微機(jī)原理-清華大學(xué)出版社-馮博琴-吳寧-第6章-輸入輸出和中斷技術(shù)

第6章

輸入輸出及中斷技術(shù)1§6.1輸入輸出系統(tǒng)28086/8088的尋址能力：內(nèi)存：1MB端口：64KB編址方式：與內(nèi)存統(tǒng)一編址獨(dú)立編址3I/O映象方式和存儲(chǔ)器映象方式存儲(chǔ)器映象方式把一個(gè)I/O端口看作一個(gè)存儲(chǔ)單元，相當(dāng)于給每一個(gè)I/O端口分配一個(gè)存儲(chǔ)器地址優(yōu)點(diǎn)：指令豐富，I/O端口空間大，尋址的控制邏輯比較簡單缺點(diǎn)：內(nèi)存空間相對減小，地址譯碼電路比較復(fù)雜，存儲(chǔ)器操作指令字節(jié)長，降低了I/O操作速度，分析程序困難。I/O接口的編址方式4端口與內(nèi)存的統(tǒng)一編址特點(diǎn)：指令及控制信號(hào)統(tǒng)一內(nèi)存地址資源減少內(nèi)存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH5I/O映象方式I/O端口空間與存儲(chǔ)器空間各自獨(dú)立，互不干涉優(yōu)點(diǎn)：I/O空間與存儲(chǔ)器空間可分開設(shè)計(jì)，采用單獨(dú)的I/O指令，程序清晰。I/O地址線較少，所以譯碼電路簡單。I/O指令格式短，執(zhí)行時(shí)間快6端口的獨(dú)立編址特點(diǎn)：內(nèi)存地址資源充分利用能夠應(yīng)用于端口的指令較少內(nèi)存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H7統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址的示意圖

