输入输出技术

02九月2023西北师大物电学院1

主机与外界之间的通信是通过外围设备(简称外设)来进行的。输入与输出设备是计算机系统的重要组成部分。程序、原始数据和各种现场采集到的数据、信息都要通过输入设备输入至主机，而计算的结果或各种控制信号要输出给各种输出设备，以便显示、打印和实现各种控制功能。第4章输入输出技术02九月2023西北师大物电学院2第4章输入输出技术几个概念：输入/输出：计算机通过外围设备同外部世界通信或交换数据称为“输入/输出”。外设接口电路（外设接口）：在微型计算机系统中，常用的外围设备有：键盘、鼠标、硬磁盘机，软驱、光盘机、打印机、显示器、MODE、D/A转换器、A/D转换器、扫描仪、及一些专用设备。02九月2023西北师大物电学院3第4章输入输出技术把外围设备同计算机连接起来实现数据传送的控制电路称为“外围接口电路”，简称“外设接口”。如图所示：从图可看出，接口分两类：存储器接口和I/O接口；其位置：介于系统总线与外部设备之间。02九月2023西北师大物电学院4第4章输入输出技术I/O接口与I/O设备：不同I/O设备对应I/O接口不同。I/O接口受CPU控制，I/O设备受I/O接口控制。为增加通用性，I/O接口的接口电路一般均具有可编程功能。微机的应用离不开与外部设备接口的设计、选用和连接。微机接口技术是编程人员的一项基本技能。02九月2023西北师大物电学院5第4章输入输出技术输入与输出的操作过程类似于存储器的存取操作。原则上CPU可以采用访问存储器的方式与外设交换数据，但是在实际操作中，外围设备要考虑的问题比访问存储器复杂得多。存储器通常是在与CPU同步的控制方式下工作的，并且内存采用半导体器件，其相应的控制比较简单，与CPU的匹配和定时较易实现。而外设种类繁多，控制复杂。CPU与外设相连时，不能直接用总线相连，而是要通过相应的电路来连接。这是因为CPU与外设之间存在很大的差异，不能匹配。02九月2023西北师大物电学院6第4章输入输出技术一、计算机与外设之间的信息交换应解决的问题外围设备的品种繁多，有机械式的，电子式的、磁电式的、及光电式的等等；外围设备需处理的信息也有多种多样，有数字信号、模拟信号、开关信号、电压信号、电流信号等等；从工作速度上看，有的速度慢，有的速度快，不同的外设处理信息的速度相差悬殊；02九月2023西北师大物电学院7第4章输入输出技术另外，微型计算机与不同的外围设备之间所传送的信息的格式和电平高低等也是多种多样的。这就形成了外设接口电路的多样性和复杂性。根据外设的多样性和复杂性，计算机与外设之间的信息交换应解决的问题如下：02九月2023西北师大物电学院8第4章输入输出技术

速度不匹配

信号电平不匹配

信号格式不匹配

信号时序不匹配02九月2023西北师大物电学院9因此输入与输出设备不能直接与CPU的系统总线相连，必须在CPU与外设之间设置专门的接口电路来解决这些问题。

第4章输入输出技术02九月2023西北师大物电学院10第4章输入输出技术二、I/O接口应具有的功能（解决的方案）1．设置数据缓冲器以解决两者速度差异所带来的不协调问题由于微处理机与输入/输出设备处理数据的速度不同，定时的标准也不同，二者又需进行信息交换，所以在接口上尚需设置对所传送的数据提供缓冲、隔离以及寄存的功能。02九月2023西北师大物电学院11第4章输入输出技术具体说来，就是在输出接口中设置寄存器或锁存器，用以暂时存放CPU欲输出的数据，然后再由输出设备根据自身的情况，将暂时存放的欲输出的数据进行适时输出处理。02九月2023西北师大物电学院12第4章输入输出技术输入：输入设备数据线三态缓冲器DBCPU

