專題六計算機硬件技術基礎輸入輸出和中斷趙曉安.ppt

,專題六 輸入輸出和中斷系統(tǒng),第五章,主講教師 趙曉安,計算機科學與軟件學院計算機基礎教學部,主講教師 趙曉安,計算機硬件技術基礎,1 輸入/輸出的基本概念 2 輸入/輸出數(shù)據(jù)的傳送方式 3 中斷技術 MCS-51的中斷系統(tǒng) 學會MCS-51中斷程序設計及應用 學會與中斷有關的硬件連線,本章重點及要求,5.1 輸入/輸出的基本概念 5.2 輸入/輸出數(shù)據(jù)的傳送方式 5.3 中斷技術 5.4 MCS-51的中斷系統(tǒng) 5.5 MCS-51對外部中斷源的擴展,第五章 輸入/輸出和中斷,511 輸入/輸出設備 512 輸入/輸出傳送的信息 513 輸入/輸出接口的作用及其類型 514 I/O端口的編址方式,51 輸入/輸出的基本概念,521 無條件傳送方式 （又稱同步傳送） 522 查詢式傳送方式 （又稱條件傳送異步傳送）,5.2 輸入/輸出數(shù)據(jù)的傳送方式,523 中斷傳送方式 524 DMA傳送方式,531 中斷的定義及必要性 532 中斷源 533 中斷的分類 534 中斷系統(tǒng)的功能 535 中斷處理過程,5.3 中斷技術,541 MCS-51的中斷源和中斷標志 542 MCS-51對中斷請求的控制 543 MCS-51對中斷的響應和撤除 544 MCS-51中斷系統(tǒng)的初始化及應用,5.4 MCS-51的中斷系統(tǒng), MCS-51 的中斷程序設計舉例, MCS-51 的中斷系統(tǒng)的結構,5.5.1 借用定時器/計時器溢出中斷擴展外部中斷源 （P160 利用計數(shù)溢出，擴展中斷源） 來自P3.4(T0)或P3.5(T1)引腳的 外部輸入計數(shù)脈沖相當于中斷請求信號 5.5.2 使用硬件申請軟件查詢法擴展外部中斷源 （P161 硬件申請，軟件查詢的方法）,55 MCS-51對外部中斷源的擴展,511 輸入/輸出設備, 輸入設備： 定義：往主機傳送信息的設備 常用的輸入設備： 鍵盤、鼠標、掃描儀、讀卡機等 輸出設備 定義：接收主機信息并送出信息呈現(xiàn)給人們的設備 常用的輸出設備： 顯示器、打印機、繪圖儀等,外設與CPU是通過接口連接,地址總線 AB,數(shù)據(jù)總線 DB,控制總線 CB,512 輸入/輸出傳送的信息, 數(shù)據(jù)信息 數(shù)字量 模擬量 開關量 狀態(tài)信息 表征外設狀態(tài) 控制信息 控制外設啟停,在輸入時，輸入裝置的信息是否準備好（Ready）； 在輸出時 ，輸出裝置是否有空（Empty），若輸出裝置正在輸出信息，則以Busy指示。,二進制形式表示的數(shù)或以ASC碼表示的數(shù)或字符 。,模擬量必須先經過A/D轉換才能輸入計算機，計算機的控制輸出也必須先經過D/A轉換才能控制執(zhí)行機構。,只要用一位二進制數(shù)即可表示的量，如電機的運轉與停止，開關的合與斷，閥門的打開和關閉等。,513 輸入/輸出接口的作用及其類型,接口電路的作用 鎖存作用 防止由于CPU速度快，外設慢而產生的丟數(shù)現(xiàn)象 隔離作用 防止DB上的信息重疊 變換作用 在CPU與外設之間進行信息類型、電平、傳送接收方式變換 聯(lián)絡作用 在CPU與外設之間進行聯(lián)絡，Ready, Busy,輸出接口電路鎖存作用,輸出接口中必須含鎖存器,來自CPU,速度匹配,輸入接口電路隔離作用,輸入接口中必須含三態(tài)門,防止信息重疊,1、 I/O接口的種類很多，有兩種基本類型 串行I/O接口 并行I/O接口 2、不可編程接口 例：74LS273、74LS373、74LS138 、74LS244 3、可編程接口 例：8155、8255、8250、8253,I/O接口的類型,514 I/O端口的編址方式, 統(tǒng)一編址 I/O端口與內存儲器采用一套地址，完全象存儲器單元一樣處理，使用訪問存儲器的指令。 