（b）獨(dú)立編址方式I/O空間00HFFH00000H內(nèi)存空間FFFFFH1M內(nèi)存空間

（a）統(tǒng)一編址方式

00000H供I/O接口使用FFFFFHFFFFH0000H8I/O端口CPU數(shù)據(jù)狀態(tài)控制外設(shè)I/O接口DB9I/O端口地址的譯碼常見的端口地址選擇方法有兩種：門電路組合法、譯碼器譯碼法10§6.3基本輸入/輸出方法11基本輸入/輸出方法無條件傳送查詢式傳送中斷方式傳送直接存儲(chǔ)器存取(DMA)程序控制方式12一、無條件傳送CPU可在任何時(shí)刻與I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)，對CPU而言，I/O設(shè)備總是處于“準(zhǔn)備好”狀態(tài)無條件傳送方式又稱同步方式，是最簡單的一種I/O控制方式多用于CPU與低速接口之間的信息交換。如開關(guān)、繼電器、LED顯示器，它們總是被認(rèn)為處于“待命”狀態(tài)13開關(guān)K通過三態(tài)門接口與系統(tǒng)的連接14二、查詢工作方式查詢方式是有條件的傳送控制方式所謂查詢，就是詢問外部設(shè)備的工作狀態(tài)，通過這一狀態(tài)來判定外設(shè)是否已具備了與CPU交換數(shù)據(jù)的條件程序查詢方式的硬件接口部分應(yīng)包括數(shù)據(jù)端口，狀態(tài)端口，端口選擇及控制邏輯等三個(gè)部分程序?qū)γ總€(gè)I/O設(shè)備的查詢，是通過檢查該設(shè)備的狀態(tài)標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)的查詢方式特點(diǎn)：I/O操作由CPU啟動(dòng)，即CPU是主動(dòng)的而I/O是被動(dòng)的，所有的傳送都與程序的執(zhí)行同步15查詢工作方式優(yōu)點(diǎn)：軟硬件比較簡單缺點(diǎn)：CPU效率低，數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性差，速度較慢16READY?進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換讀入并測試外設(shè)狀態(tài)YN傳送完？Y結(jié)束N開始每滿足一次條件只能進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送17對多個(gè)外設(shè)的查詢最簡單的查詢方法是用輸入指令I(lǐng)N逐個(gè)讀取I/O設(shè)備的狀態(tài)標(biāo)志，并對狀態(tài)標(biāo)志進(jìn)行相應(yīng)的測試18三、中斷控制方式中斷方式：CPU對一個(gè)隨機(jī)的請求進(jìn)行處理的過程特點(diǎn)：外設(shè)在需要時(shí)向CPU提出請求，CPU再去為它服務(wù)。服務(wù)結(jié)束后或在外設(shè)不需要時(shí)，CPU可執(zhí)行自己的程序優(yōu)點(diǎn)：CPU效率高，實(shí)時(shí)性好，速度快。缺點(diǎn)：程序編制相對較為復(fù)雜19以上三種I/O方式的共性信息的傳送均需通過CPU軟件：外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送是通過CPU執(zhí)行程序來完成的硬件：I/O接口和存儲(chǔ)器的讀寫控制信號(hào)、地址信號(hào)都是由CPU發(fā)出的。缺點(diǎn)：程序的執(zhí)行速度限定了傳送的最大速度20四、DMA控制方式特點(diǎn)：外設(shè)直接與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，CPU不再擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪檎撸豢偩€由DMA控制器（DMAC）進(jìn)行控制（CPU要放棄總線控制權(quán)），內(nèi)存/外設(shè)的地址和讀寫控制信號(hào)均由DMAC提供。