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2020/3/11第6章I/O接口与中断2020/3/12本章主要内容6.1I/O接口概念6.2I/O端口编址方式6.3CPU与I/O接口之间数据传送方式6.4中断6.58086中断系统2020/3/136.1I/O接口概念2020/3/146.1.1I/O接口的基本功能•为了协调CPU与外设之间的数据读写矛盾，实现CPU和外设之间高效可靠的信息交换，I/O接口应具备以下功能。•1．数据缓冲功能•2．信号转换功能•3．端口选择功能•4．接收和执行CPU命令的功能•5．中断管理功能•6．可编程功能2020/3/156.1.2I/O接口的基本组成•I/O接口的基本结构如下图所示。2020/3/16•1．CPU和I/O设备之间交换的信息有数据信息、状态信息和控制信息•1）数据信息•CPU与外设交换的基本信息是数据信息（data），大致可以分为下面三种类型。•（1）数字量•（2）模拟量•（3）开关量2020/3/17•2）状态信息•状态信息（status）反映的是当前外设所处的工作状态，外设通过I/O接口将状态信息送往CPU，CPU接收到这些信息就可以了解到外设的工作情况，从而准确适时地进行数据的传送。•3）控制信息•控制信息（control）是CPU通过接口传送给外设的，CPU通过发送控制信息来控制外设的暂停，启动等。2020/3/18•2．端口地址译码•地址译码是I/O接口的基本功能之一，微处理器在执行输入/输出指令时需要向地址总线发送外部设备的端口地址，译码电路收到与本接口有关的地址后产生相应的选通信号，对相关端口进行数据、命令或状态的传输，完成一次I/O操作。•3．数据缓冲/锁存器•在CPU与I/O设备之间进行输入/输出操作时，输入需要缓冲，输出需要锁存。2020/3/196.2I/O端口编址方式2020/3/1106.2.1统一编址•这种编址方式又称为存储器映射编址方式，是从存储器空间划出一部分地址给I/O端口，即把每个I/O端口当作一个存储单元，I/O端口与内存单元被安排在同一个地址空间中，CPU与外设的数据交换，相当于对存储器的读/写操作，不设置专门的I/O指令。2020/3/111•使用这种编址方式的优点如下。–（1）可以用访问内存的方式来访问I/O端口。–（2）外设数目或I/O寄存器数目几乎不受限制。–（3）微机系统读写控制逻辑较简单。•使用这种编址方式的缺点如下。–（1）I/O端口占用部分内存空间，减少了内存可用的地址范围，因此对内存容量有影响。–（2）访问I/O端口和访问内存一样，由于访问内存时地址较长，指令的机器码也长，执行时间显然会增加。–（3）从指令上不易区分当前是对内存进行操作还是对外设进行操作。2020/3/1126.2.2独立编址•这种编址方式称为I/O映射编址方式，内存和I/O端口有各自独立的地址空间。•使用这种编址方式的优点如下。•（1）内存地址空间不受I/O端口地址空间影响。•（2）地址译码简单，速度较快。•（3）I/O指令简短，执行速度快。•（4）使用专用I/O命令，与内存访问命令有明显区别，便于理解和检查。2020/3/1136.3CPU与I/O接口之间数据传送方式2020/3/1146.3.1程序控制方式•1．无条件传送方式•在该方式中，外设总被认为已处于准备就绪或准备接收状态，程序不必查询外设的状态，当需要与之交换数据时，直接执行输入、输出指令，就开始发送或接收数据。•2．条件传送方式•条件传送方式也称为程序查询方式，在传送数据之前，CPU要执行查询程序去查询外设的当前状态，只有当外设处于准备就绪（输入设备）或空闲状态（输出设备）时，才执行输入或输出指令进行数据传送，否则，CPU循环等待，直到外设准备就绪为止。2020/3/1156.3.2中断控制方式•中断传送方式的特点是，改CPU的主动查询为被动响应，当输入设备准备好数据或输出设备处于空闲时向CPU发出中断申请信号，请求CPU为它们服务（输出数据或从接口读取数据）。