如：movx 類指令 獨立編址 采用一套與存儲器不同的地址，利用/MREQ（存儲器請求）和/IORQ（輸入輸出請求）， CPU 有專門的I/O指令 如：IN， OUT MCS51系列采用統(tǒng)一編址 片內RAM 與P0P3均用MOV指令 片外RAM與外擴口I/O口均用MOVX指令,接口與端口,接口：由一個或多個端口組成。 端口：可被獨立選通的I/O接口電路，簡稱口。 端口地址：端口在系統(tǒng)中被分配的惟一地址，簡稱口地址。 端口可分為： 輸入端口CPU從中讀取外設的狀態(tài)或數(shù)據(jù)信息 輸出端口CPU通過它輸出控制信號或數(shù)據(jù)信息 狀態(tài)端口CPU從中讀取外設的狀態(tài)信息 控制端口由CPU控制輸出控制信號 數(shù)據(jù)端口 可以是輸入數(shù)據(jù)端口或輸出數(shù)據(jù)端口 I/O信息都是通過數(shù)據(jù)總線傳遞的。,521 無條件傳送方式（又稱同步傳送）,應用于定時為已知的且 固定不變的低速I/O 無需等待的高速I/O movx A,DPTR movx DPTR,A,無條件I/O舉例顯示程序設計,輸入接口原理圖,DB,外設準備好，置入狀態(tài)信號 Q=1 CPU讀數(shù)據(jù)口時清掉狀態(tài)信號,522 查詢式傳送方式 （又稱條件傳送異步傳送）, CPU查詢外設狀態(tài)信息(Ready,Busy)，條件 滿足時，進行數(shù)據(jù)傳送 程序簡單 高速CPU查詢低速外設 浪費CPU時間，效率低 輸入接口原理圖 輸出接口原理圖 程序流程圖,條件傳送方式程序舉例,Test:mov DPTR,#PORTS movx A,DPTR anl A,#40H jz Test ；(jnz Test) mov DPTR,#PORTD movx A,DPTR ;輸入 (movx DPTR,A；輸出),0/1,狀態(tài)信號,D6,Ready=1 Busy=0,(A),523 中斷傳送方式,中斷：要求進行輸入、輸出的外設，發(fā)出就緒信號給CPU，作為中斷請求，打斷CPU正在進行的工作，即中斷CPU正在執(zhí)行的程序。 中斷過程 中斷方式與查詢方式比較 提高了CPU的效率 CPU與外設可并行工作 CPU可及時響應外部事件,中斷方式與查詢方式CPU占用時間比較,中斷過程, 利用DMAC(DMA控制器)實現(xiàn)成組、大批量的數(shù)據(jù)在內存和外設之間的快速傳送。 DMA過程： 優(yōu)點：速度快 缺點：硬件復雜，成本增加,524 DMA傳送方式,DMA過程,外設向DMAC發(fā)DMA申請 DMAC向CPU發(fā)BUSRQ CPU發(fā)BUSAK響應 DMAC發(fā)存儲器地址和讀寫信號 DMA控制結束，恢復CPU對總線控制,531 中斷的定義及必要性,定義：所謂中斷是指中央處理器CPU正在處理某件事的時候，外部發(fā)生了某一事件，請求CPU迅速處理，CPU暫時中斷當前的工作，轉入處理所發(fā)生的事件，處理完后，再回到原來被中斷的地方，繼續(xù)原來的工作。這樣的過程稱為中斷。,必要性及應用 中斷功能便于實現(xiàn) 1分時操作 2實時處理 3故障處理 4.主機與外設之間的速度匹配,CPU和外設同時工作；CPU可以通過分時操作啟動多個外設同時工作，統(tǒng)一管理。大大提高了CPU的利用率，也提高了輸入、輸出的速度。,當計算機用于實時控制時，中斷是一個十分重要的功能?，F(xiàn)場的各個參數(shù)、信息，需要的話可在任何時候發(fā)出中斷申請，要求CPU處理；CPU就可以馬上響應（若中斷是開放的話）加以處理。這樣的及時處理在查詢的工作方式是做不到的。,計算機在運行過程中，往往會出現(xiàn)事先預料不到的情況，或出現(xiàn)一些故障：如電源突跳，存儲出錯，運算溢出等等。