21DMA控制方式DMAC外設(shè)接口CPUQRDMEMDACKHOLDHLDA…BUS控制信號(hào)地址信號(hào)22DMA控制方式的工作過程外設(shè)向DMA控制器發(fā)出“DMA傳送請求”信號(hào)DRQ；DMA控制器收到請求后，向CPU發(fā)出“總線請求”信號(hào)HOLD；CPU在完成當(dāng)前總線周期后會(huì)立即發(fā)出HLDA信號(hào)，對HOLD信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)；DMA控制器收到HLDA信號(hào)后，就開始控制總線，并向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)DACK23§6.4中斷技術(shù)24一、中斷的基本概念中斷：CPU執(zhí)行程序時(shí)，由于發(fā)生了某種隨機(jī)的事件(外部或內(nèi)部)，引起CPU暫時(shí)中斷正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段特殊的服務(wù)程序(稱為中斷服務(wù)程序或中斷處理程序)，以處理該事件，該事件處理完后又返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行，這一過程稱為中斷。25中斷源引起CPU中斷的事件，發(fā)出中斷請求的來源。內(nèi)部中斷外部中斷異常中斷軟件中斷可屏蔽中斷非屏蔽中斷異常事件引起中斷指令引起INTR中斷NMI中斷26二、外部中斷響應(yīng)的一般過程中斷請求中斷源識(shí)別及中斷判優(yōu)中斷響應(yīng)中斷處理（服務(wù)）中斷返回271、中斷請求中斷請求是由中斷源發(fā)出的請求服務(wù)的信號(hào)中斷源：能夠發(fā)出中斷請求信號(hào)的來源中斷源通常有如下幾種：一般的I/O設(shè)備，如鍵盤、打印機(jī)等。故障源，包括硬件故障及軟件故障，如電源掉電、存儲(chǔ)器故障、運(yùn)算溢出等中斷源能夠產(chǎn)生中斷請求信號(hào)有兩個(gè)條件：中斷源自身工作已經(jīng)“準(zhǔn)備就緒”CPU允許該中斷源申請中斷282、中斷判優(yōu)在中斷系統(tǒng)中，根據(jù)中斷源的輕重緩急，為每個(gè)中斷源規(guī)定了一個(gè)服務(wù)優(yōu)先級別，稱中斷優(yōu)先級，或中斷優(yōu)先權(quán)中斷優(yōu)先權(quán)排隊(duì)一般有兩種方法，即軟件查詢法和硬件排隊(duì)法軟件查詢法：用軟件查詢中斷源，根據(jù)查詢的順序先后來確定中斷源的優(yōu)先級。先查詢的優(yōu)先級就高，后查詢的優(yōu)先級就低，只要改變查詢次序，就可以改變中斷源的中斷優(yōu)先級硬件排隊(duì)法：用硬件判優(yōu)邏輯電路來確定申請中斷中的最高優(yōu)先級，系統(tǒng)中各中斷源的優(yōu)先級別是由它們在判優(yōu)電路中的位置決定的29中斷判優(yōu)軟件判優(yōu)順序查詢中斷請求，先查詢的先服務(wù)（即先查詢的優(yōu)先級別高）硬件判優(yōu)鏈?zhǔn)脚袃?yōu)、并行判優(yōu)（中斷向量法）303、中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)條件：外部設(shè)備有中斷請求CPU自身允許中斷沒有更高級的中斷正在被服務(wù)CPU在每條指令結(jié)束后響應(yīng)中斷在中斷響應(yīng)周期，硬件自動(dòng)完成一些必要的操作：關(guān)中斷保護(hù)斷點(diǎn)將中斷服務(wù)程序的入口地址送入程序計(jì)數(shù)器，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序314、中斷處理執(zhí)行中斷服務(wù)子程序中斷服務(wù)子程序的特點(diǎn)：為“遠(yuǎn)過程”用IRET指令返回32中斷服務(wù)子程序完成的工作關(guān)中斷，保護(hù)斷點(diǎn)，找入口地址保護(hù)軟件現(xiàn)場（參數(shù)）開中斷（STI）中斷處理關(guān)中斷（CLI）恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回335、中斷返回執(zhí)行IRET指令，使IP、CS和FLAGS從堆棧彈出348088可以處理256種不同類型的中斷，類型號(hào)為0～2558088的中斷分為內(nèi)部中斷和外部中斷兩大類外部中斷：由CPU外部引起的中斷，需要外設(shè)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)來通知CPU，包括非屏蔽中斷NMI和可屏蔽中斷INTR內(nèi)部中斷：由CPU狀態(tài)的改變或執(zhí)行中斷指令而產(chǎn)生的中斷，它不受IF的控制，主要用于功能調(diào)用、程序調(diào)試和意外情況處理。