大学计算机微机原理--第6章 输入输出及中断技术

1、1 第6章 输入输出及中断技术2主要内容n基本概念基本概念n输入输出系统输入输出系统nI/O接口和端口接口和端口n端口的编址方式端口的编址方式n简单接口芯片及其应用简单接口芯片及其应用n基本输入输出方法基本输入输出方法n中断的基本概念及工作过程中断的基本概念及工作过程36.1 输入输出系统4了解和掌握：n接口的基本功能接口的基本功能n端口的概念端口的概念n端口的编址方式端口的编址方式nI/O地址译码地址译码5一、一、I/O接口n接口要解决的问题接口要解决的问题n速度匹配速度匹配(Buffer)n信号的驱动能力信号的驱动能力(电平转换器、驱动器电平转换器、驱动器) n信号形式和电平的匹配信号形式

2、和电平的匹配(A/D、D/A) n信息格式信息格式(字节流、块、数据包、帧字节流、块、数据包、帧) n时序匹配时序匹配(定时关系定时关系)n总线隔离总线隔离(三态门三态门)6接口的功能n数据的缓冲与暂存数据的缓冲与暂存n信号电平与类型的转换信号电平与类型的转换n增加信号的驱动能力增加信号的驱动能力n对外设进行监测、控制与管理，中断处理对外设进行监测、控制与管理，中断处理7二、二、I/O端口数据端口数据端口状态端口状态端口控制端口控制端口端口端口8I/O端口CPU数据数据状态状态控制控制外设外设I/O接接口口DB9接口和端口接口接口1接口接口2接口接口N端口端口1端口端口2端口端口m端口端口1端

3、口端口1端口端口2端口端口2端口端口m端口端口m端口端口编址编址端口地址端口地址=芯片地址（高位地址）芯片地址（高位地址）+片内地址片内地址10三、I/O端口的编址方式n8086/8088的寻址能力：的寻址能力：n内存：内存：n1MBn端口：端口：n64K个个n编址方式：编址方式：n与内存统一编址与内存统一编址n独立编址独立编址11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64KB00000HF0000HFFFFFH12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

4、能够应用于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00000HFFFFFHFFFFH0000H13端口的寻址n8088/8086寻址端口数：寻址端口数：n64K个个n寻址端口的信号：寻址端口的信号：nIOR、IOWnA15 A0148088/8086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

5、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)15四、I/O地址的译码目的：目的：n确定端口的地址确定端口的地址参加译码的信号：参加译码的信号：nIOR，IOW，高位地址信号高位地址信号nOUT指令将使总线的指令将使总线的IOW信号有效信号有效nIN指令将使总线的指令将使总线的IOR信号有效信号有效16I/O译码的地址信号n当接口只有一个端口时，当接口只有一个端口时，16位地址线位地址线一般一般应应 全部参与译码，译码输出直接选择该端口；全部参与译码，译码输出直接选择该端口；n当接口具有多个端口时，则当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位地址

6、线的高 位位参与译码（决定接口的基地址），而低位参与译码（决定接口的基地址），而低位 则用于确定要访问哪一个端口。则用于确定要访问哪一个端口。17I/O地址译码例n某外设接口有某外设接口有4个端口，地址为个端口，地址为2F0H2F3H，由由A15A2译码得到，而译码得到，而A1、A0用用来区分接口中的来区分接口中的4个端口。试画该接口与系个端口。试画该接口与系统的连接图。统的连接图。18I/O地址译码例n地址范围：地址范围：n 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0n 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1任意状态任意状态A11片内地址片内地址图中不接入图中不接入19I/O地址

7、译码例n译码电路图：译码电路图： 1A1111A1010A1818A3 3A2 2A9 9A7 7A4 4&CEA1 1A0 0接口芯片接口芯片IORIOW&206.2 简单接口电路21掌握：n接口电路的分类及特点；接口电路的分类及特点；n两类简单接口芯片的应用两类简单接口芯片的应用22一、接口的基本构成数据线数据线控制线控制线状态线状态线DBCBAB数据输入寄存器数据输入寄存器(or 三态门三态门)数据输出寄存器数据输出寄存器(锁存器锁存器)状态寄存器状态寄存器(or 三态门三态门)命令寄存器命令寄存器译码译码电路电路控制控制逻辑逻辑23接口的基本构成n数据输入数据输入/输出寄存器输出寄存器

