微机原理第六章

1、微型计算机系统原理及应用微型计算机系统原理及应用Institute of Electrical Engineering 第六章 输入/输出和中断技术26.1 6.1 输入输出系统输入输出系统n输入输出系统：输入输出系统：n计算机系统中除计算机系统中除CPU和主存储器之外的部分和主存储器之外的部分I/O系统系统输入输出设备输入输出设备输入输出接口输入输出接口输入输出软件输入输出软件36.1.1 输入输出系统特点输入输出系统特点n复杂性复杂性n输入输出设备、处理器、操作系统的复杂性输入输出设备、处理器、操作系统的复杂性 n异步性异步性n工作速度和时序不一致工作速度和时序不一致n实时性实时性n控制的

2、时效性控制的时效性n与设备无关性与设备无关性n接口的标准化接口的标准化4输入输出设备通过接口电路与输入输出设备通过接口电路与CPU连接连接6.1.2 I/O接口基本功能接口基本功能存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU51 1、I/OI/O接口的作用接口的作用（1 1）速度的匹配）速度的匹配 外设的读写速度相比外设的读写速度相比CPUCPU可能很慢。而且各种可能很慢。而且各种外设的工作速度互不相同。这就要求接口电路对外设的工作速度互不相同。这就要求接口电路对输入输入/ /输出过程能起一个缓

3、冲和联络的作用。输出过程能起一个缓冲和联络的作用。（2 2）信号电平和驱动能力）信号电平和驱动能力 CPUCPU的信号多是的信号多是05V5V之间，提供功率小，外设之间，提供功率小，外设所需电平范围宽的多，需要驱动功率大。所需电平范围宽的多，需要驱动功率大。 CPU CPU与输入与输入/ /输出之间的信号包括输出之间的信号包括数据数据信息信息（数字量数字量、模拟量模拟量或或开关量开关量）、）、状态状态信息信息和和控制信息控制信息。6（3 3）信号形式匹配和信息格式的变换）信号形式匹配和信息格式的变换 数据信息可能采用并行方式或串行方式。数据信息可能采用并行方式或串行方式。接口电路的功能之一是将

4、不同信息格式变换接口电路的功能之一是将不同信息格式变换为为CPUCPU能接收的标准并行信息，如电平转换、能接收的标准并行信息，如电平转换、串并转换、串并转换、A/DA/D、D/AD/A转换等。转换等。（4 4）时序匹配。提供主机和外设间传送数据的）时序匹配。提供主机和外设间传送数据的状态和控制信息。状态和控制信息。 如如WRWR、RDRD、READYREADY、INTRINTR等等7CPUCPU控制寄存器控制寄存器数据输入寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器数据输出寄存器状态寄存器状态寄存器数据总线数据总线地址地址译码译码读信号读信号写信号写信号准备好准备好中断请求中断请求地址地址片选片选A A

5、0 0A A1 1输输入入设设备备数据输入数据输入数据输入准备好数据输入准备好数据输入回答数据输入回答输输出出设设备备数据输出数据输出数据输出准备好数据输出准备好数据输出回答数据输出回答并行接口连接外设的示意图并行接口连接外设的示意图8 由图可见，外设通过由图可见，外设通过I/OI/O接口电路与接口电路与CPUCPU相连。相连。每个接口电路包含多个寄存器：每个接口电路包含多个寄存器：数据输入寄存器数据输入寄存器、数据输出寄存器数据输出寄存器、状态寄存器状态寄存器、控制寄存器控制寄存器。 通常称这些寄存器为通常称这些寄存器为I/OI/O端口端口(PORT)(PORT)，每个端，每个端口有一个口有

6、一个端口地址端口地址。 CPUCPU与端口通过与端口通过数据总线数据总线交换信息，信息类型交换信息，信息类型包括：包括：数据信息数据信息、对外设的、对外设的控制信息控制信息、外设的、外设的状状态信息态信息，分别存放在接口电路的不同寄存器中。，分别存放在接口电路的不同寄存器中。 端口选择通过地址总线产生。端口选择通过地址总线产生。96.1.3 I/O端口的编制方式端口的编制方式 CPU对对I/O端口端口编址编址有两种方式：有两种方式： 1）与存储器统一编址方式；）与存储器统一编址方式； 2）I/O端口独立编址方式。端口独立编址方式。 统一编址方式将统一编址方式将外设端口与存储器一致处外设端口与存