包括：除法錯(cuò)中斷、單步中斷、溢出中斷、軟件中斷三、8088/8086中斷系統(tǒng)35內(nèi)部中斷外部中斷異常中斷軟件中斷非屏蔽中斷可屏蔽中斷256個(gè)中斷源除法錯(cuò)中斷溢出中斷單步中斷…36NMIINTR中斷邏輯軟件中斷指令溢出中斷除法錯(cuò)單步中斷非屏蔽中斷請求中斷控制器8259APIC8086/8088CPU內(nèi)部邏輯斷點(diǎn)中斷可屏蔽中斷請求n430128086/8088中斷源類型：37內(nèi)部中斷與外部中斷的主要區(qū)別外部中斷需要從數(shù)據(jù)總線上讀取中斷類型碼，而內(nèi)部中斷的中斷類型碼是指令的一部分外部中斷受IF的控制，IF直接控制中斷允許觸發(fā)器。而內(nèi)部中斷不受IF的控制內(nèi)部中斷的優(yōu)先級別比外部中斷要高（除單步中斷外）中斷源的優(yōu)先級別由高到低順序：內(nèi)部中斷、NMI、INTR、單步中斷38中斷向量表存放各類中斷的中斷服務(wù)程序的入口地址（CS:IP）；每個(gè)入口占用4Bytes，低字為段內(nèi)偏移，高字為段基址；表的地址位于內(nèi)存的00000H～003FFH，大小為1KB，共256個(gè)入口。39中斷向量表：中斷服務(wù)程序的入口地址表┇┇00000H003FFH段地址CS高8位偏移地址IP低8位偏移地址IP高8位段地址CS低8位012┇34×256＝1024＝1K1023入口地址40中斷向量地址的計(jì)算向量表所在的段地址=0存放子程序入口的單元的偏移地址=n×4例：已知中斷類型碼為21H的中斷，其中斷向量存放在？4×21H＝84H，所以存放在0000H：0084Hp27441§6.5可編程中斷控制器8259A428259A簡介8259A是中斷管理芯片8259A的主要功能：具有8級優(yōu)先權(quán)控制，通過芯片級聯(lián)可擴(kuò)展至64級優(yōu)先權(quán)控制每一級中斷均可通過編程屏蔽或允許在中斷響應(yīng)周期可提供相應(yīng)的中斷類型號(hào)有多種工作方式，可通過編程選擇可與CPU直接連接，不需要外加硬件電路438259A的引線及內(nèi)部結(jié)構(gòu)中斷請求寄存器IRR：寄存所有IR輸入線輸入的中斷請求信號(hào)，即保存正在請求服務(wù)的中斷級中斷服務(wù)寄存器ISR：保存當(dāng)前被CPU服務(wù)的中斷級，也就是記錄正在被處理的中斷請求中斷屏蔽寄存器IMR：對各中斷源的中斷請求信號(hào)（IR0~IR7）實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制448259A的工作過程（1）某條或幾條中斷請求線（IR0~IR7）有中斷申請，變?yōu)楦唠娖?，使中斷請求寄存器IRR的相應(yīng)位置“1”（2）IMR對IRR屏蔽。未被屏蔽的請求信號(hào)經(jīng)優(yōu)先權(quán)電路判別最高優(yōu)先級，再經(jīng)由優(yōu)先級方式確定沒有更高級優(yōu)先權(quán)的中斷，則8259A的INT端輸出為“1”，向CPU提出中斷請求45（3）CPU響應(yīng)中斷后發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)。在中斷響應(yīng)過程中，CPU要發(fā)出兩次INTA信號(hào)。當(dāng)8259A收到第一個(gè)INTA信號(hào)后，ISR中當(dāng)前被選中的最高優(yōu)先級對應(yīng)的那一位置“1”，同時(shí)IRR中的相應(yīng)位被清0，表示該位上的中斷請求已經(jīng)被CPU所接受（4）8259A接收到第二INTA信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線將對應(yīng)的中斷類型碼輸出（5）如果是自動(dòng)結(jié)束中斷方式（AEOI），則在第二個(gè)INTA脈沖結(jié)束時(shí)將ISR中相應(yīng)置“1”的位復(fù)位，否則該位的“1”將一直保持，直到CPU發(fā)出EOI命令為止468259A與標(biāo)準(zhǔn)總線的連接47488259A的工作方式四種主要的工作方式：全嵌套循環(huán)優(yōu)先級特定屏蔽程序查詢方式四種從屬的工作方式：中斷結(jié)束方式讀狀態(tài)中斷請求觸發(fā)方式緩沖方式兩大工作類型：單片工作多片級連工作498259A的工作方式－全嵌套方式8259A在初始化工作完成后若未設(shè)定其它的工作方式，就自動(dòng)進(jìn)入全嵌套方式。