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1、1,2023/11/17,第6章 输入输出(I/O)与中断,6.1 输入输出接口概述6.2 CPU与外设数据传送方式6.3 中断技术,2,2023/11/17,6.1 输入输出接口概述,什么是I/OI/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路（如：PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板）为什么需要I/O接口微机的外部设备多样性工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连,必须经过中间电路再与系统相连,3,2023/11/17,6.1 输入输出接口概述,I/O接口的主要功能(1)对输入输出数据进行缓冲和锁存,输出接口有锁
2、存环节，输入接口有缓冲环节(2)对信号的形式和数据的格式进行变换(3)微机直接处理：数字量、开关量、模拟量(4)对I/O端口进行寻址(5)建立外设与计算机的连接I/O接口的基本结构设计成满足CPU与外设信息相互交换的要求数据信息状态信息控制信息,4,2023/11/17,6.1 输入输出接口概述,cpu,I/o设备,数据输入寄存器,数据输出寄存器,状态寄存器,控制寄存器,中断控制逻辑,数据总线,地址总线,控制总线,I/O接口,DATA,STATUS,CONTROL,RD,WRM/IO,5,2023/11/17,6.1 输入输出接口概述,I/O端口的编址方式为了让CPU能够访问这些I/O端口，每
3、个I/O端口都需有自己的端口地址(或端口号)。在一个微型计算机系统中，如何编排这些I/O接口的端口地址，即所谓I/O端口的编址方式。常见的I/O端口编址方式有两种:存储器映像：I/O端口和存储器统一编址；I/O映像：I/O端口和存储器分开编址。,6,2023/11/17,6.1 输入输出接口概述,I/O 端口,存储单元,I/O 地址空间,存储器地址空间,整个地址空间,I/O 端口和存储器统一编址,7,2023/11/17,6.1 输入输出接口概述,存储单元,存储地址空间,I/O 端口,I/O 地址空间,I/O 端口和存储器单独编址,8,2023/11/17,6.2 CPU与外设数据传送方式,C
4、PU与外设之间的数据传送控制方式，即I/O控制方式，主要有三种：（1）程序传送：程序控制方式是指在程序控制下进行的数据传送方式无条件传送、条件传送（2）中断传送：依靠外设与CPU之间的中断控制信号的控制方式（3）DMA传送：不经过CPU，而直接在存储器与外设之间存取,9,2023/11/17,6.2 CPU与外设数据传送方式,(1)程序传送-无条件传送（或同步传送）无条件传送：在规定时间内，定时同步传送数据。适用于对开关、继电器等简单外设状态控制,RD,10,2023/11/17,6.2 CPU与外设数据传送方式,(1)程序传送-无条件传送（或同步传送）MOV DX,0100H MOV AL,
5、DL OUT 20H,AL delay MOV AL,DH OUT 20H,AL delay IN AX,10HPi=0，断开Pi=1，吸合,11,2023/11/17,(1)程序传送-条件传送（或异步传送）-输入条件传送：在传送数据前，先进行端口状态寄存器查询，只有端口“准备就绪”或“空闲”时才能够传输。,IN AL,STATUS_PORT,TEST AL,80,IN AL,DATA_PORT,6.2 CPU与外设数据传送方式,12,2023/11/17,查询输入部分的程序：POLL:IN AL,STATUS_PORT;读状态端口的信息 TEST AL,80;设“准备就绪”(READY)信息
6、在D7位 JE POLL;未“准备就绪”，则循环再查 IN AL,DATA_PORT;已“准备就绪”(READY=1),则读入数据,STATUS_PORT：状态端口地址DATA_PORT：数据端口地址,POLL,JE,13,2023/11/17,查询方式的A/D采样,WAIT：IN AL，51H；读状态端口的值TEST AL，10H；判断D4是否为1？JZ WAIT；状态信号不是“1”，等待IN AL，50H；读数据端口的值MOV BUF，AL；将数据送到数据缓冲单元,数据,端口,状态,端口,A/D,转,换器,定时,器,模拟,信号,译码,电路,启动信号,状态信号,D,4,数据总线,地址总线,控
