微機(jī)原理與接口技術(shù)_06IO接口與中斷綜述

1、第66章 I/O接口與中斷本章主要內(nèi)容 6.1 I/O接口概念 6.2 I/O端口編址方式 6.3 CPU與I/O接口之間數(shù)據(jù)傳送方式 6.4中斷 6.5 8086中斷系統(tǒng)6.1 I/O接口概念6.1.1 I/O接口的基本功能 為了協(xié)調(diào)CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)讀寫矛盾，實(shí)現(xiàn)CPU和外設(shè)之間高效可靠的信息交換，I/O接口應(yīng)具備以下功能。 1數(shù)據(jù)緩沖功能 2信號轉(zhuǎn)換功能 3端口選擇功能 4接收和執(zhí)行CPU命令的功能 5中斷管理功能 6可編程功能6.1.2 I/O接口的基本組成 I/O接口的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 1CPU和I/O設(shè)備之間交換的信息有數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息 1）數(shù)據(jù)信息 CPU與外

2、設(shè)交換的基本信息是數(shù)據(jù)信息（data），大致可以分為下面三種類型。 （1）數(shù)字量 （2）模擬量 （3）開關(guān)量 2）狀態(tài)信息 狀態(tài)信息（status）反映的是當(dāng)前外設(shè)所處的工作狀態(tài)，外設(shè)通過I/O接口將狀態(tài)信息送往CPU，CPU接收到這些信息就可以了解到外設(shè)的工作情況，從而準(zhǔn)確適時地進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。 3）控制信息 控制信息（control）是CPU通過接口傳送給外設(shè)的，CPU通過發(fā)送控制信息來控制外設(shè)的暫停，啟動等。 2端口地址譯碼 地址譯碼是I/O接口的基本功能之一，微處理器在執(zhí)行輸入/輸出指令時需要向地址總線發(fā)送外部設(shè)備的端口地址，譯碼電路收到與本接口有關(guān)的地址后產(chǎn)生相應(yīng)的選通信號，對相關(guān)端

3、口進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令或狀態(tài)的傳輸，完成一次I/O操作。 3數(shù)據(jù)緩沖/鎖存器 在CPU與I/O設(shè)備之間進(jìn)行輸入/輸出操作時，輸入需要緩沖，輸出需要鎖存。 6.2 I/O端口編址方式6.2.1 統(tǒng)一編址這種編址方式又稱為存儲器映射編址方式，是從存儲器空間劃出一部分地址給I/O端口，即把每個I/O端口當(dāng)作一個存儲單元，I/O端口與內(nèi)存單元被安排在同一個地址空間中，CPU與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換，相當(dāng)于對存儲器的讀/寫操作，不設(shè)置專門的I/O指令。 使用這種編址方式的優(yōu)點(diǎn)如下。 （1）可以用訪問內(nèi)存的方式來訪問I/O端口。 （2）外設(shè)數(shù)目或I/O寄存器數(shù)目幾乎不受限制。 （3）微機(jī)系統(tǒng)讀寫控制邏輯較簡單。 使用這

4、種編址方式的缺點(diǎn)如下。 （1）I/O端口占用部分內(nèi)存空間，減少了內(nèi)存可用的地址范圍，因此對內(nèi)存容量有 影響。 （2）訪問I/O端口和訪問內(nèi)存一樣，由于訪問內(nèi)存時地址較長，指令的機(jī)器碼也長，執(zhí)行時間顯然會增加。 （3）從指令上不易區(qū)分當(dāng)前是對內(nèi)存進(jìn)行操作還是對外設(shè)進(jìn)行操作。6.2.2 獨(dú)立編址這種編址方式稱為I/O映射編址方式，內(nèi)存和I/O端口有各自獨(dú)立的地址空間。 使用這種編址方式的優(yōu)點(diǎn)如下。（1）內(nèi)存地址空間不受I/O端口地址空間影響。（2）地址譯碼簡單，速度較快。（3）I/O指令簡短，執(zhí)行速度快。（4）使用專用I/O命令，與內(nèi)存訪問命令有明顯區(qū)別，便于理解和檢查。6.3 CPU與I/O接口

