微型計算機原理及應用第6章課件

第6章輸入/輸出及中斷

計算機的輸入輸出系統(tǒng)也稱I/O系統(tǒng)，其功能是完成計算機與外部設備之間的信息交換。6.1輸入/輸出接口

1．I/O接口一般結構及工作過程●接口電路通過系統(tǒng)總線AB、CB和DB與CPU連接；通過數(shù)據(jù)線D、控制線C和狀態(tài)線S與外部設備連接?！裢獠吭O備控制器通過接口電路狀態(tài)線S，把設備當前的工作狀態(tài)信息傳送給CPU?！裢獠吭O備控制器通過接口電路控制線C接受CPU發(fā)給的控制命令?！裨诳刂泼畹淖饔孟拢獠吭O備控制器通過數(shù)據(jù)線與CPU實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換。第6章輸入/輸

I/O接口電路信息傳送示意圖I/O接口電路信息傳送示意圖

實際上，接口電路與外部設備控制器連接的數(shù)據(jù)線、控制線和狀態(tài)線分別對應三個不同的端口地址，即數(shù)據(jù)端口D、控制端口C、狀態(tài)端口S。數(shù)據(jù)端口是CPU對外設進行數(shù)據(jù)處理的目標端口；控制口、狀態(tài)口的根據(jù)需要各設1根（或1根以上）線即可滿足控制信息的要求，這一根線連接在數(shù)據(jù)總線DB的某一位；

CPU是通過地址總線發(fā)出目標地址信息選中某一端口的，然后通過數(shù)據(jù)總線讀取狀態(tài)信息或發(fā)出控制命令。實際上，接口電路與外部設備控制器連接的數(shù)據(jù)線、控2.輸入/輸出編址及尋址（1）獨立編址及尋址所有外設的信息所在的位置稱為端口。將所有端口進行獨立編址，即每一端口規(guī)定一確定的地址編碼。在80x86系統(tǒng)中，獨立編址的I/O端口的地址范圍為：

0000H～0FFFFH。

訪問獨立編址的I/O端口，必須使用輸入IN指令或輸出OUT指令。2.輸入/輸出編址及尋址【例】已知某字節(jié)I/O端口地址為20H，要求將該端口數(shù)據(jù)的D1位置1，其它位不變。指令段如下：

INAL,20H ;讀取端口內容.ORAL,02H ;在AL中設置D1=1,其它位保持不變.OUT20H,AL ;將AL內容輸出給20H端口.【例】已知某字節(jié)I/O端口地址為20H，要求將該

(2)與存儲器統(tǒng)一編址

I/O端口與儲器統(tǒng)一編址是指：在存儲器的地址空間中分出一個區(qū)域，作為I/O系統(tǒng)中各端口的地址，I/O端口被CPU視為的內存存儲單元。一般訪問內存的指令都可以訪問I/O設備。

(2)與存儲器統(tǒng)一編址6.2微處理器與外設之間數(shù)據(jù)控制方式

1.無條件傳送方式指在輸入或輸出信息時，外部設備始終處于準備好的狀態(tài)，不需要查詢外部設備的狀態(tài)，只要給出IN或OUT指令，即可實現(xiàn)CPU與外部設備進行信息交換。僅適用于一些簡單的系統(tǒng)。

