計(jì)算機(jī)原理-第七章輸入輸出與中斷

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,輸入/輸出和中斷,7.1 外設(shè)接口的一般結(jié)構(gòu),7.2 CPU與外設(shè)交換數(shù)據(jù)的方式,7.3 中斷技術(shù),7.4 8086/8088的中斷系統(tǒng),7.5 8259A可編程中斷控制器,7.6 8237DMA控制器,第,7,章,外設(shè)接口的一般結(jié)構(gòu),一個(gè)簡單的外設(shè)接口框圖如圖7-1所示

2、，從圖中可以看出CPU通過一個(gè)外設(shè)接口同外設(shè)之間交換的信息主要有三類：數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息、控制信息。,7.1.1 數(shù)據(jù)信息,在微型機(jī)中，數(shù)據(jù)大致為三種基本類型,：,數(shù)字量,模擬量,開關(guān)量,7.1,狀態(tài)信息,READY（準(zhǔn)備好信號）,表示輸入設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好信息，CPU可執(zhí)行輸入指令從該外設(shè)輸入數(shù)據(jù)。,BUSY（忙信號）,表示輸出設(shè)備正在輸出信息，即在“忙”著，同時(shí)也等于指示CPU等待。,狀態(tài)信息表示外設(shè)當(dāng)前所處的工作狀態(tài),例如,控制信息,控制信息,是由CPU發(fā)出的，用于控制I/O接口的工作方式以及外設(shè)的啟動(dòng)和停止等等。,狀態(tài)信息和控制信息以及數(shù)據(jù)信息，,通常都以數(shù)據(jù)形式通過數(shù)據(jù)總線傳送，這些信息

3、在I/O接口中分別存放在不同的端口中。,CPU與外設(shè)交換數(shù)據(jù)的方式,7.2.1 程序控制傳遞方式,程序控制的數(shù)據(jù)傳送分為,無條件傳送、查詢傳送和中斷傳送。,這類傳送方式的,特點(diǎn),是，以CPU為中心，數(shù)據(jù)傳送的控制來自CPU，通過預(yù)先編制好的輸入或輸出程序（傳送指令和I/O指令）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。,7.2,1.無條件傳送方式,查詢傳送方式,中斷傳送方式,程序控制傳遞方式,無條件傳送方式,無條件傳送方式又稱同步傳送方式。主要用于外設(shè)工作的時(shí)間已知的場合，外設(shè)必須在微處理器限定的指令時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備就緒，并完成數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。,通常采用的辦法是：,把I/O指令插入到程序中，當(dāng)程序執(zhí)行到該I/O指令時(shí)，外設(shè)

4、必定已為傳送數(shù)據(jù)作好了準(zhǔn)備，于是在此指令時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。,查詢傳送方式,查詢傳送方式又稱異步傳送方式。,中斷傳送方式,利用中斷來實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送，這就是,中斷傳送方式。,采用中斷傳送方式時(shí)，CPU從啟動(dòng)外設(shè)到外設(shè)準(zhǔn)備就緒這段時(shí)間，不像查詢方式一樣處于等待狀態(tài)，而僅僅是在外設(shè)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳送的情況下才中止CPU執(zhí)行的主程序,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了主機(jī)和外設(shè)的并行工作。,通過執(zhí)行一條輸入指令，讀取所選外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài),。,(2)根據(jù)該設(shè)備的狀態(tài)決定程序去向,完成一次傳送過程的步驟如下：,DMA（直接存儲器存?。﹤鬟f方式,在外設(shè)和內(nèi)存之間直接傳送數(shù)據(jù)的方式，即 DMA傳送方式。,DMA

