（中職）計算機原理模塊七教學(xué)課件

1、YCF正版可修改PPT（中職）計算機原理模塊七教學(xué)課件模塊7 輸入/輸出與中斷任務(wù)1 I/O接口7.1.1 數(shù)據(jù)輸入/輸出概述7.1.2 I/O接口功能7.1.3 I/O接口組成7.1.4 I/O端口編址7.1.5 I/O接口分類下一頁模塊7 輸入/輸出與中斷任務(wù)2 中斷7.2.1 中斷的基本概念7.2.2 中斷向量表7.2.3 DMA I/O控制方式上一頁任務(wù)1 I/O接口除了存儲器這個地址空間外，計算機中還有一個I/O端口寄存器地址空間，這是專門針對輸入/輸出外設(shè)而言的。這些外設(shè)同微處理器交換數(shù)據(jù)時都不直接掛到外部總線上，而必須通過專用的接口電路與輸入/輸出指令。本模塊首先介紹了這方面的一

2、些基本知識，以便于學(xué)習后續(xù)的中斷技術(shù)。中斷(Interrupt)在計算機技術(shù)中是一個非常重要的基本概念，中斷系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中一個十分重要的子系統(tǒng)。本模塊將對實模式下中斷系統(tǒng)的工作原理與操作過程、異常中斷、軟件中斷與硬件中斷以及中斷的應(yīng)用設(shè)計進行系統(tǒng)的描述。下一頁返回任務(wù)1 I/O接口7.1.1數(shù)據(jù)輸入/輸出概述計算機的工作過程概括起來，可分為3個階段，即數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出。用以輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果的設(shè)備分別稱為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，統(tǒng)稱為外部設(shè)備，簡稱外設(shè)。外設(shè)通過專門的接口電路與主機連接，在主機的控制下進行工作。外設(shè)、接口電路及其相關(guān)的程序統(tǒng)稱為計算機的輸入/輸出系統(tǒng)，簡稱I/O系統(tǒng)

3、。I/O接口泛指主機與外部設(shè)備或其他計算機之間通過總線連接所用到的電路，也稱為適配器。計算機有多種外部設(shè)備，由于速度和信號類型的緣故，往往不能直接與主機連接，而需要專門的接口電路和相關(guān)的程序進行轉(zhuǎn)換。例如，顯示器通過顯卡與主機連接，并由相應(yīng)的程序完成信號轉(zhuǎn)換及顯示工作;又如，計算機通過網(wǎng)卡或Modern與外部網(wǎng)絡(luò)連接。因此，I/O系統(tǒng)也是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口7.1.2 I/O接口功能1.信號轉(zhuǎn)換在計算機內(nèi)部，只能識別和處理二進制數(shù)據(jù)。因此，外部設(shè)備必須將采集到的各類信息轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)據(jù)，才能輸入給計算機。同樣，計算機輸出的二進制數(shù)據(jù)也要轉(zhuǎn)換成一定形式的媒

4、體信號，去控制外部設(shè)備或者以人們習慣的形式顯示以及記錄下來。即使兩臺計算機之間的數(shù)據(jù)傳送，也存在數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換與匹配、傳送方式的設(shè)置、調(diào)制與解調(diào)等過程。因此，進行信號轉(zhuǎn)換是I/O系統(tǒng)的基本功能，包括電信號與非電信號之間的轉(zhuǎn)換、數(shù)字量與非數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換、編碼與解碼以及傳送方式的轉(zhuǎn)換等。對于多媒體設(shè)備，還包括音頻、視頻信號的轉(zhuǎn)換與處理。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口2.數(shù)據(jù)緩沖與時序匹配主機速度快，而大多數(shù)外部設(shè)備速度慢。這樣，外設(shè)與CPU或主存直接傳送數(shù)據(jù)時，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失;或者使CPU等待外設(shè)的輸入/輸出，而影響CPU的工作效率。因此，一般在外設(shè)接口中設(shè)置緩沖器或者有一定容量的緩沖存

