北航微機(jī)原理課件第十四講

第6章輸入輸出與中斷第十四講輸入輸出接口電路2009.5.19（星期二）

6.2CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送的方式 6.3中斷技術(shù) 6.48086/8088的中斷系統(tǒng)和中斷處理

1一、程序傳送

二、中斷傳送

為了提高CPU執(zhí)行有效程序的工作效率和提高系統(tǒng)中多臺(tái)外設(shè)的工作效率，可以讓外設(shè)處于能主動(dòng)申請(qǐng)中斷的工作方式,這在有多個(gè)外設(shè)及速度不匹配時(shí)，尤為重要。

2三、直接存儲(chǔ)器存?。ǎ模停粒﹤魉?/p>

ＤＭＡ（DirectMemoryAccess）方式 利用程序中斷傳送方式，雖然可以提高ＣＰＵ的工作率，但它仍需由ＣＰＵ通過(guò)程序來(lái)傳送數(shù)據(jù),還要“保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)”和“恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)”,要占用一定時(shí)間，就顯得太慢了。ＤＭＡ方式是一種由專門(mén)的硬件電路執(zhí)行Ｉ／Ｏ交換的傳送方式，它讓外設(shè)接口可直接與內(nèi)存進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳送，而 不必經(jīng)過(guò)ＣＰＵ，這樣就不必進(jìn)行保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)之類(lèi)的額外操作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的直接存取。這種專門(mén)的硬件電路就是DMA控制器,簡(jiǎn)稱為ＤＭＡＣ。該集成電路產(chǎn)品有Zilog公司的Z80－ＤＭＡ，Intel公司的８２５７，８２３７Ａ 和Motorola的ＭＣ６８４４等。圖6.12給出了8086用DMA

方式傳送單個(gè)數(shù)據(jù)(輸出數(shù)據(jù))的示意圖。3

如圖所示，當(dāng)接口準(zhǔn)備就緒,便向DMA控制器發(fā)DMA請(qǐng)求①;接著,CPU通過(guò)HOLD引腳接收DMA控制器發(fā)出的總線請(qǐng)求②。通常,CPU在完成當(dāng)前總線操作以后，就會(huì)在HLDA引腳上向DMA控制器發(fā)出允許信號(hào)③而響應(yīng)總線請(qǐng)求，DMA控制器接收到此信號(hào)就接管了對(duì)總線的控制權(quán)。46.3中斷技術(shù)

中斷是一種十分重要而復(fù)雜的軟硬件相結(jié)合的技術(shù)，它的出現(xiàn)給計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與應(yīng)用帶來(lái)了新的突破。本節(jié)將介紹中斷的基本概念、中斷的響應(yīng)與處理過(guò)程、優(yōu)先權(quán)的安排等有關(guān)問(wèn)題。一、中斷概述(一)中斷與中斷源 使CPU暫停運(yùn)行原來(lái)的程序而應(yīng)更為急迫事件的需要轉(zhuǎn)向去執(zhí)行為中斷源服務(wù)的程序(稱為中斷服務(wù)程序)，即發(fā)出中斷申請(qǐng)的來(lái)源。通常中斷源有以下幾種：(1)外部設(shè)備:一般中、慢速外設(shè)如鍵盤(pán)、行式打印機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器等，在完成自身的操作后，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求,要求CPU為它服務(wù)。對(duì)于高速的外設(shè)如磁盤(pán)或磁帶，它可以向CPU提出總線請(qǐng)求，進(jìn)行DMA傳送。5

(2)實(shí)時(shí)時(shí)鐘：(3)故障源：計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)有故障自動(dòng)檢測(cè)裝置，如發(fā)生運(yùn)算出錯(cuò)（溢出)、存儲(chǔ)器讀出出錯(cuò)、外部設(shè)備故障、電源掉電以及越限報(bào)警等意外事件時(shí)，這些裝置都能使CPU中斷，進(jìn)行相應(yīng)的中斷處理。

以上3種屬于隨機(jī)中斷源。由隨機(jī)引起的中斷,稱為強(qiáng)迫中斷。(4)為調(diào)試程序設(shè)置的中斷源：6(二)中斷系統(tǒng)及其功能

