第6微机原理与接口技术清华大学ppt课件

1、 第第6 6章章 输入输出及中断技术输入输出及中断技术主要内容主要内容n输入输出系统的根本概念输入输出系统的根本概念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简单接口芯片及其运用简单接口芯片及其运用n根本输入输出方法根本输入输出方法n中断的根本概念及任务过程中断的根本概念及任务过程n*中断控制器中断控制器82596.1 6.1 输入输出系统输入输出系统了解和掌握：了解和掌握：nI/O系统的概念和特点系统的概念和特点n接口的根本功能接口的根本功能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地址译码地址译码一、输入输出系统的组成及特点一、输入输出系统的组成及特点n

2、组成：组成：nI/O设备，设备， I/O接口，接口， I/O软件软件n特点：特点：n复杂性复杂性n实时性实时性n异步性异步性n与设备无关性与设备无关性二、二、I/O接口和端口接口和端口nI/O接口：接口：n将外设衔接到总线上的一组逻辑电路的总称。将外设衔接到总线上的一组逻辑电路的总称。n实现外设与主机之间的信息交换。实现外设与主机之间的信息交换。nI/O端口：端口：n接口中的存放器接口中的存放器I/O接口要处理的问题n速度匹配速度匹配(Buffer)n信号的驱动才干信号的驱动才干(电平转换器、驱动器电平转换器、驱动器) n信号方式和电平的匹配信号方式和电平的匹配(A/D、D/A) n信息格式信

3、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)接口的功能接口的功能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添加信号的驱动才干添加信号的驱动才干n对外设进展监测、控制与管理，中断处置对外设进展监测、控制与管理，中断处置I/O端口端口数据端口数据端口形状端口形状端口控制端口控制端口端端 口口I/O端口端口CPU数据数据形状形状控制控制外设外设I/O接口接口DB三、三、I/O端口的编址方式端口的编址方式n8086/8088的寻址才干：的寻址才干：n内存：内存：n1MBn端口：端口：

4、n64KBn编址方式：编址方式：n与内存一致编址与内存一致编址n独立编址独立编址端口与内存的一致编址端口与内存的一致编址特点：特点：指令及控制信号一致指令及控制信号一致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64KB00000HF0000HFFFFFH端口的独立编址端口的独立编址特点：特点：内存地址资源充分利用内存地址资源充分利用可以运用于端口的指令可以运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00000HFFFFFHFFFFH0000H端口的寻址端口的寻址n8088/8086寻址端口数：寻址端口数：n64KBn寻址端口的信号：寻址端口的信号：nIO

5、R、IOWnA15 A08088/8086的的I/O端口编址端口编址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操作只运用操作只运用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只运用了只运用了1024个个I/O地址地址(03FFH)四、四、I/O地址的译码地址的译码目的：目的：确定端口的地址确定端口的地址参与译码的信号：参与译码的信号：IOR，IOW，高位地址信号

6、，高位地址信号OUT指令将使总线的指令将使总线的IOW信号有效信号有效IN指令将使总线的指令将使总线的IOR信号有效信号有效I/O译码的地址信号译码的地址信号n当接口只需一个端口时，当接口只需一个端口时，16位地址线普通应位地址线普通应n 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，那么当接口具有多个端口时，那么16位地址线的位地址线的高高n 位参与译码决议接口的基地址，而低位参与译码决议接口的基地址，而低位位n 那么用于确定要访问哪一个端口。那么用于确定要访问哪一个端口。I/O地址译码例地址译码例n某外设接口有某外设接口有4个端口，地址

7、为个端口，地址为2F0H2F3H，由，由A15A2译码得到，而译码得到，而A1、A0用来区分接口中的用来区分接口中的4个端口。试画该接口与个端口。试画该接口与系统的衔接图。系统的衔接图。I/O地址译码例地址译码例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恣意形状恣意形状A11片内地址片内地址图中不接入图中不接入I/O地址译码例地址译码例n译码电路图：译码电路图： 1A11A10A18A3A2A9A7A4&CEA1A0接口芯片接口芯片6.2 6.2 简单接口电路简单接口电路掌握：掌握：n接口电路的分类及特点；

