第八章輸入輸出程序設(shè)計

第八章輸入輸出程序設(shè)計第一頁，共五十九頁，2022年，8月28日本章內(nèi)容提要I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送方式程序直接控制I/O方式中斷傳送方式第二頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.1I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳動方式1CPU與外設(shè)2直接存儲器存?。―MA）方式第三頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.1.1CPU與外設(shè)與CPU進行數(shù)據(jù)交換的，除了存儲器外，還有輸入輸出設(shè)備（統(tǒng)稱為外設(shè)）。輸入IN和輸出OUT指令，可以從外設(shè)讀取數(shù)據(jù)和向外設(shè)提供數(shù)據(jù)。由于外設(shè)種類繁多，其工作原理、數(shù)據(jù)格式、操作時序等各異，所以在處理器與外設(shè)之間還有一個協(xié)調(diào)兩者數(shù)據(jù)傳送的邏輯電路，稱為輸入輸出（I/O）接口電路。處理器并不直接操縱外設(shè)，而是通過I/O接口來控制外設(shè)。第四頁，共五十九頁，2022年，8月28日I/O接口電路中的寄存器I/O接口電路呈現(xiàn)給程序員的，是各種可編程寄存器。這些寄存器可以分成三類：數(shù)據(jù)寄存器——它保存和處理與外設(shè)間交換的數(shù)據(jù)；控制寄存器——處理器通過它對外設(shè)進行控制，也稱命令寄存器；狀態(tài)寄存器——外設(shè)的當前工作狀態(tài)通過它向處理器提供。在涉及外設(shè)操作的輸入輸出程序中，各種寄存器以I/O地址（端口）體現(xiàn)；對應(yīng)三類寄存器分別稱為：數(shù)據(jù)端口、控制端口、狀態(tài)端口。第五頁，共五十九頁，2022年，8月28日CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送方式程序直接控制傳送方式程序查詢I/O方式中斷傳送方式直接存儲器存?。―MA）方式第六頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.1.2直接存儲器存?。―MA）方式主要由硬件DMA控制器實現(xiàn)其傳送功能。DMA（directmemoryaccess）方式，也稱為成組數(shù)據(jù)傳送方式。主要用于一些高速的I/O設(shè)備。如磁帶、磁盤、A/D等設(shè)備。傳送數(shù)據(jù)時，每個字節(jié)一到達端口，就直接從接口送到存儲器；同樣，接口和它的DMA控制器也能直接從存儲器取出字節(jié)并把它送到I/O設(shè)備去。第七頁，共五十九頁，2022年，8月28日DMA工作原理DMA控制器（intel8237A）一般包括四個寄存器：

控制寄存器 狀態(tài)寄存器 地址寄存器 字節(jié)計數(shù)器在信息傳送前，應(yīng)初始化這些寄存器。

地址寄存器←要傳送的數(shù)據(jù)塊首地址；

字節(jié)寄存器←要傳送的數(shù)據(jù)長度（字節(jié)數(shù)）；

狀態(tài)寄存器←控制字，指出數(shù)據(jù)是輸入還是輸出，并啟動DMA操作。每個字節(jié)傳送后，地址寄存器加1，字節(jié)計數(shù)器減1。第八頁，共五十九頁，2022年，8月28日DMA傳送步驟由系統(tǒng)完成以下步驟：⑴DMA控制器向CPU發(fā)出HOLD信號，請求使用總線。⑵CPU發(fā)出響應(yīng)信號HOLD給DMA控制器，并將總線讓出，這時CPU放棄了對總線的控制，而DMA控制器獲得了總線控制權(quán)。⑶傳輸數(shù)據(jù)的存儲器地址（在地址寄存器中）通過總線發(fā)出。⑷傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)通過數(shù)據(jù)總線進行傳送。⑸地址寄存器加1，以指向下一個要傳送的字節(jié)。⑹字節(jié)計數(shù)器減1。⑺如字節(jié)計數(shù)器非0，轉(zhuǎn)向第3步。⑻否則，DMA控制器撤銷總線請求信號HOLD，傳送結(jié)束第九頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.2程序直接控制I/O方式1I/O端口2I/O指令3I/O程序舉例第十頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.2.1I/O端口80x86中，I/O端口獨立編址，允許設(shè)置64K（65535）個8位端口，或32K（32768）個16位端口。CPU和內(nèi)存通過I/O端口與外設(shè)進行通信。表8.1列出了部分端口地址（十六進制）。第十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.2.2I/O指令I(lǐng)N/OUT指令，即可傳送字節(jié)又可傳送字，使用的寄存器必須是AL或AX。直接尋址：尋址0～255號端口。間接尋址：所有端口，使用DX寄存器。IN AX,28HMOV DATA_WORD,AXIN AL,27HTEST AL,00000100HJNZ ERRORMOV DX,126HIN AL,DX ;端口126H OR AL,80H ;第7位控制成組數(shù)據(jù)傳送OUT DX,AL第十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.2.3I/O程序舉例例8.1發(fā)聲子程序SOUND例8.2 查詢方式