全嵌套方式的特點(diǎn)：中斷請求的優(yōu)先級固定，其順序是IR0最高，逐次減小，IR7最低。中斷服務(wù)寄存器ISR保存優(yōu)先權(quán)電路確定的優(yōu)先級狀態(tài)，相應(yīng)位置“1”，并且一直保持這個(gè)服務(wù)“記錄”狀態(tài)，直到CPU發(fā)出中斷結(jié)束命令為止在ISR位置期間，不再響應(yīng)同級及較低級的中斷請求，而高級的中斷請求如果CPU開放重點(diǎn)的話仍能夠得到中斷服務(wù)IR7～I(xiàn)R0的中斷請求輸入可分別由中斷屏蔽寄存器IMR的D7～D0的相應(yīng)位屏蔽與允許，對某一位的屏蔽與允許操作不影響其它位的中斷請求操作全嵌套工作方式由ICW4的D4=0來確定50該方式適用于多片級連同（普通）全嵌套方式的區(qū)別：當(dāng)某從片的一個(gè)中斷被CPU響應(yīng)后，該從片中的高級中斷仍可提出申請。在某個(gè)中斷源退出中斷服務(wù)程序之前，CPU用軟件檢查它是否是這個(gè)從片中的唯一中斷。只有唯一，才能把一個(gè)非特殊EOI命令送至主片，從而結(jié)束此從片的中斷（何時(shí)結(jié)束主片中斷？）8259A的工作方式－特殊全嵌套方式518259A的工作方式－循環(huán)優(yōu)先級方式兩種：自動(dòng)循環(huán)優(yōu)先級方式、特殊循環(huán)優(yōu)先級方式自動(dòng)循環(huán)各設(shè)備優(yōu)先級相同，當(dāng)某一個(gè)設(shè)備受到服務(wù)之后，它的優(yōu)先級就自動(dòng)地排到最后。優(yōu)先級由高到低的順序：自動(dòng)循環(huán)優(yōu)先級方式由OCW2的R=1、SL=0來確定52特殊循環(huán)通過編程來確定某一設(shè)備為最低優(yōu)先級。特殊循環(huán)優(yōu)先級方式由OCW2的R=1、SL=1來確定，而L2L1L0用于指定最低優(yōu)先級的二進(jìn)制編碼53每個(gè)中斷請求輸入信號(hào)都可由中斷屏蔽寄存器IMR的相應(yīng)位進(jìn)行屏蔽，IMR的D0對應(yīng)IR0，D1對應(yīng)IR1，…，D7對應(yīng)IR7IMR相應(yīng)位為“1”則屏蔽，為“0”則允許IMR寄存器由操作命令OCW1進(jìn)行設(shè)置屏蔽方式有兩種：正常屏蔽方式、特定屏蔽方式8259A的工作方式－屏蔽方式54正常屏蔽方式每個(gè)屏蔽位對應(yīng)一個(gè)中斷請求輸入信號(hào)屏蔽某一個(gè)中斷請求輸入信號(hào)對其他請求信號(hào)沒有影響未屏蔽的中斷請求輸入信號(hào)按照設(shè)定的優(yōu)先級順序工作，同級和低級的中斷請求被禁止，如果CPU允許中斷，可實(shí)現(xiàn)中斷嵌套55設(shè)定特定屏蔽方式后，IMR中為“1”的位仍然屏蔽相應(yīng)的中斷請求輸入信號(hào)，但所有未屏蔽的位被全部開放，都可以申請中斷特定屏蔽方式由OCW3的ESMM和SMM確定，設(shè)定時(shí)ESMM=1、SMM=1，復(fù)位時(shí)ESMM=1、SMM＝0特定屏蔽方式56中斷結(jié)束方式是指中斷如何結(jié)束的方法ISR中某位為“1”，表示CPU正在為之服務(wù)；某位為“0”表示CPU已經(jīng)停止（結(jié)束）為之服務(wù)。而IRET指令主要是恢復(fù)主程序的斷點(diǎn)，它并不能使ISR的相應(yīng)位清零8259A的中斷結(jié)束方式有兩種：命令中斷結(jié)束方式（EOI）和自動(dòng)中斷結(jié)束方式（AEOI）8259A的工作方式－中斷結(jié)束方式（使ISR清0的方式）57自動(dòng)中斷結(jié)束方式（AEOI）8259A自動(dòng)地在最后一個(gè)中斷響應(yīng)脈沖的后沿將中斷服務(wù)寄存器ISR中的相應(yīng)位清零。過程：中斷請求、CPU響應(yīng)，發(fā)第一個(gè)，ISR相應(yīng)位置“1”，CPU發(fā)第二個(gè)，8259A提供中斷類型碼，ISR相應(yīng)位清零，結(jié)束。應(yīng)用：用于8259A單片系統(tǒng)，或不需要嵌套的多級中斷系統(tǒng)。