中斷系統(tǒng)是指為實(shí)現(xiàn)中斷而設(shè)置的各種硬件與軟件,包括中斷控制邏輯及相應(yīng)管理中斷的指令。中斷系統(tǒng)應(yīng)具有下列功能：1.能響應(yīng)中斷、處理中斷與返回

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2.能實(shí)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)排隊(duì)通常，在系統(tǒng)中有多個(gè)中斷源時(shí)，有可能出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上中斷源同時(shí)提出中斷請(qǐng)求的情況。這時(shí)，要求CPU能根據(jù)中斷源被事先確定的優(yōu)先權(quán)由高到低依次處理。3.高級(jí)中斷源能中斷低級(jí)的中斷

處理中斷嵌套示意圖如圖6.14所示。

8二、單個(gè)中斷源的中斷

先研究只有一個(gè)中斷源的簡(jiǎn)單中斷情況。簡(jiǎn)單的中斷過(guò)程應(yīng)包括：中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回等環(huán)節(jié)。

(一)中斷源向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求信號(hào)的條件中斷源是通過(guò)其接口電路向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求信號(hào)的,該信號(hào)能否發(fā)給CPU，應(yīng)滿足下列兩個(gè)條件：1.設(shè)置中斷請(qǐng)求觸發(fā)器每一個(gè)中斷源，要能向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求信號(hào),首先應(yīng)能由它的接口電路提出中斷請(qǐng)求，且該請(qǐng)求能保持著,直至CPU接受并響應(yīng)該中斷請(qǐng)求后,才能清除它。為此,要求在每個(gè)中斷源的接口電路中設(shè)置一個(gè)中斷請(qǐng)求觸發(fā)器A,由它產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，即QA=1。如圖6.15所示。

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2．設(shè)置中斷屏蔽觸發(fā)器

中斷源的中斷請(qǐng)求能否允許以中斷請(qǐng)求信號(hào)(如INTR)發(fā)向CPU,應(yīng)能受CPU的控制，以增加處理中斷的靈活性，為此，在接口電路中，還要增設(shè)一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器B。當(dāng)允許中斷時(shí)，由CPU控制使其QB端為0(不屏蔽)，QB端為1，于是，與門(mén)開(kāi)啟,中斷請(qǐng)求(QA)被允許并經(jīng)過(guò)與門(mén)以中斷請(qǐng)求信號(hào)INTR發(fā)向CPU；反之，當(dāng)禁止中斷時(shí),由CPU控制其QB端置1(屏蔽)，QB端為0，與門(mén)關(guān)閉，即使有中斷請(qǐng)求產(chǎn)生,但并不能以INTR發(fā)向CPU。

若有多個(gè)中斷源,例如8個(gè)外設(shè),則可將8個(gè)外設(shè)的中斷屏蔽觸發(fā)器組成一個(gè)端口,用輸出指令(即利用WR有效信號(hào))來(lái)控制它們的狀態(tài)。11(二)CPU響應(yīng)中斷的條件CPU開(kāi)放中斷

足夠長(zhǎng)開(kāi)中斷執(zhí)行完當(dāng)前指令122．CPU在現(xiàn)行指令結(jié)束后響應(yīng)中斷

在CPU開(kāi)中時(shí)，若有中斷 請(qǐng)求信號(hào)發(fā)至CPU,它也并不 立即響應(yīng)。而只有當(dāng)現(xiàn)行指令運(yùn)行 到最后一個(gè)機(jī)器周期的最后 一個(gè)T狀態(tài)時(shí),ＣＰＵ才采樣

INTR信號(hào)；若有此信號(hào)，則 把與門(mén)１的允許中斷輸出端 置1，于是，CPU進(jìn)入中斷響 應(yīng)周期。13(三)CPU響應(yīng)中斷及處理過(guò)程

當(dāng)滿足上述條件后，CPU就響應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)入中斷周期，完成下列幾步操作：1．關(guān)中斷

CPU響應(yīng)中斷后,在發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)(在8086/8088中為INTA)