7、制信号,50H,51H,14,2023/11/17,(1)程序传送-条件传送（或异步传送）-输出条件传送：在传送数据前，先进行端口状态寄存器查询，只有端口“准备就绪”或“空闲”时才能够传输。,IN AL,STATUS_PORT,TEST AL，80H,OUT DATA_PORT,AL,6.2 CPU与外设数据传送方式,15,2023/11/17,查询输出部分的程序：POLL:IN AL,STATUS_PORT;查状态端口状态信息D7 TEST AL，80H JNE POLL；;D71即忙线1,则循环再查 MOV AL，STOREBUFF;如外设空闲,由内存读取数据 OUT DATA_PORT,
8、AL;输出到端口地址单元 STATUS_PORT：状态端口地址DATA_PORT：数据端口地址STOREBUFF：待输出数据的内存单元起始地址。,POLL,JNE,16,2023/11/17,查询方式的打印机接口,WAIT：IN 7AH，AL；读状态端口 TEST AL，04H；判断D2是否为0？JNZ WAIT；不是0，等待 MOV AL，BUF；取数据 OUT 78H，AL；将数据送到打印机接口,数据,端口,状态,端口,数据缓,冲器,状态,检测,打印机,译码,电路,触发信号,状态信号,D,2,数据总线,地址总线,控制总线,信号,78H,7AH,接口电路,17,2023/11/17,总结:程
9、序查询输入/输出传送方式的执行步骤是：()CPU从I/O接口的状态端口中读入所寻址的外设的状态信息“READY”或“BUSY”。()根据读入的状态信息进行判断：程序查询输入时，若状态信息READY0，则外设数据未准备好，CPU继续等待查询,直至READY，程序查询输出时，若状态信息BUSY，则外设“忙”,CPU继续等待,直至外设“空闲”,BUSY0时，执行下一操作。,6.2 CPU与外设数据传送方式,18,2023/11/17,6.2 CPU与外设数据传送方式,(2)中断传送程序查询传送方式缺点：降低CPU的运行效率,不能处理紧急事件，查询方式浪费大量等待查询时间,很难使每一个外设都能工作在最
10、佳工作状态。中断传送特点(1)提高了CPU的工作效率;(2)外围设备具有申请服务的主动权;(3)CPU可以和外设并行工作;(4)可适合实时系统对I/O处理的要求。,19,2023/11/17,(3)DMA方式采用程序控制方式以及中断方式进行数据传送时，都是靠CPU执行程序指令来实现数据的输入/输出的。采用程序控制方式及中断方式时，数据的传输率不会很高。对于高速外设，如高速磁盘装置或高速数据采集系统等，采用这样的传送方式，往往满足不了其数据传输率的要求。例如，对于磁盘装置，其数据传输率通常在20万字节/秒以上，即传输一个字节的时间要小于5s。,6.2 CPU与外设数据传送方式,20,2023/1
11、1/17,(3)DMA方式不需要CPU干预(不需CPU执行程序指令)，而在专门硬件控制电路控制之下进行的外设与存储器间直接数据传送的方式，称为直接存储器存取(Direct Memory Access)，简称DMA方式。这一专门的硬件控制电路称为DMA控制器，简称DMAC。目的：提高数据传送速度（高速数据交换）,6.2 CPU与外设数据传送方式,21,2023/11/17,CPU,外设,存储器,：执行程序指令的数据传送路径；：DMA方式的数据传送路径,两种不同的数据传送路径,BUS,22,2023/11/17,(6)内存把数据送数据总线,(7)接口锁存数据,内存,接口,DMA控制器,I/O 设备
12、,8086 和总线控制逻辑,HOLD HLDA,(1)接口准备就绪，发DMA请求,(2)发总线请求,(3)总线允许,(5)DMA请求得到确认,(9)8086收回总线控制权,(8)撤销总线请求,(4)DMA控制器把地址送地址总线,数据总线,控制总线,地址总线,以DMA方式输出一个字节数据的工作过程,23,2023/11/17,总结：CPU与外设之间的数据传送控制方式，即I/O控制方式，主要有三种：（1）程序传送程序控制方式是指在程序控制下进行的数据传送方式无条件传送、条件传送（2）中断传送依靠外设与CPU之间的中断控制信号的控制方式（3）DMA传送不经过CPU，而直接在存储器与外设之间存取,6.
