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文檔簡介
北方工業(yè)大學微機原理第5講輸入輸出接口與中斷第一頁,共46頁。5.1I/O接口概述什么是I/OI/O接口是位于系統(tǒng)與外設間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務的邏輯電路(如:PC機的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板)為什么需要I/O接口微機的外部設備多樣性工作原理、驅動方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大它們不能與CPU直接相連,必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連2第二頁,共46頁。5.1I/O接口概述I/O接口的主要功能(1)對輸入輸出數(shù)據(jù)進行緩沖和鎖存,輸出接口有鎖存環(huán)節(jié),輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)(2)對信號的形式和數(shù)據(jù)的格式進行變換(3)反映外設當前的工作狀態(tài),接受CPU的控制信號I/O接口的基本結構設計成滿足CPU與外設信息相互交換的要求數(shù)據(jù)信息接口狀態(tài)信息接口控制信息接口3第三頁,共46頁。CPU數(shù)據(jù)狀態(tài)控制外設I/O接口DBI/O接口基本結構4第四頁,共46頁。接口和端口┅┅┅┅接口1接口2接口N端口1端口2端口m端口1端口1端口2端口2端口m端口m端口編址端口地址=芯片地址(高位地址)+片內(nèi)地址5第五頁,共46頁。I/O端口的編址方式為了讓CPU能夠訪問這些I/O端口,每個I/O端口都要有自己的端口地址(或端口號)。在一個微型計算機系統(tǒng)中,如何編排這些I/O接口的端口地址,即所謂I/O端口的編址方式。8086/8088的尋址能力:內(nèi)存:1MB端口:64K個6第六頁,共46頁。I/O端口的編址方式I/O端口編址方式有兩種:
存儲器映射:I/O端口和存儲器統(tǒng)一編址;I/O映射:I/O端口和存儲器分開編址。尋址端口的信號:IOR、IOWA15~A07第七頁,共46頁。I/O端口的編址方式存儲器映射:I/O端口和存儲器統(tǒng)一編址;特點:指令及控制信號統(tǒng)一;內(nèi)存地址資源減少內(nèi)存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH8第八頁,共46頁。I/O端口的編址方式I/O映射:I/O端口和存儲器分開編址。特點:內(nèi)存地址資源充分利用能夠應用于端口的指令較少內(nèi)存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H9第九頁,共46頁。8088/8086的I/O端口編址采用I/O獨立編址方式(但地址線與存儲器共用)地址線上的地址信號用IO/M來區(qū)分I/O操作只使用20根地址線中的16根:A15~A0可尋址的I/O端口數(shù)為64K(65536)個I/O地址范圍為0~FFFFHIBMPC只使用了1024個I/O地址(0~3FFH)10第十頁,共46頁。5.2I/O地址的譯碼目的:確定端口的地址參加譯碼的信號:IOR,IOW,高位地址信號OUT指令將使總線的IOW信號有效IN指令將使總線的IOR信號有效11第十一頁,共46頁。I/O譯碼的地址信號當接口只有一個端口時,16位地址線一般應全部參與譯碼,譯碼輸出直接選擇該端口;當接口具有多個端口時,則16位地址線的高位參與譯碼(決定接口的基地址),而低位則用于確定要訪問哪一個端口。12第十二頁,共46頁。I/O地址譯碼例某外設接口有4個端口,地址為2F0H——2F3H,由A15~A2譯碼得到,而A1、A0用來區(qū)分接口中的4個端口。試畫該接口與系統(tǒng)的連接圖。地址范圍:××××001011110000××××001011110011任意狀態(tài)A11片內(nèi)地址地址線不用接A1A013第十三頁,共46頁。I/O地址譯碼例譯碼電路圖:≥1A11A10A8A3A2A9A7A4┇&CEA1A0接口芯片IORIOW&14第十四頁,共46頁。5.3、接口電路數(shù)據(jù)線控制線狀態(tài)線DBCBAB數(shù)據(jù)輸入寄存器(or三態(tài)門)數(shù)據(jù)輸出寄存器(鎖存器)狀態(tài)寄存器(or三態(tài)門)命令寄存器譯碼電路控制邏輯接口電路的基本構成數(shù)據(jù)輸入/輸出寄存器:暫存輸入/輸出的數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器:暫存外設當前狀態(tài)送CPU存放控制命令,設定接口功能、參數(shù)、工作方式15第十五頁,共46頁。