8、 n暂存输入暂存输入/输出的数据输出的数据n命令寄存器命令寄存器 n存放控制命令存放控制命令n设定接口功能、工作参数和工作方式。设定接口功能、工作参数和工作方式。n状态寄存器状态寄存器 n保存外设当前状态，以供保存外设当前状态，以供CPU读取。读取。24二、接口的类型及特点n按传输信息的方向分类：按传输信息的方向分类：n输入接口输入接口n输出接口输出接口n按传输信息的类型分类：按传输信息的类型分类：n数字接口数字接口n模拟接口模拟接口n按传输信息的方式分类：按传输信息的方式分类：n并行接口并行接口n串行接口串行接口25接口特点n输入接口：输入接口：n要求对数据具有控制能力要求对数据具有控制能力

9、n常用三态门实现常用三态门实现n输出接口：输出接口：n要求对数据具有锁存能力要求对数据具有锁存能力n常用锁存器实现常用锁存器实现26三、三态门接口n高电平、低电平、高电平、低电平、高阻态高阻态2774LS244n含含8个三态门的集成电路芯片个三态门的集成电路芯片n在外设具有数据保持能力时用来输入接口在外设具有数据保持能力时用来输入接口n74LS244应用例应用例n教材教材p238P238图图28四、锁存器接口n通常由通常由D触发器构成；触发器构成；n特点：特点：n具有对数据的锁存能力；具有对数据的锁存能力；n不具备对数据的控制能力不具备对数据的控制能力29常用锁存器芯片n74LS273n8D触

10、发器，不具备数据的控制能力触发器，不具备数据的控制能力n74LS373n含三态的含三态的8D触发器，具有对数据的控制能力。触发器，具有对数据的控制能力。n既可以做输入接口，也可以做输出接口。既可以做输入接口，也可以做输出接口。P240图图30I/O接口综合应用例n根据开关状态在根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号段数码管上显示数字或符号n设输出接口的地址为设输出接口的地址为F0Hn设输入接口地址为设输入接口地址为F1Hn当开关的状态分别为当开关的状态分别为00001111时，在时，在7段段数码管上对应显示数码管上对应显示0F7段数码管图见教材段数码管图见教材p242O1 I1O2 I2O3

11、 I3O4 I4E1 K0K3+5V G G2A G2B C B A1174LS244D0 Q0 | Q1D7 Q2 Q3 Q4CP Q5 Q6 Q7 abcdefgDP7406反相器反相器74LS273Rx81174LS138D0D7IOWIORY0Y1F0H = 1111 0000F1H = 1111 0001&A6A4A3A2A1A0D0D1D2D3译码译码器器A7A01符号符号形状形状7段码段码.gfedcba符号符号形状形状7段码段码.gfedcba000111111801111111100000110901100111201011011A01110111301001111B0111

12、1100401100110C00111001501101101D01011110601111101E01111001700000111F0111000133I/O接口综合应用例 程序段Seg7 DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H LEA BX, Seg7 MOV AH, 0 GO: INAL, 0F1H AND AL, 0FH MOV SI, AX MOV AL, BX+SI OUT 0F0H, AL JMP GO346.3 基本输入/输出方法35基本输入/输出方法无条件传送无条件传送查询式传送查

13、询式传送中断方式传送中断方式传送直接存储器存取直接存储器存取(DMA)程序控制方式程序控制方式36一、无条件传送n要求外设总是处于准备好状态要求外设总是处于准备好状态n优点：优点：n软件及接口硬件简单软件及接口硬件简单n缺点：缺点：n只适用于简单外设，适应范围较窄只适用于简单外设，适应范围较窄37无条件传送例n读取开关的状态；读取开关的状态；n当开关闭合时，输出编码使发光二极管亮。当开关闭合时，输出编码使发光二极管亮。DCPQD0D1输出口地输出口地址址38F3H输入口地输入口地址址38F0H+5V139二、查询工作方式n仅当条件满足时才能进行数据传送；仅当条件满足时才能进行数据传送；n每满足

14、一次条件只能进行一次数据传送。每满足一次条件只能进行一次数据传送。n适用场合：适用场合：n外设并不总是准备好外设并不总是准备好n对传送速率和效率要求不高对传送速率和效率要求不高n工作条件：工作条件：n外设应提供设备状态信息外设应提供设备状态信息n接口应具备状态端口接口应具备状态端口READY?READY?进行一次进行一次数据交换数据交换读入并测试外设状态读入并测试外设状态YN传送完？传送完？Y结结 束束N每满足一每满足一次条件只次条件只能进行一能进行一次数据传次数据传送送开开 始始查询工作方式流程图查询工作方式流程图超时超时?READY?READY?与外设进与外设进行数据交换行数据交换超时错超