13、2 CPU与外设数据传送方式,24,2023/11/17,6.3 中断技术,中断:由于突发事件的请求，使CPU暂停运行原来的程序，而转去执行突发事件所指定的服务程序，并在处理完后再恢复原来程序的运行。中断源是指发出中断请求的来源，有以下几种：(1)外部设备(2)实时时钟(3)故障源(4)调试中断中断类型号：处理器对各类中断的中断源进行的统一编号N，N的取值范围是0255中断系统是微机中实现中断功能的各种软、硬件的总称,一般包括CPU内部相应的中断逻辑、接口中的中断控制电路及各类中断服务子程序,25,2023/11/17,1.中断处理过程的概念中断向量：中断向量即中断服务子程序的入口地址，也就是
14、中断服务子程序的第一条指令的地址在存储器中的存放位置中断向量表：中断向量构成的表格，位于存储器的最低地址单元中断优先级：在系统中多个中断源可能同时提出中断请求时，需要按中断的轻重缓急给每个中断源指定一个优先级别向量中断：一种方法(根据中断向量进入中断服务程序),6.3 中断技术,26,2023/11/17,断点:是指CPU执行的现行程序被中断时的下一条指令的地址，又称断点地址,MOV AX,0INT NMOV DI,AX PUSH AX IRET,地址1000H:150H为断点,6.3 中断技术,27,2023/11/17,中断现场:是指CPU转去执行中断服务程序前的运行状态，包括CPU内部各
15、寄存器、断点地址等。中断嵌套：当CPU在进行某一级别中断源的中断处理时，若有更高级别的新中断源发出请求，并满足响应条件，则CPU应中止当前的中断服务程序，保护此程序的断点和现场，转而响应高级中断。,主程序,主程序,断点,INT A,响应中断,中断源A,中断源B,6.3 中断技术,中断现场,INT B,IRET,IRET,28,2023/11/17,6.3 中断技术,2.中断的基本功能（1）能响应中断、处理中断与返回中断。（2）优先权排队:软件查询技术，硬件排队电路(或者采用中断控制芯片处理多个中断源)（3）中断嵌套,29,2023/11/17,6.3 中断技术,3.单中断：中断源向CPU发中断
16、请求信号的条件(外部条件)-中断请求触发器-中断屏蔽触发器（p194 图6.15）,30,2023/11/17,6.3 中断技术,3.单中断：CPU响应中断请求信号的条件(p195 图6.16)-CPU开中断-结束现行指令，响应中断关中断、保留断点、保护现场、转中断服务入口、恢复中断现场、开中断并返回断点(6.3.2.3),31,2023/11/17,6.3 中断技术,4.8086/8088的中断系统结构,非屏蔽中断请求INT2(0008H),可屏蔽中断请求INT n(n=20HFFH),外部中断（硬件）,NMI(17引脚）,INTR（18引脚）,中断系统,用户定义软件中断 INT n,断点中
17、断 INT 3,单步中断 INT 1(TF=1),除法错误中断 INT 0,溢出中断 INTOINT4,内部中断（软件）,6.4.1 节 图,32,2023/11/17,6.3 中断技术,8088/8086 管理中断方式：可管理256级中断,采用中断向量表,将所有中断服务程序的入口地址集中在一起形成的一张表。每个中断服务程序的入口地址对应着一个中断向量。(p201)一个中断向量由四个字节组成：2个高地址字节：存放中断服务程序的代码段的段值；2个低地址字节：存放中断服务程序的偏移地址。中断向量表放在内存的地址单元:00000H03FFH。系统占用了部分中断类型码:专用中断：04，占中断向量表00
18、0013H。系统备用中断：531H 用户使用中断：32H0FFH,33,2023/11/17,6.3 中断技术,5.8086/8088中断服务程序设计直接设置中断服务程序入口地址用户中断为INT 41H,对应的中断入口地址为：41H X 4=104H 开始的连续4个字节单元利用DOS 25号功能调用设置功能号送AH,设置的中断向量号送AL中断段地址送入DS，偏移地址送入DX执行INT 21H,MOV AX,OFFSET INT65H INT65H PROCMOV BX,SEG INT65H XOR CX,CX;31C9MOV 0104H,AX;(中断IP)IRET;CFMOV 0106H,BX
19、;(中断CS)INT65H ENDP,34,2023/11/17,6.8086/8088的中断系统优先级（1）所有内部中断优先级高于外部中断优先级（单步中断出外）（2）除单步中断外，所有内部中断不能被屏蔽（3）内部中断不产生INTA中断响应机器周期（4）优先级排序最高到最低依次为：INT 0 INT n INTO(INT 4)NMI(INT2)INTR INT1,6.3 中断技术,35,2023/11/17,结束当前指令,内部中断？,NMI中断？,N,Y,INTR中断？,TF=1？,N,Y,IF=1？,Y,从总线上取中断类型号,N,N,执行下一条指令,FLAG压栈,IF=0，TF=0,保护断点：CS、IP压栈,根据中断类型号获取中断向量，进入中断处理过程,恢复断点：CS、IP出栈,FLAG出栈,中断响应过程,中断返回过程,Y,Y,6.3 中断技术,