这时，CPU暂时中断当前正在执行的程序（即主程序）转去执行为输入/输出设备服务的中断处理程序，服务完毕，又返回到被中断的程序处继续执行。这样，CPU就不用花大量时间查询外设状态，而使CPU和外设并行工作，只是当外设状态就绪或准备好时，用很短时间去处理一下，处理完毕又继续回到主程序执行，大大提高了CPU的工作效率。2020/3/1166.3.3DMA方式•该方法的基本思路是：外设与内存间的数据传送不经过CPU，传送过程也不需要CPU干预，在外设和内存间开设直接通道，由一个专门的硬件控制电路来直接控制外设与内存间的数据交换，从而提高传送速度和CPU的效率。2020/3/117•1．DMA控制器的基本功能及组成–DMA控制器应具有以下基本功能。•（1）能接收外设的DMA请求，并向CPU发出总线请求，以便取得总线使用权。•（2）能接收CPU的总线允许信号，控制总线。•（3）在获得总线控制权后，能提供访问存储器和I/O端口的地址，并在数据传送过程中能自动修改地址指针，以指向下一个要传送的数据。•（4）在DMA传送期间向存储器和I/O设备发出所需要的控制信号（主要是读/写控制信号）。•（5）能控制数据传送过程的进行和结束，有一个字节计数器以控制传送何时结束。•（6）当DMA传送结束时，能向CPU发DMA结束信号，以便CPU恢复对总线的控制。2020/3/118•根据DMA控制器应具有的基本功能，确定DMA控制器在硬件结构上应该具有以下基本部件。•（1）地址寄存器：接收CPU预置的存储器起始地址，以及在传送过程中自动修改地址，以指出下一个要访问的存储单元。•（2）字节计数器：接收CPU预置的数据传送的总字节数，以及在传送过程中控制传送过程何时结束，该字节计数器应具有自动减1功能。•（3）控制寄存器：接收CPU的命令，决定DMA传送方向及传送方式，是输出（从内存到外设备）还是输入（从外设到内存），是传送一个数据还是一批数据。•（4）状态寄存器：用来反映DMA控制器及外设当前的工作状态。•（5）内部定时与控制逻辑：用来产生一些接口电路内部的控制信号。2020/3/119•2．DMA控制器的工作模式•DMA传送通常用于高速外设与存储器间的大批量数据传送，DMA控制器可以有以下几种工作模式。•1）单字节传送模式•2）成批传送模式•3）请求传送模式•4）级联传送模式2020/3/120•3．DMA操作过程•一个完整的DMA操作过程大致可分三个阶段：准备阶段（初始化）、数据传送阶段和传送结束阶段。准备阶段是DMA控制器接受CPU对其进行初始化，初始化的内容包括设置存储器的地址、传送的数据字节数，决定DMA控制器工作模式和传送方向等的控制字，以及对相关接口电路的初始化设置。传送结束阶段是DMA控制器在传送完成后向CPU发出结束信号，以便CPU撤销总线允许信号，收回总线控制权。2020/3/1216.4中断2020/3/1226.4.1中断的概念与特点•所谓中断，是指对现行程序的“中断”，即指CPU暂时停止现行程序的执行，转去处理突然发生的随机事件，处理完毕后又自动恢复原来程序的执行。•中断方式带有随机性，这是中断区别于其他程序切换过程（如转子与返回）的主要特点。什么时候转子，在程序中是事先安排好了的，而什么时候转去执行中断处理程序则不是由程序预先安排。2020/3/1236.4.2中断源的概念•能够引起中断的事件称为中断源，亦即能够向CPU发出中断请求的中断来源。常见的中断源如下。•（1）I/O设备，例如键盘、打印机等。•（2）故障信号，例如硬件损坏、电源掉电等。•（3）实时时钟，例如外部硬件时钟电路定时到等。•（4）软件中断，如软中断指令、调试指令等。2020/3/124•在微型计算机系统中，中断源有两类，即内部中断和外部中断。•1）内部中断•由处理器内部产生的中断事件。•2）外部中断•由处理器以外的设备产生的中断事件。按照中断请求信号接入引脚的不同，外部中断又可分为可屏蔽中断和非屏蔽中断。