输入输出和中断技术

1、 I/O接口概述接口概述 I/O端口与其寻址方式端口与其寻址方式 CPU与外设之间的数据传送方式与外设之间的数据传送方式 有关中断的基本概念有关中断的基本概念 8086中断系统中断系统 8086CPU中断响应流程中断响应流程 掌握微型计算机接口技术的基本概念掌握微型计算机接口技术的基本概念 了解主机与外设之间的各种数据传送方式了解主机与外设之间的各种数据传送方式 了解了解I/O端口的寻址方式端口的寻址方式 掌握中断技术的基本概念 了解8086中断系统及其对各种类型中断的响应流程CPUCPU控制寄存器控制寄存器输入缓冲寄存器输入缓冲寄存器输出缓冲寄存器输出缓冲寄存器状态寄存器状态寄存器数据总线数

2、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 A0 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 6.1 I/O接口概述接口概述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连接连接一、一、I/O接口的功能接口的功能 接口电路须为外部设备提供几个不同地址的接口电路须为外部设备提供几个不同地址的寄存器，每个寄存器称为一个寄存器，每个寄存器称为一个I/O端口。通常的端口。通常的I/O接口示意图如下：接口

3、示意图如下：I/O接口示意图 I/O接口内部一般由接口内部一般由数据、状态、控制数据、状态、控制三类寄存器组成。三类寄存器组成。数据寄存器数据寄存器在输入时，保存外设发往在输入时，保存外设发往CPU的数据的数据 (输入寄存器输入寄存器)在输出时，保存在输出时，保存CPU发往外设发往外设的数据的数据 (输出寄存器输出寄存器)状态寄存器状态寄存器保存状态信息，保存状态信息，CPU可从状态可从状态口读取当前状态；口读取当前状态； 控制寄存器控制寄存器用来保存用来保存CPU写入的控制字。写入的控制字。二、二、 CPU 与与I/O之间的接口信号之间的接口信号CPUI/O设备设备 I/O接口接口123AB

4、DBCBDATASTATUSCONTROLCPU 与外设之间的接口信息与外设之间的接口信息 (1) 数字量数字量二进制格式或以二进制格式或以 ASCII 码标准码标准(2) 模拟量模拟量非电量信息非电量信息传感器传感器电量电量 信号信号处理处理A/DCPU(3) 开关量开关量只表示两个状态的量只表示两个状态的量 (可以用可以用0、1表示表示)输入时，输入设备是否准备好？输入时，输入设备是否准备好？ (READY)输出时，输出设备是否空闲？输出时，输出设备是否空闲？(BUSY)反映当前外设工作状态的信息，例如：反映当前外设工作状态的信息，例如：例如设置例如设置I/O 设备工作模式，控制设备工作模

5、式，控制I/O 设备启设备启动或停止等。动或停止等。CPU通过接口输出用以控制外设工作的信息。通过接口输出用以控制外设工作的信息。外部设备与微处理器进行信息交换必外部设备与微处理器进行信息交换必须通过访问该外设相对应的端口来实现。须通过访问该外设相对应的端口来实现。具体访问这些外设端口的过程叫做具体访问这些外设端口的过程叫做寻址寻址。 通常有两种寻址方式：通常有两种寻址方式：存储器映像的存储器映像的I/O寻址方式寻址方式和和I/O端口单独寻址方式端口单独寻址方式。三、三、 I/O 端口及其寻址方式端口及其寻址方式1、存储器映像的、存储器映像的I/O寻址方式寻址方式 端口地址与存储器地址统一编址

6、端口地址与存储器地址统一编址优点：优点：1). 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。端口寻址端口寻址手段丰富，不需要专门的手段丰富，不需要专门的I/OI/O指令指令。2). I/OI/O寄存器数目与外设数目不受限制，而只受寄存器数目与外设数目不受限制，而只受总存储容量的限制总存储容量的限制。3). 读写控制逻辑比较简单。读写控制逻辑比较简单。缺点：缺点： I/O端口要占用存储器的一部分地址空端口要占用存储器的一部分地址空间，间，使可用的内存空间减少。使可用的内存空间减少。2、I/O端口单独寻址方式端口单独寻址方式 I/O端口和存储器分开寻址端口和存储器分开寻址 优点