5、之間數(shù)據(jù)傳送方式6.3.1 程序控制方式1無條件傳送方式在該方式中，外設(shè)總被認(rèn)為已處于準(zhǔn)備就緒或準(zhǔn)備接收狀態(tài)，程序不必查詢外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)需要與之交換數(shù)據(jù)時，直接執(zhí)行輸入、輸出指令，就開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。 2條件傳送方式條件傳送方式也稱為程序查詢方式，在傳送數(shù)據(jù)之前，CPU要執(zhí)行查詢程序去查詢外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)，只有當(dāng)外設(shè)處于準(zhǔn)備就緒（輸入設(shè)備）或空閑狀態(tài)（輸出設(shè)備）時，才執(zhí)行輸入或輸出指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，否則，CPU循環(huán)等待，直到外設(shè)準(zhǔn)備就緒為止。 6.3.2 中斷控制方式中斷傳送方式的特點(diǎn)是，改CPU的主動查詢?yōu)楸粍禹憫?yīng)，當(dāng)輸入設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)或輸出設(shè)備處于空閑時向CPU發(fā)出中斷申請信號，請求CPU

6、為它們服務(wù)（輸出數(shù)據(jù)或從接口讀取數(shù)據(jù)）。這時，CPU暫時中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序（即主程序）轉(zhuǎn)去執(zhí)行為輸入/輸出設(shè)備服務(wù)的中斷處理程序，服務(wù)完畢，又返回到被中斷的程序處繼續(xù)執(zhí)行。這樣，CPU就不用花大量時間查詢外設(shè)狀態(tài)，而使CPU和外設(shè)并行工作，只是當(dāng)外設(shè)狀態(tài)就緒或準(zhǔn)備好時，用很短時間去處理一下，處理完畢又繼續(xù)回到主程序執(zhí)行，大大提高了CPU的工作效率。 6.3.3 DMA方式該方法的基本思路是：外設(shè)與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳送不經(jīng)過CPU，傳送過程也不需要CPU干預(yù)，在外設(shè)和內(nèi)存間開設(shè)直接通道，由一個專門的硬件控制電路來直接控制外設(shè)與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交換，從而提高傳送速度和CPU的效率。 1DMA控制器的基

7、本功能及組成 DMA控制器應(yīng)具有以下基本功能。 （1）能接收外設(shè)的DMA請求，并向CPU發(fā)出總線請求，以便取得總線使用權(quán)。 （2）能接收CPU的總線允許信號，控制總線。 （3）在獲得總線控制權(quán)后，能提供訪問存儲器和I/O端口的地址，并在數(shù)據(jù)傳送過程中能自動修改地址指針，以指向下一個要傳送的數(shù)據(jù)。 （4）在DMA傳送期間向存儲器和I/O設(shè)備發(fā)出所需要的控制信號（主要是讀/寫控制信號）。 （5）能控制數(shù)據(jù)傳送過程的進(jìn)行和結(jié)束，有一個字節(jié)計(jì)數(shù)器以控制傳送何時結(jié)束。 （6）當(dāng)DMA傳送結(jié)束時，能向CPU發(fā)DMA結(jié)束信號，以便CPU恢復(fù)對總線的 控制。 根據(jù)DMA控制器應(yīng)具有的基本功能，確定DMA控制器

8、在硬件結(jié)構(gòu)上應(yīng)該具有以下基本部件。 （1）地址寄存器：接收CPU預(yù)置的存儲器起始地址，以及在傳送過程中自動修改地址，以指出下一個要訪問的存儲單元。 （2）字節(jié)計(jì)數(shù)器：接收CPU預(yù)置的數(shù)據(jù)傳送的總字節(jié)數(shù)，以及在傳送過程中控制傳送過程何時結(jié)束，該字節(jié)計(jì)數(shù)器應(yīng)具有自動減1功能。 （3）控制寄存器：接收CPU的命令，決定DMA傳送方向及傳送方式，是輸出（從內(nèi)存到外設(shè)備）還是輸入（從外設(shè)到內(nèi)存），是傳送一個數(shù)據(jù)還是一批數(shù)據(jù)。 （4）狀態(tài)寄存器：用來反映DMA控制器及外設(shè)當(dāng)前的工作狀態(tài)。 （5）內(nèi)部定時與控制邏輯：用來產(chǎn)生一些接口電路內(nèi)部的控制信號。 2DMA控制器的工作模式 DMA傳送通常用于高速外設(shè)與