2020/3/1256.4.3中断处理过程•一个完整的中断处理过程主要包括三个方面：中断请求、中断承认、中断响应。中断和中断过程如下图所示。2020/3/1266.4.4中断优先级及中断嵌套•1．中断优先级•按照中断源的重要性和实时性要求来安排中断响应的次序，这个中断响应次序就称为中断优先级。•中断优先级的控制原则如下：–（1）同时有多个中断请求时，先响应高优先级中断，再响应低优先级中断。–（2）当CPU执行某个中断服务子程序时，出现新的高优先级中断源请求中断，则暂停正在执行的低优先级中断服务子程序，先去执行高优先级中断服务子程序，高优先级中断服务结束后，再返回到低优先级中断服务程序继续执行。–一般情况下，我们采用软件查询或者专业芯片管理两种方式实现中断优先级控制。2020/3/127•2．中断嵌套•在中断优先级确定的条件下，CPU总是先响应优先级最高的中断请求。当CPU正在执行优先级相对较低的中断服务子程序时，又有优先级更高的中断请求，CPU会将正在处理的低优先级中断暂停，转去处理优先级更高的中断，即去执行高级中断的服务子程序，这就是中断嵌套。2020/3/1286.58086中断系统2020/3/1296.5.1中断源类型•1．内部中断•内部中断是CPU在执行指令过程中产生的中断，如执行软中断指令INT，调试程序时设置的中断，以及CPU在执行常规指令时产生的异常状态。主要包括除法错中断、单步中断、断点中断、溢出中断以及软中断，这些中断源都来自CPU内部。2020/3/130•2．外部中断•外部中断是指外部设备通过CPU引脚接入的中断，8006CPU有两条专门的中断请求信号接入引脚INTR和NMI，所以外部中断包括可屏蔽中断（INTR）和非屏蔽中断（NMI）。2020/3/1316.5.2中断优先级•在8086系统中，内部中断的优先级最高（除单步中断），接下来就是NMI，其次是INTR，优先级最低的是单步中断。8086系统各类中断的优先级如下表所示。中断源优先级除法错、INTn、INTO最高NMI次之INTR较低单步中断最低2020/3/1326.5.3中断向量法•1．中断向量表•CPU响应中断，最终目的是执行中断服务子程序，完成对中断事件的服务。由于中断源和中断类型码一一对应，所以6.5.1节CPU获取中断类型码后，也就确定了中断源。剩下的关键问题就是怎样找到该中断源中断服务子程序的入口地址，从而转向中断服务程序。8086系统采用的方法是为256个中断源的中断服务程序的入口地址建立一张表格——中断向量表。2020/3/133•2．中断向量表初始化•一般8086系统已将专用中断和系统保留中断的中断向量存入中断向量表，但用户定义的中断尚未存入，所以用户在实际使用时如果自定义并使用了其他中断，必须事先将自定义的中断源的中断向量自行存入中断向量表，这就是中断向量表初始化。•中断向量表初始化采用编程方法实现，用户应在主程序的初始化部分编写程序段，将中断向量依次写入中断向量表。2020/3/1346.5.4中断响应过程•8086系统对一个中断的处理过程主要包括中断请求、中断承认、中断响应三个环节。在这个中断处理过程中，不同中断有一些区别。•1．可屏蔽中断（INTR）•这一中断响应过程中，CPU主要完成以下工作。–（1）执行两个中断响应周期。–（2）执行一个总线写周期，将标志寄存器的内容压入堆栈。–（3）执行两个写总线周期。–（4）执行两个读总线周期。–（5）由CS寄存器和IP寄存器得到中断服务子程序的物理地址，CPU自动转向中断服务子程序。–（6）中断服务子程序执行完毕，返回原程序断点处继续执行。2020/3/135•2．非屏蔽中断（NMI）•与可屏蔽中断相比，非屏蔽中断的处理过程主要有以下区别。–（1）在中断请求环节，非屏蔽中断请求信号为上升沿有效。–（2）在中断承认环节，它不受中断允许标志位IF的控制，并且优先级高于INTR。–（3）在中断响应环节，由于非屏蔽中断请求的中断类型码是固定的，