微機(jī)原理 第六章 輸入輸出和中斷技術(shù)1

第6章輸入/輸出和中斷技術(shù)6.1輸入輸出及接口6.2輸入和輸出的傳送方式6.3 中斷技術(shù)6.4 80X86/Pentium中斷系統(tǒng)6.5 8259A可編程中斷控制器6.6 中斷程序設(shè)計(jì)

6.1輸入輸出及接口接口

I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路，它不僅包括接口的電路，還包括接口電路的管理驅(qū)動(dòng)程序。為什么需要I/O接口I/O設(shè)備工作速度不同I/O設(shè)備數(shù)據(jù)字長不同I/0設(shè)備可能是模擬或數(shù)字的I/O設(shè)備的控制信號不同I/O接口I/O的功能輸入輸出數(shù)據(jù)的緩沖和鎖存 輸出接口有鎖存環(huán)節(jié) 輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)信號形式和數(shù)據(jù)格式的變換 I/O端口尋址、控制信號產(chǎn)生電氣特性匹配I/O信息數(shù)據(jù)信息：數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量狀態(tài)信息控制信息I/O接口的構(gòu)成端口：I/O接口通常設(shè)置有若干個(gè)寄存器，用來暫存CPU和外設(shè)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息,接口內(nèi)的寄存器通常被稱為端口。根據(jù)寄存器內(nèi)暫存信息的類型，分別稱為數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口每個(gè)端口有一個(gè)獨(dú)立的地址，CPU可以用端口地址代碼來區(qū)別各個(gè)不同的端口，并對它們分別進(jìn)行讀/寫操作I/O端口INAL,21HI/O端口OUT43H,ALI/O接口的編址存儲(chǔ)器映象編址I/O單獨(dú)編址屬性統(tǒng)一編址單獨(dú)編址應(yīng)用motorola的M6800系列，iMCS51系列80X86,MCS96系列，Z80系列特點(diǎn)1.I/O端口相當(dāng)于內(nèi)存的一部分,使內(nèi)存容量減小2.對I/O端口的讀/寫與對存儲(chǔ)器的讀/寫相同，所有可對內(nèi)存操作的指令對I/O端口均可使用3.指令系統(tǒng)中不專設(shè)I/O指令1.端口與存儲(chǔ)器分別獨(dú)立編址，端口不占用內(nèi)存空間2.設(shè)有專門的I/O指令對端口進(jìn)行讀寫，內(nèi)存操作的指令不能用于I/O端口I/O接口的編址獨(dú)立編址統(tǒng)一編址端口地址譯碼門電路譯碼門電路譯碼是最基本的也是最簡單的地址譯碼方法，通常采用各種門電路，如與門、或門、非門等電路的組合。設(shè)計(jì)時(shí)首先分配好地址，然后寫成二進(jìn)制形式，再根據(jù)地址總線數(shù)分配各與非門輸入管腳地址。門電路譯碼需要芯片較多，且譯出的端口地址單一，接口中用到的端口地址不能更改門電路譯碼【例】設(shè)計(jì)端口地址為218H的譯碼電路分析：CPU執(zhí)行IN/OUT指令時(shí)，發(fā)出端口的地址信號

MOVDX,218H

INAL,DX

或

OUTDX,AL對應(yīng)218H端口的地址信號為（只取A9~A0）：

A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0(地址信號)1000011000B218H只要滿足此地址取值的譯碼電路均可門電路譯碼譯碼電路部分滿足：只當(dāng)?shù)刂沸盘朅9~A0為：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即218H時(shí)，輸出“0”，使I/O接口的CS有效否則輸出“1”使I/O接口的CS無效地址重疊(16根地址線)：64個(gè)地址重疊區(qū)，如218，618,

