Шина данных

December 15, 2011 by admin Комментировать »

Компьютер представляет собой, по существу, совокупность регистров для хранения данных, АЛУ и средств перемещения чисел между ними по мере необходимости. Поэтому пересылка данных играет ключевую роль. Мультиплексор (см. разд. 13.16) ведет себя как электронный переключатель, и его можно применить для пересылки данных к месту их назначения. Поэтому мы могли бы представить себе компьютер как систему с такими мультиплексорами на входе каждого регистра, у которых входы соединены с выходами всех других регистров. К сожалению, такая конструкция становится чрезвычайно запутанной, как это демонстрирует рис. 14.6, даже в том случае, когда имеется только четыре регистра и у каждого из них лишь один разряд. Если теперь принять во внимание, что даже у маленького компью-

Рис. 14.6. Сложность «звездообразных» соединений между регистрами для пересылки данных.

тера память состоит из более чем миллиона регистров по 16 разрядов в каждом, то становится ясной непрактичность так организованных взаимных соединений. Хотелось бы построить «систему железных дорог» с индивидуальными подъездными путями и поездами, курсирующими между любой парой станций, из числа тех, между которыми предположительно может захотеть совершить путешествие какой-либо пассажир.

Точно так же, как в реальной жизни на железной дороге один путь связывает между собой многие станции, так и при передаче данных используется сигнальная шина, чтобы соединить между собой все регистры. Шина (bus) — это вполне уместное название, происходящее от латинского omnibus (дословно: для всех), поскольку она служит магистралью для данных (data highway), по которой могут обмениваться числами любые два блока цифровой системы. Аналогию с железной дорогой нельзя продолжать слишком далеко, так как по одному пути могут одновременно ехать несколько поездов, тогда как по электрической шине данных в каждый момент времени может передаваться только одно число. Поэтому передача по шине носит последовательный характер, а связь между регистрами происходит в очень быстрой последовательности. У шинной организации передачи данных три отличительные черты.

1.   Выход любой схемы, не посылающей данные в текущем отрезке времени, должен находиться в состоянии с большим выходным сопротивлением, чтобы не испортить сигналы на шине.

2.  Любой блок, подключенный к шине, имеет свой собственный адрес или номер.

3.   В дополнение к адресным линиям и линиям данных необходимы линии для сигналов управления. Это может быть единственная линия чтения/

Рис. 14.7. Простота пересылки данных по шине.

записи или несколько линий для выбора одного из дополнительных внешних устройств, когда, как это иногда случается, различные устройства имеют одинаковые адреса.

Такой принцип шинного обмена данными приводит к упрощению схемной реализации, как это видно из рис. 14.7. Здесь показаны четыре регистра, для которых требуются всего лишь 2 разряда в адресе: 00, 01, 10 и 11. В реальной компьютерной системе нужны более широкие возможности в отношении адресов; например, даже «крошечной» памяти объемом 64 Кбайта (64 1024 байт) требуется 16 адресных линий для ее 65 536 ячеек.

На рисунке ради наглядности показана шина, состоящая из одной линии, но на практике бывают шины из 8 или 16 линий для передачи 1- или 2-байтовых чисел. Все входы можно подключить к шине параллельно без какого-либо ущерба, тогда как выходы должны обладать достаточной нагрузочной способностью (соответствующим коэффициентом разветвления по выходу). Сами выходы, как подчеркивалось выше, не должны нагружать шину, если вызовом по адресным линиям и посылкой импульса «чтение» не подана команда передавать данные. Выход обычного базового элемента TTJI не годится для непосредственного подключения к шине, так как он специально рассчитан на то, чтобы его выходное сопротивление было малым в течение всего времени. Один из способов подключения к шине состоит в использовании ИС TTJI с открытым коллектором, когда верхний выходной транзистор в базовом элементе TTJI заменяется внешним резистором, то есть схем такого типа, какие мы рассматривали (в разд. 13.13) в связи с подачей сигнала на индикатор чисел. Большинству маломощных TTJI-схем с диодами Шотки, таким как схемы И-НЕ 74LS01 (аналог 555ЛА8. — Примеч. перев.) и инверторы 74LS05 (аналог 555ЛН2. — Примеч. перев.) (вариантами этих схем со стандартными выходами являются схемы 74LS00 и 74LS04 соответственно), требуется резистор нагрузки с сопротивлением 2,2 кОм. Когда логическое значение сигнала на выходе такой схемы равно 1, ток через выходной транзистор в ней не течет; этот выход можно подключить к шине параллельно с несколькими другими при условии, что на каждом отрезке времени только один из них переходит на низкий уровень. Такой способ объединения выходов логических схем иногда называют «монтажным И», поскольку сигнал на шине имеет высокий уровень только тогда, когда у всех схем собственный выходной сигнал имеет высокий уровень. В достаточно сложных шинных системах часто используется мощная буферная ИС И-НЕ с открытым коллектором 74LS38 с коэффициентом разветвления по выходу 30 и с минимальным сопротивлением нагрузки 680 Ом, к выходу которой можно подключать до 30 входов маломощных TTJI- схем с диодами Шотки.

