zgłoszenia kilku przerwań, obsługiwane jestprzerwanie o najwyższym priorytecie związanym z określoną kolejnością obsługi.Możliwe jest równieżwystępowanie wielopoziomowej struktury przerwań, w którejpodprogram obsługi danego przerwania z jednego urządzenia może być przerwanyprzez inne przerwania pochodzące z urządzenia o wyższym priorytecie drugiego rodzaju.Przerwania pojawiające się w systemie mikroprocesorowym mogą byćmaskowane(przesłaniane). Można to realizować na drodze sprzętowej, stosując rejestr maski przerwań blokujący lub przepuszczający wybrane odpowiednimi bitami sygnały przerwań pochodzące od poszczególnych urządzeń wejścia-wyjścia.

17. W przypadku realizacji maskowaniana drodze programowej, odpowiedni program sprawdza czy dane przerwaniejest obsługiwane.Mikroprocesory maja zwykle więcej niż jedno wejście przerywające. Część z nich może byćniemaskowana, tzn. niemożliwe jest ich zablokowanie. Pojawienie sięsygnału przerwania na takim wejściu powoduje natychmiastowe przerwanie programui przejście do odpowiedniego podprogramu obsługi. W układach automatyki przemysłowejna wejścia te podawane są sygnały wymagające natychmiastowych działań systemui obsługi.

18. 3.W trybie bezpośredniego dostępu do pamięci wymiana danych miedzy pamięcią a urządzeniami wejścia-wyjścia odbywa się bez udziału mikroprocesora. Dzięki temuistnieje możliwość szybszego przesyłania dużych bloków danych, ograniczonego tylkoczasem dostępu do pamięci i czasem działania układów biorących udział w transmisji.Tryb ten jest stosowany przede wszystkim przy współpracy z pamięciami dyskowymii monitorem ekranowym.