15、时错读入并测试外设状态读入并测试外设状态YNYN传送完？传送完？防止死循环防止死循环复位计时器复位计时器NY结结 束束N42查询工作方式例外设状态端口地址为外设状态端口地址为03FBH，第，第5位位(bit5)为状态为状态标志（标志（=1忙，忙，=0准备好）准备好）外设数据端口地址为外设数据端口地址为03F8H，写入数据会使状态，写入数据会使状态标志置标志置1 ；外设把数据读走后又把它置；外设把数据读走后又把它置0。试画出其电路图，并将试画出其电路图，并将DATA下下100B数据输出。数据输出。状态端口状态端口D5D7-D0A9|A31&A15|A1013F8HA2A1A0GG2AG2BCBA

16、74LS138Y01D7-D0CPQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q074LS273外外设设D7D6D5D4D3D2D1D0BUSYY33FBHIOWIOR状态端口地址：状态端口地址：0000 0011 1111 1011数据端口地址：数据端口地址：0000 0011 1111 1000 LEA SI,DATA MOV CX,100AGAIN : MOV DX,03FBHWAITT：IN AL,DX TEST AL,20H JNZ WAITT MOV DX,03F8H MOV AL，SI OUT DX，AL INC SI LOOP AGAIN HLT 读状态读状态 进行一次传送进行一次传送Bit5

17、=1?传送完否传送完否? ? 修改地址指针修改地址指针 初始化初始化YNNY 结结 束束控制程序控制程序查询工作方式n优点：优点：n软硬件比较简单软硬件比较简单n缺点：缺点：nCPU效率低，数据效率低，数据传送的实时性差，传送的实时性差，速度较慢速度较慢45YN 1号外设YYYNNN对1号外设服务对2号外设服务对3号外设服务对n号外设服务准备就绪？ 2号外设 3号外设 n号外设准备就绪？准备就绪？准备就绪？46三、中断控制方式n特点：特点：n外设在需要时向外设在需要时向CPU提出请求，提出请求，CPU再去为它再去为它 服务。服务结束后或在外设不需要时，服务。服务结束后或在外设不需要时，CPU可

18、可 执行自己的程序。执行自己的程序。n优点：优点：nCPU效率高，实时性好，速度快。效率高，实时性好，速度快。n缺点：缺点：n程序编制相对较为复杂。程序编制相对较为复杂。47以上三种I/O方式的共性n信息的传送均需通过信息的传送均需通过CPUn软件：软件： n外设与内存之间的数据传送是通过外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完执行程序来完成的（成的（PIO方式）；方式）；n硬件：硬件：nI/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由CPU发出的。发出的。n 缺点：缺点：n程序的执行速度限定了传送的最大速度程序的执行速度限定了传送的最大速度4

19、8四、DMA控制方式n特点：特点：n外设直接与存储器进行数据交换外设直接与存储器进行数据交换 ，CPU不再担当数不再担当数据传输的中介者；据传输的中介者；n总线由总线由DMA控制器（控制器（DMAC）进行控制（）进行控制（CPU要放要放弃总线控制权），内存弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号外设的地址和读写控制信号均由均由DMAC提供。提供。49DMA控制方式DMAC外设外设接口接口CPUQRDMEMDACKHOLDHLDABUS控制信号控制信号地址信号地址信号50DMA控制方式的工作过程n外设向外设向DMA控制器发出控制器发出“DMA传送请求传送请求”信号信号 DRQ；nDMA控制

20、器收到请求后，向控制器收到请求后，向CPU发出发出“总线请总线请 求求”信号信号HOLD；nCPU在完成当前总线周期后会立即发出在完成当前总线周期后会立即发出HLDA 信号，对信号，对HOLD信号进行响应；信号进行响应；nDMA控制器收到控制器收到HLDA信号后，就开始控制总信号后，就开始控制总 线，并向外设发出线，并向外设发出DMA响应信号响应信号DACK。51DMA控制方式工作过程例n例：从外设向内存传送若干字节数据例：从外设向内存传送若干字节数据nDMAC向向I/O接口发出读信号；接口发出读信号；n向地址总线上发出存储器的地址；向地址总线上发出存储器的地址；n发出存储器写信号和发出存储器