A18，E18等等譯碼器譯碼若接口電路中需使用多個(gè)端口地址，則采用譯碼器譯碼比較方便。譯碼器的型號很多，如3－8譯碼器74LS138；4－16譯碼器74LS154；雙2－4譯碼器74LS139、74LS155等。這些譯碼器通常由三個(gè)部分組成：譯碼控制端，選擇輸入端，譯碼輸出端。譯碼器譯碼當(dāng)端口地址信號為：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即218H時(shí),Y0輸出0，I/O接口的CS有效比較器譯碼將比較器的A(或B)輸入端輸入地址信號，B(或A)端接一組DIP(DualIn-linePackage)開關(guān)。地址總線所送的地址與DIP所設(shè)置的地址相等時(shí)，產(chǎn)生一選通信號輸出。特點(diǎn)：可以通過改變DIP開關(guān)的設(shè)置，很容易地改變接口的地址。不但同一功能的模塊在不同微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用中可以被分配不同的地址，而且即使在同一微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，也可通過改變DIP開關(guān)的設(shè)置而控制不同的設(shè)備.。這種譯碼電路應(yīng)用非常廣泛，常用的比較器有四位比較器74LS85和八位比較器74LS688。比較器譯碼鎖存和緩沖輸入接口的鎖存和緩沖內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳鎖存控制鎖存器緩沖器DCDCDCQQQ選通鎖存和緩沖輸出接口的鎖存和緩沖內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳鎖存控制DCQDCQDCQ讀數(shù)據(jù)6.2輸入輸出的傳送方式程序控制的輸入輸出無條件傳送查詢傳送中斷控制的輸入輸出直接存儲(chǔ)器訪問方式（DMA）無條件傳送方式所謂無條件，就是假設(shè)外設(shè)已處于就緒狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳送時(shí)，程序就不必再去查詢外設(shè)的狀態(tài)，而直接執(zhí)行I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如LED等。當(dāng)簡單外設(shè)作為輸入設(shè)備時(shí)，其輸入數(shù)據(jù)的保持時(shí)間相對于CPU的處理時(shí)間要長得多，所以可直接使用三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。當(dāng)簡單外設(shè)作為輸出設(shè)備時(shí)，由于外設(shè)的速度較慢，CPU送出的數(shù)據(jù)必須在接口中保持一段時(shí)間，以適應(yīng)外設(shè)的動(dòng)作，因此輸出采用鎖存器。無條件傳送方式無條件傳送方式查詢傳送方式查詢傳送方式在傳送數(shù)據(jù)前先查詢外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好時(shí)，CPU執(zhí)行I/O指令傳送數(shù)據(jù)；若未準(zhǔn)備好時(shí)，則CPU等待。要求CPU與外設(shè)間的接口電路需要兩個(gè)端口：數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口。優(yōu)點(diǎn)：能較好地協(xié)調(diào)外設(shè)與CPU之間的定時(shí)關(guān)系，因而比無條件傳送方式容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確傳送。缺點(diǎn):該方式需要不斷查詢外設(shè)的狀態(tài)，大量時(shí)間花在等待循環(huán)中，當(dāng)主機(jī)與中、低速外設(shè)交換信息時(shí)，大大降低了CPU利用率。查詢傳送方式查詢傳送方式輸入查詢傳送方式輸入例：設(shè)接口電路中狀態(tài)端口的地址為STATUS，數(shù)據(jù)端口的地址為DATA，則CPU讀取輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)應(yīng)執(zhí)行下列程序段：

POLL:INAL,STATUS；①TESTAL,80H；②

JEPOLL；③INAL,DATA；④查詢傳送方式輸出查詢傳送方式輸出例：設(shè)接口電路中狀態(tài)端口的地址為STATUS，數(shù)據(jù)端口的地址為DATA，則CPU將內(nèi)存STORE單元的內(nèi)容送至輸出設(shè)備應(yīng)執(zhí)行下列程序段：

POLL:INAL,STATUS；①TESTAL,80H；②JNEPOLL；③MOVAL,STORE；④OUTDATA，AL；⑤中斷控制的輸入輸出含義:在中斷方式下，外設(shè)掌握向CPU申請服務(wù)的主動(dòng)權(quán)，當(dāng)輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，或者輸出設(shè)備已做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備時(shí)，向CPU發(fā)出中斷請求信號，要求CPU為其服務(wù)。若此時(shí)中斷允許觸發(fā)器是開放的，則CPU暫停目前的工作，與外設(shè)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，等I/O操作完成以后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。優(yōu)點(diǎn):保證了CPU對外設(shè)的實(shí)時(shí)服務(wù)，又不會(huì)因?qū)Ω鱅/O設(shè)備的隨時(shí)關(guān)照而花費(fèi)CPU太多的機(jī)時(shí)，使高速運(yùn)行的CPU與速度參差不齊的各種外設(shè)之間形成了良好的匹配(并行工作)關(guān)系，確保了CPU的高效率。缺點(diǎn):為了實(shí)現(xiàn)中斷傳送，要求在CPU與外設(shè)之間設(shè)置中斷控制器，增加了硬件開銷。中斷控制的輸入輸出中斷控制的輸入輸出直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn):傳送速率很高，這對高速度大批量數(shù)據(jù)傳送特別有用。缺點(diǎn):要求設(shè)置DMA控制器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件開銷大直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)6.3中斷技術(shù)中斷源中斷處理過程中斷服務(wù)子程序中斷系統(tǒng)的功能：1、正確識別中斷請求，實(shí)現(xiàn)中斷響應(yīng)、中斷處理及中斷返回2、實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級排隊(duì)3、實(shí)現(xiàn)中斷嵌套中斷的分類中斷分為內(nèi)部中斷和外部中斷，每種又包含幾種類型，中斷時(shí)產(chǎn)生一條INTn指令，n表示不同的中斷類型號。內(nèi)部中斷和外部中斷內(nèi)部中斷（軟件中斷）CPU內(nèi)部執(zhí)行程序時(shí)自身產(chǎn)生的中斷如被0除、溢出、INTn等外部中斷（硬件中斷） CPU以外的設(shè)備、部件產(chǎn)生的中斷非屏蔽中斷 如電源掉電、內(nèi)存奇偶錯(cuò)等故障中斷可屏蔽中斷 如打印機(jī)、CRT、磁盤等輸入輸出設(shè)備中斷中斷處理過程中斷請求中斷判優(yōu)中斷響應(yīng)中斷處理中斷返回中斷的優(yōu)先權(quán)軟件排優(yōu)硬件排優(yōu)