8、接口电路的分类及特点；n两类简单接口芯片的运用两类简单接口芯片的运用一、接口的根本构成一、接口的根本构成数据线数据线控制线控制线形状线形状线DBCBAB数据输入存放器数据输入存放器(or 三态门三态门)数据输出存放器数据输出存放器(锁存器锁存器)形状存放器形状存放器(or 三态门三态门)命令存放器命令存放器译码译码电路电路控制控制逻辑逻辑接口的根本构成接口的根本构成n数据输入数据输入/输出存放器输出存放器 n暂存输入暂存输入/输出的数据输出的数据n命令存放器命令存放器 n存放控制命令存放控制命令n设定接口功能、任务参数和任务方式。设定接口功能、任务参数和任务方式。n形状存放器形状存放器 n保管

9、外设当前形状，以供保管外设当前形状，以供CPU读取。读取。二、接口的类型及特点二、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串行接口串行接口接口特点接口特点n输入接口：输入接口：n要求对数据具有控制才干要求对数据具有控制才干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才干要求对数据具有锁存才干n常用锁存器实现常用锁存器实现三、三态门接口三、三态门接口n高电平、低电平

10、、高阻态高电平、低电平、高阻态三态门接口三态门接口n三态门的任务波形：三态门的任务波形：A0A15IOR译码输出译码输出D0D7开关形状开关形状地址有效地址有效74LS244n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在外设具有数据坚持才干时用来输入接口在外设具有数据坚持才干时用来输入接口n74LS244运用例运用例教材教材p238P238图图三态门接口运用例三态门接口运用例n利用三态门作为输入接口接口地址利用三态门作为输入接口接口地址380H接接到地址范围为到地址范围为70000H-71FFFH的的EEPROM芯片的芯片的READY/BUSY端，当三态门输出高电端，当三态门输出高电

11、平常，可向平常，可向98C64A写入一个字节数据，输出写入一个字节数据，输出低电平常那么不能写入。画芯片与系统的衔接低电平常那么不能写入。画芯片与系统的衔接图图三态门接口运用例三态门接口运用例D0D7A0A12WEOEREADY/BUSYA0A12MEMWMEMR高位地高位地址信号址信号D0D7D0380HCE译码译码IOR四、锁存器接口四、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具有对数据的锁存才干；具有对数据的锁存才干；n不具备对数据的控制才干不具备对数据的控制才干常用锁存器芯片常用锁存器芯片n74LS273n 8D触发器，不具备数据的控制才干触发器，不具备数据的

12、控制才干n74LS373n 含三态的含三态的8D触发器，具有对数据的控触发器，具有对数据的控n 制才干制才干P239图图锁存器芯片锁存器芯片74LS374D0D7Q0Q7.OECP译码器译码器Q0Q7D0D7.OECP译码器译码器做输出口做输出口:做输入口做输入口:外外设设自外设自外设I/O接口综合运用例n根据开关形状在根据开关形状在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当开关的形状分别为当开关的形状分别为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

13、码管图见教材p255O1 I1O2 I2O3 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74LS273Rx81174LSD0D7IOWIORY0Y1F0H = 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.gfedcba000111111801111111100000110901100111201011011A01110111301

14、001111B01111100401100110C00111001501101101D01011110601111101E01111001700000111F01110001I/O接口综合运用例接口综合运用例 程序程序段段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 GO6.3 6.3 根本输入根本输入/ /输出方法

15、输出方法根本输入根本输入/ /输出方法输出方法无条件传送无条件传送查询式传送查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一、无条件传送一、无条件传送n要求外设总是处于预备好形状要求外设总是处于预备好形状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缺陷：缺陷：n只适用于简单外设，顺应范围较窄只适用于简单外设，顺应范围较窄无条件传送例无条件传送例n读取开关的形状；读取开关的形状；n当开封锁合时，输出编码使发光二极管亮当开封锁合时，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+5V1二

16、、查询任务方式二、查询任务方式n仅当条件满足时才干进展数据传送；仅当条件满足时才干进展数据传送；n每满足一次条件只能进展一次数据传送。每满足一次条件只能进展一次数据传送。n适用场所：适用场所：n外设并不总是预备好外设并不总是预备好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任务条件：任务条件：n外设应提供设备形状信息外设应提供设备形状信息n接口应具备形状端口接口应具备形状端口查询任务方式查询任务方式n优点：软硬件比较简单优点：软硬件比较简单n缺陷：缺陷：CPU效率低，数据传送的实时性效率低，数据传送的实时性 n 差，速度较慢差，速度较慢READY?READY?进展一次进展一次数据交换数