的同時(shí),內(nèi)部自動(dòng)地(由硬件)實(shí)現(xiàn)關(guān)中斷,以免在響應(yīng)中斷后處理 當(dāng)前中斷時(shí)又被新的中斷源中斷,以至破壞當(dāng)前中斷服務(wù)的現(xiàn)場(chǎng). 2．保留斷點(diǎn)

CPU響應(yīng)中斷后，立即封鎖PC+1(此即斷點(diǎn)地址),且把此PC值 壓棧保護(hù)，以備中斷處理完畢后，CPU能返回?cái)帱c(diǎn)處繼續(xù)運(yùn)行主 程序。

14 3．保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 在CPU處理中斷服務(wù)程序時(shí)，有可能用到各寄存器,從 而改變它們?cè)谶\(yùn)主程序時(shí)所暫存的中間結(jié)果，這就破壞 了原主程序中的現(xiàn)場(chǎng)信息。為使中斷服務(wù)程序不影響主程 序的正常運(yùn)行，故要把主程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處時(shí)的有關(guān)寄存 器的內(nèi)容和標(biāo)志位的狀態(tài)壓棧保護(hù)起來(lái)。 4．給出中斷入口(地址)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序 8086/8088是由中斷源提供中斷類(lèi)型號(hào),并根據(jù)中斷類(lèi) 型號(hào)在中斷向量表中取得中斷服務(wù)程序的起始地址。15

在中斷服務(wù)程序完成后，還要執(zhí)行下述的5、6兩步操作。 5．恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 把被保留在堆棧中的各有關(guān)寄 存器的內(nèi)容和標(biāo)志位的狀態(tài)從堆棧 中彈出,送回CPU中它們?cè)瓉?lái)的位置 這個(gè)操作是在中斷服務(wù)程序中 用POP指令來(lái)完成的。

6．開(kāi)中斷與返回在中斷服務(wù)程序的最后,要開(kāi)中 斷（以便CPU能響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求)

和安排一條返回指令，將堆棧內(nèi)保 存的斷點(diǎn)PC值彈出,送回至PC,CPU

就恢復(fù)到斷點(diǎn)處繼續(xù)運(yùn)行。

上述過(guò)程如圖6.18所示16

三、向量中斷

所謂向量中斷(VectoredInterrupt)，是指通過(guò)中斷向量 來(lái)找中斷入口地址進(jìn)而轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序的一種方法；而中斷 向量則是用來(lái)提供中斷入口地址的一個(gè)地址指針。

例如8086/8088CPU的中斷系統(tǒng)就是采用這種向量中斷。其 詳細(xì)過(guò)程，將在以后討論，17四、中斷優(yōu)先權(quán)以上討論了只有一個(gè)中斷源的最簡(jiǎn)單的情況。實(shí)際的 系統(tǒng)中，具有多個(gè)中斷源,而CPU的可屏蔽中斷請(qǐng)求線往往 只有一條。如何解決多個(gè)中斷源同時(shí)請(qǐng)求中斷而只有一根 中斷請(qǐng)求線的矛盾呢?這就要求CPU按多個(gè)中斷源的優(yōu)先權(quán) 由高至低依次來(lái)響應(yīng)中斷申請(qǐng)。同時(shí),當(dāng)CPU正在處理中斷 時(shí)，還要能響應(yīng)更高級(jí)的中斷申請(qǐng)，而屏蔽掉同級(jí)或低級(jí) 的中斷申請(qǐng)。CPU可以通過(guò)軟件查詢技術(shù)或硬件排隊(duì)電路 兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)按中斷優(yōu)先權(quán)對(duì)多個(gè)中斷源的管理，也有 專門(mén)用于協(xié)助CPU按中斷優(yōu)先權(quán)處理多個(gè)中斷源的中斷控 制芯片，如后面第7章中將要介紹的8259A芯片。186.48086/8088的中斷系統(tǒng)和中斷處理