输出：CPUDB锁存器输出设备数据线02九月2023西北师大物电学院13第4章输入输出技术2．设置信号电平转换电路以解决两者之间信号电平的不一致问题。由于微处理机的总线信号与输入/输出设备的控制信号之间存在着差异，无法进行相匹配的操作，需要在两种信号之间进行转换。像CPU的信号与输入/输出设备信号之间的逻辑关系、时序关系以及电平之间的关系均需转换。02九月2023西北师大物电学院14第4章输入输出技术否则高速的CPU系统与低速的输入/输出设备之间是无法沟通的。例如：在串行通信中，常采用MC1488，MC1489等芯片实现电平转换。3．设置信息转换逻辑以满足对各自信号格式的要求。例如：A/D转换，D/A转换，串/并转换，并/串转换等。02九月2023西北师大物电学院15第4章输入输出技术4．设置时序控制电路以同步CPU和外设的工作。接口电路接收CPU送来的命令或控制字，实施对外设的控制和管理；外设的工作状态和应答信号也通过接口及时返回给CPU（设备就绪，忙，缓冲器满，空），保证CPU与外设工作实现同步。常用的状态信号有正忙和准备就绪。02九月2023西北师大物电学院16第4章输入输出技术5．提供地址译码电路。在微处理机系统通常都配备有多个或多种外围设备，这样就会有多个输入/输出接口，像为键盘、鼠标、打印机、显示器、磁盘等诸输入/输出设备均配备有各自接口，且为它们分配了各自的地址码。通过接口中的地址译码电路对外围设备输入/输出地址寻址。02九月2023西北师大物电学院17第4章输入输出技术6．校验和检查：在微处理机系统中，通常为输入/输出接口配备有校验功能，并且可以将出错信息报告给微处理机。像外围设备机构中的机械和电路故障，就要向微处理机报告故障的类型和位置。若数据在传送中的错误就用奇偶校验码进行校验。如若USB在传送过程中出现错误则要用到容错功能，发送设备会重复发送数据直至正确为止。02九月2023西北师大物电学院18第4章输入输出技术7．最好可编程应用——：对一些通用的，功能齐全的接口电路，应该具有可编程的功能，所谓可编程就是用软件来选择接口电路的某些功能，以适应具体工作的需求。这也是现代接口电路的发展方向。02九月2023西北师大物电学院19第4章输入输出技术综上所述，接口的主要功能是执行命令、提供状态、管理中断、协调交换和变换信息格式。这些功能并不是所有接口必须具备的功能。根据系统的不同配置和用途，其接口的功能和工作方式有所不同，应视具体系统的要求而定。02九月2023西北师大物电学院20第4章输入输出技术三、接口与端口一个典型接口电路的内部结构框图如图4-1所示，从图4—1可见：图4—1基本外设接口02九月2023西北师大物电学院21第4章输入输出技术输入/输出接口好像是CPU与外围设备之间进行信息传送的一个“连接部件”。输入/输出接口通过CPU的数据总线、地址总线和控制总线与CPU相连接，数据信息通过数据端口、控制信息通过控制端口和状态端口与外围设备连接，外围设备与CPU交换的信息就是数据信息、状态信息和控制信息。02九月2023西北师大物电学院22第4章输入输出技术“外设接口”是“CPU”与“外设”之间传递信息的控制电路。外设接口一边通过CPU的三总线（或微机总线）同CPU连接，一边通过三种信息—数据信息、控制信息和状态信息同外设连接。CPU通过外设接口同外设之间交换的信息就是这三种信息。02九月2023西北师大物电学院23第4章输入输出技术数据信息可以有数字量、模拟量和开关量三种类型。数字量是以二进制码形式提供的信息。通常是8位、16位和32位数据。开关量是用2个状态表示的信息。只用一位二进制码表示。模拟量是指由传感器等提供的由物理量转换成的相应的连续变化的电信号。模拟量必须先经模/数（A/D）转换器转换为数字量后，再输入CPU进行处理。02九月2023西北师大物电学院24第4章输入输出技术数据端口的作用是，在外围设备与CPU之间进行信息交换时，用来存放欲交换数据的一种缓冲寄存器，当程序执行到需要CPU加工处理来自外围设备的数据时，数据端口中存放的就是外围设备发给CPU的数据。而当程序执行到需要CPU将加工处理后的数据发送给外围设备时，数据端口中存放的就是欲通过外围设备输出的数据。02九月2023西北师大物电学院25第4章输入输出技术状态信息指的是外围设备当前的工作状态，像正忙（BUSY）信号，准备就绪（READY）信号等。控制信息是指用于控制外围设备接口工作方式和外围设备启动或停止信息，通常是由CPU发出各种控制信息。02九月2023西北师大物电学院26第4章输入输出技术数据信息、状态信息和控制信息通常都以数据形式通过CPU的数据总线（或微机总线）同CPU进行传送的，这些信息分别存放在外设接口的不同类型的寄存器中。CPU同外设之间的信息传送实质上是对这些寄存器进行“读”或“写”操作。02九月2023西北师大物电学院27第4章输入输出技术“接口”中这些可以由CPU进行读或写的寄存器被称为“端口”（Port）。这些端口可分为“数据口”、“状态口”与“控制口”。分别存放数据信息、状态信息和控制信息。CPU通过访问这些端口来了解外设的状态，控制外设的工作，以及同外设之间进行数据传输。02九月2023西北师大物电学院28第4章输入输出技术四、基本的I/O操作技术基本的I/O操作技术有三种，它们分别是：（1）利用程序设计技术进行I/O操作：它是在程序的直接、连续地控制之下所进行的I/O操作。02九月2023西北师大物电学院29第4章输入输出技术（2）利用中断驱动实施I/O操作：在程序发出了I/O命令之后，继续进行I/O操作，只有当遇到I/O硬件中断，才被告之I/O操作已经结束。（3）直接存储器存取DMA技术：这一技术是用一个指定的I/O处理器来替代I/O操作控制，在I/O设备和存储器之间可以进行直接的大批量的数据传送操作。02九月2023西北师大物电学院30第4章输入输出技术五、I/O端口的编址方式I/O端口的编址方式有两种：独立编址与存储器映象编址（统一编址）。1．独立编址（专用的I/O端口编址）独立编址方式的硬件结构及地址空间分配如图4-1-1所示02九月2023西北师大物电学院31第4章输入输出技术这种编址方式的特点是存储器和I/O端口在两个独立的地址空间中，I/O端口的读、写操作由硬件信号和来实现，访问I/O端口用专用的IN指令和OUT指令。02九月2023西北师大物电学院32第4章输入输出技术对内存的操作：对端口操作MOV[MEM]，ALOUTDISP MOVDL，[BX]INAL，DISP02九月2023西北师大物电学院33第4章输入输出技术独立编址方式的优点：I/O端口的地址码较短（一般比同一系统中存储单元的地址码短）；译码电路比较简单，存储器同I/O端口的操作指令不同，程序比较清晰；存储器和I/O端口的控制结构相互独立，可以分别设计。02九月2023西北师大物电学院34第4章输入输出技术独立编址方式的缺点需要有专用的I/O指令，而这些I/O指令的功能一般不如存储器访问指令丰富，程序设计灵活性较差。02九月2023西北师大物电学院35第4章输入输出技术2．存储器映象编址（统一编址）存储器映象编址（统一编址）方式的硬件结构及地址空间分配如图4-1-2所示，图4—1—202九月2023西北师大物电学院36第4章输入输出技术这种编址方式的特点是存储器和I/O端口共用统一的地址空间；一旦地址空间分配给I/O端口后，存储器就不能再占有这一部分的地址空间，例如整个空间为1M，地址范围为00000H～FFFFFH，如果I/O端口占有00000H～0FFFFH这64K个地址，那么存储器的地址空间只有从10000H～FFFFFH的960K个地址。02九月2023西北师大物电学院37第4章输入输出技术在这种编址方式下，I/O端口的读写操作同样由硬件信号和来实现，访问I/O端口同样用MOV指令。同时，所有访问存储器的指令（包括存储器的算术、逻辑运算指令）都可用于I/O端口。02九月2023西北师大物电学院38第4章输入输出技术存储器映象编址的优点：任何对存储器数据的指令都可用于I/O端口的数据操作，不需专用I/O指令，从而使系统编程比较灵活；存储器映象编址的缺点：I/O占用了一部分内存空间，且指令的机器码也长，执行时间较长。02九月2023西北师大物电学院39第4章输入输出技术六、I/O地址的译码目的：确定端口的地址参加译码的信号：①IOR，IOW，A15～A0②OUT指令将使总线的IOW信号有效③IN指令将使总线的IOR信号有效