17、据交换读入并测试外设形状读入并测试外设形状YN传送完？传送完？Y结结 束束N开开 始始每满足一次条每满足一次条件只能进展一件只能进展一次数据传送次数据传送超时超时?READY?READY?与外设进与外设进行数据交换行数据交换超时错超时错读入并测试外设形状读入并测试外设形状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N查询任务方式例查询任务方式例外设形状端口地址为外设形状端口地址为03FBH，第，第5位位(bit5)为形状为形状标志标志=1忙，忙，=0预备好预备好外设数据端口地址为外设数据端口地址为03F8H，写入数据会使形状，写入数据会使形状标志置标志置1 ；

18、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。D5D7-D0A9|A31&A15|A101IOWD7-D03F8H外外设设D7D6D5D4D3D2D1D0BUSYCPQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0形状端口形状端口GG2AG2BCBAA2A1A074LSY01IORY3OE74LS3743FBH LEA SI,DATA MOV CX,100AGAIN : MOV DX,03FBHWAITT：IN AL,DX TEST AL,20H JNZ WAITT MOV DX,03F8H MOV AL，SI O

19、UT DX，AL INC SI LOOP AGAIN HLT 读形状读形状 进展一次传送进展一次传送Bit5=1?传送完否传送完否? ? 修正地址指针修正地址指针 初始化初始化YNNY 结结 束束三、中断控制方式三、中断控制方式n特点：特点：n外设在需求时向外设在需求时向CPU提出恳求，提出恳求，CPU再去为它再去为它n 效力。效力终了后或在外设不需求时，效力。效力终了后或在外设不需求时，CPU可可n 执行本人的程序执行本人的程序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缺陷：缺陷：n程序编制相对较为复杂程序编制相对较为复杂以上三种以上三种I/O方式的共性方式

20、的共性n信息的传送均需经过信息的传送均需经过CPUn软件：软件： n外设与内存之间的数据传送是经过外设与内存之间的数据传送是经过CPU执行程执行程序来完成的序来完成的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、地址信号都接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由是由CPU发出的。发出的。n 缺陷：缺陷：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四、四、DMA控制方式控制方式特点：特点：外设直接与存储器进展数据交换外设直接与存储器进展数据交换 ，CPU不再担当不再担当数据传输的中介者；数据传输的中介者；总线由总线由DMA控制器控制器DMAC进展

21、控制进展控制CPU要要放弃总线控制权，内存放弃总线控制权，内存/外设的地址和读写控外设的地址和读写控制信号均由制信号均由DMAC提供。提供。DMA控制方式控制方式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DMA控制方式的任务过程控制方式的任务过程n外设向外设向DMA控制器发出控制器发出“DMA传送恳求信传送恳求信号号DRQ；nDMA控制器收到恳求后，向控制器收到恳求后，向CPU发出发出“总线总线恳求信号恳求信号HOLD；nCPU在完成当前总线周期后会立刻发出在完成当前总线周期后会立刻发出HLDAn 信号，对信号，对HOLD信号进展呼

22、应；信号进展呼应；nDMA控制器收到控制器收到HLDA信号后，就开场控制总信号后，就开场控制总线，并向外设发出线，并向外设发出DMA呼应信号呼应信号DACKDMA控制方式的任务过程控制方式的任务过程n例：从外设向内存传送假设干字节数据例：从外设向内存传送假设干字节数据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写信号和AEN信号；信号；n传送数据并自动修正地址和字节计数器传送数据并自动修正地址和字节计数器n判别能否需求反复传送操作。判别能否需求反复传送操作。DMA控制方式的任务过程控制方式的任务

23、过程n当规定的数据传送完后，当规定的数据传送完后，DMA控制器就撤销控制器就撤销发往发往CPU的的HOLD信号。信号。CPU检测到检测到HOLD失失效后，紧接着撤销效后，紧接着撤销HLDA信号，并在下一时钟信号，并在下一时钟周期重新开场控制总线。周期重新开场控制总线。DMA任务方式任务方式n数据块传送方式：数据块传送方式：nDMAC在恳求到总线后，将一块数据传送完后在恳求到总线后，将一块数据传送完后才释放总线，而不论中间才释放总线，而不论中间DREQ能否有效。能否有效。n周期窃取方式每次传送一个字节或一个字：周期窃取方式每次传送一个字节或一个字：n每个每个DMA周期只传送一个字节或一个字就立周

24、期只传送一个字节或一个字就立刻释放总线。刻释放总线。n直接存取方式：直接存取方式：nDMA的数据传送恳求直接发到主存储器，在的数据传送恳求直接发到主存储器，在得到呼应后，整个任务过程在得到呼应后，整个任务过程在DMA控制器中控制器中由硬件完成。由硬件完成。周期窃取的周期窃取的DMA方式：方式：NYN允许允许DMADMAC恳求总线恳求总线CPU呼应呼应, 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终了？块终了？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DREQ DMA恳求？恳求？DMA