9、存儲器間的大批量數(shù)據(jù)傳送，DMA控制器可以有以下幾種工作模式。 1）單字節(jié)傳送模式 2）成批傳送模式 3）請求傳送模式 4）級聯(lián)傳送模式 3DMA操作過程 一個完整的DMA操作過程大致可分三個階段：準(zhǔn)備階段（初始化）、數(shù)據(jù)傳送階段和傳送結(jié)束階段。準(zhǔn)備階段是DMA控制器接受CPU對其進(jìn)行初始化，初始化的內(nèi)容包括設(shè)置存儲器的地址、傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，決定DMA控制器工作模式和傳送方向等的控制字，以及對相關(guān)接口電路的初始化設(shè)置。傳送結(jié)束階段是DMA控制器在傳送完成后向CPU發(fā)出結(jié)束信號，以便CPU撤銷總線允許信號，收回總線控制權(quán)。 6.4中斷6.4.1 中斷的概念與特點(diǎn)所謂中斷，是指對現(xiàn)行程序的“中斷

10、”，即指CPU暫時停止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去處理突然發(fā)生的隨機(jī)事件，處理完畢后又自動恢復(fù)原來程序的執(zhí)行。 中斷方式帶有隨機(jī)性，這是中斷區(qū)別于其他程序切換過程（如轉(zhuǎn)子與返回）的主要特點(diǎn)。什么時候轉(zhuǎn)子，在程序中是事先安排好了的，而什么時候轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序則不是由程序預(yù)先安排。 6.4.2 中斷源的概念能夠引起中斷的事件稱為中斷源，亦即能夠向CPU發(fā)出中斷請求的中斷來源。常見的中斷源如下。（1）I/O設(shè)備，例如鍵盤、打印機(jī)等。（2）故障信號，例如硬件損壞、電源掉電等。（3）實(shí)時時鐘，例如外部硬件時鐘電路定時到等。（4）軟件中斷，如軟中斷指令、調(diào)試指令等。 在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，中斷源有兩類，即內(nèi)部中

11、斷和外部中斷。 1）內(nèi)部中斷 由處理器內(nèi)部產(chǎn)生的中斷事件。 2）外部中斷 由處理器以外的設(shè)備產(chǎn)生的中斷事件。按照中斷請求信號接入引腳的不同，外部中斷又可分為可屏蔽中斷和非屏蔽中斷。6.4.3 中斷處理過程一個完整的中斷處理過程主要包括三個方面：中斷請求、中斷承認(rèn)、中斷響應(yīng)。中斷和中斷過程如下圖所示。6.4.4 中斷優(yōu)先級及中斷嵌套1中斷優(yōu)先級按照中斷源的重要性和實(shí)時性要求來安排中斷響應(yīng)的次序，這個中斷響應(yīng)次序就稱為中斷優(yōu)先級。 中斷優(yōu)先級的控制原則如下：（1）同時有多個中斷請求時，先響應(yīng)高優(yōu)先級中斷，再響應(yīng)低優(yōu)先級中斷。（2）當(dāng)CPU執(zhí)行某個中斷服務(wù)子程序時，出現(xiàn)新的高優(yōu)先級中斷源請求中斷，則

12、暫停正在執(zhí)行的低優(yōu)先級中斷服務(wù)子程序，先去執(zhí)行高優(yōu)先級中斷服務(wù)子程序，高優(yōu)先級中斷服務(wù)結(jié)束后，再返回到低優(yōu)先級中斷服務(wù)程序繼續(xù)執(zhí)行。一般情況下，我們采用軟件查詢或者專業(yè)芯片管理兩種方式實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級控制。 2中斷嵌套 在中斷優(yōu)先級確定的條件下，CPU總是先響應(yīng)優(yōu)先級最高的中斷請求。當(dāng)CPU正在執(zhí)行優(yōu)先級相對較低的中斷服務(wù)子程序時，又有優(yōu)先級更高的中斷請求，CPU會將正在處理的低優(yōu)先級中斷暫停，轉(zhuǎn)去處理優(yōu)先級更高的中斷，即去執(zhí)行高級中斷的服務(wù)子程序，這就是中斷嵌套。 6.5 8086中斷系統(tǒng)6.5.1 中斷源類型 1內(nèi)部中斷 內(nèi)部中斷是CPU在執(zhí)行指令過程中產(chǎn)生的中斷，如執(zhí)行軟中斷指令I(lǐng)NT，調(diào)