5、（Direct Memory Access）是一種不需要CPU干預(yù)也不需要軟件介入的高速數(shù)據(jù)傳送方式。,DMA操作的基本方法,周期挪用（Cycle Stealing),周期擴(kuò)散,CPU停機(jī)方式,周期挪用（Cycle Stealing）,利用CPU不訪問存儲器的那些周期來實(shí)現(xiàn)DMA操作，此時(shí)DMAC可以使用總線而不用通知CPU也不會妨礙CPU的工作。這種方法的關(guān)鍵是如何識別合適的可挪用的周期，以避免同CPU的操作發(fā)生重疊。,這種方法會使CPU的處理速度減慢，而且CPU時(shí)鐘周期的加寬是有限的。因此用這種方法進(jìn)行DMA傳送，一次只能傳送一個(gè)字節(jié)。,周期擴(kuò)散,CPU停機(jī)方式,這是最常用的、最簡單的傳送

6、方式，大部分DMAC都采用這種方式。,DMA的傳送方式,通常，大部分DMAC都有三種DMA 傳送方式：,成組傳送方式,請求傳送方式,單字傳送方式,單字節(jié)傳送方式,每次DMA傳送只傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，傳送后釋放總線由CPU控制總線至少一個(gè)完整的總線周期。以后又測試DMA請求線DREQ，若有效，再進(jìn)入DMA周期。,成組傳送方式,一個(gè)DMA請求可以傳送一組信息，這一組信息的字節(jié)數(shù)由編程決定（在DMAC初始化時(shí)），只要在DACK有效之前DREQ保持有效即可。一旦DACK有效，不管DREQ是否有效，DMAC一直不放棄總線控制權(quán)，直到整個(gè)數(shù)組傳送完。,請求傳送方式,又稱查詢傳送方式。,DMAC應(yīng)該具有如下

7、功能：,（1）能接收外設(shè)的請求，向CPU發(fā)出DMA請求信號。,（2）當(dāng)CPU 發(fā)出DMA響應(yīng)信號后，DMAC接管對總線的控制，進(jìn)入DMA方式。,（3）能尋址存儲器，即能輸出地址信息和修改地址。,DMAC（DMA控制器）的基本功能,（4）能向存儲器和外設(shè)發(fā)生相應(yīng)的讀/寫控制信號。,（5）能控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷DMA是否結(jié)束。,（6）在DMA傳送結(jié)束后，能結(jié)束DMA請求信號，釋放總線，使CPU恢復(fù)正常工作。,中斷,7.3.1 概述,中斷是外設(shè)隨機(jī)地（指主程序運(yùn)行到任何一條指令時(shí)）或程序預(yù)先安排產(chǎn)生中斷請求信號，暫停CPU正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)入執(zhí)行稱為中斷服務(wù)的子程序，中斷服務(wù)完畢后，返回到主程序被

8、中斷處繼續(xù)執(zhí)行的過程。,7.3,中斷源,引起中斷的事件稱為中斷源，通常中斷源有以下幾種：,輸入、輸出設(shè)備:如鍵盤、顯示器和打印機(jī)等;,數(shù)據(jù)通道:如磁帶等;,實(shí)時(shí)控制過程中的各種參數(shù);,故障源:如掉電保護(hù)等;,(5)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場測試信號以及軟件中斷。,為了滿足上述各種條件下的要求,中斷系統(tǒng)應(yīng)具有以下,1.能實(shí)現(xiàn)中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)和中斷返回,2.能實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級排隊(duì),3.能實(shí)現(xiàn)中斷嵌套,:,功能,中斷過程與中斷管理,1.中斷過程,對于不同的微機(jī)系統(tǒng)，CPU中斷處理的具體過程不盡相同，但是一個(gè)完整的中斷基本過程應(yīng)包括：中斷請求、中斷判優(yōu)、中斷響應(yīng)、中斷處理及中斷返回等五個(gè)基本過程。,中斷請求,中斷