計算機就可以利用中斷系統(tǒng)自行處理，而不必停機或報告工作人員。, 外設中斷請求 實時時鐘中斷請求 控制對象中斷源 故障引起的中斷 人為設置的中斷,532 中斷源,人為設置的中斷，不是隨機的，故稱為自愿中斷。,強迫中斷 引起的中斷都是隨機。,533 中斷的分類,MCS-51就是具有可屏蔽中斷功能的一類CPU。,534 中斷系統(tǒng)的功能, 中斷系統(tǒng) 包括中斷源的產生、中斷判優(yōu)、中斷查詢、中斷處理等實現(xiàn)這一全過程的硬件和軟件。,中斷技術 對中斷全過程的分析、研究及實現(xiàn)的方法,中斷判優(yōu),多中斷源同時發(fā)出中斷請求，CPU根據(jù)中斷的優(yōu)先級判斷優(yōu)先執(zhí)行的中斷請求。 中斷嵌套,CPU正在執(zhí)行主程序,CPU正在執(zhí)行低級中斷服務程序,CPU正在執(zhí)行高級中斷服務程序,CPU正在執(zhí)行低級中斷服務程序,掛起的中斷,中斷查詢, 軟件查詢 硬件查詢 中斷優(yōu)先級鏈式電路 中斷優(yōu)先級編碼電路,mov DPTR,#PortI movx A,DPTR RLC A JC ASV RLC A JC BSV ASV: BSV: ,先查詢的優(yōu)先級高,硬件申請 軟件查詢,中斷處理,中斷響應條件 CPU處于開中斷狀態(tài)：51內部有中斷允許觸發(fā)器EA EA=0 禁止中斷；EA=1 開放中斷。 中斷響應過程 中斷響應：停止現(xiàn)行程序， 轉向中斷處理程序入口地址 關中斷 （MCS-51響應中斷后，不自動關中斷) 保護斷點 （自動將斷點地址壓入堆棧） 執(zhí)行中斷處理程序,執(zhí)行中斷處理程序, 保護現(xiàn)場 保護中斷服務程序中用到的寄存器和狀態(tài)標志的內容 中斷服務 相應的中斷源服務，完成一定的I/O操作 恢復現(xiàn)場 完成中斷服務后，將保存在堆棧中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)恢復 開中斷和中斷返回 RETI (中斷返回指令）,push PSW push ACC push DPH push DPL,pop DPL pop DPH pop ACC pop PSW,請看P150圖5-22,（1）設置中斷請求觸發(fā)器( 又稱中斷標志觸發(fā)器) 每個中斷源需有一個中斷請求觸發(fā)器, 保持中斷請求信號 ，直至CPU響應這個中斷后，才可清除中斷請求。 當中斷請求觸發(fā)器為“1”狀態(tài)時（Q=1），表示有中斷產生；Q=0表示沒有中斷產生。,中斷響應條件,CPU響應中斷的條件主要有以下幾點：,設置中斷請求的情況,CPU 中也要有中斷標志觸發(fā)器，有中斷請求則置1。,（2）需設置中斷屏蔽觸發(fā)器(又稱中斷允許觸發(fā)器） 每一個中斷源的接口電路中需增加一個中斷屏蔽觸發(fā)器，只有當此觸發(fā)器為“1”時，中斷源的中斷請求才能被送出至CPU 。,具有中斷屏蔽的接口電路,（3）中斷是開放的 在CPU內部有一個中斷允許觸發(fā)器EA。只有當EA為“1”時（即中斷開放時），CPU才能響應中斷；若EA為“0”（即中斷是關閉的），這時外部有中斷請求，CPU不會響應，EA的狀態(tài)是可以用指令來控制的（稱為可編程的）。 （4）需設中斷優(yōu)先級觸發(fā)器 在CPU內部要設置中斷優(yōu)先級觸發(fā)器，以實現(xiàn)嵌套； 在各中斷源中也要設一個中斷優(yōu)先級觸發(fā)器，由指令置位/復位，以表示本中斷源在中斷系統(tǒng)中的優(yōu)先級。 （5）CPU在現(xiàn)行指令結束后響應中斷 在開中斷情況下，若中斷源有中斷請求，CPU也并不是立即響應，只是當正在執(zhí)行的指令運行到最后一個機器周期T狀態(tài)時，CPU才采樣中斷源。若發(fā)現(xiàn)有中斷請求，則把內部的中斷標志鎖存器置“1”，然后下一個機器周期不進入取指周期，而進入中斷周期 。