2.查詢傳送方式查詢傳送方式是指CPU與I/O設備之間交換信息必須滿足某種條件，否則CPU處于等待狀態(tài)，其工作過程完全由執(zhí)行程序來完成。

6.2微處理器與外設之間數(shù)據(jù)控制方式

查詢傳送方式工作過程如下：（1）由CPU執(zhí)行輸出指令，向控制端口發(fā)出控制命令C，將所指定的外設啟動；（2）外設處于準備工作狀態(tài)，CPU不斷執(zhí)行查詢程序，從狀態(tài)端口讀取狀態(tài)字S，檢測外設是否已準備就緒。如果沒有準備好，就返回上一步，繼續(xù)讀取狀態(tài)字；（3）外設準備好后，CPU則執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作，通過數(shù)據(jù)端口完成整個輸入/輸出過程。查詢傳送方式工作過程如下：【例】某外設數(shù)據(jù)端口地址為2000H，狀態(tài)端口地址為2002H，控制端口地址為2004H;8位數(shù)據(jù)線接CPU的D0~D7，一位控制線（為“0”表示啟動外設工作）接CPU的D0，一位狀態(tài)線（為“1”表示數(shù)據(jù)端口準備好）接CPU的D7。查詢方式下讀取數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)的程序段。程序段如下：

MOVAL, 00H ;設啟動外部設備工作代碼 D0=0. MOVDX, 2004H ;控制端口地址送入DX. OUT DX, AL ;啟動外設工作. MOVDX, 2002H ;狀態(tài)端口地址送入DX. LOP: IN AL, DX ;讀取狀態(tài)信號. TEST AL, 80H ;測試狀態(tài)位D7. JZ LOP ;未準備好轉LOP繼續(xù)讀取，準 備好順序執(zhí)行. MOV DX, 2000H ;數(shù)據(jù)端口地址送入DX. IN AL, DX ;讀取數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù).【例】某外設數(shù)據(jù)端口地址為2000H，狀態(tài)端口地

3.中斷傳送方式查詢傳送方式工作過程中，CPU處理工作與I/O傳送是串行的。該方式主要解決了快速的CPU與速度較慢的外部設備之間進行信息交換的配合問題。但在查詢等待期間，CPU不能進行其它操作，使CPU資源不能充分利用，不適合實時系統(tǒng)的要求。為了解決快速的CPU與慢速的外設之間的矛盾、以充分利用CPU資源，產生了中斷傳送方式。中斷傳送方式是指：外設可以主動申請CPU為其服務，當輸入設備已將數(shù)據(jù)準備好或輸出設備可以接收數(shù)據(jù)時，即可向CPU發(fā)中斷請求。CPU響應中斷請求后，暫時停止執(zhí)行當前程序，轉去執(zhí)行為外設進行I/O操作的服務程序，即中斷處理子程序。在執(zhí)行完中斷處理程序后，再返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。3.中斷傳送方式

4.DMA控制方式在高速成批數(shù)據(jù)輸入／輸出時，中斷請求方式就顯得太慢了。為進一步提高數(shù)據(jù)傳輸效率，產生了DMA方式，即直接存儲器存取。

DMA方式是完全由硬件執(zhí)行，在存儲器與外設之間直接建立數(shù)據(jù)傳送通道的I/O傳送方式。

DMA方式主要特點是：在傳送數(shù)據(jù)時不經(jīng)過CPU，不使用CPU內部的寄存器，CPU只是暫停控制一個或兩個總線工作周期，在這期間把控制權交給由硬件實現(xiàn)的DMA控制器，由DMA控制器來控制總線，在存儲器和I/O設備之間直接進行數(shù)據(jù)傳送。4.DMA控制方式6.3.可編程DMA控制器

芯片8237是一種高性能的可編程DMA控制器。所謂可編程芯片，是指可以通過CPU寫入芯片內部規(guī)定好的控制字或命令字或方式字等，設置芯片實現(xiàn)不同的操作、工作方式及命令形式等功能。

1.8237功能●8237具有4個用于連接I/O設備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃匆黄?237可以連接4臺外部設備?！衩總€通道DMA請求可以設置為允許或禁止、不同的優(yōu)先權。●4種傳送方式：單字節(jié)、數(shù)據(jù)塊、請求和級聯(lián)傳送方式?！衩總€通道一次傳送數(shù)據(jù)最大長度為64KB?！?237與外設和CPU之間聯(lián)絡信號友好。6.3.可編程DMA控制器