打印字符程序PRT_CHAR例8.3 查詢方式 控制數(shù)據(jù)輸入第十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.3中斷傳送方式18086的中斷分類2中斷向量表3中斷過程4中斷優(yōu)先級和中斷嵌套5中斷處理過程第十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日中斷的相關(guān)概念

中斷是CPU和外設(shè)進行數(shù)據(jù)傳送的有效辦法。它可以避免因反復(fù)查詢外設(shè)狀態(tài)而浪費的時間，從而提高CPU的效率。中斷是一種使CPU中止正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去處理特殊事件的操作。中斷源——引起中斷的事件。外部中斷（硬件中斷）——由外設(shè)控制器或協(xié)處理器引起的中斷。內(nèi)部中斷（軟件中斷）——由程序中安排的中斷指令I(lǐng)NT產(chǎn)生的中斷，或由CPU的某些錯誤結(jié)果產(chǎn)生的中斷。8080/8088的中斷源如圖8.3所示。第十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.3.18086的中斷分類軟件中斷硬件中斷第十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.軟件中斷軟件中斷又稱內(nèi)中斷。它通常由三種情況引起：由中斷指令I(lǐng)NT引起；由于CPU的某些錯誤引起；為調(diào)試程序（DEBUG）設(shè)置的中斷。第十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日（1）中斷指令I(lǐng)NT引起的內(nèi)中斷CPU執(zhí)行完一條INTn指令后，會立即產(chǎn)生中斷，并調(diào)用系統(tǒng)中相應(yīng)的中斷處理程序來完成中斷功能，n指出中斷類型號。INT指令可以指定0~0FFH中的任何類型號。除系統(tǒng)占用的類型號之外，用戶還可利用為用戶保留的類型號擴充新的中斷處理功能。INTn、INTO、除法錯中斷都不能被禁止，而且比任何外部中斷的優(yōu)先級都高。第十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日（2）處理CPU某種錯誤的中斷除法錯中斷：INT0在執(zhí)行除法時，如果除數(shù)為0或商超過了寄存器所能表達的范圍，則產(chǎn)生一個類型為0的中斷。溢出中斷：INTO 中斷類型號為4若溢出標志OF=1，則產(chǎn)生溢出中斷；否則，不產(chǎn)生中斷，CPU繼續(xù)運行原程序。該中斷的處理程序，主要是打印出一個錯誤信息，在處理結(jié)束后，不返回原程序繼續(xù)執(zhí)行，而是把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。如： ADD AX,VALUE INTO ;測試加法溢出第十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日（3）為調(diào)試程序（DEBUG）設(shè)置的中斷

單步中斷：為尋找程序中的問題，進行單步工作（一次只執(zhí)行一條指令）。類型號為1。當單步標志位TF＝1時，每條指令執(zhí)行后，CPU會自動產(chǎn)生單步中斷。使用單步中斷可以逐條指令地跟蹤程序的流程，觀察CPU每執(zhí)行一條指令后，各個寄存器及有關(guān)存儲單元的變化，從而指出和確定產(chǎn)生錯誤的原因。

斷點中斷：將程序分段，為每段設(shè)置一個斷點。中斷類型號為3。當CPU執(zhí)行到斷點時便產(chǎn)生中斷，可以檢查各寄存器及有關(guān)存儲單元的內(nèi)容。斷點可以設(shè)置在程序的任何的地方。第二十頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.硬件中斷硬件中斷又稱外中斷。硬件中斷主要有兩種來源：非屏蔽中斷（NMI）——為電源錯、內(nèi)存或I/O總線的奇偶等異常事件的中斷保留的。中斷類型號為2?？善帘沃袛唷獊碜愿鞣N外設(shè)的中斷。由外設(shè)的請求引起的中斷。可屏蔽中斷受中斷標志IF控制；非屏蔽中斷和IF位無關(guān)。第二十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日可屏蔽中斷從外設(shè)發(fā)出中斷請求到CPU響應(yīng)中斷，有兩個控制條件起決定性作用：