5、儲器。CPU送給外設(shè)的數(shù)據(jù)先鎖存到緩沖器中，然后通知外設(shè)取走;或者外設(shè)送給CPU的數(shù)據(jù)先存入緩沖器中，然后由CPU讀取。這樣，借助于緩沖器，可實現(xiàn)CPU與不同速度的外設(shè)之間的時序匹配。例如，一般顯卡中都配置有一個容量為128MB一768MB的緩沖存儲器。3.電氣特性匹配計算機內(nèi)部的信號通常是TTL電平，而外設(shè)的輸入/輸出信號有TTL電平、CMOS電平或其他規(guī)格的電平。當電平不同時，需經(jīng)接口電路進行電平轉(zhuǎn)換。如果信號微弱，需由接口電路放大，以增強其驅(qū)動能力。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口4.可編程功能一般接口電路有多種工作方式，可通過編程進行設(shè)置或者選擇。為了實現(xiàn)編程，在接口電路中一般都設(shè)有

6、可尋址的控制字寄存器和狀態(tài)字寄存器。控制字寄存器可由CPU寫入控制字，設(shè)置接口的工作方式;狀態(tài)字寄存器可由CPU查詢，了解外設(shè)的當前狀態(tài)。5.數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換在計算機內(nèi)部，數(shù)據(jù)是以并行的方式存儲與處理的，因此對于以串行方式傳送數(shù)據(jù)的設(shè)備來說，就存在一個并/串轉(zhuǎn)換或串/并轉(zhuǎn)換的過程。另外，有些設(shè)備還要求接口電路能夠?qū)崿F(xiàn)ASCII碼、BCD碼甚至漢字數(shù)符的轉(zhuǎn)換等。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口7.1.3 I/O接口組成I/O接口7-1所示，處于CPU和I/O設(shè)備之間。在CPU一端，傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信號;在I/O設(shè)備一端，傳送控制信號、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。因此可以說，接口是CPU與外部設(shè)備之間進行數(shù)

7、據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送的部件。一般包括I/O地址譯碼器、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口(緩沖與格式轉(zhuǎn)換)、控制寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷控制邏輯與中斷向量寄存器等部件。它所傳送的信息，可分為以下3種類型。1.數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是輸入/輸出設(shè)備傳送的基本信息。在輸入過程中，數(shù)據(jù)經(jīng)輸入設(shè)備傳送給CPU,或存入存儲器中;在輸出過程中，數(shù)據(jù)經(jīng)輸出設(shè)備顯示、打印，或者傳送到其他設(shè)備。在接口電路中，設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存與緩沖器，對輸入/輸出的數(shù)據(jù)進行鎖存或者緩沖;在有些情況下，還需要進行格式或編碼轉(zhuǎn)換。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口2.地址在一個計算機系統(tǒng)中，外部設(shè)備往往有多個，為此分配有不同的地址，以便識別。這樣，在進行數(shù)據(jù)輸入/輸出時，首

8、先要發(fā)送地址，經(jīng)譯碼器選擇某一外部設(shè)備。因此，在接口電路中設(shè)有地址鎖存器與譯碼器。3.狀態(tài)與控制信號狀態(tài)信號反映的是外設(shè)的工作狀態(tài)，一般存放在接口中的狀態(tài)寄存器中，CPU可讀取檢查，了解外部設(shè)備的工作狀態(tài)?？刂菩盘柺荂PU向外設(shè)發(fā)出的I/O控制命令，經(jīng)接口傳送給外部設(shè)備，實現(xiàn)相應(yīng)的I/O操作。通過接口電路，還可以增強信號的驅(qū)動能力。在I/O接口電路中，各寄存器都可作為一個端口設(shè)置地址。CPU通過地址對其訪問或者編程，例如，設(shè)置參數(shù)，選擇工作方式，讀取狀態(tài)標志或中斷向量，傳送數(shù)據(jù)等。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口7.1.4 I/O端口編址在I/O接口電路中，每一個可由CPU直接訪問的部件或寄

9、存器統(tǒng)稱為端口，在硬件設(shè)計時可對其分配地址，也稱為編址。編址的方法有兩種，即統(tǒng)一編址和獨立編址。1.統(tǒng)一編址統(tǒng)一編址是把外部設(shè)備的端口地址與存儲器地址統(tǒng)一編排。即在主存空間中劃出一部分區(qū)域用作I/O地址，使輸入/輸出變成對某個地址單元的讀/寫操作。在這種方式下，CPU可使用訪問主存的指令訪問外部設(shè)備，而不需要專門的I/O指令。但是，I/O端口占用了主存地址空間，使主存容量減少。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口2.獨立編址獨立編址是對I/O端口和主存分別編址，即主存地址空間和I/O地址空間，兩者的地址都是從。開始。CPU訪問時，通過專門的選通信號IO/M確定地址總線上傳送的是I/O地址還是主存

