输入输出接口和中断技术(1)

第六章输入输出接口和中断技术6.1I/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CPU总线接口外设一、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1.基本逻辑电路（命令寄存器，状态寄存器，数据缓冲寄存器）2.端口地址译码电路（译码器，GAL，PAL等）3.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1.初始化程序段：设置接口工作方式及初始条件2.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3.主控程序段：完成接口任务的程序4.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5.辅助程序段：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/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；•要求处理器提供MEMR/MEMW和IOR/IOW两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。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准备好吗？传送是否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。CPU01234…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。CPUDMA控制器存储器外部设备特点：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2CPU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(20H~3FH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INTnH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①硬中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;②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);③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);④是可屏蔽的(NMI硬中断是不可屏蔽的).1.硬中断的特点:①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。②中断响应周期，CPU不需要发中断回答信号；③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器；④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Intel8259A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，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Intel8259A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：DB0~DB7；外设侧：IR0~IR7；级联：CS；RD、WR、A0；SP/EN、CAS0~CAS2。INT、INTA；二接口电路：CPU接口、I/O接口。内部逻辑：IRR、IMR、PR、ISR及控制电路。中断请求过程：IR-INT。&INTISR编码中断请求优先级编码器中断请求寄存器IRRIR0IR7……&&&&&&&&中断屏蔽寄存器IMRD0D7…≥1比较器B0B1B2ABA0A1A2三(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ICW2IRi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。中断源中断号高5位低3位中断号日时钟08HIR0(0)08H键盘08HIR1(1)09H保留08HIR2(2)0AH通信（二）08HIR3(3)0BH通信（一）08HIR4(4)0CH硬盘08HIR5(5)0DH软盘08HIR6(6)0EH打印机08HIR7(7)0FH主片8259A8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：S7~S0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：ID2~ID1的编号是该从片接到主片的IR引脚的IR号。主片ICW3：OUT21H，14H从片1ICW3：OUT0A1H，04H从片2ICW3：OUT2B1H，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。从片响应：通过CAS线译码，选中时在收到第二个INTA后，返回中断类型号。主片响应：收到第一个INTA后，对级联的IR请求，则从CAS线送出该IR编码；在第二个INTA返回中断类型号。(4)方式控制初始化命令字ICW4D4：全嵌套(0)/特殊全嵌套(1)方式。D2：缓冲方式(D3=1)时的主从片级联位置设置，从片(0)/主片(1)；D3：非缓冲(0)/缓冲(1)方式；D0：用于8位(0)/16位(1)微机；D1：中断自动结束(0)/非自动结束(1)方式；从片非自动结束时，主、从片均需发EOI命令。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1D1D4初始化命令ICW4说明2D3D0初始化命令设置时序