,LED顯示器程序設計_無條件I/O傳送例1, LED顯示器結構與原理 LED顯示接口 顯示程序設計,LED顯示器結構與原理,LED顯示器是由個發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件， 通過點亮不同的字段可顯示09、AF及小數(shù)點等字形。其外形結構與原理見圖8-1所示。,（a）LED管腳圖；（b）共陰極；（c）共陽極,要使數(shù)碼管顯示指定的字符 對共陰極接法的電路： 1、要發(fā)光的二極管段加高電平 2、共陰極端接低電平,稱0CFH為字形碼 G端稱為字位,LED顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種形式 ： 1、靜態(tài)顯示接口 常采用MC14495芯片作為LED的靜態(tài)顯示器接口，它是MOTOROLA公司生產CMOS BCD七段十六進制鎖存、譯碼驅動芯片，可以與LED顯示器直接相連。具體應用略。 2. 動態(tài)顯示接口 常用可編程并行接口芯片8155作為LED動態(tài)顯示器的接口。實驗設備中8031通過8155接六只共陰極LED動態(tài)顯示器的接口。PA口作為字位碼口，PB口作為字形（字段）碼口。,LED顯示接口,靜態(tài)顯示電路,所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（稱為動態(tài)掃描），對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度即與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。調整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。,動態(tài)顯示原理,顯示緩沖區(qū)每個顯示塊對應一個存儲單元，存放該塊要顯示的字形碼表中的序號或字形碼。,7EH,7DH,7CH,7BH,7AH,79H,6,5,4,3,2,1,查字形碼表得到字符6的字形碼82H送字形碼口 將20H送字位碼口則該位顯示6，其它位的顯示類同，依次循環(huán)往復從低位到高位查字形碼表，得到對應的字形碼送字形碼口，其塊的字位碼送字位碼口，由于視覺殘留，六個不同的字符就同時顯示出來。,字形碼表,字位表,8155動態(tài)顯示電路,ORG 0000H DISP: MOV SP,#5FH MOV A,#03H；對8155初始化，A口、B口輸出 MOV DPTR,#0FF20H MOVX DPTR,A DISP4: MOV R5,#01H ；置字位碼初值 MOV R0,#79H ；置顯示緩沖區(qū)指針初值 MOV A,R5 LD0: MOV DPTR,#0FF21H ；字位碼送8155 A口 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0FF22H MOV A,R0 ADD A,#0EH MOVC A,A+PC ；查字形碼表 MOVX DPTR,A ；字形碼送8155 B口 ACALL DLAY ；延時 1MS INC R0 MOV A,R5,JB ACC.5,LD1 RL A MOV R5,A AJMP LD0 LD1: SJMP DISP4 DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H DB 82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H DB 0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,89H DB 0C8H,0C1H,7FH,0BFH DLAY: MOV R7,#02H ；延時子程序 DL1: MOV R6,#0FFH