該外設(shè)的中斷請求是否屏蔽——由中斷屏蔽寄存器（IMR）控制。

CPU是否允許響應(yīng)中斷——由標志寄存器（FLAGS）中的中斷允許位IF控制。第二十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日中斷屏蔽寄存器中斷屏蔽寄存器的端口地址是21H，如圖8.4所示。中斷屏蔽寄存器可分別控制某個可屏蔽中斷源。在編寫中斷程序時，應(yīng)在主程序的初始化部分設(shè)置好中斷屏蔽寄存器，以確定允許用中斷方式工作的外部設(shè)備。;系統(tǒng)重設(shè)鍵盤中斷IN AL,21HMOV AL,11111101BOUT 21H,AL第二十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日控制CPU的中斷允許標志IFCPU是否響應(yīng)中斷還與中斷允許標志IF有關(guān)。IF=0，CPU禁止響應(yīng)任何外設(shè)的中斷（關(guān)中斷）；IF=1，允許CPU響應(yīng)外設(shè)的中斷請求（開中斷）。中斷允許標志IF是控制所有可屏蔽中斷的。當任何類型的中斷發(fā)生時，當前的FLAGS要入棧保存，然后清除IF位，進入中斷處理程序，如果允許在一個中斷處理程序的執(zhí)行過程中發(fā)生硬中斷，則必須用一條STI指令開中斷。當中斷返回時，恢復(fù)了原FLAGS的值，其中IF=1，則允許硬中斷再次發(fā)生。STI 設(shè)置中斷允許位（IF=1）CLI 清除中斷允許位（IF=0）第二十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日中斷命令寄存器在一次中斷處理結(jié)束之前，還應(yīng)給8259A的可編程中斷控制器的中斷命令寄存器發(fā)出中斷結(jié)束命令（EOI：endofinterrupt），否則以后將屏蔽掉對同級中斷或低級中斷的處理。中斷命令寄存器的I/O端口地址為20H（如圖8.4所示）。在中斷處理過程中，也可利用EOI命令清除當前中斷請求，以響應(yīng)同級或低級中斷。;結(jié)束硬件中斷MOV AL,20HOUT 20H,AL第二十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.3.2中斷向量表每個中斷都有一個中斷類型號。80x86可處理256種類型的中斷，類型號為0～0FFH。中斷向量表就是各類型中斷處理程序的入口地址表。存儲器的最低1.5KB，從0000～5FFH為系統(tǒng)占用，其中，最低的1KB，從0000～003FFH存放中斷向量表。256個中斷向量，每個中斷向量占4個字節(jié)。每類中斷向量的地址＝中斷類型號×4。圖8.5給出了中斷向量表。表8.2給出了中斷向量表地址分配。圖8.6展示了中斷操作步驟。第二十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日中斷操作步驟中斷操作步驟：取中斷類型號；計算中斷向量地址；取中斷向量，偏移地址送IP，段地址送DS；轉(zhuǎn)入中斷處理程序；中斷返回到INT指令的下一條指令。第二十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日為中斷類型N設(shè)置中斷向量 MOV AX,0 MOV ES,AX MOV BX,N*4 MOV AX,OFFSETINTHAND MOV ES:WORDPTR[BX],AX MOV AX,SEGINTHAND MOV ES:WORDPTR[BX+2],AX …INTHAND: … IRET用戶可以利用保留的中斷類型號擴充自己需要的中斷功能，對新增加的中斷功能要在中斷類型表中建立相應(yīng)的中斷向量。第二十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日使用DOS功能調(diào)用（21H）存取中斷向量例8.4 使用DOS功能調(diào)用存取中斷向量第二十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.3.3中斷過程當中斷發(fā)生時，由中斷機構(gòu)自動完成下列操作：取中斷類型號N；標志寄存器（FLAGS）內(nèi)容入棧；當前代碼段寄存器（CS）內(nèi)容入棧；當前指令指針寄存器（IP）內(nèi)容入棧；禁止硬件中斷和單步中斷（IF=0,TF=0）；從中斷向量表中取4×N的字內(nèi)容送IP，取4×N+2的字內(nèi)容送CS；轉(zhuǎn)中斷處理程序。如圖8.7的中斷過程示意圖。第三十頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.3.4中斷優(yōu)先級和中斷嵌套8086規(guī)定的中斷優(yōu)先級次序為：優(yōu)先級 高 軟件中斷（除法錯，INTO，INT） 非屏蔽中斷（NMI） 可屏蔽中斷（INTR） 低 單步中斷可屏蔽中斷的優(yōu)先權(quán)分為八級，正常情況下，優(yōu)先級次序是：IR0,IR1,IR2,IR3,IR4,IR5,IR6,IR7定時器 打印機優(yōu)先級高 低第三十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日8259A的中斷命令寄存器控制優(yōu)先級8259A的中斷命令寄存器的第6、7位控制各種中斷請求的優(yōu)先級次序。R SL0 0 正常優(yōu)先級方式0 1 清除由L2~L0指定的中斷請求1 0 各中斷優(yōu)先級依次左循環(huán)一個位置1 1 各中斷優(yōu)先級依次循環(huán)到由L2~L0指定的中斷 請求到達最低優(yōu)先級位置上 ;使優(yōu)先級次序再左循環(huán)一個位置MOV AL,10100000OUT 20H,AL ;IR6,IR7,IR0,IR1,IR2,IR3,IR4,IR5第三十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日中斷嵌套中斷嵌套：正在運行的中斷處理程序，又被其他中斷源中斷的情況。80x86沒有規(guī)定中斷嵌套的深度（中斷程序又被中斷的層次），實際受堆棧容量的限制。一個中斷處理程序，在開中斷的情況下，可以被優(yōu)先級高于它的中斷源中斷。只有發(fā)出了EOI命令，清除正在執(zhí)行的中斷請求，才可以響應(yīng)同級或低級的中斷。