10、地址。例如，IO/M信號為高電平時，表示I/O地址;當IO/M信號為低電平時，表示主存地址。采用獨立編址，I/O地址空間不占用主存空間，但是需要專門的I/O指令。目前的Pentium微處理器采用的就是這種獨立編址方式。另外，也可以把二者結(jié)合起來，構(gòu)成混合編址方式。即一部分I/O地址獨立，一部分與主存空間合為一體。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口7.1.5 I/O接口介類接口處于主機與外部設(shè)備之間，但是接口與外部設(shè)備之間的界面并不十分嚴格。因為有些外部設(shè)備為了便于連機使用，兼有部分接口功能。也有些接口獨立于外部設(shè)備，制成專門的接口板。這樣，就形成不同類型的接口板，而且有不同的分類方式。1.按照

11、傳輸信號分類按照傳輸信號分類，可分為數(shù)字量輸入/輸出接口和模擬量輸入/輸出接口。對于數(shù)字量信號，計算機可以通過數(shù)字量接口直接與輸入/輸出設(shè)備進行連接。對于模擬信號，則要通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號輸入給計算機。輸出時，再使用D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸出給外部設(shè)備或現(xiàn)場控制設(shè)備。這就要求模擬接口除具備數(shù)據(jù)傳輸功能之外，還要具備A/D與D/A轉(zhuǎn)換功能。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口2.按照傳輸數(shù)據(jù)方式分類按照傳輸數(shù)據(jù)的方式，可分為并行輸入/輸出接口和串行輸入/輸出接口。并行輸入/輸出接口:多位數(shù)據(jù)同時傳送，傳輸效率高。但是它要求有多條數(shù)據(jù)線與接口電路連接，傳輸線的寬度與數(shù)據(jù)

12、的位數(shù)一致，而且各條數(shù)據(jù)線的電氣特性也要一致。這種接口成本較高，傳輸距離受到一定的限制。串行輸入/輸出接口:按位傳輸，即一位一位地通過數(shù)據(jù)線。這種方式效率較低，但是傳輸線少，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適合遠距離傳輸。例如，主機與鍵盤、鼠標、顯示器等外部設(shè)備的連接，就是通過串行接口進行的。由于在計算機中數(shù)據(jù)是并行存儲與處理的，因此串行接口都配有并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換電路。下一頁返回上一頁任務(wù)1 I/O接口3.按照傳輸控制方式分類按照傳輸控制方式分類，可分為直接/查詢方式、中斷控制方式和DMA方式的接口。另外，還有通道和I/O處理機等。返回上一頁任務(wù)2中斷任何一種類型的計算機，包括微控制器(或稱單片機)都

13、離不開中斷技術(shù)，它們對中斷的處理機理大同小異。任務(wù)2描述中斷系統(tǒng)的基本概念與基本工作原理、中斷產(chǎn)生的過程和其他若干技術(shù)問題。7.2.1中斷的基本概念1.中斷的引入CPU不僅要進行繁瑣的數(shù)據(jù)運算與處理內(nèi)部復(fù)雜事務(wù)，還必須隨時同各類外設(shè)交換信息，僅以鍵盤輸入為例，只要有鍵按下，微處理器就應(yīng)立即響應(yīng)。這里有兩種處理辦法。其一，是讓CPU不斷地查詢外設(shè)的狀態(tài)，一刻不停地監(jiān)視鍵盤“有無按鍵輸入”。于是CPU浪費了很多時間去反復(fù)查詢等待鍵盤，工作效率極低。其二，是讓CPU平時不顧外設(shè)而獨自處理自己的事務(wù)，屆時讓外設(shè)主動向CPU報告，例如，一旦有按鍵輸入，下一頁返回任務(wù)2中斷鍵盤立即主動向CPU報告，CPU

14、馬上中止當前的操作，保護好操作現(xiàn)場后即與鍵盤通信讀入按鍵值，然后作相應(yīng)處理。鍵盤處理完成后再恢復(fù)原來的現(xiàn)場，繼續(xù)原操作，這就是中斷的思路。所謂中斷就是由于發(fā)生了某種必須及時處理的事件，使CPU暫停當前程序的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去處理臨時發(fā)生的該事件，處理完畢后再返回繼續(xù)執(zhí)行暫停的原程序。能夠產(chǎn)生中斷請求的事件或者外設(shè)稱為中斷源。計算機中引入中斷的概念后獲得了以下明顯的效果。同步操作:CPU與外設(shè)在一定程度上做到了并行操作，從而大大提高了計算機的整機效率。實時處理:要求及時處理的事務(wù)向CPU請求中斷，CPU立即響應(yīng)并作處理，使系統(tǒng)達到實時要求。下一頁返回上一頁任務(wù)2中斷故障處理:計算機在運行過程中，有時會

