[工程科技]微型计算机-输入输出和中断-课件.ppt
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- 工程科技 工程 科技 微型计算机 输入输出 中断 课件
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1、12lI/OI/O接口:接口:将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。用以实现外设与主机之间的用以实现外设与主机之间的信息交换信息交换lI/OI/O端口:端口:接口中的寄存器,可以由接口中的寄存器,可以由CPUCPU读或写读或写数据端口数据端口状态端口状态端口控制端口控制端口端端 口口374CPU同外设间交换的信息由三类:同外设间交换的信息由三类:1.数据信息数据信息三种类型三种类型数字量数字量模拟量模拟量开关量开关量二进制二进制数数ASCII码表示的数或字符码表示的数或字符2.2.状态信息状态信息:表示外设当前所处的工作状态。表示外设当前所处的工作状态
2、。3.3.控制信息控制信息:由由CPUCPU发出的,用于控制发出的,用于控制I/OI/O接口的工作接口的工作方式以及外设的启动和停止等。方式以及外设的启动和停止等。57.2.1 7.2.1 程序控制传递方式程序控制传递方式无条件传送方式无条件传送方式查询传送查询传送方式方式中断传送方式中断传送方式特点特点:(:(1)以以CPU为中心,控制来自为中心,控制来自CPU,通过预通过预先编写好的先编写好的I/O程序实现数据的传送。程序实现数据的传送。(2)速度较低,传送路径经过)速度较低,传送路径经过CPU内部寄存器内部寄存器同时数据同时数据I/O响应也比较慢。响应也比较慢。61.1.无条件传送方式无
3、条件传送方式 (同步传送方式)(同步传送方式)外设的工作时间已知,必须在外设的工作时间已知,必须在CPU限定的指令限定的指令时间内准备就绪,并完成数据的接收或发送。时间内准备就绪,并完成数据的接收或发送。方法:方法:把把I/OI/O指令插入到程序中,当程序执行到该指指令插入到程序中,当程序执行到该指 令时,外设已作好准备,于是在此指令时间内令时,外设已作好准备,于是在此指令时间内完成数据传送任务。完成数据传送任务。优点:优点:软件及接口硬件简单软件及接口硬件简单缺点:缺点:CPU效率低,只适用于简单外设,适应范围较效率低,只适用于简单外设,适应范围较窄窄 72.查询传送方式(异步传送方式)查询
4、传送方式(异步传送方式)当当CPU同外设不同步且不知道外设工作速率时,同外设不同步且不知道外设工作速率时,可采用此方式传送。传送前,可采用此方式传送。传送前,CPU必须先对外设进行必须先对外设进行状态检测。状态检测。适用场合:适用场合:l外设并不总是准备好外设并不总是准备好l对传送速率和效率要求不高对传送速率和效率要求不高对外设及接口的要求:对外设及接口的要求:l外设应提供设备状态信息外设应提供设备状态信息l接口应具备状态端口接口应具备状态端口8完成一次传送过程的步骤如下:完成一次传送过程的步骤如下:(1)通过执行一条输入指令,读取所选外设的当前状态通过执行一条输入指令,读取所选外设的当前状态
5、(2)根据该设备的状态决定程序去向根据该设备的状态决定程序去向外设外设“忙忙”或或“未准备就绪未准备就绪”重复检测外设重复检测外设状态状态外设外设“空空”或或“准备就绪准备就绪”发出发出I/O指令,进指令,进行一次数据传送。行一次数据传送。9优点:软件比较简单优点:软件比较简单缺点:缺点:CPU效率低,数据传送的实时性差,速效率低,数据传送的实时性差,速 度较慢度较慢103 3中断传送方式中断传送方式 无条件传递和查询传送的缺点是:无条件传递和查询传送的缺点是:CPU和外设只和外设只能串行工作。能串行工作。为提高系统的工作效率,充分发挥为提高系统的工作效率,充分发挥CPU的高速运的高速运算能力
6、,引入了算能力,引入了“中断中断”系统,利用中断来实现系统,利用中断来实现CPU与外设之间的数据传送,这就是中断传送方式。与外设之间的数据传送,这就是中断传送方式。特点:外设在需要时向特点:外设在需要时向CPU提出请求,提出请求,CPU再去为再去为 它服务。服务结束后或在外设不需要时,它服务。服务结束后或在外设不需要时,CPU可执行自己的程序。可执行自己的程序。中断使中断使CPU和外设以及外设之间能并行工作。和外设以及外设之间能并行工作。11工作过程:工作过程:在中断传送方式中,通常在程序中安排好某一时在中断传送方式中,通常在程序中安排好某一时刻启动某一台外设,然后刻启动某一台外设,然后CPU