DL2: DJNZ R6,DL2 DJNZ R7,DL1 RET END,；字形碼表,口指針DPTR，查表PC,ORG 0000H DISP: MOV SP,#5FH MOV A,#03H；對8155初始化，A口、B口輸出 MOV R1,#20H MOVX R1,A DISP4: MOV R5,#01H ；置字位碼初值 MOV R0,#79H ；置顯示緩沖區(qū)指針初值 MOV A,R5 LD0: MOV R1,#21H ；字位碼送8155 A口 MOVX R1,A MOV R1,#22H MOV A,R0 MOV DPTR，#TAB MOVC A,A+DPTR ；查字形碼表 MOVX R1,A ；字形碼送8155 B口 ACALL DLAY ；延時 1MS INC R0 MOV A,R5,JB ACC.5,LD1 RL A MOV R5,A AJMP LD0 LD1: SJMP DISP4 TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H DB 82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H DB 0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,89H DB 0C8H,0C1H,7FH,0BFH DLAY: MOV R7,#02H ；延時子程序 DL1: MOV R6,#0FFH DL2: DJNZ R6,DL2 DJNZ R7,DL1 RET END,；字形碼表,口指針R1，查表DPTR,MCS-51 的中斷系統(tǒng)的結構,5.4.1 MCS-51的中斷源和中斷標志,MCS-51 共有5個中斷源 外部中斷0 外部中斷1 T0溢出中斷 T1溢出中斷 串行口中斷,外部中斷請求0、1, 中斷請求信號輸入引腳：,中斷請求信號, 外部中斷請求信號觸發(fā)方式選擇（IT0/1位）,SETB IT0, 外部中斷請求標志位、中斷允許位、優(yōu)先級選擇位：,高,低,TCON, IT0（IT1)：外部中斷請求0(1)的觸發(fā)方式選擇 IT0=0 電平觸發(fā)方式；IT0=1 邊沿觸發(fā)方式 IE0(IE1)：外部中斷請求0(1)的中斷申請標志 IT0=0 CPU每個機器周期采樣/INT0，若/INT0=1 則IE0=0 否則/INT0=0， IE0=1申請中斷 IT0=1 若第一個機器周期/INT0=1，第二個機器周期/INT0=0，則IE0=1申請中斷，否則IE0=0 轉向中斷服務時邊沿觸發(fā)方式下IE由硬件清零 轉向中斷服務時電平觸發(fā)方式下硬件不清IE，待申請信號撤消。,T0、T1溢出中斷,TCON, TF0：51片內定時/計數(shù)器0溢出中斷請求標志。 定時/計數(shù)器0溢出時，TF0由硬件置1 CPU 響應中斷時 自動清零 TF0 TF0 也可軟件清零, TF1： 51片內定時/計數(shù)器1溢出中斷請求標志,串行口中斷, RI：串行口接收中斷標志 RI=1串行口接收中斷 TI：串行口發(fā)送中斷標志 TI=1串行口發(fā)送中斷 RI、TI 由硬件置位 必須由軟件清零,SCON,5.4.2 MCS-51 對中斷請求的控制,總結中斷源的各個觸發(fā)器(p154)表5-1）,寄存器： TCON、SCON 、IE 、IP 復位后，這四個寄存器均為00H。,若設置串行口和定時器/計數(shù)器1為高級中斷： SETB PS SETB PT1 問：設置后，那個中斷源的優(yōu)先級最高？ 那個中斷源的優(yōu)先級最低？ 