输入输出接口和中断技术.ppt

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1、第六章 输入输出接口和中断技术,6.1 I/O接口,引言 1. 计算机由CPU, 存储器, 外设组成, 但外设种类繁多,2. 外设信号多种多样,如 A. 数字量 B. 模拟量 C. 电压 D. 电流,3. 信号速度各异. 如:磁盘的速度是 250000位/秒; 硬盘是 500000位/秒,4. 信息字长长短不一: 1位,8位等.,为什么在CPU与外设之间增加接口呢？ a. 两者之间信号线不兼容 b. 两者之间速度不匹配,微机接口：CPU与外设的连接电路，负责“中转”各种信息,一、接口的作用,转换信息格式 提供联络信号，协调数据传送的状态信息 协调定时差异 进行译码选址 实现电平转换 具备时序控

2、制 可编程,二、 接口功能,返回外设状态的功能 ；,数据缓冲功能；,信号转换功能；,设备选择功能；,数据宽度与数据格式转换功能；,6.2 简单接口电路,一、接口电路的基本结构,二、 硬件电路和软件驱动 硬件电路 基本逻辑电路（命令寄存器，状态寄存器，数据缓冲寄存器） 端口地址译码电路（译码器，GAL，PAL等） 接口功能电路（A/D，D/A，定时器，图象处理器件，通信等智能芯片）,驱动软件,初始化程序段：设置接口工作方式及初始条件 传送方式处理程序段：CPU针对不同的I/O设备有不同的处理方式 主控程序段：完成接口任务的程序 程序终止与退出程序段：接口电路硬件保护及操作系统数据恢复 辅助程序段

3、：提供人机对话手段,三、 I/O端口的编址方式,端口有两种编址方式: I/O端口地址和存储器地址统一编址，即存储器映射方式； I/O端口地址和存储器地址分开独立编址，即I/O映射方式。,1. I/O统一编址（存储器映象I/O编址）,从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问，不设专门的I/O指令。存储单元和I/O端口统一编址。,优点：,对I/O端口的访问命令与对存储器单元访问相同，不必使用专用I/O指令；,外设数目或I/O寄存器数几乎不受限制。,缺点：,I/O端口占用部分MEM空间，可用MEM空间减小；,对MEM访问指令较长，执行速度较慢；,I/

4、O端口地址译码时间较长。,微机系统读写控制逻辑较简单。,2. I/O独立编址,I/O端口地址空间与存储器地址空间相互独立。,应用：Z-80系列和x86系列均采用此方式。,优点：,MEM地址空间不受I/O端口地址空间影响；,I/O端口数量不多，占用地址线少，地址译码简单，速度较快；,使用专用I/O命令(IN/OUT)，与MEM访问命令(LOAD/STORE、MOV)有明显区别,便于理解和检查。,缺点：,专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指令类型少，程序设计灵活性较差；,6.3 输入输出的控制方式,一、 程序控制方式,1. 无条件传送方式,特点：输入时假设外设已准备好，输出时假设外设空闲,

5、要求：接口输入时加缓冲器，输出时加锁存器,应用：对简单外设的操作,无条件程序控制方式的工作原理,2. 条件传送方式（查询方式）,工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据,特 点：CPU与外设之间自然同步,要 求：需要增加表示外部设备状态的简单硬件电路,应 用：适用在CPU不太忙且传送速度要求不高时,查询式输入接口电路,查询式输出接口电路,二、中断方式 外设没准备好，CPU执行其他操作，外设准备好，向CPU申请中断，CPU响应中断，暂停正在运行的程序，转入对外部设备的服务。,CPU,0 1 2 3 4 15,主程序,中断服 务子程序,外设,中断口,中断请求,中断请求,特点：CPU与外设可同

6、时工作,要求：接口中需要中断控制逻辑支持,应用：适用于非高速度大量数据传送时,三、直接存储器存取方式(DMA) DMA方式是CPU将总线让给DMA控制器，使外设与存储器直接进行数据交换。,特点：数据的传送不经过CPU，I/O设备管理由DMA控制，简化CPU对I/O的控制,要求：需要DMA控制器及相关逻辑支持,应用：适用于高速度大量数据传送时,DMA传送的工作过程,1）I/O设备向DMAC发出DMA请求(DREQ)； 2） DMAC向CPU发出总线请求(HOLD)；,5）DMAC向I/O设备发出DMA应答信号(DACK)； 6）DMAC进行一个字节的传送； 7）完成设定的字节数据传送，CPU恢复

7、对系统总线的控制。,3）CPU在执行完当前指令的当前的总线周期后，向DMAC发出总线响应信号(HLDA)； 4）CPU脱离对系统总线的控制，由DMAC接管对系统总线的控制；,一、 中断源与中断识别,2.中断识别,中断识别的目的是要形成该中断源的中断服务程序的入口地址，以便CPU将此地址置入CS:IP寄存器，从而实现程序的转移。,1.中断源,A. 外设中断 ; B. 指令中断; C. 程序性中断; D. 硬件故障中断,6.4 中断技术,二、 8086/8088 中断类型,中断源大致可以分为两大类：一类是硬中断（外部中断），另一类是软中断（内部中断）。,（一）硬中断（由外部的事件产生）,1. 可屏