7、：优点：1). I/O口的地址空间独立，不占用存储口的地址空间独立，不占用存储器地址空间。器地址空间。 2).地址线较少，寻址速度相对较快地址线较少，寻址速度相对较快 。3).专门专门I/O指令的使用，使编制的程序指令的使用，使编制的程序清晰，便于理解和检查。清晰，便于理解和检查。1). I/OI/O指令较少，导致程序设计的灵活指令较少，导致程序设计的灵活性较差；性较差；2).需要存储器和需要存储器和I/OI/O端口两套控制逻辑，端口两套控制逻辑，增加了控制逻辑的复杂性。增加了控制逻辑的复杂性。缺点：缺点：CPU访问访问I/O端口必须采用专用端口必须采用专用I/O指令，包括指令，包括输输入指令

8、入指令IN、输出指令输出指令OUT及其相关指令组。及其相关指令组。硬硬件上要有件上要有控制线控制线来区分是来区分是存储器还是外设访问。存储器还是外设访问。 80X86系列微处理器采用系列微处理器采用I/O端口单独寻址方端口单独寻址方 式。式。 指令包含指令包含直接寻址直接寻址和和寄存器间接寻址寄存器间接寻址两种两种类型。类型。采用直接寻址时指令格式为：采用直接寻址时指令格式为： 输入指令：输入指令： IN ALIN AL，PORTPORT 输出指令：输出指令： OUT PORT, AL OUT PORT, AL 这种直接寻址方式的端口地址为一个字节长，这种直接寻址方式的端口地址为一个字节长，可

9、寻址可寻址256256个端口个端口采用间接寻址时指令格式为：采用间接寻址时指令格式为：输入指令：输入指令：IN ALIN AL，DX DX 输出指令：输出指令：OUT DXOUT DX，ALAL 这种间接寻址方式的端口地址为两个字节这种间接寻址方式的端口地址为两个字节长，由长，由DX寄存器间接给出，可寻址寄存器间接给出，可寻址64K个端口个端口地址。地址。 186.26.2 简单接口电路掌握： 两类简单接口芯片的应用19一、三态门接口 高电平、低电平、高阻态2074LS244 含8个三态门的集成电路芯片 在外设具有数据保持能力时用作输入接口 74LS244应用例(教材p239)21二、锁存器接

10、口 通常由D触发器构成； 特点： 具有对数据的锁存能力； 不具备对数据的控制能力22常用锁存器芯片 74LS273 8D触发器，不具备数据的控制能力(p240图) 74LS373 含三态的8D触发器，具有对数据的控制能力(OE)。 既可以做输入接口，也可以做输出接口。 74LS373在CP高电平锁存，374在CP上升沿锁存23I/O接口综合应用例 根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号 设输出接口的地址为F0H 设输入接口地址为F1H 当开关的状态分别为00001111时，在7段数码管上对应显示0F (见p242)O1 I1O2 I2O3 I3O4 I4E1 K0K3+5V G G2A G2

11、B C B A1174LS244D0 Q0 | Q1D7 Q2 Q3 Q4CP Q5 Q6 Q7 abcdefgDP7406反相器反相器74LS273Rx81174LS138D0D7IOWIORY0Y1F0H = 1111 0000F1H = 1111 0001&A6A4A3A2A1A0D0D1D2D3译码器译码器A7A01符号形状7段码.gfedcba符号形状7段码.gfedcba000111111801111111100000110901100111201011011A01110111301001111B01111100401100110C00111001501101101D010

12、11110601111101E01111001700000111F0111000126I/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, 0GO:INAL, 0F1H AND AL, 0FH MOV SI, AX MOV AL, BX+SI OUT 0F0H, AL JMP GO 6.3 CPU与外设之间的数据传送方式与外设之间的数据传送方式CPU与外设间的数据传送，实际上是与外设间的数据传送，实际上是CPU与与I/O接口间的

13、数据传送。接口间的数据传送。传送方式传送方式包括包括无条件无条件传送传送、查询传送、中断传送、查询传送、中断传送、以及以及DMA方式方式。一、无条件传送方式一、无条件传送方式 无条件传送适合于数据传送不太频繁的情无条件传送适合于数据传送不太频繁的情况，如对开关、数码显示器等一些简单外设况，如对开关、数码显示器等一些简单外设的操作。所谓的操作。所谓无条件无条件，就是，就是假设外设假设外设已处于已处于就绪就绪状态，数据状态，数据传送时传送时，程序就，程序就不必不必再去再去查查询外设询外设的的状态状态，而，而直接执行直接执行I/O指令指令进行数进行数据传输。据传输。无条件传送接口示意图无条件传送接口