7、继续执行其主程序,当继续执行其主程序,当外设完成数据传送的准备后,向外设完成数据传送的准备后,向CPU发出中断请求信发出中断请求信号,在号,在CPU可以响应中断的条件下,现行主程序被可以响应中断的条件下,现行主程序被“中断中断”,转去执行,转去执行“中断服务程序中断服务程序”,在,在“中断服中断服务程序务程序”中完成一次中完成一次CPU与外设之间的数据传送,传与外设之间的数据传送,传送完成后仍返回被中断的主程序,从断点处继续执行。送完成后仍返回被中断的主程序,从断点处继续执行。优点:优点:CPUCPU效率高,实时性好,速度快效率高,实时性好,速度快缺点:程序编制较为复杂缺点:程序编制较为复杂1
8、2均需均需CPU作为中介:作为中介:l软件:软件:外设与内存之间的数据传送是通过外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行执行 程序来完成的程序来完成的l硬件:硬件:I/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号接口和存储器的读写控制信号、地址信号 都是由都是由CPU发出的发出的l 缺点:程序的执行速度限定了传送的最大速度缺点:程序的执行速度限定了传送的最大速度137.2.2 7.2.2 DMADMA(直接存储器存取)传递方式直接存储器存取)传递方式 外设和内存之间直接传送数据的方式,即外设和内存之间直接传送数据的方式,即DMA传传送方式。送方式。在在DMA传送方式中,对这一数据传送过程进传送方式中
9、,对这一数据传送过程进行控制的硬件称为行控制的硬件称为DMA控制器(控制器(DMAC)。)。特点:特点:l外设直接与存储器进行数据交换外设直接与存储器进行数据交换,不需要,不需要CPU干预干预也不需软件介入。也不需软件介入。l总线由总线由DMA控制器(控制器(DMAC)进行控制()进行控制(CPU要放要放弃总线控制权),内存弃总线控制权),内存/外设的地址和读写控制信号均外设的地址和读写控制信号均由由DMAC提供。提供。141.DMA1.DMA操作的基本方法操作的基本方法(1 1)周期挪用(周期挪用(Cycle StealingCycle Stealing)(2 2)周期扩散周期扩散(3 3)
10、CPUCPU停机方式停机方式 最常用,最简单的传送方式最常用,最简单的传送方式152.2.DMADMA的传送方式的传送方式(1)(1)单字节传送方式单字节传送方式 每次每次DMA传送传送只传送一个字节就立即释放总线。只传送一个字节就立即释放总线。(2)(2)成组传送方式成组传送方式 DMAC在申请到总线后,将一组数据传送完后才在申请到总线后,将一组数据传送完后才释放总线,而不管中间释放总线,而不管中间DREQ是否有效。是否有效。(3)(3)请求传送方式请求传送方式(查询传送方式)(查询传送方式)成组传送,但每传送一个字节后,成组传送,但每传送一个字节后,DMAC查查DREQ,有效传,无效挂起。
11、有效传,无效挂起。16.DMAC(DMA控制器)的基本功能控制器)的基本功能(1)能接收外设的请求,向)能接收外设的请求,向CPU发出发出DMA请求信号。请求信号。(2)当接到)当接到CPU发出发出DMA响应信号后,响应信号后,DMAC接管接管对总线的控制,进入对总线的控制,进入DMA方式。方式。(3)能寻址存储器,即能输出地址信息和修改地址。)能寻址存储器,即能输出地址信息和修改地址。(4)能向存储器和外设发相应的读)能向存储器和外设发相应的读/写控制信号。写控制信号。(5)能控制传送的字节数,判断)能控制传送的字节数,判断DMA是否结束。是否结束。(6)在)在DMA传送结束后,能结束传送结
12、束后,能结束DMA请求信号,请求信号,释放总线,使释放总线,使CPU恢复正常工作。恢复正常工作。17 7 7.3 .3 中断技术中断技术 7.3.1 7.3.1 概述概述中断中断外设随机地(指主程序运行到任何一条指令外设随机地(指主程序运行到任何一条指令时)或程序预先安排产生中断请求信号,暂停时)或程序预先安排产生中断请求信号,暂停CPUCPU正在运行的程序,转入执行称为中断服务的正在运行的程序,转入执行称为中断服务的子程序,中断服务完毕后,返回到主程序被中子程序,中断服务完毕后,返回到主程序被中断处继续执行的过程。断处继续执行的过程。中断源中断源引起中断的事件引起中断的事件18通常中断源有以