13、試程序時設(shè)置的中斷，以及CPU在執(zhí)行常規(guī)指令時產(chǎn)生的異常狀態(tài)。主要包括除法錯中斷、單步中斷、斷點(diǎn)中斷、溢出中斷以及軟中斷，這些中斷源都來自CPU內(nèi)部。 2外部中斷 外部中斷是指外部設(shè)備通過CPU引腳接入的中斷，8006 CPU有兩條專門的中斷請求信號接入引腳INTR和NMI，所以外部中斷包括可屏蔽中斷（INTR）和非屏蔽中斷（NMI）。6.5.2 中斷優(yōu)先級在8086系統(tǒng)中，內(nèi)部中斷的優(yōu)先級最高（除單步中斷），接下來就是NMI，其次是INTR，優(yōu)先級最低的是單步中斷。8086系統(tǒng)各類中斷的優(yōu)先級如下表所示。中斷源優(yōu)先級除法錯、INTn、INTO最高NMI 次之 INTR 較低 單步中斷 最低

14、6.5.3 中斷向量法 1中斷向量表 CPU響應(yīng)中斷，最終目的是執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，完成對中斷事件的服務(wù)。由于中斷源和中斷類型碼一一對應(yīng)，所以6.5.1節(jié)CPU獲取中斷類型碼后，也就確定了中斷源。剩下的關(guān)鍵問題就是怎樣找到該中斷源中斷服務(wù)子程序的入口地址，從而轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序。8086系統(tǒng)采用的方法是為256個中斷源的中斷服務(wù)程序的入口地址建立一張表格中斷向量表。 2中斷向量表初始化 一般8086系統(tǒng)已將專用中斷和系統(tǒng)保留中斷的中斷向量存入中斷向量表，但用戶定義的中斷尚未存入，所以用戶在實(shí)際使用時如果自定義并使用了其他中斷，必須事先將自定義的中斷源的中斷向量自行存入中斷向量表，這就是中斷向量表

15、初始化。 中斷向量表初始化采用編程方法實(shí)現(xiàn)，用戶應(yīng)在主程序的初始化部分編寫程序段，將中斷向量依次寫入中斷向量表。 6.5.4 中斷響應(yīng)過程 8086系統(tǒng)對一個中斷的處理過程主要包括中斷請求、中斷承認(rèn)、中斷響應(yīng)三個環(huán)節(jié)。在這個中斷處理過程中，不同中斷有一些區(qū)別。 1可屏蔽中斷（INTR） 這一中斷響應(yīng)過程中，CPU主要完成以下工作。 （1）執(zhí)行兩個中斷響應(yīng)周期。 （2）執(zhí)行一個總線寫周期，將標(biāo)志寄存器的內(nèi)容壓入堆棧。 （3）執(zhí)行兩個寫總線周期。 （4）執(zhí)行兩個讀總線周期。 （5）由CS寄存器和IP寄存器得到中斷服務(wù)子程序的物理地址，CPU自動轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)子程序。 （6）中斷服務(wù)子程序執(zhí)行完畢，返

16、回原程序斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。 2非屏蔽中斷（NMI） 與可屏蔽中斷相比，非屏蔽中斷的處理過程主要有以下區(qū)別。 （1）在中斷請求環(huán)節(jié)，非屏蔽中斷請求信號為上升沿有效。 （2）在中斷承認(rèn)環(huán)節(jié)，它不受中斷允許標(biāo)志位IF的控制，并且優(yōu)先級高于INTR。 （3）在中斷響應(yīng)環(huán)節(jié)，由于非屏蔽中斷請求的中斷類型碼是固定的，所以就不執(zhí)行可屏蔽中斷的步驟（1），而直接執(zhí)行步驟（2）（6）。 3內(nèi)部中斷 與可屏蔽中斷相比，內(nèi)部中斷的處理過程主要有以下區(qū)別。 （1）在中斷請求環(huán)節(jié)，內(nèi)部中斷請求信號直接由CPU內(nèi)部產(chǎn)生。 （2）在中斷承認(rèn)環(huán)節(jié)，它不受中斷允許標(biāo)志位IF的控制，并且除單步中斷外優(yōu)先級均高于INTR。 （3）在中斷響應(yīng)環(huán)節(jié)，由于內(nèi)部中斷的中斷類型碼或者是固定的，或者可直接從指令操作數(shù)獲得，所以就不執(zhí)行可屏蔽中斷的步驟（1），而直接執(zhí)行步驟（2）（6）。 6.5