02九月2023西北师大物电学院40第4章输入输出技术当接口只有一个端口时，16位地址线一般应全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。02九月2023西北师大物电学院41第4章输入输出技术七、简单的输入/输出接口芯片1.芯片功能简介 在外设接口电路中，经常需要对传输过程中的信息进行放大、隔离以及锁存，能实现上述功能的接口芯片最简单的就是缓冲器、数据收发器和锁存器。02九月2023西北师大物电学院42第4章输入输出技术①．锁存器74LS373锁存器具有暂存数据的能力，能在数据传输过程中将数据锁住，在此后的任何时刻，在输出控制信号的作用下将数据传送出去。74LS373是一种常用的8D锁存器，它可以直接挂到总线上，并具有三态总线驱动能力。其逻辑电路及引脚图如图4—1—3所示。02九月2023西北师大物电学院43第4章输入输出技术74LS373的锁存器功能从表4-1可见。H为高电平，L为低电平，Q0为原状态，Z为高阻抗，×为任意值。

74LS373锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息以及DMA页面地址信息等。常用的锁存器还有74LS273，573，Intel8282和8283等02九月2023西北师大物电学院44第4章输入输出技术在应用中，可根据实际需要设置74LS373的控制信号。例如，希望先输入数据，在以后适当的时刻再输出，可对G和OE分别进行控制；如果只需要使用它的记忆功能，不需要三态缓冲，可直接把OE端接地，仅控制G。02九月2023西北师大物电学院45第4章输入输出技术②．缓冲器74LS244和74LS245

连接在总线上的缓冲器都具有三态输出能力，当CPU或I/O接口电路需要输入/输出数据时，在它的使能控制端EN(或G)作用一个低电平脉冲，使其内部的各缓冲单元接通，即处在输出0或1的透明状态，数据就会被送入总线。当使能脉冲撤除后，缓冲器处于高阻态。这时，各缓冲单元就像一个断开的开关，相当于将它所连接的电路从总线上脱开。74LS244和74LS245就是最常用的数据缓冲器。缓冲器除具有缓冲作用外，还能提高总线的驱动能力。02九月2023西北师大物电学院46第4章输入输出技术

74LS244是一种8路数据缓冲器，其逻辑电路引脚图如图4—1—4所示。当把该缓冲器用于8位数据总线时，可将 1G和2G端连在一起，由一个片选信号来控制。74LS244常用来构成外设输入数据端口，这时它的输入端A与外设数据线相连，而输出端Y并接在CPU的数据总线上。74LS244是一种单向数据缓冲器，数据只能从A端传送到Y端，若要进行双向数据传送，可选用双向数据总线缓冲器74LS245。02九月2023西北师大物电学院47第4章输入输出技术③数据收发器74LS245

74LS245逻辑电路及引脚图如图4—1—5所示。02九月2023西北师大物电学院48第4章输入输出技术芯片的功能见表4-2通常用于数据的双向传送、缓冲和驱动。常用的数据收发器还有74LS243、Intel8286、Intel8287等02九月2023西北师大物电学院49第4章输入输出技术§2输入/输出传送控制方式在微型计算机中，有四种基本的输入/输出方法，它们是：无条件传送方式、查询传送方式、中断方式、DMA（直接存储器存取）方式。02九月2023西北师大物电学院50第4章输入输出技术前两种方式为程序控制输入/输出，这四种方法很好地解决了CPU与各类外设之间进行数据传送时的同步问题和速度问题。它们都是利用CPU执行程序，实现微机与外设的数据传送。02九月2023西北师大物电学院51第4章输入输出技术一、无条件传送方式无条件传送方式也称为同步传送方式，主要用于对简单外设进行操作，也可用于外设的定时是固定的或已知的场合。也就是说，对于这类外设，在任何时刻均已准备好数据或处于接收数据状态，或者在某些固定时刻，它们处在数据就绪或准备接收状态，02九月2023西北师大物电学院52第4章输入输出技术因此程序可以不必检查外设的状态，而在需要进行输入或输出操作时，直接执行输入/输出指令。当I/O指令执行后，数据传送便立即进行。这是一种最简单的传送方式，所需要的硬件和软件都较少。02九月2023西北师大物电学院53第4章输入输出技术输入：当CPU任何时刻用IN指令从数据输入端口读取输入设备数据时，输入设备总有一组有效数据让CPU读走（即输入设备常处于数据准备好状态，如开关设备）。这样的设备与CPU传送数据通常采用无条件输入方法。输入设备与系统总线之间的接口电路中只包含一个数据输入端口。（如图4—1—6）02九月2023西北师大物电学院54第4章输入输出技术输出：当CPU任何时刻用OUT指令通过数据输出端口向输出设备输出数据时，输出设备总处于接收数据准备好状态（如LED设备）。这样的设备与CPU传送数据通常采用无条件输出方法。输出设备与系统总线之间的接口电路中只包含一个数据输出端口。（如图4—1—7）02九月2023西北师大物电学院55第4章输入输出技术常利用无条件传送的简单外设有许多种，如发光二极管、数码管、开关、继电器、步进电机等。02九月2023西北师大物电学院56第4章输入输出技术

例1．外设是开关。如图4—2所示路（P148），利用S的状态来控制CPU执行不同的程序：当S闭合时，执行PROG1；S打开时执行PROG2。图4—2S02九月2023西北师大物电学院57第4章输入输出技术解：当CPU读接口地址FFF7H，或门输出为低电平，该电平使输入接口—三态门导通，则开关S的就由数据线D0读到CPU，判断读入数据D0=0时，S闭合；D0=1时，S打开。02九月2023西北师大物电学院58第4章输入输出技术程序段如下：MOVDX，0FFF7HINAL，DXTESTAL，01；测试AL中的最低位是否为1，TEST操作同AND。JZPROG1；不为1，执行PROG1JMPPROG2；否则执行PROG202九月2023西北师大物电学院59第4章输入输出技术例2．外设是发光二极管。如图4—3所示电路P149，编程使两个发光二极管亮灭各1s进行闪烁。图4—302九月2023西北师大物电学院60第4章输入输出技术解：由图知，锁存器接口使用74LS273，（273是利用CP端的上升沿来锁存数据，锁存器在打入脉冲CP上升沿将输入端D的数据锁存在它的输出Q端），根据图中译码器（或门）的输出可以断定，该锁存器输出接口地址为0000H。02九月2023西北师大物电学院61第4章输入输出技术由图知，只用锁存器的Q0和Q7输出来控制发光二极管的亮灭，状态码：81H。程序段为：02九月2023西北师大物电学院62第4章输入输出技术MOVDX，0000HGOON：MOVAL，81HOUTDX，AL；点亮发光二极管CALLTIS；延时1sMOVAL，00HOUTDX，AL；熄灭发光二极管CALLTISJMPGOON02九月2023西北师大物电学院63第4章输入输出技术注：无条件传送对于那些慢速的或总是准备好的外设是适用的。但是许多外设并不总是准备好的。这时可采用程序查询方式。02九月2023西北师大物电学院64第4章输入输出技术二、查询方式对有些设备，CPU能否与其之间传送数据，与设备的状态有关。如A/D转换器与CPU之间的数据传送，CPU要读取A/D转换后的数字量信号，必须查询A/D转换器是否转换结束，只有转换结束后，才能读取转换结果。02九月2023西北师大物电学院65第4章输入输出技术又如CPU向打印机输出数据前，必须查询打印机是否处于接收准备好状态。这样一些设备与CPU之间数据传送时，常采用查询法。其接口方法如图4-4所示。CPU需不断查询外设的状态，一旦外设满足数据传送的条件，就执行IN或OUT指令，读入或输出数据。02九月2023西北师大物电学院66第4章输入输出技术Y02九月2023西北师大物电学院67第4章输入输出技术1．查询输入的编程①数据准备好，选通信号输出正跳变将数据→锁存器，D触发器置1，作为Ready信号，D7=1。②查询状态信号，执行INAL，状态口，Ready(bit7)→AL。③若Ready=1，执行INAL，数据口，输入数据→AL；D触发器复位，Ready=0。02九月2023西北师大物电学院68第4章输入输出技术④POLL：INAL，STATUS_PORTTESTAL，80HJEPOLLINAL，DATA_PORT例02九月2023西北师大物电学院69第4章输入输出技术Y02九月2023西北师大物电学院70第4章输入输出技术2．查询输出的编程①上一数据处理结束，启动信号＝0(恢复)→缓冲器输出Busy=0；②查询状态信号，执行指令INAL，状态口；Busy(bit7)→AL。③若Busy=0，执行指令OUT数据口，AL，输出数据AL→DB→锁存器→输出装置；

D触发器置1，启动输出装置Busy=1，禁止输出。02九月2023西北师大物电学院71第4章输入输出技术④

POLL：INAL，STATUS_PORTTESTAL，80HJNEPOLLMOVAL，STORE；从数据区取数

OUTDATA_PORT，AL例02九月2023西北师大物电学院72第4章输入输出技术例1：存储器【例1】将一片98C64A接到系统总线上，使其地址范围在3E000H～3FFFFH之间。并编程序将芯片的所有存储单元写入66H。02九月2023西北师大物电学院73第4章输入输出技术用查询端状态的方式START：MOVAX，3E00HMOVDS，AX；段地址送（DS）MOVSI，0000H；第一个单元的偏移地址送（SI）MOVCX，2000H；芯片的存储单元个数送（CX）MOVBL，66H；要写入的数据送（BL）AGAIN：MOVDX，02E0H；状态接口地址送（DX）WAIT：INAL，DX；从接口读入端的状态TESTAL，01H；可以写入吗？JZWAIT；若为低电平（表示忙）则等待MOV[SI]，BL；否则，写入一个字节INCSI；下一个存储单元地址LOOPAGAIN；若未写完则再写下一个字节HLT02九月2023西北师大物电学院74第4章输入输出技术3．查询法输入输出方法的优缺点：优点：接口电路简单，硬件成本低。缺点：①为了测试和等待外部设备做好传送数据的准备，常常要花费大量的时间，在这段时间内，程序不能完成其它任务，所以系统的时间利用率大大降低。02九月2023西北师大物电学院75第4章输入输出技术②CPU在一段时间里只能和一个外部设备之间传送数据，其它设备只能等待。③不能发现和处理预先无法估计的错误和异常现象。

所以这种输入输出方式只适用于CPU数据处理任务不繁忙，而且外部设备数较少的情况。

02九月2023西北师大物电学院76第4章输入输出技术§3中断方式一、中断的基本概念在CPU执行程序过程中，由于某种事件发生，强迫CPU暂时停止正在执行的程序而转向对发生的事件进行处理，事件处理结束后又能回到原中止的程序，接着中止前的状态继续执行原来的程序，这一过程称为中断。02九月2023西北师大物电学院77第4章输入输出技术二、中断传送方式无条件传送和查询传送的缺点是CPU和外设只能串行工作，各外设之间也只能串行工作。利用中断来实现CPU与外设之间的数据传送，这就是中断传送方式。02九月2023西北师大物电学院78第4章输入输出技术通常是在程序中安排好在某一时刻启动某一台外设，然后CPU继续执行其主程序，外设完成数据传送的准备后，向CPU发出“中断请求”信号，在CPU可以响应中断的条件下，现行主程序被“中断”，转去执行“中断服务程序”，02九月2023西北师大物电学院79第4章输入输出技术在“中断服务程序”中完成一次CPU与外设之间的数据传送（执行IN/OUT指令），传送完成后仍返回被中断的主程序，从断点处继续执行。在一定程度上实现了主机和外设的并行工作。中断传送流程02九月2023西北师大物电学院80第4章输入输出技术三、中断的处理过程1．微机系统的中断处理过程的流程图如图4—4—22．如何识别中断源中断源：能够向CPU发出中断请求的中断来源称为“中断源”。CPU要对中断请求进行处理，必须要找到相应的中断服务程序（处理中断的程序）的入口地址，这就是中断源的识别。02九月2023西北师大物电学院81第4章输入输出技术识别中断源有两种方法：查询中断（主要采用软件查询）：软件查询是用程序查询接在中断线上的每一个外设，查询程序依次读出每一个外设的中断状态位，通过测试中断状态位来判断对应的外设是否发生过中断请求。02九月2023西北师大物电学院82第4章输入输出技术

如图4—5为一个管理4个外设的查询测试程序的流程图。从图4—5中知，如果4次测试都未发现有中断请求，则表示中断线的信号是由于出错引起，程序转向出错出口。02九月2023西北师大物电学院83第4章输入输出技术中断向量：又称矢量中断，在具有向量中断的微机系统中，每个外设都预先指定一个中断向量，当CPU识别出某个外设请求中断并预以响应时，控制逻辑就将该外设的中断向量送入CPU，自动提供相应的中断服务程序的入口地址，转入中断服务。用向量中断来确定中断源主要用硬件实现，在8086/8088微机中由8259A控制。02九月2023西北师大物电学院84第4章输入输出技术3．中断优先级在实际的系统中，常常遇到多个中断源同时请求中断的情况，这时CPU必须确定首先为那一个中断源服务，以及服务的次序。解决的方法是用中断优先排队的处理方法。这就是根据中断源要求的轻重缓急，排好中断处理的优先次序，即优先级，又称优先权。先响应优先级最高的中断请求。另外，当CPU整在处理中断时，也要能响应优先级更高的中断请求，而屏蔽掉同级或较低级的中断请求。02九月2023西北师大物电学院85第4章输入输出技术通常，解决中断的优先级的方法有以下几种：①软件查询确定中断优先级把8个外设的中断请求触发器组合起来，作为一个端口，赋予设备号，如图4—6所示。把各个外设的中断请求信号相“或”后，作为INT信号，这样任何一个外设有中断请求都可向CPU送出INT信号。02九月2023西北师大物电学院86第4章输入输出技术当CPU响应中断后，把中断寄存器的状态作为一个外设信息读入CPU，逐位检测其状态，若检测出某位有中断请求，随即转入相应的中断服务程序入口。在查询发生中询问的次序即为优先级的次序，不需要有判断优先级的硬件排队电路。其缺点是在中断源较多的情况下，由询问到转至相应的中断服务程序的入口时间较长。02九月2023西北师大物电学院87第4章输入输出技术②硬件查询确定优先级

图4—7为实现硬件查询的优先级中断链电路（Daisy—chaining）。来自CPU的“中断响应”信号从A设备开始串行地往下传送，当A设备有“中断请求”时，则“中断响应”信号在A2处被封锁，不在下传，使后面的设备得不到CPU的“中断响应”信号。同时A设备的“数据允许”线EN变为有效，从而允许A设备使用数据总线，将其中断标志放上数据总线进入CPU。当A设备无“中断请求”时，“中断响应”信号可以通过A2门传给下一设备B。02九月2023西北师大物电学院88第4章输入输出技术③中断优先级编码电路用硬件编码器和比较器组成的中断优先级排队电路如图4—8所示。设有8个中断源，当任何一个有中断请求时，通过“或”门，即可产生一个中断请求信号，但它能否送到CPU的中断请求线，还必须受比较器的控制。02九月2023西北师大物电学院89第4章输入输出技术4．中断的嵌套当CPU执行优先级较低的中断服务程序时，允许响应比它优先级高的中断源请求的中断，而挂起正在处理的中断，这就是中断嵌套或称多重中断。此时CPU将暂时中断正在进行着的级别较低的中断服务程序，待优先级高的中断服务结束后，再返回到刚才被中断的较低优先的那一级中断，继续为它进行中断服务。02九月2023西北师大物电学院90第4章输入输出技术

四、8086/8088的中断系统1．8088/8086的中断分类8088/8086具有一个强有力的中断系统，它可以处理256种向量中断。每个中断对应一个类型码，这256种中断对应的中断类型码为0～255。如果按照产生中断的方法来分，所有的256种中断可以分为两大类：外部中断和内部中断。8088/8086中断源的分类如图4-9所示02九月2023西北师大物电学院91第4章输入输出技术8086/8088中断源分类如图4—9所示。02九月2023西北师大物电学院92图4-9中，硬件中断是通过外部的硬件产生的，又称为外部中断。外部中断又分为可屏蔽中断和非屏蔽中断。可屏蔽中断通过CPU的INT端进入CPU。可屏蔽中断只有当中断允许标志IF=1时，才能被CPU响应。在一个系统中，如果通过与中断控制器8259A配合，可屏蔽中断可以有一个或多个。而非屏蔽中断则是通过NMI端引入CPU的，它不受中断允许标志IF的屏蔽，一个系统中一般只允许有一个非屏蔽中断。第4章输入输出技术02九月2023西北师大物电学院93内部中断又分为微处理器内部中断(如除数为0中断、单步中断等)和由中断指令引起的软件中断。软件中断是CPU根据软件中的某条指令或者软件对标志寄存器中某个标志进行设置而产生的。由于软件中断的产生过程完全和硬件电路无关，因此一般又称为内部中断。第4章输入输出技术02九月2023西北师大物电学院94第4章输入输出技术

⑴外部中断（硬件中断）8086/8088有两条中断信号线—INTR和NMI，可供外设向CPU发中断请求指令。①可屏蔽中断INTR可屏蔽中断请求线INTR通常由8259A驱动，该控制器又同需要中断的设备相连，每片8259A可以接受8个外部设备的中断请求。02九月2023西北师大物电学院95第4章输入输出技术

可由软件命令来控制8259的工作，8259的主要任务是接收从与其相连的设备的中断请求，并判断那个提出请求的设备的优先级最高，如果被选中的设备的优先级比现在正接受服务的设备的优先级高，就启动8086/8088的INTR线。02九月2023西北师大物电学院96第4章输入输出技术

IF=0时，CPU不响应INTR的中断请求;IF=1时，CPU响应INTR的中断请求。 用STI指令（开中断标志）使IF=1，称为开中断；用CLI（清中断标志）指令使IF=0，称为关中断。系统复位后，或CPU响应了任何一种中断后，都会使IF=0。应使用STI指令使IF=1，确保中断开放。02九月2023西北师大物电学院97第4章输入输出技术CPU对INTR中断请求的响应过程是执行两个INTA（中断响应）总线周期。P160T4-10。02九月2023西北师大物电学院98⑴满足可屏蔽中断的响应条件：无内部中断和不可屏蔽外部中断（NMI）且中断允许。⑵某外部设备通过中断控制器8259A向CPU发出中断请求有效信号INT=1，并获取相应的中断类型号。⑶在满足一定条件后CPU向8259A发出两个中断响应信号INTA=0的负脉冲。⑷8259A在第一个负脉冲用于响应提出中断请求的外设，第二个负脉冲期间将中断类型码通过总线送给CPU。⑸后面的过程与内部中断的响应过程基本相同。02九月2023西北师大物电学院99第4章输入输出技术②不可屏蔽中断NMI不可屏蔽中断请求信号NMI用来通知CPU发生了“灾难性”的事件，如电源掉电、存储器读写出错、总线奇偶位出错等。NMI线上中断请求是不可屏蔽的（即无法禁止），而且立即被CPU锁存，因此NMI是边沿触发的，不需要电平触发，NMI的优先级也比INTR高，在CPU响应NMI时，不必由中断源提供中断类型码，因此NMI响应也不需要总线周期INTA。02九月2023西北师大物电学院100第4章输入输出技术2．内部中断P144内部中断是通过软件调用的不可屏蔽中断，包括溢出中断、除法出错中断、单步（陷阱）中断、断点中断、INTn指令中断。02九月2023西北师大物电学院101第4章输入输出技术①溢出中断（INTO）如果上一条指令使：OF=1，则INTO指令引起类型码为4的内部中断；OF=0，此指令不起作用，程序顺序执行。movax,2000haddax,7000h

；2000H＋7000H＝9000H，溢出：OF＝1into ；因为OF＝1，所以产生溢出中断02九月2023西北师大物电学院102第4章输入输出技术②除法出错中断在执行除法指令后，如果商大于规定的操作数（即目标寄存器所能表达的范围）或除数为零。则CPU立即产生一个0型中断。例如：

movbl,0idivbl ；除数BL＝0，产生除法错中断movax,200hmovbl,1divbl ；商＝200H，不能用AL表达 ；产生除法错中断02九月2023西北师大物电学院103第4章输入输出技术③INTn指令中断8086/8088的指令系统中有一条INT指令，当执行完这一条指令就立即产生中断，编在该指令中的中断类型码n告诉CPU调用哪个服务程序来处理这个中断。例如：DEBUG.EXE调试程序的运行命令G设置的断点，就是利用INT3指令实现的02九月2023西北师大物电学院104第4章输入输出技术④断点中断断点中断即单字节INT3指令中断（中断类型码为3），3型中断是专供断点调用的，断点一般可以处于程序中的任何位置，在断点处，停止组成执行的程序，以使执行某种类型的特殊处理。主要调试程序。例如：DEBUG.EXE调试程序的运行命令G设置的断点，就是利用INT3指令实现的02九月2023西北师大物电学院105第4章输入输出技术⑤单步（陷阱）中断当陷阱标志TF置“1”时，8086/8088处于单步工作方式。在单步工作方式时，每执行完一条指令，CPU就自动产生一个1型中断，作为中断处理过程的一部分，CPU将自动地把标志压入堆栈。然后清除TF和IF。例如：DEBUG.EXE调试程序的单步命令T就利用单步中断实现对程序的单步调试02九月2023西北师大物电学院106第4章输入输出技术8086/8088没有直接对TF标志置“1”或置“0”的指令，可以通过修改存放在堆栈中标志的内容而改变TF之值。方法：可用PUSHF和POPF直接压入和弹出标志，标志与0100H相“或”就能将TF置“1”，标志与FEFFH相“与”就能将TF清“0”。02九月2023西北师大物电学院107第4章输入输出技术8086/8088的中断优先级如下：（高→低）除法出错，INTn，INTO，→NMI→INTR→单步02九月2023西北师大物电学院108第4章输入输出技术五、8086/8088的中断响应过程（P160，图4-11）8086/8088对一个中断过程的基本响应过程如图。当进入中断过程时，CPU把标志寄存器、CS和IP压入堆栈，并清除TF和IF。在中断过程中，可以用STF指令重新开放外部中断，使INTR线上的中断请求能中断这个中断过程。NMI线上的中断请求则始终能够中断该过程。02九月2023西北师大物电学院109第4章输入输出技术必须注意的是，一个中断处理过程中不能再发生需要该过程正为之服务的中断。例如，试图在除法出错（0型）中断处理过程中有出现除以零的情况，可能会陷入无穷无尽的再入该过程的循环。02九月2023西北师大物电学院110第4章输入输出技术

同其他过程一样，中断过程也应该把它要使用的任何寄存器的内容在修改前保存起来，并在处理结束前恢复其内容。中断过程最好对程序中“关键部分”（这部分被中断会造成出错）以外的所有部分都开放外部中断。若在一个过程中禁止外部中断的时间过长，就可能丢失INTR线上的中断请求。02九月2023西北师大物电学院111第4章输入输出技术

所有的中断过程都应该以IRET指令结尾，IRET指令总是认为堆栈仍处于进入该过程时的状态。该指令将栈顶的三个字分别弹出到IP、CS和标志寄存器中，这样就回到了中断过程开始前将要执行的那条指令上。02九月2023西北师大物电学院112第4章输入输出技术中断过程所做的实际处理视应用场合而定，如果中断过程正在为一个外设服务，则它应该向该外设输出一个命令，命令它撤消中断请求。然后它可读出该外设的状态信息，确定中断的原因，并采取相应的措施。02九月2023西北师大物电学院113第4章输入输出技术

特别提醒读者注意的是：8086/8088中断响应的整个过程：从CPU硬件查询中断源到CPU转到中断服务程序这一复杂的过程，全部都是由CPU硬件自动完成的。读者必须记住这个过程，在今后利用中断解决具体的工程问题时，设计人员的工作就在于利用硬件和软件配合CPU的这个过程，最终使中断顺利地实现。02九月2023西北师大物电学院114第4章输入输出技术六、8086/8088中断服务程序入口地址表1．中断向量表（中断服务程序的入口地址）8086/8088在内存区的00000H～003FFH(1KB)建立一个中断向量表。用于存放与256个中断类型码(00H～0FFH)相应的中断服务程序入口地址。每个中断服务程序入口地址使用4个字节，低16bit为段内偏移量送IP，高16bit为段码送CS。02九月2023西北师大物电学院115第4章输入输出技术各中断服务程序入口地址的段地址和段内偏移量按中断类型号顺序存放在表中。因此由中断类型号n*4可得到相应中断服务程序入口地址的地址，取4n和4n+1单元中的内容（中断入口段内偏移量）装入指令指针IP，取4n+2和4n+3单元中的内容（中断入口段地址）装入代码段寄存器CS，即可转入中断服务程序。（入口地址表如图）向量号为N的中断向量的物理地址＝N×402九月2023西北师大物电学院116第4章输入输出技术2．中断入口地址的设置IBMPC对256个中断类型已进行了地址分配，其中40H以后的中断类型号可供用户使用。供用户使用的中断类型号，可由用户定义为软中断，由INTn指令引用；可通过INTR端或通过中断控制器8259A引入可屏蔽的硬件中断。使用时用户要自己将中断服务程序入口地址置入相应的中断向量表内。02九月2023西北师大物电学院117第4章输入输出技术方法1：通过指令来设置MOVAX，0；中断入口表MOVES，AX；段地址送ESMOVDI，n*4；偏移量送DIMOVAX，OFFSETINTRADCLDSTOSW；传送子程序偏移地址MOVAX，CSSTOSW；传送子程序段地址STI或02九月2023西北师大物电学院118第4章输入输出技术MOVAX，0；中断入口表MOVES，AX；段地址送ESMOVBX，n*4；偏移量送DIMOVAX，OFFSETINTRADMOVES：[BX]，AXMOVAX，SEGINTRADMOVES：[BX+2]，AXSTI02九月2023西北师大物电学院119第4章输入输出技术方法2：通过调用DOS功能来设置设置中断入口：把由AL指定中断类型号的中断入口DS：DX中放置在中断入口表中。预置：AL=中断类型号

DS：DX=中断服务程序入口地址

AH=25H执行：INT21H02九月2023西北师大物电学院120第4章输入输出技术取中断入口：把由AL指定中断类型号的中断入口，从中断入口表中取到ES：BX中。预置：AL=中断类型号

AH=35H执行：INT21H返回：ES：BX=中断服务程序入口地址02九月2023西北师大物电学院121第4章输入输出技术MOVAL，n；取中断入口MOVAH，35HINT21HPUSHES；存原中断入口PUSHBXPUSHDSMOVAX，SEGINTRADMOVDS，AX02九月2023西北师大物电学院122第4章输入输出技术MOVDX，OFFSETINTRADMOVAL，n；中断类型号MOVAL，25；设置中断入口INT21HPOPDSPOPDX；恢复原中断入口POPDSMOVAL，nMOVAL，25INT21HRET02九月2023西北师大物电学院123第4章输入输出技术七、可编程程序控制器9259A

8259A是一种可编程中断控制器，又称“优先级中断控制器”，具有强大的中断管理功能。在IBMPC系列微机中，都使用了8259A，但从80386开始，8259A都集成在外围控制芯片中。02九月2023西北师大物电学院124第4章输入输出技术

1．8259的主要功能①每一片8259可接收8路外部中断请求，通过级联可以扩展至64级；②每一级可由程序单独屏蔽或允许；使该级中断请求暂时被挂起，直到取消屏蔽为止。02九月2023西北师大物电学院125第4章输入输出技术③能向CPU提供可编程的标识码(对8086/8088来说就是中断类型码)；这个功能使原来没有能力提供中断类型码的8255A、9253、8251A等可编程接口芯片，借助8259A同样可以采用中断I/O方式进行管理。02九月2023西北师大物电学院126第4章输入输出技术④在CPU响应周期，可提供相应的中断类型码。中断类型码由8259编程设定；⑤具有多种中断优先权管理方式：完全嵌套方式、自动循环方式、特殊循环方式、特殊屏蔽方式和查询方式五种，这些管理方式均可通过程序动态地进行变化。02九月2023西北师大物电学院127第4章输入输出技术2．8259A引脚及功能(如图P164）DB7～DB0：双向三态数据总线;IR7～IR0：外设向8259A发出的中断请求信号，与外设的中断请求信号相连，通常IR0优先权最高，IR7优先权最低，按序排列。输入。02九月2023西北师大物电学院128第4章输入输出技术A0：地址线，输入，用于选择内部端口。CS#：片选信号，输入、低电平有效。RD#：读信号，输入、低电平有效。WR#：写信号，输入、低电平有效。INITA#：中断响应信号，输入、低电平有效。INT：中断请求信号，输出、高电平有效。CAS2～CAS0：双向的级联线。SP/EN：主从设备设定/缓冲器读写控制，双向双功能02九月2023西北师大物电学院129第4章输入输出技术

3．8259A的内部结构与功能8259A的内部结构框图如图所示。P149。由图可见，8259A由八个基本部分组成。

4．8259A的工作过程8259A的工作流程如下：

02九月2023西北师大物电学院130第4章输入输出技术（1）中断源产生中断请求，使8259A的IRR相应位置1；（2）经IMR屏蔽电路处理后（IRRAND）,送PR；（3）PR检测出最高的中断请求位，并经过嵌套处理，决定是否发出INT信号；（4）若可发INT信号，则控制逻辑将INT信号送CPU的INTR引脚；02九月2023西北师大物电学院131第4章输入输出技术（5）若CPU开中断，则在执行完当前指令后，CPU进入中断响应周期，发出两个中断响应信号；（6）8259A在收到第一个中断响应信号后，控制逻辑使相应的ISR位置1，相应的IRR位清0；（7）8259A在收到第二个中断响应信号后，控制逻辑将中断类型号送数据总线。若8259A工作在AEOI(自动中断结束)模式，则使相应的ISR位清0。02九月2023西北师大物电学院132第4章输入输出技术（8）CPU读取该中断类型号后，查中断向量表，转去执行相应的中断服务程序。注意，这里的中断结束，是指将8259A的ISR对应位复位，而不是结束用户的中断服务程序，中断服务程序要执行IRET指令后才能结束。动画02九月2023西北师大物电学院133第4章输入输出技术5．8259A的工作方式

中断控制器8259A可以工作在多种方式下，这些工作方式都可以通过编程方法来进行设置。因此，其中断管理方式很灵活，可以满足用户的不同要求。概括起来，8259A的工作方式可以分为以下几种：02九月2023西北师大物电学院134第4章输入输出技术中断触发方式

上升沿触发方式

电平触发方式中断屏蔽方式

普通屏蔽方式特殊屏蔽方式优先级设置方式

普通全嵌套方式

特殊全嵌套方式优先权自动循环方式优先权特殊循环方式

中断结束处理方式

自动结束方式（AEOI）一般的中断结束方式特殊的中断结束方式

连接系统总线方式

缓冲方式

非缓冲方式

程序查询方式

02九月2023西北师大物电学院135第4章输入输出技术6．8259A的编程方法系统复位后，由初始化程序对8259置入初始化命令字ICW。初始化后可通过发出操作命令字OWC来定义8259A的操作方式，实现对8259A的控制。初始化命令字只发一次，操作命令字可以重置，以动态改变8259A的操作与控制方式。02九月2023西北师大物电学院136第4章输入输出技术⑴.8259A的初始化命令字及其编程8259A是可编程的中断优先级控制器，必须根据8259A的具体应用环境对它进行初始化编程。8259A的初始化编程就是通过程序向8259A写入若干个初始化字的过程。02九月2023西北师大物电学院137第4章输入输出技术初始化命令字有四个ICW1、ICW2、ICW3、ICW4，首先输入ICW1，然后输入ICW2、ICW3、ICW4，由ICW1决定是否输入ICW3、ICW4。ICW1功能：初始化命令字ICW1写入后，8259内部完成初始化过程：流程02九月2023西北师大物电学院138第4章输入输出技术①清除ISR和IMR寄存器；②指定中断优先级R0→R7；③从方式的地址置成7；④特殊屏蔽方式复位；⑤自动EIO循环方式复位；⑥边沿触发器复位。02九月2023西北师大物电学院139第4章输入输出技术ICW1格式：P16702九月2023西北师大物电学院140第4章输入输出技术ICW2功能：用来设定8086/8088CPU可屏蔽中断的中断类型码的高五位的内容（由用户根据中断向量在中断向量表中的位置决定。例如若CPU写入某8259A的ICW2为40H，则连接到该8259A的IR5端的中断源的中断类型号为45H，中断类型号确定后，中断源挂接的IR端号以及D7--D3的值也就决定了。如果已知中断向量地址，除以4即可得中断向量号。），而低三位的值由8259A按IR0—IR7三位编码值自动填入。02九月2023西北师大物电学院141第4章输入输出技术ICW2格式：P16702九月2023西北师大物电学院142第4章输入输出技术

ICW3功能：仅用于多片8259级联的方式，它的功能是用来表明主片8259A的与从片8259A的INT之间的连接关系。对于主片8259A，ICW3用于指明IR0—IR7中的那些引入端与8259A的INT相连接，对于从片8259A，ICW3用于表示它的INT输出是和主片8259A中的那一个相连接。所以8259A的ICW3的格式有二种。02九月2023西北师大物电学院143第4章输入输出技术ICW3格式（P168）：02九月2023西北师大物电学院144第4章输入输出技术ICW4功能：设定工作方式。

ICW4格式：P168）02九月2023西北师大物电学院145第4章输入输出技术⑶．8259A的操作命令字及其编程在8259A的工作过程中需要改变中断优先级管理方式或中断响应的次序，或者需要读出8259A内部某些寄存器的内容，就需要再向8259A写入有关的操作命令字。8259A有3个操作命令字OCW1—OCW3，由CPU写入8259A，写入顺序不限。02九月2023西北师大物电学院146第4章输入输出技术OCW1功能：用来设置中断源的屏蔽状态，即对8259A内的中断屏蔽寄存器IMR中的各位动态的置“1”或复“0”操作。OCW1格式（P169，图4.18）：02九月2023西北师大物电学院147第4章输入输出技术02九月2023西北师大物电学院148第4章输入输出技术操作控制字OCW1应用：例1：需要屏蔽IR4的中断输入，同时不改变其他中断输入的屏蔽状态，可以用如下的三条指令实现：INAL,21H；取屏蔽寄存器当前值

ORAL,00010000B ；将D4位置1 OUT21H,AL；写回改变后的屏蔽字02九月2023西北师大物电学院149第4章输入输出技术例2：需要清除对IR2的中断屏蔽：

INAL,21H；取屏蔽寄存器当前值

ANDAL,11111011B ；将D2位清0 OUT21H,AL；写回改变后的屏蔽字02九月2023西北师大物电学院150第4章输入输出技术OCW2功能：是用于设置中断结束的方式和修改为循环方式的中断优先权管理方式，利用OCW2中的“R、SL、EOI”三位的状态来控制循环方式和中断结束方式或者两者相结合的功能。OCW2格式（P169，图4.19）：02九月2023西北师大物电学院151第4章输入输出技术02九月2023西北师大物电学院152第4章输入输出技术OCW3功能：用来设置特殊屏蔽方式和查询方式，并用来控制8259A内部状态字IRR，ISR的读出。OCW3格式（P170，T4-20）：02九月2023西北师大物电学院153第4章输入输出技术02九月2023西北师大物电学院154第4章输入输出技术读命令中没有选择IMR的控制位，但这并不是说CPU不能读出IMR的内容，而是可以直接使用输入指令读出IMR的内容（在读IMR时，可直接在对应A0=1的地址上读出）。02九月2023西北师大物电学院155第4章输入输出技术OCW3的P位为查询方式控制位。当CPU向8259A写入P=1的OCW3后，只要接着执行一条输入指令，则加到8259A引脚上的有效信号就可以使8259A送出一个查询字节，该字节刚好通过这条输入指令读到CPU的AL中。查询字节的格式如下：02九月2023西北师大物电学院156第4章输入输出技术其中I=1表示有中断；I=0表示无中断。W2W1W0的编码用来表示具有最高优先级的中断是那一个IR。查询方式常用在中断源超过64个的情况，一般较少使用。操作控制字OCW3应用02九月2023西北师大物电学院157第4章输入输出技术例：BIOS中读取ISR寄存器的程序段：

MOVAL，00001011B;OCW3命令字（读ISR）

OUT20H，AL ;写入OCW3端口

NOP ；延时

IN AL，20H ；将ISR内容送入AL MOVAH，AL ；将ISR内容转存入AH OR A