9、判優(yōu),中斷響應(yīng),中斷處理,中斷返回,（1）,軟件查詢方式,軟件查詢優(yōu)先方式是最簡單的中斷優(yōu)先處理方式。圖6.5顯示了采用軟件查詢方式的接口電路。,2.,中斷優(yōu)先權(quán),硬件優(yōu)先權(quán)排隊(duì)方式常用的有兩種：,專用硬件方式可編程的中斷控制器。采用可編程中斷控制器，是當(dāng)前微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中解決中斷優(yōu)先權(quán)管理的常用辦法。詳細(xì)說明將在本章第5節(jié)介紹。,（2）硬件優(yōu)先權(quán)排隊(duì)電路,簡單硬件方式菊花鏈法或鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路。鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)邏輯電路如圖6.7所示。,圖6-6 軟件查詢方式流程圖,保留現(xiàn)場,A申請服務(wù)?,B申請服務(wù)?,C申請服務(wù)?,恢復(fù)現(xiàn)場,外設(shè)A中斷服務(wù)程序,外設(shè)B中斷服務(wù)程序,外設(shè)C中斷服務(wù)程序,Y,Y

10、,Y,N,N,N,8086/8088的中斷系統(tǒng),7.4.1 中斷結(jié)構(gòu),1.中斷分類,8086/8088CPU可以處理256種類型的中斷源，這些中斷源可分為硬件中斷和軟件中斷兩大類。,2.中斷向量表,在8086系統(tǒng)中，允許引入256種類型中斷源（類型碼為0255），相應(yīng)有256個(gè)中斷服務(wù)程序首址。存放中斷地址的一段內(nèi)存空間稱中斷向量表。,7.4,在8086/8088系統(tǒng)中，通過執(zhí)行中斷指令或由CPU本身啟動(dòng)的中斷稱為內(nèi)部中斷（也稱軟件中斷）。除單步中斷外，內(nèi)部中斷無法用軟件禁止，即不受中斷允許標(biāo)志IF的影響。,1.內(nèi)部中斷的類型,（1）0型中斷除法出錯(cuò)中斷,（2）1型中斷單步中斷,（3）3型中斷

11、斷點(diǎn)中斷,（4）4型中斷溢出中斷,（5）INT n指令中斷,內(nèi)部中斷軟中斷,8086/8088中的各種中斷的響應(yīng)和處理過程是不相同的。主要區(qū)別在于如何獲取相應(yīng)的中斷類型碼。,對于專用中斷，中斷類型碼是自動(dòng)形成的。,幾種類型碼為：,類型0、1、3、4,內(nèi)部中斷的處理過程,對于INT n指令，其類型碼為指令中給定的,n,。,2,1.外部中斷的響應(yīng)及中斷響應(yīng)周期時(shí)序,CPU采樣到非屏蔽中斷請求時(shí)，自動(dòng)提供中斷類型號2，然后根據(jù)中斷類型號，查找中斷向量表指針，其后的處理與內(nèi)部中斷一樣。,8086/8088CPU為外部設(shè)備提供了兩條硬件中斷信號線，即NMI和INTR中斷請求信號。,外部中斷硬中斷,2.外

12、部中斷處理過程,如果把CPU中斷響應(yīng)周期的動(dòng)作和前面講到的中斷響應(yīng)過程結(jié)合起來，當(dāng)一個(gè)可屏蔽中斷被響應(yīng)時(shí)，CPU實(shí)際執(zhí)行了7個(gè)總線周期。,（1）執(zhí)行第一個(gè)INTA周期,（2）執(zhí)行第二個(gè)INTA周期,（3）執(zhí)行一個(gè)總線寫周期,（4）執(zhí)行一個(gè)總線寫周期,（5）執(zhí)行一個(gè)總線寫周期,（6）執(zhí)行一個(gè)總線讀周期,（7）執(zhí)行一個(gè)總線周期，從中斷向量表中取出中斷服務(wù)程序入口地址的段值送CS。對于非屏蔽與軟中斷跳過第(1)、(2)步，從第(3)步開始執(zhí)行到第(7)步。,CPU實(shí)際執(zhí)行了7個(gè)總線周期,8086/8088系統(tǒng)中，中斷優(yōu)先權(quán)排隊(duì)次序從高到低為：,除 法出錯(cuò)、INTn、INTO、NMI、INTR、單步中