7、储器一致处理理，使用相同的指令访问外设和存储器使用相同的指令访问外设和存储器。 独立编址方式需要独立编址方式需要专用的访问外设指令专用的访问外设指令，硬件上需要有硬件上需要有控制线控制线来区分访问来区分访问存储器还存储器还是外设。是外设。 8086 CPU采用外设端口独立编址方式。采用外设端口独立编址方式。101. 端口与内存的统一编址特点：特点：n指令及控制信号统一；指令及控制信号统一；n内存地址资源减少内存地址资源减少内存内存地址地址960KBI/O地址地址64KB00000HF0000HFFFFFH112. 端口的独立编址特点：特点：n内存地址资源充分利用内存地址资源充分利用n能够应用于

8、端口的指令能够应用于端口的指令 较少较少内存内存地址地址I/O地址地址00000HFFFFFHFFFFH0000H128088/8086的I/O端口编址n采用采用I/O独立编址方式独立编址方式(但地址线与存储器共用但地址线与存储器共用)n地址线上的地址信号用地址线上的地址信号用IO/M来区分来区分nI/O操作只使用操作只使用20根地址线中的根地址线中的16根：根：A15A0n可寻址的可寻址的I/O端口数为端口数为64K(65536)个个nI/O地址范围为地址范围为0FFFFHnIBM PC只使用了只使用了1024个个I/O地址地址(03FFH)136.3 6.3 基本输入基本输入/ /输出方式

9、输出方式程序方式程序方式 无条件传送方式无条件传送方式 条件（查询）传送方式条件（查询）传送方式中断方式中断方式直接存储器传输（直接存储器传输（DMA-Direct Memory AccessDMA-Direct Memory Access ）方式）方式146.4 6.4 中断技术中断技术1 、什么是中断、什么是中断 在在CPU运行过程中，由于内部或外部运行过程中，由于内部或外部某个某个随机事件随机事件的发生，使的发生，使CPU暂停正在运行的程序，暂停正在运行的程序，而转去执行而转去执行处理引起中断事件的程序处理引起中断事件的程序，完成后，完成后返回原来的程序继续执行。这个过程称为返回原来的程

10、序继续执行。这个过程称为中断中断。2 、中断服务程序、中断服务程序 处理中断源，完成其所要求功能的程序。处理中断源，完成其所要求功能的程序。1515中断源中断源n引起引起CPU中断的事件，发出中断请求的来源。中断的事件，发出中断请求的来源。内部中断内部中断外部中断外部中断异常中断异常中断软件中断软件中断可屏蔽中断可屏蔽中断非屏蔽中断非屏蔽中断异常事件引起异常事件引起中断指令引起中断指令引起INTR中断中断NMI中断中断16n3、为什么要用中断、为什么要用中断n同步操作同步操作 使使CPU和外设同时工作和外设同时工作n实现实时处理实现实时处理 计算机用于实时控制计算机用于实时控制n故障处理故障处

11、理 运行过程中出现故障（存储出错、运行过程中出现故障（存储出错、运算溢出等），计算机利用中断系统处运算溢出等），计算机利用中断系统处理而不必停机。理而不必停机。17中断过程中断过程程序程序断点断点主程序主程序中断请求中断请求为为外外设设继继续续执执行行返回断点返回断点nCPU在执行程序在执行程序中，被内部或外中，被内部或外部的事件所打断，部的事件所打断，转去执行一段预转去执行一段预先安排好的中断先安排好的中断服务程序；服务程序；n服务结束后，又服务结束后，又返回原来的断点，返回原来的断点，继续执行原来的继续执行原来的程序程序提提供供服服务务中断服务程序中断服务程序入口入口1518186.4.2