答： 設置后，優(yōu)先級的順序為： TF1 RI/TI INT0 TF0 INT1,5.4.3 MCS-51對中斷的響應與撤消, MCS-51中斷響應的基本條件 MCS-51中斷響應過程 MCS-51中斷響應時間 MCS-51中斷請求的撤消,MCS-51中斷響應的基本條件, 51 CPU 中斷受阻的條件： CPU 正在處理相同或更高級中斷 現(xiàn)行的機器周期不是所執(zhí)行指令的最后一個機器周期 正在執(zhí)行的指令是訪問IE、IP或RETI指令 在執(zhí)行上述指令后至少再執(zhí)行一條指令，才可能響應中斷。, MCS-51的中斷響應的基本條件： 首先要有中斷源發(fā)出中斷申請； 中斷總允許位EA=1，即CPU允許所有中斷源申請中斷； 在中斷源寄存器TCON和SCON中，申請中斷的中斷允許位為1， 即此中斷源可以向CPU申請中斷。,A 51CPU自動完成： CPU先在每個機器周期的S5P2期間，對各中斷源重復進行查詢，并設置相應的中斷標志位 。 如果中斷響應條件滿足，且不存在中斷阻斷的情況，則CPU就響應中斷。 硬件生成長調用指令自動地把斷點地址壓入堆棧保護，并隨之將對應的中斷入口裝入程序計數(shù)器PC，使程序轉向該入口地址，以執(zhí)行中斷服務程序。 A 用戶必須完成： 在這些入口地址存放一條無條件跳轉指令，使程序跳轉到用戶安排的中斷服務程序起始地址上去 。,MCS-51響應中斷的過程,MCS-51 的中斷響應過程,中斷入口地址表,低級中斷源的 中斷服務程序,用戶編程設計,CLR EA,SETB EA,MCS-51 的中斷程序設計舉例,ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H LJMP EX1SVR ORG 0100H MAIN:MOV SP#6FH SETB IT0 SETB EX0 SETB EA SJMP $;等待中斷,EX1SVR: PUSH PSW PUSH ACC MOV A,#0FFH MOV P1,A MOV A,P1 SWAP A MOV P1,A POP ACC POP PSW RETI END,初始化部分,答：將子程序入口地址壓入堆棧，因為它是CALL指令的 轉移目標地址， 而不是CALL的下一條指令地址。,問：響應中斷后什么地址壓入堆棧？,答：將 SJMP $ 指令的轉移目標地址壓入堆棧。即 中斷在本 指令處產生，本指令的目標地址是本指令地址。,問：若中斷在CALL指令執(zhí)行后產生， 響應中斷后什么地址壓入堆棧？,問：若要控制中斷的次數(shù)，在主程序中采用CJNE R7,#10,NEXT指令，NEXT標號應寫在什么語句上？,答：將NEXT標號寫在本指令上。 即：NEXT:CJNE R7,#10,NEXT；等待中斷 必須在中斷服務程序中用INC R7指令更新R7的值。 R7的初值在主程序的初始化部分置入。,子程序與中斷服務程序的區(qū)別, 對強迫中斷的服務程序具有隨機性 要考慮可能在程序的什么指令處發(fā)生， 要保護什么內容，才能保證返回斷點后正常工作。 對人為設置的軟件中斷與子程序調用的區(qū)別 返回指令不同 子程序返回用RET 中斷服務程序返回用RETI 處理內容不同，中斷一般處理I/O操作。,544 MCS-51中斷系統(tǒng)的初始化及應用,1、MCS-51中斷系統(tǒng)的初始化,中斷系統(tǒng)初始化步驟為： 1）CPU開中斷或關中斷； 2）某中斷源中斷請求的允許或禁止（屏蔽）； 3）設定所用中斷的中斷優(yōu)先級； 4）若為外部中斷，則應規(guī)定低電平還是負邊沿 的中斷觸發(fā)方式。,解： (1)采用位操作指令 SETB EA ；CPU開中斷 SETB EX1 ；開/INT1中斷 SETB PX1 ；令/INT1為高優(yōu)先級 CLR IT1 ；令/INT1為電平觸發(fā) (2)采用字節(jié)型指令 MOV IE，#84H ；開/INT1中斷 ORL IP，#04H ；令/INT1為高優(yōu)先級 ANL TCON，#OFBH ；令/INT1為電平觸發(fā),IT1=0,例5-2請寫出/INT1為低電平觸發(fā)的中斷系統(tǒng)初始化程序,(1)主程序 主程序除了用來對MCS-