13、斷。除單步之外的內(nèi)部優(yōu)先權(quán)最高，其次是非屏蔽中斷，再次是可屏蔽中斷，而單步最低。,中斷響應(yīng)和處理流程如圖6-10所示。,各類中斷的優(yōu)先權(quán)及中斷響應(yīng),8259A可編程中斷控制器,7.5.1 8259A的功能、結(jié)構(gòu)及工作原理,1.功能,Intel 8259A 是與8086系列CPU兼容的可編程中斷控制器，它的主要功能為：,（1）具有8級優(yōu)先權(quán)控制，通過級連可擴(kuò)展至64級優(yōu)先權(quán)控制。,（2）每一級中斷都可以屏蔽或允許。,（3）在中斷響應(yīng)周期，8259A可提供相應(yīng)的中斷向量號（中斷類型號）。,（4）8259A的工作方式，可通過編程來進(jìn)行選擇。,7.5,（1）8259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu),中斷請求寄存器I

14、RR（Interrupt Request Register）,優(yōu)先權(quán)電路,中斷服務(wù)寄存器ISR（INService Register）,中斷屏蔽寄存器IMR（Interrupt Mask Register）,數(shù)據(jù)總線緩沖器,讀寫電路,控制邏輯和級連緩沖/比較器,組成,它由,2.,8259A是28個(gè)引腳的雙列直插芯片，其引腳如圖 7-12所示。,D7D0雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線，它可直接與數(shù)據(jù)總線連接。,IR0IR7中斷請求輸入線，其中IR優(yōu)先權(quán)最高，IR7最低。,INT中斷請求輸出，接CPU的中斷請求線INTR。,INTA 中斷響應(yīng)輸入，接受CPU發(fā)來的中斷響應(yīng)信號。,8259A的引線,（2）,WR寫控

15、制信號線，當(dāng)為低電平時(shí)，CPU向8259A寫入控制信號。,RD讀控制信號線，當(dāng)為低時(shí)，可將8259A內(nèi)部寄存器的信息讀至數(shù)據(jù)總線。,A0用以選擇8259A內(nèi)部不同寄存器。通常與地址總線A0相連接。,CAS0CAS2級連信號，對于主8259A，它們是輸出線，而對于從8259A，它們是輸入線。,SP/EN從程序/緩沖器允許信號，是一個(gè)雙功能信號。,CS片選信號線，當(dāng)該腳為低電平時(shí)，8259A被選中。,8259A的工作原理是通過其內(nèi)部各處理部件的工作過程來體現(xiàn)的。,3.,8259A的工作原理,8259A的初始化命令字共4個(gè)（ICW1ICW4）。不是任何情況下都需要設(shè)置4個(gè)命令字，可根據(jù)8259A的使

16、用情況來選取，它們設(shè)置過程如圖6.13所示。,工作方式編程,8259A的編程,8259A的編程分兩部分：,初始化編程,1.8259A的初始化編程,（1）,寫初始化命令字ICW1,（2）寫初始化命令字ICW,2,其格式如圖7-15所示,中斷類型控制字用來定義中斷類型碼的高5位,芯片控制字,（3）寫初始化指令字ICW,3,主/從片初始化,（4）寫初始化命令字ICW,4,方式控制字,圖7-16 ICW,3,的格式,圖7-17 ICW,4,的格式,圖7-14 ICW,1,的格式,圖7-14 ICW1的格式,A,7,A,6,A,5,1,LTIM,ADI,SNGL,IC,4,1=需要ICW,4,0=不需要ICW,4,0,偶地址,A,0,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,ICW,1,識,別,位,1=單片,0=級連,調(diào)用地址間隔,1=間隔為4,80X86中不用,0=間隔為8,1=電平觸發(fā),0=邊沿觸發(fā),中斷向量地址,的A,7,A,5,（只用于MCS-80/85）,圖7-15 ICW3的格式,T,7,T,6,T,5,T,4,T,3,1,奇地址,中斷類型,自動(dòng)填入,IR,0,