2.8237工作方式（1）單字節(jié)傳輸方式單字節(jié)傳輸方式在每次DMA操作傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，當前字節(jié)計數(shù)器減1、地址計數(shù)器加1或減1，然后8237自動把總線控制權交給CPU，讓CPU占用至少一個總線周期，而后立即對DMA請求信號DREQ測試，若又有請求信號，8237重新向CPU發(fā)出總線請求，獲得總線控制后，再傳送下一個字節(jié)數(shù)據(jù)，如此反復循環(huán)，直至字節(jié)計數(shù)器為0，DMA操作結束。2.8237工作方式

（2）數(shù)據(jù)塊傳送方式數(shù)據(jù)塊傳送方式是指進入DMA操作后，連續(xù)傳送數(shù)據(jù)直到整塊數(shù)據(jù)全部傳輸完畢。（3）請求傳輸方式請求傳輸方式與數(shù)據(jù)塊傳輸方式類似，只是在每傳輸一個字節(jié)后，8237都對DMA請求信號DREQ進行測試，如檢測到DREQ端變?yōu)闊o效電平，則馬上暫停傳輸，但測試過程仍然進行，當DREQ又變?yōu)橛行щ娖綍r，就在原來的基礎上繼續(xù)進行傳輸，直到傳輸結束。（2）數(shù)據(jù)塊傳送方式

3.8237芯片引腳功能（見教材6.3.3）

4.內部計數(shù)器及寄存器組(部分）（1）命令寄存器（8位、片內地址1000B）命令寄存器用于存放命令控制字，它可以設置8237的工作狀態(tài)。8237的4個DMA通道共用一個命令寄存器。（2）狀態(tài)寄存器（8位）狀態(tài)寄存器高4位D7～D4的狀態(tài)，分別表示當前通道3～通道0是否有DMA請求。低4位D3～D0指出通道3～通道0的DMA操作是否結束（3）方式寄存器（6+2位、片內地址1011B）方式寄存器用于存放工作方式控制字，可通過編程寫入，指定8237各通道自身的工作方式。（4）基地址和當前地址寄存器（16位、片內地址見表6-1）（5）基字節(jié)和當前字節(jié)計數(shù)器（16位、片內地址見表6-1）

3.8237芯片引腳功能（見教材6

5.DMA應用編程在使用8237進行DMA之前，必須首先通過CPU對其進行初始化編程。其步驟如下：①發(fā)出復位命令（片內地址1101B，執(zhí)行寫入命令即可實現(xiàn)復位，使屏蔽寄存器各位置1、命令、狀態(tài)、請求等寄存器清0）。②寫工作方式控制字到方式寄存器。③寫命令字到命令寄存器。④根據(jù)所選通道，寫基地址和基字節(jié)數(shù)寄存器。⑤設置屏蔽DMA通道并寫入屏蔽寄存器。⑥由軟件請求DMA操作，則寫入請求寄存器，否則由DREQ控制信號啟動。5.DMA應用編程6.4總線技術簡介6.4.1標準總線及分類