接口的類型按傳輸信息的方向分類:輸入接口要求對數(shù)據(jù)具有控制能力常用三態(tài)門實現(xiàn)輸出接口要求對數(shù)據(jù)具有鎖存能力常用鎖存器實現(xiàn)按傳輸信息的類型分類:數(shù)字接口模擬接口按傳輸信息的方式分類:并行接口串行接口16第十六頁,共46頁。三態(tài)門與鎖存器三態(tài):高電平1低電平0高阻態(tài)(電阻很高==斷開)鎖存器通常由D觸發(fā)器構成;特點:具有對數(shù)據(jù)的鎖存能力;不具備對數(shù)據(jù)的控制能力DCLKQQN0時鐘上升沿011時鐘上升沿10×0lastQlastQN×1lastQLastQN[1]
D觸發(fā)器真值表17第十七頁,共46頁。簡單接口芯片74LS244含8個三態(tài)門的集成電路芯片在外設具有數(shù)據(jù)保持能力時用來輸入接口74LS2738個D觸發(fā)器,不具備數(shù)據(jù)的控制能力,鎖存用74LS373含三態(tài)的8個D觸發(fā)器,具有對數(shù)據(jù)的控制能力。既可以做輸入接口,也可以做輸出接口。均已較少用到,通常器件接口自帶鎖存三態(tài)接口,接口原理相同18第十八頁,共46頁。簡單I/O接口例根據(jù)開關狀態(tài)在7段數(shù)碼管上顯示數(shù)字或符號設輸出接口的地址為F0H設輸入接口地址為F1H當開關的狀態(tài)分別為0000~1111時,在7段數(shù)碼管上對應顯示’0’~’F’19第十九頁,共46頁。O1I1O2I2O3I3O4I4E1K0~K3+5VGG2AG2BCBA≥174LS244D0Q0|Q1D7Q2Q3Q4CPQ5Q6Q7
abcdefgDP7406反相器74LS273Rx8≥174LS138D0~D7IOWIORY0Y1F0H=11110000F1H=11110001&A6~A4A3A2A1A0D0D1D2D3譯碼器A7A01第二十頁,共46頁。符號形狀7段碼.gfedcba符號形狀7段碼.gfedcba’0’’8’’1’’9’’2’’A’’3’’B’’4’’C’’5’’D’’6’’E’’7’’F’第二十一頁,共46頁。
……Seg7
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H……LEABX,Seg7 MOVAH,0
GO:
INAL,0F1H;讀入按鍵狀態(tài)
ANDAL,0FH
;取低4位
MOVSI,AX
;AX作為偏移地址
MOVAL,[BX+SI]
OUT0F0H,AL;輸出至7seg
JMP
GO;重復讀入按鍵狀態(tài)簡單I/O接口例——程序段22第二十二頁,共46頁。5.4CPU與外設數(shù)據(jù)傳送方式CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳送控制方式,即I/O控制方式,主要有三種:程序傳送程序控制方式是指在程序控制下進行的數(shù)據(jù)傳送方式無條件傳送條件傳送中斷傳送依靠外設與CPU之間的中斷控制信號的控制方式DMA傳送不經(jīng)過CPU,而直接在存儲器與外設之間存取23第二十三頁,共46頁。無條件傳送(1)程序傳送——無條件傳送無條件傳送:在規(guī)定時間內(nèi),定時同步傳送數(shù)據(jù)。適用于對開關、繼電器等實時性要求不高的、簡單外設的狀態(tài)控制DCPQD0D1輸出口地址38F3H輸入口地址38F0H+5V1例:
讀取開關的狀態(tài);當開關閉合時,輸出編碼使發(fā)光二極管亮。24第二十四頁,共46頁。條件傳送(查詢方式)(2)程序傳送-條件傳送(查詢方式)條件傳送:在傳送數(shù)據(jù)前,先進行端口狀態(tài)寄存器查詢,只有端口“準備就緒”或“空閑”時才能夠傳輸。適用場合:外設并不總是準備好對傳送速率和效率要求不高工作條件:外設應提供設備狀態(tài)信息接口應具備狀態(tài)端口25第二十五頁,共46頁。條件傳送(查詢方式)程序查詢輸入/輸出傳送方式的執(zhí)行步驟是:從I/O接口的狀態(tài)端口中讀入所尋址的外設的狀態(tài)信息“READY”或“BUSY”。根據(jù)讀入的狀態(tài)信息進行判斷。程序查詢輸入時,若狀態(tài)信息READY=0,則外設數(shù)據(jù)未準備好,CPU繼續(xù)等待查詢,直至READY=1,程序查詢輸出時,若狀態(tài)信息BUSY=1,則外設“忙”,CPU繼續(xù)等待,直至外設“空閑”,BUSY=0時,執(zhí)行下一操作。26第二十六頁,共46頁。READY?進行一次數(shù)據(jù)交換讀入并測試外設狀態(tài)YN傳送完?Y結束N每滿足一次條件只能進行一次數(shù)據(jù)傳送開始查詢工作方式流程圖第二十七頁,共46頁。超時?READY?與外設進行數(shù)據(jù)交換超時錯讀入并測試外設狀態(tài)YNYN傳送完?防止死循環(huán)復位計時器NY結束N開始第二十八頁,共46頁。查詢工作方式例外設狀態(tài)端口地址為03FBH,第5位(bit5)為狀態(tài)標志(=1忙,=0準備好)外設數(shù)據(jù)端口地址為03F8H,寫入數(shù)據(jù)會使狀態(tài)標志置1;外設把數(shù)據(jù)讀走后又把它置0。試畫出其電路圖,并將DATA下100B數(shù)據(jù)輸出。