如圖8.8所示：正常優(yōu)先級方式下，優(yōu)先級中斷和中斷嵌套發(fā)生時的處理過程。第三十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日8.3.5中斷處理程序主程序為響應(yīng)中斷所做的準備工作以及硬件（包括CPU和外設(shè)接口）自動完成以下動作：第三十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日中斷響應(yīng)的特殊情況注意：設(shè)備發(fā)到CPU的中斷請求信號在時間上是隨機的，只要未被屏蔽的設(shè)備本身的狀態(tài)是準備好或空閑的，它就會向CPU請求中斷，如果此時CPU正在執(zhí)行一條指令，那么要等到這條指令執(zhí)行完后，才響應(yīng)中斷。加封鎖的指令（如LOCKMOVAX,BX）應(yīng)看作一條指令；對加重復(fù)前綴的指令（如REPMOVSB）要作為一個整體來處理，執(zhí)行一次重復(fù)串指令即可響應(yīng)中斷；對MOV、POP指令，如果處理對象是段寄存器，那么執(zhí)行完本條指令后，接著再執(zhí)行一條指令才響應(yīng)中斷。對STI和IRET指令，也要在該指令執(zhí)行完后，再執(zhí)行一條指令才響應(yīng)中斷。第三十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日中斷處理子程序中斷處理子程序的編寫步驟：保存寄存器內(nèi)容；如允許嵌套，則開中斷（STI）；處理中斷；關(guān)中斷（CLI）；送中斷結(jié)束命令（EOI）給中斷命令寄存器；恢復(fù)寄存器內(nèi)容；返回被中斷的程序（IRET）。注意：CPU產(chǎn)生一次中斷，I/O設(shè)備只完成一個字節(jié)（或字）的輸入輸出，所以中斷處理程序所用的指針變量或數(shù)據(jù)變量一般應(yīng)設(shè)置存儲單元來保存。第三十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日中斷程序設(shè)計舉例例8.5 響鈴 P300-303例8.6 鍵盤輸入、打印機輸出 P303-310例8.7 P310-313除數(shù)為0的中斷處理程序 第三十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日練習(xí)與作業(yè)P313-314習(xí)題練習(xí)： 8.5、8.6提交作業(yè)： 8.12第三十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日I/O接口電路示意圖處理器數(shù)據(jù)寄存器狀態(tài)寄存器控制寄存器輸入輸出設(shè)備數(shù)據(jù)總線控制總線地址總線外設(shè)數(shù)據(jù)狀態(tài)信號控制信號I/O接口電路第三十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日表8.1I/O端口地址分配第四十頁，共五十九頁，2022年，8月28日