14、示意图输出操作：输出操作：OUT PORT， AL输入操作：输入操作：IN AL，PORT M/IO=0，RD=0，地址译码有效，输入地址译码有效，输入 缓冲器被选中。缓冲器被选中。 M/IO=0，WR=0，地址译码有效，输出锁地址译码有效，输出锁存器被选中。存器被选中。无条件传送的接口电路举例无条件传送的接口电路举例 二、查询传送方式二、查询传送方式 查询传送方式，又称查询传送方式，又称异步异步传送传送方式。它在执行输入输出方式。它在执行输入输出操作之前，需通过操作之前，需通过测试测试程序对程序对外部设备的状态外部设备的状态进行检查。当进行检查。当所选定的外设已准备所选定的外设已准备“就绪就

15、绪”后后，才开始才开始进行输入输出进行输入输出操作。操作。 查询传送方式流程图 查询传送方式工作流程包括两个基本环节查询传送方式工作流程包括两个基本环节 （1 1）查询环节）查询环节 通过读取状态寄存器的标志位来检查外设是通过读取状态寄存器的标志位来检查外设是否否“就绪就绪”。（2 2）传送环节）传送环节 当上一环节完成后，将对数据口实现寻址，当上一环节完成后，将对数据口实现寻址，并通过输入指令从数据端口输入数据，或利并通过输入指令从数据端口输入数据，或利用输出指令往数据端口输出数据。用输出指令往数据端口输出数据。 查询式输入时的数据和状态信息查询式输入时的数据和状态信息 查询式输入程序流程图

16、查询式输入程序流程图 NEXT：INAL，STATUS-PORT；从状态口输入状态信息从状态口输入状态信息 TESTAL，01H ；测试标志位测试标志位D0是否为是否为1 JZNEXT ；未就绪，继续查询未就绪，继续查询INAL，DATA-PORT ；从数据端口输入数据从数据端口输入数据 查询式输出的端口信息查询式输出的端口信息 查询式输出程序流程图查询式输出程序流程图 NEXTOUTNEXTOUT： IN AL, STATUS_PORT IN AL, STATUS_PORT ；从状态口输入状态信息从状态口输入状态信息 TEST AL, 80H TEST AL, 80H ；测试标志位测试标志位

17、D D7 7是否为是否为0 0 JNZ NEXTOUT JNZ NEXTOUT ；未就绪未就绪，继续查询，继续查询 MOV AL, BUF MOV AL, BUF ；从缓冲区从缓冲区BUFBUF取数据取数据 OUT DATA_PORT, AL OUT DATA_PORT, AL ；从数据端口输出从数据端口输出 三、三、 中断传送方式中断传送方式为了进一步提高为了进一步提高CPU的效率和系统的效率和系统实时性，可以采用中断传送方式。在中断实时性，可以采用中断传送方式。在中断传送方式下，当外设准备好时，传送方式下，当外设准备好时，主动主动向向CPU发出中断请求，请求发出中断请求，请求CPU进行数据

18、进行数据的输入输出。的输入输出。中断方式的数据输入中断方式的数据输入 采用中断传送方式时采用中断传送方式时,外设处于主动地位外设处于主动地位,无无需需CPU花费大量时间去查询外设的工作状态。花费大量时间去查询外设的工作状态。与程序方式相比，大大提高了与程序方式相比，大大提高了CPU的效率。的效率。外设请求中断外设请求中断 INTR有效有效主程序主程序中断服务程序中断服务程序输入输入 数据数据外设准备数据外设准备数据四、四、DMA方式方式DMA (Direct Memory Access): 是存储是存储器与外设或存储器之间进行大量数据传器与外设或存储器之间进行大量数据传送的方法，是在送的方法，

19、是在DMA控制器控制器(DMAC)的控制下进行的。的控制下进行的。 通过通过DMA控制器实现的一种高速数据传送方控制器实现的一种高速数据传送方式；典型应用是式；典型应用是磁盘与内存的数据交换磁盘与内存的数据交换。 完全由硬件实现，不需要完全由硬件实现，不需要CPU干预，也不需干预，也不需要软件介入。要软件介入。 常用的常用的DMA控制器是控制器是Intel 8237。CPU总 线存储器外设程序控制的数据输入/输出DMADMA与程序控制数据传送路径比较与程序控制数据传送路径比较DMA传送原理图传送原理图DMA工作流程工作流程 （2） CPU 响应后，响应后，DMAC接管对总线的控制，进入接管对总

20、线的控制，进入 DMA方式。方式。（1 1） 能向能向CPU 发出发出 BUSRQ 请求信号。请求信号。 （3） 能发出地址信息，并对能发出地址信息，并对I/O端口或存储器寻址。端口或存储器寻址。（5）决定数据传送的地址和数据传送的长度。）决定数据传送的地址和数据传送的长度。（4 4）发出读、写控制信号。发出读、写控制信号。（6）判断）判断DMA 操作的结束，撤消总线请求信操作的结束，撤消总线请求信 号，使号，使CPU 恢复正常工作。恢复正常工作。3. DMA操作方式操作方式 （1 1）单字节方式）单字节方式DMADMA控制器操作每次均只传送一个字控制器操作每次均只传送一个字节。节。 （2 2