21、写信号和AEN信号；信号；n传送数据并自动修改地址和字节计数器传送数据并自动修改地址和字节计数器n判断是否需要重复传送操作判断是否需要重复传送操作;n若数据传送完，若数据传送完，DMA控制器撤销发往控制器撤销发往CPU的的HOLD信号；信号；nCPU检测到检测到HOLD失效后，则撤销失效后，则撤销HLDA信号，并在下一时信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。钟周期重新开始控制总线。52DMA工作方式n周期窃取：周期窃取：n每个每个DMA周期只传送一个字节或一个字就立即释放周期只传送一个字节或一个字就立即释放总线。总线。n数据块传送：数据块传送：nDMAC在申请到总线后，将一块数据传送完后才释

22、在申请到总线后，将一块数据传送完后才释放总线，而不管中间放总线，而不管中间DREQ是否有效。是否有效。n直接存取方式：直接存取方式：nDMA的数据传送请求直接发到主存储器，在得到响的数据传送请求直接发到主存储器，在得到响应后，整个工作过程在应后，整个工作过程在DMA控制器中由硬件完成。控制器中由硬件完成。周期窃取的DMA方式：NYN允许允许DMADMAC请求总线请求总线CPU响应响应, DMAC获总线控制权获总线控制权DMA传送一个数据传送一个数据块结束？块结束？释放总线至少一个总线周期释放总线至少一个总线周期地址增量，计数器减量地址增量，计数器减量DMAC释放总线释放总线Y测试测试I/O的的

23、DREQ DMA请求？请求？54DMA控制方式n数据传输数据传输由由DMA硬件来控制，数据硬件来控制，数据直接在内直接在内存和外设之间交换，可以达到很高的传输速率。存和外设之间交换，可以达到很高的传输速率。n控制复杂，硬件成本相对较高。控制复杂，硬件成本相对较高。556.4 中断技术56掌握：n中断的基本概念中断的基本概念n中断响应的一般过程中断响应的一般过程n中断向量表及其初始化中断向量表及其初始化n8088/8086中断系统中断系统57一、中断的基本概念n中断：中断：nCPU执行程序时，由于发生了某种随机的事件执行程序时，由于发生了某种随机的事件(外外部或内部部或内部)，引起，引起CPU暂

24、时中断正在运行的程序，暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序转去执行一段特殊的服务程序(称为中断服务程序称为中断服务程序或中断处理程序或中断处理程序)，以处理该事件，该事件处理完，以处理该事件，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行，这一过程称为中后又返回被中断的程序继续执行，这一过程称为中断。断。58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59引入中断的

25、原因n提高数据传输率；提高数据传输率；n避免了避免了CPU不断检测外设状态的过程，提高了不断检测外设状态的过程，提高了CPU的利用率。的利用率。n实现对特殊事件的实时响应。实现对特殊事件的实时响应。60二、外部中断响应的一般过程n中断请求中断请求n中断源识别及中断判优中断源识别及中断判优n中断响应中断响应n中断处理（服务）中断处理（服务）n中断返回中断返回61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。NMIINTR62中断源识别n软件查询法软件查询法n中断矢量法中断矢量法n由

26、中断源提供中断类型号，由中断源提供中断类型号，CPU根据类型确定根据类型确定中断源。中断源。中断源识别及判优由硬件系统完成中断源识别及判优由硬件系统完成63中断判优n当有多个中断源同时提出请求时，需要确定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。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中断源低优先级的中断程序允许被高优先级的中断源所中断所中断n排队法则排队法则n先来先响应先来先响应中断嵌套中断嵌套64中断判优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

27、件判优硬件判优n链式判优、并行判优（中断向量法）链式判优、并行判优（中断向量法）菊花链逻辑电路菊花链逻辑电路INTAinIREQINTR&=1 1INTAoutDB三态门三态门中中断断向向量量码码E外设接口外设接口中断确认中断确认菊花链菊花链逻辑电路逻辑电路66中断响应n向中断源发出向中断源发出INTA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FLAGS压入堆栈压入堆栈n保护断点保护断点n将将CS、IP压入堆栈压入堆栈n获得中断服务程序入口地址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67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

28、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68中断服务子程序完成的工作n关中断，保护现场，保护断点，找入口地址关中断，保护现场，保护断点，找入口地址n保护软件现场（参数）保护软件现场（参数）n开中断（开中断（STI）n中断处理中断处理n关中断（关中断（CLI）n恢复现场恢复现场n中断返回中断返回69中断返回n执行执行IRET指令，使指令，使IP、CS和和FLAGS从堆栈弹从堆栈弹出出恢复断点和硬件现场恢复断点和硬件现场中断处理过程流程70中断请求识别中断源关中断保护硬件现场保护断点确定中断服务程序入口地址保护软件现场开中断执行中断服务程序关中断恢复软件现场恢复断点开中断中断返回恢复硬件现场71三、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