Как указывалось в разд. 10.6., переключающие схемы, у которых нет активного элемента между шиной питания и выходом, обладают тем недостатком, что заряд паразитных емкостей должен обеспечиваться исключительно резистором нагрузки, из-за чего заряд происходит значительно медленнее, чем при применении «грубой силы», каковой является коллекторный ток транзистора, посредством которого в этом случае потенциал выхода подтягивается к напряжению питания. Поэтому как в КМОП-логике, так и в семействе ТТЛ в большинстве случаев используется более совершенная конструкция схем, нежели открытый коллектор, — шинные формирователи, выход которых подключается к шине; эти схемы носят название схем с тремя состояниями на выходе и представляют собой комбинацию базового элемента с изолирующим выключателем. Эти три состояния следующие: высокий логический уровень, низкий логический уровень и большое выходное сопротивление (запертое состояние). Специальный входной сигнал разрешения по выходу (Output Enable, ОЕ) переключает выход схемы, когда это требуется; если выходы нескольких схем с тремя состояниями подключены параллельно к одной шине, то важно, чтобы только один из входов ОЕ переводил свою схему в активный режим на данном отрезке времени. На рис. 14.8 схематически изображено внутреннее устройство логических элементов ТТЛ, рассчитанных на подключение к шине, со значениями компонентов, типичными для «стандарта» ТТЛ. Интересно сравнить эти схемы с обычным элементом, представленным на рис. 13.14. В логическом элементе с открытым коллектором (а) просто опущен верхний транзистор выходного каскада. В схеме с тремя состояниями (б) применен простой и изящный способ размыкания на выходе с помощью сигнала ОЕ, подаваемого на вход разрешения. Когда сигнал ОЕ имеет высокий уровень, схема в целом работает точно так же, как обычный логический элемент, а диод D2 при этом закрыт. Когда уровень сигнала ОЕ становится низким, срабатывает правило И-НЕ в отношении входных эмиттеров транзистора Tv так что транзисторы Т2 и Г3 оказываются запертыми. В обычной схеме в этих условиях транзистор Г4 был бы открыт и подтягивал бы вверх потенциал выхода Y, но на этот раз диод D2 открыт, благодаря чему транзистор Т4 заперт. Теперь, когда оба выходных транзистора заперты, на выходе ^выполняется условие большого выходного сопротивления, что фактически означает «отключение» схемы от шины. На рис. 14.8, в показаны типичные условные обозначения логических элементов с тремя состояниями на выходе. Имеется широкий спектр схем с тремя состояниями; типичными примерами служат ИС 74LS244, содержащая восемь буферов, и ИС 74LS374 (аналог 555ИР23. — Примеч. перев.), представляющая собой 8-разрядный регистр- защелку с фиксацией по положительному фронту. Особенно полезна для сопряжения с шиной ИС 74LS245 (аналог 555АП6. — Примеч. перев.), являющаяся 8-разрядным двунаправленным приемопередатчиком, который можно переключать на передачу данных по шине или на прием данных с шины по мере необходимости; при работе в режиме передачи он имеет коэффициент разветвления по выходу, равный 30, а при работе в режиме приема встроен-

Рис. 14.8. Логические ТТЛ-элементы для подключения к шине:

а — открытый коллектор; б — схема с тремя состояниями; в — условное изображение схем с тремя состояниями.

ный гистерезис сводит к минимуму влияние паразитных наводок и отраженных импульсов, поступающих с шины. Все эти схемы имеются также в КМОП-серии ИС с тремя состояниями 74НС; в них предусмотрено подобное «отключение» от шины.

При практической реализации шинной передачи данных требуется тщательное соблюдение правил построения цифровых схем, перечисленных в разд. 13.17, и, в частности, тех из них, которые относятся к формированию сигналов для передачи по длинным линиям. Когда к линии в шине подключено большое число входов логических элементов, ее емкость возрастает, и, для того чтобы избежать паразитных импульсов, вызываемых отражениями, желательно включать на дальнем конце линии резисторы согласованной нагрузки. В том случае, когда взаимодействие с шиной осуществляется через приемопередатчики 74LS245, эффективное согласование обеспечивает включение двух резисторов: резистора с сопротивлением 330 Ом между линией и землей (0 В) и резистора с сопротивлением 220 Ом между линией и шиной питания (V с).

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты