第6章 输入输出与中断技术第1讲

1、第六章输入输出与中断技术,6.1输入输出接口概述6.2CPU与外设数据传送方式6.3中断技术与中断控制器8259A,学习目标理解I/O接口的基本概念掌握CPU与外设之间数据的传送与控制方式掌握有关中断的基本概念、中断优先级、中断嵌套、中断屏蔽、中断向量等基本概念。掌握8259A内部组成及其关系，重点掌握其初始化编程。,问题1：什么是输入/输出设备？计算机有各种用途，但不论用于何种场合，都离不开信息处理。所处理的信息，均要由输入设备提供，而处理后的结果数据，则要送给输出设备，以各种形式报告给用户。例如，键盘、鼠标器、磁盘和扫描仪等是大家熟悉的输入设备，而磁盘、CRT显示器、打印机、绘图仪等则是最

2、常见的输出设备。亦即能够完成输入/输出操作的设备就叫输入/输出设备，简称外设或I/O设备。,6.1输入输出接口概述,问题2：输入/输出设备与CPU信息交换时有什么问题？外部设备种类繁多，从工作原理来讲，可分为机械式、电动式、电子式和其它形式等几类。它们对所传输的信息的要求也各不相同，这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题：(1)速度不匹配：CPU的速度很快，而外设的速度要低得多，而且不同的外设速度差异甚大，它们之中既有每秒钟能传送兆位数量级的硬磁盘，也有每秒钟只能打印百位字符的串行打印机或速度更慢的键盘。(2)信号电平不匹配：CPU所使用的信号都是TTL电平，而外设大多是复杂的机电设

3、备，往往不能用TTL电平所驱动，必须有自己的电源系统和信号电平。(3)信号格式不匹配：CPU系统总线上传送的通常是8位、16位或32位的并行数据，而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是模拟量，而有些是数字量或开关量；有些设备上的信息是电流量，而有些却是电压量，有些设备采用串行方式传送数据，而有些则用并行方式。(4)时序不匹配：各种外设都有自己的定时和控制逻辑，与计算机的CPU时序不一致。,问题3：什么是输入/输出接口？因此，要实现外部设备与主机之间的连接(connection)和信息交换，必须经过一个数据转换和传输的设备。这种设备叫做I/O接口(interface)。,I/O接口：

4、是指把外设同微型计算机连接起来实现数据传送的中间控制电路。,问题4：CPU和外设之间需要交换的信息种类有哪些？数据信息：送入CPU进行加工处理的信息或输出到外设的运算结果。数字量：通常由键盘、磁盘驱动器等读入的信息，或由CPU送给打印机、磁盘驱动器、显示器或绘图仪的信息。它们是二进制形式数据或ASCII码表示的数据及字符。模拟量：当微型计算机用于控制时，多数情况下的输入信息是现场连续变化的物理量(如温度、压力、流量、位移、速度等)，它们常常需要被转化成电压或电流信号，然后进行模拟/数字(Analog/Digit)转换，变成数字量，送入计算机。相反，输出控制时又要将数字量转换成模拟量(D/A)来

5、驱动被控对象。,开关量：开关量可以表示两个状态，如开关的通、断，电机的启动和停止等。常常可以把一组开关量组成一个数字量，以便于计算机的处理。状态信息：反映了外设当前所处的工作状态的信息，作为CPU与外设间可靠交换数据的条件，输入时，它告知CPU：有关输入设备是否准备好（READY=1?）;输出时，它告知CPU：输出设备是否空闲（BUSY=0?）。控制信息：是CPU发出的，用以控制外设的工作方式或外设的启动和停止。,CPU和外设之间需要交换三种信息:CPU与外设之间不是直接交换数据、控制、状态信息，而是通过接口间接传送的。以上三种信息在形式上都是二进制代码，它们都是通过DB来传送的，分别放在接口

6、内的不同端口中。而接口对DB上数据识别其类型是根据相应的端口地址来进行。,在计算机的操作过程中，最基本的最大量的操作是数据传送。在微机系统中，数据主要在CPU、存储器和I/O接口之间传送，在数据传送过程中，关键问题是数据传送的控制方式，微机系统中的数据传送的控制方式主要有软件传送方式(程序控制方式)和硬件传送方式(主要是DMA直接存储器存取)方式。其中，软件传送方式又包括：无条件传送方式、查询传送方式和中断传送方式。,6.2CPU与外设数据传送方式,一、软件传送方式（程序控制方式）1、无条件传送方式无条件传送方式也称为同步传送方式，无条件传送方式用得较少，只用在对一些简单外设的操作，如指示灯，

7、数码管显示等；或者用于控制CPU与低速接口之间的信息交换，例如温度、压力、流量等(A/D)转换器。由于这些信号变化的速度相对于CPU的处理速度慢得多，所以，CPU可以间隔较长的时间才去访问这些外设，而外设也就有充裕的时间来准备数据。一般，这些外设随时做好了数据传送的准备，而无须检测其状态。无条件传送分为两种情况：无条件输入（外设CPU）、无条件输出（CPU外设）若外设是输入设备，由于外设数据更新的速度很慢，所以输入端可直接用输入缓冲器作为接口与CPU的数据总线相连。若外设是输出设备，因为外设的速度较慢，所以要求CPU送到外设的数据只能暂时保存在接口中，直到外设取完全部数据；所以此时应选用有锁存

8、能力的接口（锁存器）。,【例】图中外设是简单的发光二极管.此外设的接口是用锁存器来实现的。锁存器在CP上升沿将输入端D的数据锁存在它的输出Q端。编写点亮二极管的程序。（端口地址为0000H）,MOVAL,81HMOVDX,0000H;送端口地址OUTDX,AL;点亮发光二极管,2、查询传送方式查询传送也称条件方式传送，用查询方式传送时，CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，如果外设处于准备好状态(输入设备)或者空闲状态(输出设备)，则CPU执行输入指令或输出指令与外设交换信息。因此，接口电路除了有传送数据的端口，还要求有传送状态的端口。对于查询传送来说，一个数据传送过程由3个环节组成：C

9、PU从接口中读取状态字；CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”的条件，如果不满足，则回到前一步读取状态字；如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,查询传送方式查询输入：,例题：查询输入程序POLL:INAL,STATUS_PORT;读状态端口的信息TESTAL,80H;设”准备就绪READY”信息在D7位JEPOLL;未”准备好”,则循环再查INAL,DATA_POTR;已准备就绪(READY=1),则读入数据,查询传送方式查询输出：,BUSY=0时才传送数据,例题：查询输出程序POLL:INAL,STATUS_PORT;查询状态端口中的状态信息D7TESTAL,80H;设”准备就

10、绪READY”信息在D7位JNEPOLL;D7=1,则忙线=1,则循环再查MOVAL,STORE;否则,外设空闲,则由内存读取数据OUTDATA_POTR,AL;输出到DATA地址端口单元,查询传送方式当系统中有多个外设时查询方式如何工作？由图可见，CPU逐个外设进行查询。若发现那个外设准备就绪，就对该外设实施数据传送。然后再对下一外设查询，依次循环。结果，在查询过程中，CPU不能做别的事情，这就大大降低了CPU的效率。而且，假如某一外设刚好在查询过后处于就绪状态，那么它必须等到CPU查询完所有外设，再次查询此外设时才能发现它处于就绪状态，而后对此外设服务。这样就不能对外设进行实时数据交换，这

11、对许多实时性要求较高的外设来说，就有可能丢失数据。,查询传送方式优点：接口电路和程序设计都较为简单，容易实现。缺点：CPU外设不能并行工作，CPU的效率低，外设得不到及时响应。适用场合：这种传送方式适用于一般工作速度较慢的外设，特别是外设数量不多，实时性要求不高的场合。,3、中断传送方式中断传送方式会在每次外设准备好或空闲时，主动向CPU发出中断请求，以示要传送数据，CPU响应该请求后，执行中断服务程序，实现与外设的数据传送。其工作过程简述如下：暂停主程序，实现程序的转移，即中断响应；保护和恢复有关寄存器的内容；执行I/O操作；实现中断返回。,中断传送方式优点：系统的工作效率高，CPU、I/O

12、设备可以并行工作，外设可以主动向CPU请求，能够得到CPU的及时响应。缺点：每次传送数据，CPU都要做许多额外的工作，传送速度仍然不是很快。适用场合：这种方式适用于一般工作速度不是很快的外设，特别是实时控制、检测场合。,1DMA传送方式的提出比起程序方式来，利用中断方式进行数据传送可以大大提高CPU的工作效率，但效率仍然不是很高：在中断方式下，仍然是通过CPU执行中断程序来实现数据的传送，与数据传输无关的额外开销，要使CPU花费很多时间；中断处理子程序都是按字节或字来进行传输数据，不能实现按数据块传输。DMA传送方式的提出DMA是直接存储器访问的英文缩写，顾名思义它不需要经过CPU的中转，由硬

13、件逻辑直接控制实现按数据块直接传输，大大提高了传输效率。在利用DMA方式进行数据传输时，要利用系统的数据总线、地址总线和控制总线。因此在用DMA方式进行数据传输时，DMA接口电路要向CPU发出请求，使CPU让出总线，即把总线控制权交给控制DMA传输的接口电路。这种接口电路就是DMA控制器（DMAC）。,4、DMA(DirectMemoryAccess)控制方式,2DMA控制器的功能和DMA传送的原理当外设准备就绪，希望进行DMA操作时，会向DMA控制器发出DMA请求信号，DMA控制器接到此信号后，应能向CPU发总线请求信号。CPU接到总线请求信号后，如果允许，则会发出DMA响应信号，从而CPU放弃对总线的控制，这时DMA控制器应能实行对总线的控制。DMA控制器得到总线控制权以后，要往地址总线发送地址信号，并