8、蔽中断,中断请求：多个中断请求的排队和判优由中断控制器完成，产生的有无中断请求的信号送到CPU的INTR引脚。 标志寄存器的IF位影响CPU对中断请求的响应。 可以被CPU用指令CLI禁止，也可由指令STI来允许。,中断类型号：通过数据总线送到CPU中。,属性：硬件、可屏蔽、向量。,INTR 电平触发, 用8259A作为中断接口芯片,2. 不可屏蔽中断,中断请求：中断请求的信号送到CPU的NMI引脚,中断类型号：固定为2,CPU不需要进行中断识别，直接处理中断,属性：硬件、不可屏蔽、向量,NMI由0跳变到1以后要维持至少4个连续的处理器时钟周期的高电平才被识别 NMI由1跳变到0以后要维持至少

9、4个连续的处理器时钟周期的低电平，新的NMI中断才能被识别,属性：软件、不可屏蔽、向量,中断请求：指令执行中或程序调用产生,中断类型号：CPU规定或指令给出,BIOS中断：I/O设备控制、实用服务、特殊中断、专用参数中断,DOS中断：公开/未公开、可调用、系统功能,自由中断：未定义(20H3FH中未使用的中断),CPU不需要进行中断识别，直接处理中断,（二）软中断（由用户在程序中发出中断指令INT nH 产生的）,（2）特殊中断：内部中断和异常,属性：软件、不可屏蔽、向量,中断请求：指令执行中产生,中断类型号：CPU规定,CPU不需要进行中断识别，直接处理中断,（三）硬中断与软中断的比较,硬中

10、断是外部事件引起的中断，因此硬中断具有随机性和突发性; 中断响应周期，CPU需要发中断回答信号(NMI硬中断不发中断回答信号); 中断号由中断控制器提供(NMI硬中断的中断号由系统指定为02H); 是可屏蔽的(NMI硬中断是不可屏蔽的).,1. 硬中断的特点:,软中断是执行中断指令而产生的，无需外部施加中断请求信号。在IBM-PC汇编语言指令系统中，设置了中断指令，在程序需要调用某个中断服务程序时，只要安排一条响应中断指令，就可转去执行所需要的中断程序，因此，中断的发生不是随机的，而是安排好的。 中断响应周期，CPU不需要发中断回答信号； 软中断的中断号是在指令中给出的，因此不需要使用中断控制

11、器； 是不可屏蔽的。,2.软中断的特点,三、 中断优先权,1、软件查询方法,采用软件查询中断方式时，中断优先权由查询顺序决定，先查询的中断源具有最高的优先权。,软件查询方法的接口电路,软件查询法流程图,优点：电路简单。软件查询的顺序就是中断优先权的顺序， 不需要专门的优先权排队电路，可以直接修改软件查询顺序来修改中断优先权，不必更改硬件。 缺点： 当中断源个数较多时，由逐位检测查询到转入相应的中断服务程序所耗费的时间较长，中断响应速度慢，服务效率低。,2、简单硬件方法,以链式优先权排队电路为例。它是利用外设连接在排队电路的物理位置来决定其中断优先权的，排在最前面的优先权最高，排在最后面的优先权

12、最低。,链式优先权排队电路,3、专用硬件方式,采用可编程的中断控制器芯片，如Intel 8259A,中断控制器的系统连接,四、 中断管理,五、 中断处理过程,1. 中断请求,CPU在执行完每条指令后去检查“中断请求”输入线。若有，CPU对外部中断申请有权决定是否响应。如果允许响应，则用STI指令打开中断；若不允许，则用CLI指令关闭中断。,2. 中断响应,（1）通过堆栈及相关硬件实现标志（FR）、段地址（CS）和偏移地址（IP）的保护。 （2）对外部硬件中断通过中断响应周期取得中断类型号。 （3）通过中断类型号查中断向量表，取得中断服务程序入口地址,3.中断处理,4.中断返回,中断服务程序结束

13、，执行“中断返回”，就会自动将保存在堆栈中的标志及被中断的程序断点弹出（依次为：IP、CS、Flags），并恢复断点继续执行主程序。,从中断处理程序入口地址转到中断处理程序。执行对中断的处理。,6.5 可编程中断控制器Intel 8259A,一、 8259A主要任务,接受外部的中断请求；,管理所有外部的中断请求(排队、判优、屏蔽、嵌套)；,向CPU产生中断请求INTR及提供中断类型号；,进行中断结束处理；,接受CPU命令及返回状态。,一,1. 8259A引脚,CPU侧：,DB0DB7；,外设侧：,IR0IR7；,级联：,二,接口电路：CPU接口、I/O接口。,内部逻辑：IRR、IMR、PR、I