總線是連接計算機各部件的一組公共信號線，是能夠在計算機或各部件之間進行有效、高速地傳輸各種信息的通道。

總線可以分為內總線、系統(tǒng)總線和外部總線。

總線標準:為了使用的方便，對總線必須有詳細和明確的規(guī)范要求，稱為標準總線。6.4總線技術簡介6.4.4串行通信總線標準1．通用串行總線（USB）用串行總線（UniversalSerialBus，USB）USB是一種萬能插口，可以取代PC機上所有的串、并行連接器插口，用戶可以將幾乎所有的外設裝置——包括顯示器、鍵盤、鼠標、調制解調器、可編程控制器、單片機開發(fā)裝置及數(shù)碼相機等的插頭插入標準的USB插口。6.4.4串行通信總線標準2．RS-232C總線標準RS-232C適用于短距離或帶調制解調器的通信場合。若設備之間的通信距離不大于15m時，可以用RS-232C電纜直接連接。對于距離大于15m以上的長距離通信，需要采用調制解調器才能實現(xiàn)。RS-232C傳輸速率最大為20Kbit/s。RS-232C采用負邏輯，即邏輯1用-5V～-15V表示，邏輯0用+5V～+15V表示。因此，RS-232C不能和TTL電平直接相連。對于采用正邏輯的串行接口電路，使用RS-232C接口必須進行電平轉換。目前，RS-232C與TTL之間電平轉換的集成電路很多，最常用的是MAX232。2．RS-232C總線標準3．RS-422/485總線標準RS-232C雖然應用廣泛，但由于推出較早，數(shù)據(jù)傳輸速率慢，通信距離短。為了滿足現(xiàn)代通信傳輸數(shù)據(jù)速率越來越快和距離越來越遠的要求，EIA隨后推出了RS-422和RS-485總線標準。RS-422/485最大的傳輸距離為1200m，最大傳輸速率為10Mbit/s。在實際應用中，為減少誤碼率，當通信距離增加時，應適當降低通信速率。例如，當通信距離為120m時，最大通信速率為1Mbit/s；若通信距離為1200m，則最大通信速率為100Kbit/s。3．RS-422/485總線標準

第6章輸入/輸出及中斷

計算機的輸入輸出系統(tǒng)也稱I/O系統(tǒng)，其功能是完成計算機與外部設備之間的信息交換。6.1輸入/輸出接口

1．I/O接口一般結構及工作過程●接口電路通過系統(tǒng)總線AB、CB和DB與CPU連接；通過數(shù)據(jù)線D、控制線C和狀態(tài)線S與外部設備連接?！裢獠吭O備控制器通過接口電路狀態(tài)線S，把設備當前的工作狀態(tài)信息傳送給CPU?！裢獠吭O備控制器通過接口電路控制線C接受CPU發(fā)給的控制命令。●在控制命令的作用下，外部設備控制器通過數(shù)據(jù)線與CPU實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換。第6章輸入/輸

I/O接口電路信息傳送示意圖I/O接口電路信息傳送示意圖

實際上，接口電路與外部設備控制器連接的數(shù)據(jù)線、控制線和狀態(tài)線分別對應三個不同的端口地址，即數(shù)據(jù)端口D、控制端口C、狀態(tài)端口S。數(shù)據(jù)端口是CPU對外設進行數(shù)據(jù)處理的目標端口；控制口、狀態(tài)口的根據(jù)需要各設1根（或1根以上）線即可滿足控制信息的要求，這一根線連接在數(shù)據(jù)總線DB的某一位；

CPU是通過地址總線發(fā)出目標地址信息選中某一端口的，然后通過數(shù)據(jù)總線讀取狀態(tài)信息或發(fā)出控制命令。實際上，接口電路與外部設備控制器連接的數(shù)據(jù)線、控2.輸入/輸出編址及尋址（1）獨立編址及尋址所有外設的信息所在的位置稱為端口。將所有端口進行獨立編址，即每一端口規(guī)定一確定的地址編碼。在80x86系統(tǒng)中，獨立編址的I/O端口的地址范圍為：

0000H～0FFFFH。

訪問獨立編址的I/O端口，必須使用輸入IN指令或輸出OUT指令。2.輸入/輸出編址及尋址【例】已知某字節(jié)I/O端口地址為20H，要求將該端口數(shù)據(jù)的D1位置1，其它位不變。指令段如下：

INAL,20H ;讀取端口內容.ORAL,02H ;在AL中設置D1=1,其它位保持不變.OUT20H,AL ;將AL內容輸出給20H端口.【例】已知某字節(jié)I/O端口地址為20H，要求將該