15、出現(xiàn)事先預(yù)料不到的故障現(xiàn)象，將這些故障作為中斷來響應(yīng)就達到了自動處理的功能，提高了整機的可靠性。2.中斷優(yōu)先權(quán)與中斷嵌套在一個PC系統(tǒng)中有許多外設(shè)，因而一個中斷系統(tǒng)中就有多個中斷源，有時可能會有幾個中斷源同時發(fā)生中斷請求，這時CPU該優(yōu)先處理哪個中斷服務(wù)呢?這里就有一個中斷優(yōu)先級別的問題。必須將系統(tǒng)中所有的中斷源按實時性要求或者其他規(guī)則排隊，高優(yōu)先級的中斷總是優(yōu)先被處理，待后再依次處理其他級別較低的中斷。優(yōu)先級順序有多種排隊方法，比較常用的有固定法與循環(huán)法等，前者是固定各中斷源的優(yōu)先級別，使用中不可改變。后者則是非固定的，各中斷源的優(yōu)先級依某種規(guī)則發(fā)生變化，例如，可以采取自然排隊的方案，先服務(wù)

16、的自動排在末尾，優(yōu)先級別最低，按此時間順序排隊。下一頁返回上一頁任務(wù)2中斷除中斷排隊外，還有一種情況是當CPU正在進行中斷服務(wù)處理時又出現(xiàn)了新的中斷請求。正常的處理辦法是，只要新的中斷的優(yōu)先級低于當前被服務(wù)的中斷，CPU暫不理會，待當前中斷服務(wù)結(jié)束后再作處理。但是當新的中斷的優(yōu)先級高于當前被服務(wù)的中斷時，那么當前較低優(yōu)先級的中斷必須暫停服務(wù)，CPU轉(zhuǎn)去響應(yīng)更高優(yōu)先級的中斷。從而使得較高優(yōu)先級的中斷可以打斷當前正被處理的中斷。這樣就出現(xiàn)了中斷嵌套，如圖7-2所示，可以嵌套的最多層數(shù)由微處理器的功能確定。3.中斷源的分類中斷可以分為軟件中斷(Software Interrupts)與硬件中斷(Ha

17、rdware Interrupts)兩大類，兩者之中又由不同類型的中斷源構(gòu)成。圖7-3列出了它的整個中斷結(jié)構(gòu)。軟件中斷是微處理器內(nèi)部執(zhí)行某條特殊指令或者機器產(chǎn)生故障引發(fā)的，所以這類中斷下一頁返回上一頁任務(wù)2中斷又稱為內(nèi)部中斷，它與相應(yīng)的指令同步發(fā)生。此時CPU必須中止當前事務(wù)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行特定的事務(wù)或者處理故障。硬件中斷是由處理器的外部事件引起的，在處理器的中斷引腳上輸入觸發(fā)信號以請求這種中斷，因此又可以稱為外部中斷，它不是由指令引發(fā)的。這類中斷通常應(yīng)用于外設(shè)。4.中斷一般過程現(xiàn)以外設(shè)請求中斷為例詳細描述中斷的全過程，如圖7-4所示。對于內(nèi)部中斷，除首尾有所差別外，中間的過程基本上相同。這個一般過

18、程是用戶設(shè)計中斷程序的基本思路，必須牢固掌握。請求中斷:外設(shè)輸出中斷請求信號，使中斷控制系統(tǒng)的中斷請求觸發(fā)器置為高電平，向CPU請求中斷。響應(yīng)中斷:CPU每執(zhí)行完一條指令后都要檢查是否有中斷請求發(fā)生，一旦有中斷源請求中斷，則立即響應(yīng)。下一頁返回上一頁任務(wù)2中斷關(guān)閉中斷:CPU響應(yīng)中斷后，自動將狀態(tài)標志寄存器FLAGS的內(nèi)容壓入堆棧保護起來，然后將FLAGS的中斷標志位I (bit9)與陷阱標志位T ( big8)清零，從而自動關(guān)閉外部硬件中斷。如果考慮中斷嵌套，允許更高優(yōu)先級的中斷可以打斷本中斷服務(wù)的話，則要使用一條STI指令將標志寄存器中的中斷標志位置1，從而打開已被CPU自動關(guān)閉了的中斷功

