ГЛАВА ТРЕТЬЯ. МАГИСТРАЛИ И ВСЕ, ЧТО с ними СВЯЗАНО

3.1. Интерфейс

Итак, с помощью устройств памяти и процессора можно организовать вы-яолнение алгоритма. В памяти хранятся описания правил, отдельные стандартные фрагменты которых мы условились называть командами, а совокупность команд, относящихся к данному алгоритму, - программами. Команды извлекаются из памяти в некоторой носледовательности, задаваемой процессором. Процессор определяет адреса ячеек памяти, в которых хранятся фрагменты очередного вхождения. Эти фрагменты мы условились называть данными. Данные передаются из памяти в процессор, где и преобразуются. Результаты преобразования снова отправляются в память и т. д.

Сказанному соответствует схема, показанная на рис. 3.1. Казалось бы, здесь лет ничего такого, к чему бы следовало специально привлекать внимание читателя. Кроме процессора и устройств памяти на рисунке изображены три магистрали, по которым передается информация. В зависимости от вида передаваемой информации магистрали названы соответственно адресной, сигнальной и магистралью данных. Роль их в процессе реализации алгоритма достаточно подробно выяснена раньше. И все же есть одна осо-

беш{0сть, имеющая принципиальное знa.2---

ние. В чем она состоит?

Адресная магистраль

Все три магистрали

Магистраль ванных

игнальная магистраль

1Ш ш

Процессор

ПЗУ и ППЗУ

том виде, как f-они изобраясены на рис. 3.1, как бы обрублены с обоих концов. Сделано это не слу- j-чайно. Ведь данные и программы, циркулирующие по магистралям между отдельными устройствами, не могут создаваться в этих устройствах. Перед началом выполнения алгоритма (каким бы он ни был) необходимо заполнить устройства памяти.

Более того, часто в процессе работы ока-Ри=- З.Ь Передача данных по маги-

стрэлям

зывается необходимым подпитывать устройства памяти дополнительной информацией. Поступать эта информация может только извне. Грубо говоря, нельзя иметь информацию о положении кабины лифта, если нет самой кабины.

Всякая система, реализующая алгоритм, может работать лишь постольку, Поскольку она связана с внешним миром и получает из него информацию. Прибегая к несколько вычурному образу, можно сказать, что система, реализующая алгоритм, обращена лицом к внешнему миру. По-английски обращена ли-UoM или, точнее, лицом к лицу звучит как интерфейс (interface). Термин Интерфейс прижился в русской технической литературе. Этим термином обозначается весь комплекс принципов, правил и технических средств (иногда отдельных частей этого комплекса), регламентирующих и обеспечивающих обмен информацией между процессором (памятью) и внешней средой. На рис. 3.1 интерфейс- это прежде всего магистрали, а главное, все то, что находится но ту Сторону их обрубленных концов. Эту главу мы целиком посвящаем интерфейсу.

3.2. Магистрали

Телефонный аппарат, стоящий у вас на столе, соединен шнуром с розеткор укрепленной на стенке. Внутри шнура проходят два провода (иногда их быва ет трн и даже четыре). Шнур имеется и у настолькой лампы или электрическо го утюга. Никому не приходит в голову называть эти шнуры магистралями, главное, придавать им какое-то особое значение. Иначе обстоит дело с магип ралями (их называют также шинами), изображенными на рис. 3.1. Количеств научных работ, посвященных этим магистралям, исчисляется сейчас сотняМ! Появилась своя терминология. Часто приходится слышать термин магистраль пая (шинная) архитектура . Чем же заслужили магистрали такой авторитет

Если включить телефонный аппарат в электросеть, то после такого эксперт мента его, по всей вероятности, придется выбросить. Наоборот, утюг, включеь ный в телефонную сеть, попросту ие нагреется, К одной и той же паре теле фонных проводов подсоединяют иногда и телефонный аппарат, и устройств охраны, сигнализирующие на центральный пульт, когда в охраняемое помеще ние проникают злоумышленники. Но для этого нужны специальные дополн! тельиые приспособления, отделяющие телефонный канал от канала охраны.

У микропроцессорных комплектов все должно быть не так. Мы не раз гс ворили, что один из главных принципов, иа которых основана техника БИС программно перестраиваемой логикой, - это принцип универсальности. Знач! тельно упрощая, можно представить себе такую ситуацию. Вы задумали п( строить, например, домашнего робота. Идете в магазин и покупаете, скаже БИС-процессор, две БИС-ОЗУ и одну БИС-ППЗУ. Так вот, основное требование эти БИС должны соединяться между собой без каких-либо дополнительных npi способлений (и даже без особенных размышлений о том, как это еделать Только при соблюдении такого требования БИС-процессор (БИС-ОЗУ или чтг либо другое) будет в равной степени подходить и для домашнего партнера п шахматам, и для устройства управления автомобильным двигателем, и т. Значит, такие БИС можно будет выпускать массовыми сериями по дешевой ц не.