本節(jié)將主要闡述8086/8088的中斷系統(tǒng)及其中斷處理的全過(guò)程。一、8086/8088的中斷系統(tǒng)8086/8088有一個(gè)簡(jiǎn)要、靈活而多用的中斷系統(tǒng)，它采 用中斷向量結(jié)構(gòu)，使每個(gè)不同的中斷都可以通過(guò)給定一個(gè) 特定的中斷類(lèi)型號(hào)(或中斷類(lèi)型碼)供CPU識(shí)別,來(lái)處理多達(dá) 256種類(lèi)型的中斷。這些中斷可以來(lái)自外部，即由硬件產(chǎn) 生,也可以來(lái)自內(nèi)部，即由軟件（中斷指令）產(chǎn)生，或者 滿足某些特定條件(陷阱)后引發(fā)CPU中斷。19 8086/8088的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所 示，圖中給出了各主要的中斷源20

微機(jī)與外設(shè)交換信息,都必須通過(guò)接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已生產(chǎn)了各種各樣通用的可編程接口芯片，不同系列的微處理器都有其標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的接口芯片可供選用。因此，學(xué)會(huì)典型通用接口芯片的工作原理和使用方法，是掌握微機(jī)接口技術(shù)的重要基礎(chǔ)。

本章主要介紹Intel系列的8255A、8251、8253-5、8259A等幾種典型通用的接口芯片第7章可編程接口芯片及應(yīng)用217.1

接口的分類(lèi)及功能7.2

可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253-57.3

可編程中斷控制器8259A7.4

可編程并行通信接口芯片8255A7.5

可編程串行異步通信接口芯片82517.6

新型通用I/O接口標(biāo)準(zhǔn)22內(nèi)部外部接口電路基本概念23CPU外部設(shè)備接口電路1.什么是接口？242.什么是并行接口？CPU外部設(shè)備接口電路特點(diǎn)：快速，價(jià)高25什么是串行接口？CPU外部設(shè)備接口電路0101110000111010特點(diǎn)：慢速，價(jià)廉263.什么是輸入接口？CPU輸入設(shè)備輸入接口27什么是輸出接口？CPU輸出設(shè)備輸出接口28什么是雙向接口？CPU外部設(shè)備雙向接口方向控制294.什么是可編程接口？不需要改動(dòng)硬件連線，僅通過(guò)軟件編程就可以改變接口的功能和設(shè)置參數(shù)，給用戶提供了極大的方便性和靈活性30可編程雙向接口的實(shí)現(xiàn)CPU外部設(shè)備31并行接口的功能接口的分類(lèi)

按接口的功能可分為通用接口和專用接口兩類(lèi)。通用接口適用于大部分外設(shè)，如行式打印機(jī)、電傳打字機(jī)和鍵盤(pán)等都可經(jīng)通用接口與CPU相連。通用接口又可分為并行接口和串行接口。并行接口是按字節(jié)傳送的。32二、接口的功能

接口的功能很豐富，視具體的接口芯片而定，其主要的功能有：

(一)緩沖鎖存數(shù)據(jù)

通常CPU與外設(shè)工作速度不可能完全匹配,在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中難免有等待的時(shí)候。為此，需要把傳輸數(shù)據(jù)暫存在接口的緩沖寄存器或鎖存器中，以便緩沖或等待；而且，要為CPU提供有關(guān)外設(shè)的狀態(tài)信息，如外設(shè)“準(zhǔn)備好”、“忙”，或緩沖器“滿”、“空”等。(二)地址譯碼

在微機(jī)系統(tǒng)中，每個(gè)外設(shè)都被賦予一個(gè)相應(yīng)的地址編碼，外設(shè)接口電路能進(jìn)行地址譯碼，以選擇設(shè)備。33(三)傳送命令

外設(shè)與CPU之間有一些聯(lián)絡(luò)信號(hào),如外設(shè)的中斷請(qǐng)求，CPU的響應(yīng)回答等信號(hào)都需要接口來(lái)傳送。(四)碼制轉(zhuǎn)換

在一些通信設(shè)備中，其信號(hào)是以串行方式傳輸?shù)模?jì)算機(jī)的代碼是以并行方式輸入輸出的，這就需要進(jìn)行并行