25、控制方式控制方式优点：优点：数据传输由数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在内存硬件来控制，数据直接在内存和外设之间交换，可以到达很高的传输速率。和外设之间交换，可以到达很高的传输速率。6.4 6.4 中断技术中断技术掌握：掌握：n中断的根本概念中断的根本概念n中断呼应的普经过程中断呼应的普经过程n中断向量表及其初始化中断向量表及其初始化n8088/8086中断系统中断系统一、中断的根本概念一、中断的根本概念中断：中断：CPU执行程序时，由于发生了某种随机的执行程序时，由于发生了某种随机的事件事件(外部或内部外部或内部)，引起，引起CPU暂时中断暂时中断正在运转的程序，转去执行一段特殊的正在运

26、转的程序，转去执行一段特殊的效力程序效力程序(称为中断效力程序或中断处置称为中断效力程序或中断处置程序程序)，以处置该事件，该事件处置完后，以处置该事件，该事件处置完后又前往被中断的程序继续执行，这一过又前往被中断的程序继续执行，这一过程称为中断。程称为中断。中断源中断源n引起引起CPU中断的事件，发出中断恳求的来源。中断的事件，发出中断恳求的来源。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中断中断引入中断的缘由引入中断的缘由n提高数据传输率；提高数据传输率；n防

27、止了防止了CPU不断检测外设形状的过程，提高了不断检测外设形状的过程，提高了CPU的利用率。的利用率。n实现对特殊事件的实时呼应。实现对特殊事件的实时呼应。二、外部中断呼应的普经过程二、外部中断呼应的普经过程n中断恳求中断恳求n中断源识别及中断判优中断源识别及中断判优n中断呼应中断呼应n中断处置效力中断处置效力n中断前往中断前往中断恳求中断恳求n中断恳求信号应坚持到中断被处置为止；中断恳求信号应坚持到中断被处置为止；nCPU呼应中断后，中断恳求信号应及时撤销。呼应中断后，中断恳求信号应及时撤销。NMIINTR中断源识别中断源识别n软件查询法软件查询法n中断矢量法中断矢量法n由中断源提供中断类型

28、号，由中断源提供中断类型号，CPU根据类型确根据类型确定中断源。定中断源。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中断判优中断判优n优先级法那么优先级法那么n低优先级的中断程序允许被高优先级的中断低优先级的中断程序允许被高优先级的中断源所中断源所中断n排队法那么排队法那么中断嵌套中断嵌套中断判优中断判优 软件判优软件判优 顺序查询中断恳求，先查询的先效力顺序查询中断恳求，先查询的先效力 即先查询的优先级别高即先查询的优先级别高硬件判优硬件判优 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 1I

29、NTAoutDB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中断呼应中断呼应n向中断源发出向中断源发出INTA中断呼应信号；中断呼应信号；n维护断点维护断点n将将FLAGS、 CS、IP压入堆栈压入堆栈n获得中断效力程序入口地址获得中断效力程序入口地址由硬件系统完成由硬件系统完成中断处置中断处置n执行中断效力子程序执行中断效力子程序n中断效力子程序的特点：中断效力子程序的特点：n为为“远过程远过程n用用IRET指令前往指令前往中断效力子程序完成的任务中断效力子程序完成的任务n关中断，维护断点，找入口地址关中断，维护断点，找入口地址n维护软件现场

30、参数维护软件现场参数n开中断开中断STIn中断处置中断处置n关中断关中断CLIn恢复现场恢复现场n中断前往中断前往中断前往中断前往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三、三、8088/8086中断系统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个中个中断源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 NMIINTRn中断逻中断逻辑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恳求非屏蔽中断恳求n中断中断控控n制器制器n8259AnPIC8086/8088CPU8086/8088CPU内部逻辑内部逻辑断点中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：中断向量表中断向量表00000H003FFH1KB中断向量表中断向量表n存放各类中断的中断效力程序的入口地址；存放各类中断的中断效力程序的入口地址；n每个入口占用每个入口占用4 Bytes，低字为段内偏移，高，低字为段内偏移，高字为段基址；字为段基址；n表的地址位于内存的表的地址位于内存的00000H003FFH，大，大小为小为1KB，共，共256个入口。