Посмотрите справочник по современным микросхемам. Вы увидите, что лл большинства из них в числе других параметров указан и такой: ТТЛ совмест! ма . Означает это вот что. Существуют БИС, изготовленные по так называемо ТТЛ (первые буквы слов траизисторно-транзисторная логика )-технологии. Чт это такое, мы сейчас разбираться не станем [11]. Достаточно сказать, что ТТЛ-БИС логическое значение О представляется электрическим напряжением с О до примерно 0,5 В, а логическое значение 1 - напряжением примерно от 2 до 4,5 В. Кроме того, по входным цепям ТТЛ-устройств должны протекать ti ки примерно до 0,2 мА. Если про схему говорят, что оиа ТТЛ совместима, эт означает, что на входах и выходах должны действовать именно такие напряж ния, а выходные элементы должны обеспечить ток не менее 0,2k мА. Величи: fe -это тоже важный параметр, получивший название коэффициента ветвлеш по выходу. Он показывает, сколько входов других устройств можно подключи к одному выходу данного.

Для современных полупроводниковых микросхем большой, малой и средне степеней интеграции существует стандарт на значение входных н выходных н пряжений и токов. Только при наличии подобного стандарта микросхемы мо/ но соединять между собой в любых сочетаниях. Такой же точно стандарт е.

шествует и для магистралей. По определению магистраль - это совокупность проводников, для которых строго установлены уровни напряжений, представляющих логические значения О и 1.

Интересно, почему в качестве таких важнейших величин, как единые стандарты напряжений (это ведь почти то же самое, что и стандартное напряжение электрической сети 220 В, принятое почти во всем мире), взяты параметры именно ТТЛ-схем? Но схемы транзисторно-транзисторной логики ни по одному из параметров ие оказываются самыми лучшими. По быстродействию оии примерно в 10 раз хуже схем, выполненных по ЭСЛ-технологин, а по потреблению энергии в 20 раз хуже схем КМПД, лишь примерно вдвое превосходя их по быстродействию. По такой важной характеристике, как максимальная степень интеграции, ТТЛ-схемы примерно в 4 раза уступают КМДП-ехемам.

Тогда почему же в качестве стандартных выбраны параметры ТТЛ-схем? Причина одна: ТТЛ-схемы исторически появились первыми и на сегодня еще оказываются наиболее распространенными, хотя все в большей степени вытесняются схемами, изготовленными по более прогрессивной технологии.

Следующее требование, предъявляемое к магистралям, состоит в том, чтобы мощность действующих в них электрических сигналов была достаточной для питания входов большого количества подсоединяемых к магистралям устройств. К сожалению, трудно определить, что понимается здесь под словами большое количество . Во всяком случае, запас мощности должен обеспечивать возможность подсоединения к магистралям одного-двух десятков дополнительных БИС сверх предусмотренного проектом числа.

Почему запас мощности сигналов мы считаем свойством магистралей, а не выходов соответствующих устройств? Казалось бы, именно эти устройства и должны быть ответственны за создание в магистралях сигналов достаточной мощности. К тому же (по крайней мере, на первый взгляд) тут нет никакой проблемы, просто в выходных схемах соответствующих устройств нужно использовать мощные транзисторы. Все это так и в то же время не так. Мощность-, потребляемая одним транзистором, используемым для построения запоминающих элементов и других элементов схем, измеряется сегодня миллионными долями ватта. Это одно из весьма значительных достижений современной науки и техники, которое наряду с другими определило возможность создания БИС. Транзисторов на одном кристалле размещается, как мы неоднократно указывали, несколько сотен тысяч. Вот и получается, что мощность, потребляемая одним кристаллом, достигает долей ватта, а то и целых ватт. Вся эта мощность преобразуется в тепло. Для кристалла, площадь поверхности которого равна нескольким квадратным миллиметрам или даже нескольким десяткам квадратных миллиметров, 1 Вт-это очень большая мощность. Ее хватает, чтобы разогреть кристалл до достаточно высокой температуры. А при высокой температуре полупроводники теряют свои свойства - транзисторы перестают быть транзисторами. Эту проблему в свое время так и назвали - проблемой теплового 6apbepav

Ситуация парадоксальная. Мы научились изготовлять столь слонные физические приборы, как транзисторы, таких размеров, что их с трудом можно разглядеть лишь в микроскоп, и это позволило достигнуть степени интеграции в несколько сотен тысяч комионеитов на кристалл. А вот предел степени интеграции ограничен не размерами отдельных компонентов, которые, оказывается,. Можно было бы уменьшать и дальше, а количеством выделяемого ими тепла.

Наше несколько затянувшееся отступление должно убедить читателя в од-