13、下几种:通常中断源有以下几种:(1 1)输入、输出设备输入、输出设备:如键盘、显示器和打印机等如键盘、显示器和打印机等;(2 2)数据通道数据通道;(3 3)实时控制过程中的各种参数实时控制过程中的各种参数;(4 4)故障源故障源:如掉电保护等如掉电保护等;(5 5)控制系统的现场测试信号以及软件中断。控制系统的现场测试信号以及软件中断。中断系统应具有以下功能中断系统应具有以下功能:1.1.能实现中断响应、中断服务和中断返回能实现中断响应、中断服务和中断返回 2.2.能实现中断优先级排队能实现中断优先级排队 3.3.能实现中断嵌套能实现中断嵌套 197.3.2 7.3.2 中断过程中断过程 1
14、.中断过程中断过程 一个完整的中断基本过程包括:一个完整的中断基本过程包括:中断请求、中断中断请求、中断判优、中断响应、中断处理及中断返回判优、中断响应、中断处理及中断返回等五个基本过等五个基本过程。程。(1)中断请求)中断请求 当某一外部中断源要求当某一外部中断源要求CPU中断时,首先要向中断时,首先要向CPU发出中断请求,该请求信号被存放在中断源接口发出中断请求,该请求信号被存放在中断源接口电路的中断请求触发器中暂存,并通过电路的中断请求触发器中暂存,并通过INTR或或NMI信号线引入信号线引入CPU。20(2)中断判优)中断判优 由于中断请求是随机的,在某一瞬间有可能出现由于中断请求是随
15、机的,在某一瞬间有可能出现两个或两个以上中断源同时提出请求的情况。这时必两个或两个以上中断源同时提出请求的情况。这时必须根据中断源的轻重缓急,给每个中断源确定一个中须根据中断源的轻重缓急,给每个中断源确定一个中断级别断级别 中断优先权中断优先权。另一个作用能实现中断嵌套另一个作用能实现中断嵌套。21(3)中断响应中断响应 CPU每执行完一条指令后,查询是否有中断请求。每执行完一条指令后,查询是否有中断请求。当查询到有中断请求且此时当查询到有中断请求且此时CPU允许中断(即允许中断(即IF=1,开中断),开中断),CPU响应中断。响应中断。响应中断后系统做的工作:响应中断后系统做的工作:自动关中
16、断;自动关中断;通过使通过使IF清零来实现清零来实现保存保存FR和断点;和断点;形成中断入口地址。形成中断入口地址。通过中断矢量,查询中断地址通过中断矢量,查询中断地址表实现。表实现。22(4 4)中断处理)中断处理 执行中断服务程序执行中断服务程序 中断服务开始要用压栈指令(中断服务开始要用压栈指令(PUSHPUSH)将要用到的将要用到的寄存器内容压入堆栈,以便返回到主程序时能寄存器内容压入堆栈,以便返回到主程序时能正确运行。正确运行。保护现场保护现场 中断服务程序结束后,用中断服务程序结束后,用POPPOP指令把所保存的有指令把所保存的有关寄存器的内容从堆栈弹出,以便恢复到中断关寄存器的内
17、容从堆栈弹出,以便恢复到中断前的状态。前的状态。恢复现场恢复现场23(5 5)中断返回)中断返回 通常在通常在中断返回前中断返回前,要用指令,要用指令开中断开中断,以便再,以便再次响应中断,然后执行中断返回指令次响应中断,然后执行中断返回指令242.中断优先权中断优先权(1)软件查询方式)软件查询方式7725(2)硬件优先权排队电路。)硬件优先权排队电路。简单硬件方式简单硬件方式菊花链法或链式优先权排队电路。菊花链法或链式优先权排队电路。专用硬件方式专用硬件方式可编程的中断控制器可编程的中断控制器726 7.4 8086/8088的中断系统的中断系统 7.4.1 中断结构中断结构1.中断分类中
18、断分类 硬件中断硬件中断(外部中断)(外部中断)软件中断软件中断(内部中断)(内部中断)除法错中断除法错中断溢出中断溢出中断断点中断断点中断单步中断单步中断INT n指令中断指令中断非屏蔽中断非屏蔽中断可屏蔽中断可屏蔽中断256种中断源种中断源类型码类型码025527硬件中断硬件中断由外部硬件产生的,也称由外部硬件产生的,也称外部中断外部中断。软件中断软件中断CPU根据软件的某些指令或者软件对标根据软件的某些指令或者软件对标志寄存器某个标志位的设置而产生的,志寄存器某个标志位的设置而产生的,由于它与外部中断电路完全无关,故称由于它与外部中断电路完全无关,故称为为内部中断内部中断。非屏蔽中断:通
19、过非屏蔽中断:通过CPU的的NMI引入,它不受内部中断允引入,它不受内部中断允许标志位许标志位IF的屏蔽,一般在一个系统中只的屏蔽,一般在一个系统中只允许有一个非屏蔽中断。允许有一个非屏蔽中断。可屏蔽中断:通过可屏蔽中断:通过CPU的的INTR引入引入,它受,它受IF的控制。的控制。只有在只有在IF=1时,时,CPU才能响应中断源的请才能响应中断源的请求。当求。当IF=0时,中断请求被屏蔽。时,中断请求被屏蔽。282中断向量表中断向量表 存放中断地址的一段内存空间称中断向量表存放中断地址的一段内存空间称中断向量表。l存放各类中断的中断服务程序的入口地址存放各类中断的中断服务程序的入口地址l位于