(2)與存儲器統(tǒng)一編址

I/O端口與儲器統(tǒng)一編址是指：在存儲器的地址空間中分出一個區(qū)域，作為I/O系統(tǒng)中各端口的地址，I/O端口被CPU視為的內存存儲單元。一般訪問內存的指令都可以訪問I/O設備。

(2)與存儲器統(tǒng)一編址6.2微處理器與外設之間數(shù)據(jù)控制方式

1.無條件傳送方式指在輸入或輸出信息時，外部設備始終處于準備好的狀態(tài)，不需要查詢外部設備的狀態(tài)，只要給出IN或OUT指令，即可實現(xiàn)CPU與外部設備進行信息交換。僅適用于一些簡單的系統(tǒng)。

2.查詢傳送方式查詢傳送方式是指CPU與I/O設備之間交換信息必須滿足某種條件，否則CPU處于等待狀態(tài)，其工作過程完全由執(zhí)行程序來完成。

6.2微處理器與外設之間數(shù)據(jù)控制方式

查詢傳送方式工作過程如下：（1）由CPU執(zhí)行輸出指令，向控制端口發(fā)出控制命令C，將所指定的外設啟動；（2）外設處于準備工作狀態(tài)，CPU不斷執(zhí)行查詢程序，從狀態(tài)端口讀取狀態(tài)字S，檢測外設是否已準備就緒。如果沒有準備好，就返回上一步，繼續(xù)讀取狀態(tài)字；（3）外設準備好后，CPU則執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作，通過數(shù)據(jù)端口完成整個輸入/輸出過程。查詢傳送方式工作過程如下：【例】某外設數(shù)據(jù)端口地址為2000H，狀態(tài)端口地址為2002H，控制端口地址為2004H;8位數(shù)據(jù)線接CPU的D0~D7，一位控制線（為“0”表示啟動外設工作）接CPU的D0，一位狀態(tài)線（為“1”表示數(shù)據(jù)端口準備好）接CPU的D7。查詢方式下讀取數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)的程序段。程序段如下：

MOVAL, 00H ;設啟動外部設備工作代碼 D0=0. MOVDX, 2004H ;控制端口地址送入DX. OUT DX, AL ;啟動外設工作. MOVDX, 2002H ;狀態(tài)端口地址送入DX. LOP: IN AL, DX ;讀取狀態(tài)信號. TEST AL, 80H ;測試狀態(tài)位D7. JZ LOP ;未準備好轉LOP繼續(xù)讀取，準 備好順序執(zhí)行. MOV DX, 2000H ;數(shù)據(jù)端口地址送入DX. IN AL, DX ;讀取數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù).【例】某外設數(shù)據(jù)端口地址為2000H，狀態(tài)端口地

3.中斷傳送方式查詢傳送方式工作過程中，CPU處理工作與I/O傳送是串行的。該方式主要解決了快速的CPU與速度較慢的外部設備之間進行信息交換的配合問題。但在查詢等待期間，CPU不能進行其它操作，使CPU資源不能充分利用，不適合實時系統(tǒng)的要求。為了解決快速的CPU與慢速的外設之間的矛盾、以充分利用CPU資源，產生了中斷傳送方式。中斷傳送方式是指：外設可以主動申請CPU為其服務，當輸入設備已將數(shù)據(jù)準備好或輸出設備可以接收數(shù)據(jù)時，即可向CPU發(fā)中斷請求。CPU響應中斷請求后，暫時停止執(zhí)行當前程序，轉去執(zhí)行為外設進行I/O操作的服務程序，即中斷處理子程序。在執(zhí)行完中斷處理程序后，再返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。3.中斷傳送方式

4.DMA控制方式在高速成批數(shù)據(jù)輸入／輸出時，中斷請求方式就顯得太慢了。為進一步提高數(shù)據(jù)傳輸效率，產生了DMA方式，即直接存儲器存取。