由ICW4的AEOI=1確定。58命令中斷結(jié)束方式（EOI）指在中斷服務(wù)程序返回之前，向8259A發(fā)中斷結(jié)束命令（EOI），使ISR中的相應(yīng)位清零。它包括兩種情況：非特殊（正常）EOI命令：全嵌套方式下的中斷結(jié)束命令稱為非特殊EOI命令，該命令能自動(dòng)地把當(dāng)前ISR中的最高優(yōu)先級的那一位清“0”特殊EOI命令：非全嵌套方式下的中斷結(jié)束命令稱為特殊EOI命令。由于無法確定最后響應(yīng)的是哪一級中斷，所以應(yīng)向8259A發(fā)出特殊EOI命令，即指定哪一級中斷返回，使其ISR中的相應(yīng)位清“0”598259A的工作方式－中斷請求觸發(fā)方式（1）8259A的中斷請求寄存器IRR中有8個(gè)中斷請求觸發(fā)器，分別對應(yīng)8個(gè)中斷請求信號(hào)的輸入端IR0-IR7，這些觸發(fā)器的觸發(fā)方式有兩種，即邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)60邊沿觸發(fā)61電平觸發(fā)628259A的工作方式－多片級連方式級連系統(tǒng)中，每個(gè)從片的中斷請求輸出線INT直接連到主片的某個(gè)中斷請求輸入線上，主片的CAS0～CAS2是輸出線，輸出被響應(yīng)的從片代碼，從片的CAS0～CAS2是輸入線，接收主片發(fā)出的從片代碼，以便與自身代碼相比較。6364初始化編程：指系統(tǒng)在上電或復(fù)位后對可編程器件進(jìn)行控制字設(shè)定的一段程序8259A的命令控制字包括兩個(gè)部分：初始化命令字和操作命令字初始化命令字一般在系統(tǒng)復(fù)位后的初始化編程中設(shè)置，用于確定8259A的基本工作方式，設(shè)置后一般保持不變操作命令字是在初始化以后的正常工作中寫入的，它實(shí)現(xiàn)對8259A的狀態(tài)、中斷方式和過程的動(dòng)態(tài)控制，在工作中可隨時(shí)寫入操作命令字以修改某些控制方式8259A的初始化編程（1）658259A內(nèi)部有7個(gè)寄存器，分為兩組：初始化命令寄存器和操作命令寄存器組初始化命令寄存器組包括4個(gè)寄存器：ICW1~ICW4對應(yīng)的寄存器操作命令寄存器包括3個(gè)寄存器：OCW1~OCW3對應(yīng)的寄存器8259A的初始化編程（2）668259A初始化命令字8259A初始化命令字有4個(gè)：ICW1、ICW2、ICW3、ICW4寫入的初始化命令字一般為2～4個(gè)，ICW1使用偶地址，而ICW2、ICW3、ICW4使用奇地址，為了相互區(qū)別，初始化命令字的寫入必須有一個(gè)固定的順序。678259A初始化命令字－ICW1

A0

D7

D6D5

D4D3

D2

D1

D0

0

1要ICW4

0不要ICW4

1單片方式

0級連方式

8088/8086系統(tǒng)無效

偶地址端口

80/85中斷地址

特征位

1電平觸發(fā)

0邊沿觸發(fā)

A7A6A51LTIMADISNGLIC4

68

A0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

中斷類型號(hào)的高5位8259A自動(dòng)填入

T7T6T5T4T3000

由ICW2來定義中斷類型碼的高5位8259A初始化命令字－ICW269ICW2的主要功能：確定中斷向量，中斷類型碼8259A初始化命令字－ICW2A0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

中斷類型號(hào)的高5位8259A自動(dòng)填入

T7T6T5T4T3000

70

A0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

0

ID2ID1

ID0000

01

從8259A的ICW3命令字8259A初始化命令字－ICW371

1-8088/8086CPU

0-8080/8085CPU

1-自動(dòng)EOI方式

0-非自動(dòng)EOI方式

1-特殊完全嵌套方式

0-非特殊完全嵌套方式

0

X

非緩沖方式

1

0

緩沖方式從片

1

1

緩沖方式主片

A0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1D0

1

000