20、内存的位于内存的0000 00000000 03FFH(即即00000003FFH)大小为大小为1KB,共,共256个入口地个入口地址址l每个入口地址占用每个入口地址占用4个单元,依次为个单元,依次为IP:CS,低低字为段内偏移,高字为段基址字为段内偏移,高字为段基址2900000H003FFH1KB30IPCS 中断类型码与中断向量所在位置(中断向量地址指针)中断类型码与中断向量所在位置(中断向量地址指针)之间的对应关系为:之间的对应关系为:中断向量地址指针中断向量地址指针=4*中断类型码中断类型码C331例:中断类型码为例:中断类型码为20H(32)的中断源所对应的中断服的中断源所对应的中
21、断服务程序首址存放在务程序首址存放在0000 0080H(4*20H=80H)开始开始的的4 个单元中。若在个单元中。若在0080H至至0083H这这4个单元中存放个单元中存放的值分别为的值分别为10H、20H、30H、40H,则该系统中则该系统中20H号中断所对应的号中断所对应的中断处理(服务)程序入口地址为中断处理(服务)程序入口地址为4030 2010H0080H10H20H30H40H0083H0082H0081H327.4.2 内部中断内部中断软中断软中断 在在8086/8088系统中,通过执行中断指令或由系统中,通过执行中断指令或由CPU本身启动的中断称为内部中断(也称软件中断)。
22、本身启动的中断称为内部中断(也称软件中断)。除单步中断外,内部中断无法用软件禁止,即不除单步中断外,内部中断无法用软件禁止,即不受受IF的影响。的影响。1、内部中断的类型、内部中断的类型(1)0型中断型中断除法出错中断除法出错中断(2)1型中断型中断单步中断单步中断(3)3型中断型中断断点中断断点中断(4)4型中断型中断溢出中断溢出中断(5)INT n指令中断指令中断 332内部中断的处理过程内部中断的处理过程 如何获取相应的中断类型码如何获取相应的中断类型码 专用中断:中断类型码是自动形成的。专用中断:中断类型码是自动形成的。几种类型码为:类型几种类型码为:类型0、1、3、4。对于对于INT
23、 n指令,其类型码为指令中给定的指令,其类型码为指令中给定的n。34取得了类型码后的处理过程:取得了类型码后的处理过程:类型码类型码*4 向量表指针。向量表指针。标志寄存器标志寄存器FR入栈,保护各个标志。入栈,保护各个标志。清除清除IF和和TF标志,屏蔽新的标志,屏蔽新的INTR中断和单步中断。中断和单步中断。保存断点(断点处保存断点(断点处IP和和CS压栈,先压压栈,先压CS后压后压IP)。)。从中断向量表中取出中断服务程序入口地址分别送从中断向量表中取出中断服务程序入口地址分别送入入IP和和CS中。中。按新的地址执行中断服务程序。按新的地址执行中断服务程序。357.4.3 外部中断外部中
24、断硬中断硬中断非屏蔽中断非屏蔽中断NMI引脚产生的中断,不受引脚产生的中断,不受IF控制,控制,类型号为类型号为2。可屏蔽中断可屏蔽中断由由CPU的的INTR端接收可屏蔽中断。受端接收可屏蔽中断。受IF控制,只有当控制,只有当IF=1,在一条指令执行在一条指令执行结束后,结束后,CPU才能响应可屏蔽中断的才能响应可屏蔽中断的请求。请求。361.外部中断的响应外部中断的响应 CPU采样到非屏蔽中断请求时,自动提供中断类采样到非屏蔽中断请求时,自动提供中断类型号型号2,然后根据中断类型号,查找中断向量表指针,然后根据中断类型号,查找中断向量表指针,其后的处理与内部中断一样。其后的处理与内部中断一样
25、。当当INTR信号有效,如信号有效,如IF=1,则则CPU执行完一条执行完一条指令后,进入可屏蔽中断响应周期。在中断响应周期指令后,进入可屏蔽中断响应周期。在中断响应周期中中CPU从数据线中获取外部设备的中断类型码。从数据线中获取外部设备的中断类型码。372.外部中断处理过程外部中断处理过程 在外部中断响应周期中,在外部中断响应周期中,CPU获取了外部中断类型获取了外部中断类型码之后的中断处理过程,与前述的软中断过程顺序是码之后的中断处理过程,与前述的软中断过程顺序是一样的,不再赘述。一样的,不再赘述。如果把如果把CPU中断响应周期的动作和前面讲到的中中断响应周期的动作和前面讲到的中断响应过程
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