DMA方式是完全由硬件執(zhí)行，在存儲器與外設之間直接建立數(shù)據(jù)傳送通道的I/O傳送方式。

DMA方式主要特點是：在傳送數(shù)據(jù)時不經(jīng)過CPU，不使用CPU內部的寄存器，CPU只是暫?？刂埔粋€或兩個總線工作周期，在這期間把控制權交給由硬件實現(xiàn)的DMA控制器，由DMA控制器來控制總線，在存儲器和I/O設備之間直接進行數(shù)據(jù)傳送。4.DMA控制方式6.3.可編程DMA控制器

芯片8237是一種高性能的可編程DMA控制器。所謂可編程芯片，是指可以通過CPU寫入芯片內部規(guī)定好的控制字或命令字或方式字等，設置芯片實現(xiàn)不同的操作、工作方式及命令形式等功能。

1.8237功能●8237具有4個用于連接I/O設備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，即一?237可以連接4臺外部設備?！衩總€通道DMA請求可以設置為允許或禁止、不同的優(yōu)先權?！?種傳送方式：單字節(jié)、數(shù)據(jù)塊、請求和級聯(lián)傳送方式。●每個通道一次傳送數(shù)據(jù)最大長度為64KB?！?237與外設和CPU之間聯(lián)絡信號友好。6.3.可編程DMA控制器

2.8237工作方式（1）單字節(jié)傳輸方式單字節(jié)傳輸方式在每次DMA操作傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，當前字節(jié)計數(shù)器減1、地址計數(shù)器加1或減1，然后8237自動把總線控制權交給CPU，讓CPU占用至少一個總線周期，而后立即對DMA請求信號DREQ測試，若又有請求信號，8237重新向CPU發(fā)出總線請求，獲得總線控制后，再傳送下一個字節(jié)數(shù)據(jù)，如此反復循環(huán)，直至字節(jié)計數(shù)器為0，DMA操作結束。2.8237工作方式

（2）數(shù)據(jù)塊傳送方式數(shù)據(jù)塊傳送方式是指進入DMA操作后，連續(xù)傳送數(shù)據(jù)直到整塊數(shù)據(jù)全部傳輸完畢。（3）請求傳輸方式請求傳輸方式與數(shù)據(jù)塊傳輸方式類似，只是在每傳輸一個字節(jié)后，8237都對DMA請求信號DREQ進行測試，如檢測到DREQ端變?yōu)闊o效電平，則馬上暫停傳輸，但測試過程仍然進行，當DREQ又變?yōu)橛行щ娖綍r，就在原來的基礎上繼續(xù)進行傳輸，直到傳輸結束。（2）數(shù)據(jù)塊傳送方式

3.8237芯片引腳功能（見教材6.3.3）

4.內部計數(shù)器及寄存器組(部分）（1）命令寄存器（8位、片內地址1000B）命令寄存器用于存放命令控制字，它可以設置8237的工作狀態(tài)。8237的4個DMA通道共用一個命令寄存器。（2）狀態(tài)寄存器（8位）狀態(tài)寄存器高4位D7～D4的狀態(tài)，分別表示當前通道3～通道0是否有DMA請求。低4位D3～D0指出通道3～通道0的DMA操作是否結束（3）方式寄存器（6+2位、片內地址1011B）方式寄存器用于存放工作方式控制字，可通過編程寫入，指定8237各通道自身的工作方式。（4）基地址和當前地址寄存器（16位、片內地址見表6-1）（5）基字節(jié)和當前字節(jié)計數(shù)器（16位、片內地址見表6-1）

3.8237芯片引腳功能（見教材6

5.DMA應用編程在使用8237進行DMA之前，必須首先通過CPU對其進行初始化編程。其步驟如下：①發(fā)出復位命令（片內地址1101B，執(zhí)行寫入命令即可實現(xiàn)復位，使屏蔽寄存器各位置1、命令、狀態(tài)、請求等寄存器清0）。②寫工作方式控制字到方式寄存器。③