例8.1發(fā)聲程序-1這是一個最基本的控制揚聲器發(fā)出聲音的子程序。通過I/O指令使設(shè)備控制寄存器（I/O端口地址為61H）的第一位交替為0和1，而端口61H的第1位和揚聲器的脈沖門相連（見圖8.1），當?shù)?位由0變?yōu)?，延遲一會又由1變?yōu)?時，脈沖門就先打開后關(guān)閉，產(chǎn)生了一個脈沖電流。這個脈沖電流被放大后送到揚聲器使之發(fā)出了聲音。61H端口的第0位和一個振蕩器（2號定時器）相連，現(xiàn)在不用振蕩器產(chǎn)生聲音，所以把第0位置零。第四十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日

例8.1發(fā)聲程序-2;入口參數(shù)：聲音頻率BX=6000，發(fā)聲延遲CX=1000。 SOUND PROC NEAR PUSH AX PUSH DX MOV DX,CX IN AL,61H AND AL,11111100BTRIG: XOR AL,2 OUT 61H,AL MOV CX,BX ;控制脈沖門開關(guān)DELAY: ;的時間

第四十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日

例8.1發(fā)聲程序-3 LOOP DELAY DEC DX JNE TRIG POP DX POP AX RETSOUND ENDP第四十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日

圖8.1設(shè)備控制器通常一個外設(shè)的數(shù)據(jù)端口是8位的，而狀態(tài)與控制信息只需一位或兩位，所以不同外設(shè)的狀態(tài)和控制位可共用一個端口。61H端口的0、1位是控制揚聲器的，2~7位分別控制其他外部設(shè)備。第四十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日程序查詢I/O方式這種CPU與外設(shè)交換信息的方式稱為查詢方式或等待方式。造成CPU必須查詢等待的主要原因是許多外設(shè)工作速度比較低。查詢方式的優(yōu)點：可以用程序安排幾個輸入輸出設(shè)備的先后優(yōu)先次序，最先查詢的設(shè)備，其工作的優(yōu)先級也最高。查詢方式的缺點：浪費了CPU的時間，而且由查詢轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理陳許的時間較長，尤其是在設(shè)備比較多的情況下。為了提高CPU的工作效率，可以采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)。第四十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日

例8.2打印字符程序-1采用查詢方式的打印字符程序。程序通過反復(fù)讀取并測試打印機的狀態(tài)來控制輸出。數(shù)據(jù)寄存器的端口地址為378H，狀態(tài)寄存器的端口地址為379H，控制寄存器的端口地址為37AH。它們各位的含義如圖8.2所示。第四十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日

例8.2打印字符程序-2 .modelsmall .stack .datamess db ‘Printerisnormal’,0dh,0ahcount equ $-mess .code .startup mov si,offsetmess mov cx,countnext: mov dx,379hwait: in al,dx test al,80h測試狀態(tài)寄存器的第7位，如果為0，表示打印機忙，這時CPU不能送出打印數(shù)據(jù)；所以程序再次循環(huán)，直到第7位變?yōu)?，表示打印機空閑，程序才從數(shù)據(jù)區(qū)讀取一個字符送到打印機的數(shù)據(jù)寄存器。并由控制器發(fā)出一個選通信號（端口37AH的第0位），控制打印機將這個字符打印輸出。第四十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日

例8.2打印字符程序-3 je wait mov al,[si] mov dx,378h out dx,al mov dx,37ah mov al,0dh out dx,al inc si loop next .exit 0 end第四十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日

圖8.2打印機的狀態(tài)寄存器和控制寄存器第四十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日

例8.3輪流查詢-1CPU要從3個設(shè)備輪流輸入數(shù)據(jù)，PROC1、PROC2、PROC3分別是設(shè)備1、設(shè)備2和設(shè)備3的數(shù)據(jù)輸入程序，它們的狀態(tài)寄存器的端口地址分別是STAT1、STAT2、STAT3，這三個狀