12、 中断处理的一般过程中断处理的一般过程n中断请求n中断源识别及中断判优n中断响应n中断处理（服务）n中断返回19191 1、中断请求、中断请求n中断请求信号应保持到中断被处理为止；中断请求信号应保持到中断被处理为止；nCPU响应中断后，中断请求信号应及时撤销。响应中断后，中断请求信号应及时撤销。NMIINTR2020n当有多个中断源同时提出请求时，需当有多个中断源同时提出请求时，需要确定首先响应哪一个中断源。要确定首先响应哪一个中断源。n优先级法则优先级法则n低优先级的中断程序允许被高优先级的低优先级的中断程序允许被高优先级的中断源所中断中断源所中断中断嵌套中断嵌套2 2、中断源识别（中断判优

13、）、中断源识别（中断判优）2121中断判优方法中断判优方法n软件判优软件判优n顺序查询中断请求，先查询的先服务顺序查询中断请求，先查询的先服务n即先查询的优先级别高即先查询的优先级别高n硬件判优硬件判优n中断控制器判优（中断向量法）中断控制器判优（中断向量法） 、链式判优、链式判优22链式中断优先权排队电路链式中断优先权排队电路23233 3、中断响应、中断响应n向中断源发出向中断源发出INTAINTA中断响应信号；中断响应信号；n关中断关中断n保护硬件现场保护硬件现场n将将FLAGSFLAGS压入堆栈压入堆栈n保护断点保护断点n将将CSCS、IPIP压入堆栈压入堆栈n获得中断服务程序入口地址

14、获得中断服务程序入口地址由由硬硬件件系系统统完完成成24244 4、中断处理、中断处理n执行中断服务子程序执行中断服务子程序n中断服务子程序的特点：中断服务子程序的特点：n为为“远过程远过程”n用用IRET指令返回指令返回2525中断服务子程序完成的工作n保护软件现场（参数）保护软件现场（参数）n开中断（开中断（STISTI）n中断处理中断处理n关中断（关中断（CLICLI）n恢复现场恢复现场n中断返回中断返回26265 5、中断返回、中断返回n执行执行IRETIRET指令，使指令，使IPIP、CSCS和和FLAGSFLAGS从堆栈弹出从堆栈弹出恢复断点和硬件现场恢复断点和硬件现场27外部可屏

15、蔽中断处理过程27获取中断类型码获取中断类型码由硬件系统完成由硬件系统完成由软件实现由软件实现STICLI由由硬硬件件实实现现286.4.3 8088/8086中断系统内部中断内部中断外部中断外部中断异常中断异常中断软件中断软件中断非屏蔽中断非屏蔽中断可屏蔽中断可屏蔽中断256个个中断源中断源除法错中断除法错中断溢出中断溢出中断单步中断单步中断 29NMIINTR中断逻辑中断逻辑软件中断指令软件中断指令溢出中断溢出中断除法错除法错单步中断单步中断非屏蔽中断请求非屏蔽中断请求中断控中断控制器制器8259A8259APICPIC8086/8088CPU8086/8088CPU内部逻辑内部逻辑断点中

16、断断点中断可可屏屏蔽蔽中中断断请请求求n430128086/8088中断源类型：中断源类型：30n中断类型码中断类型码：0255n中断向量中断向量：中断服务程序的入口地址（首地址）：中断服务程序的入口地址（首地址）n中断向量表中断向量表：将中断向量按一定的规律排列成一个表。：将中断向量按一定的规律排列成一个表。 当中断源发出中断请求时，即可查找该当中断源发出中断请求时，即可查找该 表，找出其中断向量，就可转入相应的中表，找出其中断向量，就可转入相应的中 断服务子程序。断服务子程序。中断向量表中断向量表31溢出中断0000 : 0014 H 0000 : 0013 H0000 : 0010 H