21、）字组方式）字组方式也叫请求方式或查询方式。这种方式以有也叫请求方式或查询方式。这种方式以有DMADMA请求为前提，能够连续传送一批数请求为前提，能够连续传送一批数据。据。 （3 3）连续方式）连续方式连续操作方式是指在数据块传送的整个过程中连续操作方式是指在数据块传送的整个过程中, , 不管不管DMADMA请求是否撤消，请求是否撤消，DMADMA控制器始终控制着控制器始终控制着 总线。除非传送结束或检索到总线。除非传送结束或检索到“匹配字节匹配字节”， 才把总线控制权交回才把总线控制权交回CPUCPU。 特点特点从从DMADMA操作角度来看，以连续方式最快，操作角度来看，以连续方式最快，字组

22、方式次之，单字节方式最慢。字组方式次之，单字节方式最慢。 从从CPUCPU的使用效率来看，则正好相反，的使用效率来看，则正好相反，以单字节方式最好，连续方式最差，字以单字节方式最好，连续方式最差，字组方式居中。组方式居中。 INT n 指令指令 中断逻辑中断逻辑非屏蔽中断请求非屏蔽中断请求中断中断 控制系统控制系统 （8259A）INT 3 指令指令INTO 指令指令单步单步 中断中断除数为除数为 0中断中断 可屏蔽可屏蔽 中断请求中断请求NMI INTR硬件中断硬件中断软件中断软件中断 6.4 8086CPU的中断系统的中断系统一、中断类型一、中断类型8086能处能处理理256种中断，种中断

23、，分为两大类：分为两大类：外部中断外部中断和和内内部中断部中断。其中。其中断分类如右图断分类如右图8086的中断分类的中断分类（1） 非屏蔽中断非屏蔽中断 NMI (类型号为类型号为2) 有效，不受有效，不受FR 中中IF 的影响，常的影响，常用于处理系统的重大故障。用于处理系统的重大故障。（2） 可屏蔽的中断可屏蔽的中断INTR 高有效，高有效，CPU 是否响应，取决于是否响应，取决于 FR 中中IF 的状态。常用于各种外的状态。常用于各种外设的中断。设的中断。通常由三种情况引起：通常由三种情况引起：(1) INT n 指令中断指令中断 (n 为中断类型号为中断类型号)(2) 处理处理CPU

24、 某些错误的中断某些错误的中断 除法错中断除法错中断 (中断类型号为中断类型号为0) 溢出中断溢出中断 (INTO) (中断类型号为中断类型号为4)(3) 为调试程序设置的中断为调试程序设置的中断a 单步中断单步中断当当FR 中中TF = 1时，每执行一条指令，时，每执行一条指令，CPU 产生类型为产生类型为1 的单步中断。的单步中断。b 断点中断断点中断设置断点实际上是把指令设置断点实际上是把指令“INT 3” 插入到插入到程序中，程序中，CPU 每执行到断点处的每执行到断点处的“INT 3” 指令，便产生类型为指令，便产生类型为3 的中断。的中断。二、中断优先级二、中断优先级8086 系统

25、中，中断优先级的次序为：系统中，中断优先级的次序为：高高低低内部中断内部中断 (除法错除法错:0、INTO:4、INT n)NMI(类型类型2)INTR单步中断单步中断(类型类型1)三、中断向量表三、中断向量表 CPU 响应中断后，如何得到中断响应中断后，如何得到中断服务程序的服务程序的入口地址入口地址 (中断向量中断向量)，转入，转入到中断服务程序？到中断服务程序？8086CPU 通过建立通过建立中断向量表的方法解决。中断向量表的方法解决。 中 断 向中 断 向量量 (中断服务中断服务程 序 入 口 地程 序 入 口 地址址) 在表中的在表中的地址地址 = 中断中断类型号类型号 4中断向量表1. 取类型号；取类型号； 2. 计算向量地址；计算向量地址； 3. 根据向量地址查表，将偏移地址送根据向量地址查表，将偏移地址送IP，段基段基址送址送CS； 4. 转入中断服务程序，进行中断处理。转入中断服务程序，进行中断处理。四四、8086CPU 转入中断服务程序的过程转入中断服务程序的过程8086转入中断处理程序的过程1800HF000H00H 18H 00H F0HPUSH IRET例：执行INT