14、SR及控制电路。,中断请求过程：IR-INT。,三,(1) 芯片控制初始化命令字ICW1,特征位：D4=1；,ICW4主要设定嵌套、缓冲、结束方式，缺省值为全嵌套、非缓冲、自动结束方式。,(2)中断类型号初始化命令字的设置ICW2,IRi的中断类型号 = ICW2的高5位+i,例：如果ICW2为08H，则 IR3的中断类型号为: 08H+03H=0BH。,主片8259A 8级硬中断源的中断号,(3) 主从片标志初始化命令字ICW3,级联方式结构：,8259主从级联,级联方式结构设置：,需要分别对主片和从片进行设置。,主片：S7S0分别对应相应的IR号的引脚，为1的位对应的引脚接有从片；,从片：

15、ID2ID0的编号是该从片接到主片的IR引脚的IR号。,主 片ICW3：OUT 21H，14H,从片1 ICW3 ：OUT 0A1H，04H,从片2 ICW3 ：OUT 0B1H，02H,级联方式中断请求及响应过程：,主片请求：与非级联一致。,从片请求：与非级联一致，但其INT送到主片，服从主片的请求规则。,(4)方式控制初始化命令字ICW4,D4：全嵌套(0)/特殊全嵌套(1)方式。,D0：用于8位(0)/16位(1)微机；,缓冲器方式的设置,中断结束方式的设置,初始化命令ICW4说明1,D1,D4,初始化命令ICW4说明2,D3,D0,初始化命令设置时序,(5) 中断屏蔽操作OCW1,正常

16、屏蔽：,特征位：无，时序：无。,特殊屏蔽：,通过OCW3设置。,(6) 非自动中断结束方式的操作OCW2,特征位：D4D3=00；,D6D5=01，非自动不指定； D6D5=11，非自动指定。,优先权管理：,D7=0，优先权固定；D7=1，优先权轮转。,D0D2位: 用来指定中断等级；,中断指定：,(7) 特殊屏蔽和查询方式操作命令字OCW3,查询字格式：,I=0，无中断请求； I=1，有中断请求。 W2W0，正在申请中断的若干中断源中优先级最高的中断源的编码。,特定屏蔽管理：,设置方法：,用OCW1屏蔽部分IR， 用OCW3置SMM即可。,取消方法：,用OCW1取消被屏蔽的IR 用OCW3取

17、消特定屏蔽,8259A命令关系表：,注：ICWx只有在初始化过程中才会出现。,四,1. 中断请求方式,2. 连接总线与级联方式,3.屏蔽中断源方式,5. 优先级排队方式,6. 嵌套方式,8259A的工作模式,4. 中断结束方式,1. 中断请求方式：初始化设置,边沿触发方式：正跳变向8259A请求中断，上跳沿后可一直保持高电平，不会再产生中断。 电平触发方式：高电平向8259A请求中断，响应中断后要及时清除高电平，以免引起第二次误中断。 查询中断方式：外设通过8259A请求中断，但8259A不使用中断请求信号INT向CPU发申请中断，CPU用软件查询确定中断源，并为其服务。,1. 中断请求方式,

18、2. 连接总线与级联方式,3.屏蔽中断源方式,5. 优先级排队方式,6. 嵌套方式,8259A的工作模式,4. 中断结束方式,2.连接总线与级联方式：,1. 中断请求方式,2. 连接总线与级联方式,3.屏蔽中断源方式,5. 优先级排队方式,6. 嵌套方式,8259A的工作模式,4. 中断结束方式,3. 屏蔽中断源方式：内部特性,内部特性：自动屏蔽低于自己优先级的IR。,1. 中断请求方式,2. 连接总线与级联方式,3.屏蔽中断源方式,5. 优先级排队方式,6. 嵌套方式,8259A的工作模式,4. 中断结束方式,4. 结束中断的处理方式：自动,自动： 中断响应后ISR中最高优先级位自动复位；,

19、非自动：中断服务程序返回前，需要处理程序发出对ISR中相应位复位的中断结束命令；,不指定方式：ISR中最高优先级位复位；,指定方式：命令中指定的ISR中相应位复位。,ICW4:,AEOI,0CW2:,8259A的工作模式,1. 中断请求方式,2. 连接总线与级联方式,3.屏蔽中断源方式,5. 优先级排队方式,6. 嵌套方式,4. 中断结束方式,5. 优先级排队方式：固定优先权,内部特性：IR0IR7的优先级为一循环队列。,固定优先权：从IR0IR7降序；,轮转优先权：,自动轮转,指定轮转,8259A的工作模式,1. 中断请求方式,2. 连接总线与级联方式,3.屏蔽中断源方式,5. 优先级排队方式,6. 嵌套方式,4. 中断结束方式,6. 嵌套方式：全嵌套,全嵌套：禁止同优先级或低优先级请求发生；,特殊全嵌套：禁止低优先级请求发生。,应用：级联时主片特殊全嵌套，从片全嵌套。,