17、0000 : 000F H0000 : 000C H 0000 : 000B H0000 : 0008 H 0000 : 0007 H0000 : 0004 H 0000 : 0003 H0000 : 0000 H类型5类型255供用户定义的中断（共224个）0000 : 007 FH 0000 : 007 EH0000 : 03 FFHCS IPCS IPCS IPCS IPCS IPCS IPCS IP专用的中断（共5个）保留的中断（共27个）类型32 类型31类型0类型4类型3类型2类型1除数为 0 中断非屏蔽中断单步中断断点中断中断向量表中断向量表328086/8088CPU的中断响应

18、过程的中断响应过程CPUCPU在执行内部中断时，没有中断响应周期。在执行内部中断时，没有中断响应周期。（1 1）将中断类型码乘）将中断类型码乘4 4，计算出中断向量地址，计算出中断向量地址（2 2）硬件现场保护，将标志寄存器内容压入堆栈）硬件现场保护，将标志寄存器内容压入堆栈（3 3）IFIF、TFTF清零清零（4 4）保护断点）保护断点（5 5）根据取到的中断类型码，在中断向量表中找）根据取到的中断类型码，在中断向量表中找 到相应的中断向量（中断服务子程序的入口到相应的中断向量（中断服务子程序的入口 地址），分别送至地址），分别送至CSCS和和IPIP中，中，（6 6）转向中断服务子程序。）

19、转向中断服务子程序。1）内部中断响应过程）内部中断响应过程338086/8088CPU的中断响应过程的中断响应过程（1 1）非屏蔽中断响应。不受）非屏蔽中断响应。不受IFIF标志影响。中断类型码标志影响。中断类型码2 2。 中断响应过程和内部中断一样。中断响应过程和内部中断一样。（2 2）可屏蔽中断响应。当）可屏蔽中断响应。当INTR信号有效时，如果中信号有效时，如果中 断允许标志断允许标志IF=1,则则CPU就会在当前指令执行完就会在当前指令执行完 毕后，产生两个连续的中断响应总线周期。毕后，产生两个连续的中断响应总线周期。2）外部中断响应过程）外部中断响应过程346.5 可编程中断控制器可

20、编程中断控制器 8259AnIntel 8259A是可编程中断控制器是可编程中断控制器n可配合可配合CPU（8080/85、I8086/88/286/386等）管理可屏等）管理可屏蔽中断（对外设中断源进行管理，向蔽中断（对外设中断源进行管理，向CPU转达中断请求）转达中断请求）n8259A的基本功能的基本功能n1片片8259A可以管理可以管理8级中断，经级联最多可扩展至级中断，经级联最多可扩展至64级级n每一级中断都可单独被屏蔽或允许每一级中断都可单独被屏蔽或允许n在中断响应周期，可提供中断类型号在中断响应周期，可提供中断类型号n8259A设计有多种工作方式，通过初始化编程进行设设计有多种工作

21、方式，通过初始化编程进行设置置358259A 的引脚图VccA0IR7IR6IR5IR4IR3IR2IR1IR0INTCAS212345678910111213142827262524232221201918171615INTAENSPWRRDCSD7D6D5D4D3D2D1D0CAS0CAS1GND图7-138259A 引脚图VccA0IR7IR6IR5IR4IR3IR2IR1IR0INTCAS212345678910111213142827262524232221201918171615INTAENSPWRRDCSD7D6D5D4D3D2D1D0CAS0CAS1GND图7-138259A

22、引脚图2. 1. 8259A的外部引线的外部引线3680862. 8259A的内部结构的内部结构D7D0-INTAINT中断请求寄存器中断请求寄存器中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器数据数据总线总线缓冲器缓冲器IR0IR7读读/ /写写控制控制逻辑逻辑级联级联缓冲器缓冲器比较器比较器-RD-WRA0-CSCAS0CSA1CAS2-SP/-EN优先权判别电路优先权判别电路中断服务寄存器中断服务寄存器控制逻辑控制逻辑37n中断请求寄存器中断请求寄存器IRRn保存保存8条外界中断请求信号条外界中断请求信号IR0IR7的请求状态的请求状态nDi位为位为1表示表示IRi引脚有中断请求；为引脚有中断请求；为0表示无请表示无请求求n中断服务寄存器中断服务寄存器ISRn保存正在被保存正在被8259