19、能。如果不允許中斷嵌套則不必多此一舉。保留斷點:所謂斷點是指CPU響應(yīng)中斷后主程序停止執(zhí)行時的下一條指令的地址，保護斷點就是將CS和IP的當前內(nèi)容推入堆棧保存，以便中斷處理完畢后能返回被中斷的原程序繼續(xù)執(zhí)行，這一步也是由CPU自動完成的。下一頁返回上一頁任務(wù)2中斷中斷入口:中斷控制器系統(tǒng)給出中斷服務(wù)程序的入口地址，裝入CS和IP兩個寄存器。CPU轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序開始執(zhí)行指令。保護現(xiàn)場:主程序與中斷服務(wù)程序都要使用CPU內(nèi)部寄存器等資源，為使中斷處理程序不破壞主程序中的寄存器內(nèi)容，應(yīng)先將斷點處的各寄存器的內(nèi)容壓入堆棧保護起來再進入實質(zhì)性的中斷事務(wù)處理，這一步是由用戶使用PUSH指令來實現(xiàn)

20、現(xiàn)場保護的。中斷服務(wù):CPU執(zhí)行中斷處理事務(wù)?；謴?fù)現(xiàn)場:中斷處理完畢后，通過POP指令將保存在堆棧中的各個寄存器的內(nèi)容彈出，即恢復(fù)主程序斷點處的寄存器原值。中斷返回:在中斷服務(wù)程序的最后要安排一條中斷返回指令I(lǐng)RET，執(zhí)行該指令，系統(tǒng)自動將堆棧內(nèi)保存的IP和CS值彈出，從而恢復(fù)了主程序斷點處的CS;IP地址值，同時還從堆棧中彈出原來保存的標志寄存器FLAGS。下一頁返回上一頁任務(wù)2中斷不同的中斷源擁有不同的中斷服務(wù)程序，那么當中斷請求發(fā)生后，CPU如何獲知是哪個中斷源，從而轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序完成相關(guān)處理呢?下面即將介紹的中斷向量表(Interrupt Vector Table)能有效地解決

21、這一問題。7.2.2中斷向量表中斷向量表就是用于存放各類中斷源對應(yīng)的中斷服務(wù)子程序入口地址的表格。系統(tǒng)一共有256個中斷向量，每個都分配一個向量類型號N,N=0255。表7-1列出了大多數(shù)已經(jīng)被系統(tǒng)定義了的中斷向量的簡單信息。中斷服務(wù)程序的入口地址是以“段:偏移量”格式的邏輯地址表示的，每個向量占4個字節(jié)單元，較高值地址的2個單元放置16位CS段基地址，較低值地址的2個單元放置16位IP偏移量。由于是按中斷向量號N順序存放，所以只要簡單地將中斷向量號N乘以4就指向了所需的表格位置。下一頁返回上一頁任務(wù)2中斷256個中斷向量的總長度為256 x 4字節(jié)單元=1 024字節(jié)單元，占據(jù)系統(tǒng)存儲器的最

22、底層位置，其物理地址為00000 H003 FFH。圖7-5描述了CPU執(zhí)行中斷操作時查詢中斷向量表的前后過程。堆棧指針SP減2，標志寄存器FLAGS自動進棧保存，然后中斷標志位I ( bit8)與陷阱標志位T (bit9)清。，表示此后關(guān)閉了外部硬件中斷。堆棧指針SP減2，代碼段寄存器CS自動進棧保存;堆棧指針SP再減2，指令指針I(yè)P自動進棧保存。下一頁返回上一頁任務(wù)2中斷將中斷向量號N乘以4即得表格中的中斷向量首地址，在該單元與(4xN+1)中存放著IP值;在(4xN+2)與(4 xN+3)中存放著CS值，將它們分別裝入IP與CS中，即獲得中斷服務(wù)程序的入口地址。CPU從入口地址處開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)處理完畢后由IRET指令實施彈出堆棧的逆向操作，恢復(fù)FLAGS ,CS與IP寄存器的原值，返回原主程序。7.2.3 DMA I/O控制方式中斷控制I/0方式雖然可以提高計算機的工作效率，但是，事實上仍然要通過CPU執(zhí)行程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送操作。當某些外圍設(shè)備(例如，軟盤、硬盤或高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等)要求高速大批量地傳送數(shù)據(jù)時，程序中斷方式已不能滿足要求。原因是這種數(shù)據(jù)交換是成批的，