29第二十九頁,共46頁。狀態(tài)端口D5D7-D0A9|A3≥1&A15|A10≥13F8HA2A1A0GG2AG2BCBA74LS138Y0≥1D7-D0CPQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q074LS273外設D7D6D5D4D3D2D1D0BUSYY33FBHIOWIOR狀態(tài)端口地址:0000001111111011數(shù)據(jù)端口地址:0000001111111000三態(tài)門:地址選通后,BUSY與D5聯(lián)通讀取的數(shù)據(jù)只關心D5位狀態(tài)第三十頁,共46頁。讀狀態(tài)進行一次傳送Bit5=1?傳送完否?CX=0?修改地址指針SI+1初始化YNNY結束控制程序LEASI,DATA
MOVCX,100AGAIN:
MOVDX,03FBHWAITT:INAL,DX
TESTAL,20H
JNZ
WAITT
MOVDX,03F8H
MOVAL,[SI]OUTDX,AL
INCSI
LOOPAGAINHLT第三十一頁,共46頁。查詢工作方式優(yōu)點:軟硬件比較簡單缺點:CPU效率低,數(shù)據(jù)傳送的實時性差,速度較慢32第三十二頁,共46頁。中斷傳送方式利用CPU和外設之間的中斷信號確定傳輸時機CPU開中斷;外部設備數(shù)據(jù)準備完成后,發(fā)送外部中斷;CPU響應中斷,執(zhí)行中斷服務程序(讀入數(shù)據(jù))。采用程序控制方式以及中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送時,都是靠CPU執(zhí)行程序指令來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出的。采用程序控制方式及中斷方式時,數(shù)據(jù)的傳輸率不會很高。對于高速外設,如高速磁盤裝置或高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等,采用這樣的傳送方式,往往滿足不了其數(shù)據(jù)傳輸率的要求。例如,對于磁盤裝置,其數(shù)據(jù)傳輸率通常在20MB/秒以上,即傳輸一個字節(jié)的時間要小于50ns。33第三十三頁,共46頁。DMA方式不需要CPU干預(不需CPU執(zhí)行程序指令),而在專門硬件控制電路控制之下進行的外設與存儲器間直接數(shù)據(jù)傳送的方式,稱為直接存儲器存取(DirectMemoryAccess),簡稱DMA方式。這一專門的硬件控制電路稱為DMA控制器,簡稱DMAC。目的:提高數(shù)據(jù)傳送速度(高速數(shù)據(jù)交換)DMAC外設接口CPUQRDMEMDACKHOLDHLDA…BUS控制信號地址信號34第三十四頁,共46頁。5.5中斷系統(tǒng)程序查詢傳送方式缺點:降低CPU的運行效率不能處理緊急事件查詢方式浪費大量等待查詢時間很難使每一個外設都能工作在最佳工作狀態(tài)中斷傳送優(yōu)點:提高了CPU的工作效率外圍設備具有申請服務的主動權CPU可以和外設并行工作可適合實時系統(tǒng)對I/O處理的要求DMA傳送的缺點?35第三十五頁,共46頁。中斷相關基本概念中斷由于突發(fā)事件的請求,使CPU暫停運行原來的程序,而轉去執(zhí)行突發(fā)事件所指定的服務程序,并在處理完后再恢復原來程序的運行。中斷源是指發(fā)出中斷請求的來源,有以下幾種:外部設備、軟件指令、故障源(異常)、調試中斷內(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36第三十六頁,共46頁。中斷的有關概念中斷源識別軟件查詢;中斷向量中斷向量中斷向量即中斷服務子程序的入口地址,也就是中斷服務子程序的第一條指令的地址在內(nèi)存中的存放位置中斷向量表中斷向量構成的表格,位于存儲器的最低地址單元中斷優(yōu)先級在系統(tǒng)中多個中斷源可能同時提出中斷請求時,需要按中斷的輕重緩急給每個中斷源指定一個優(yōu)先級別37第三十七頁,共46頁。中斷處理過程的概念中斷現(xiàn)場是指CPU轉去執(zhí)行中斷服務程序前的運行狀態(tài),包括CPU內(nèi)部各寄存器、斷點地址等。中斷嵌套當CPU在進行某一級別中斷源的中斷處理時,若有更高級別的新中斷源發(fā)出請求,并滿足響應條件,則CPU應中止當前的中斷服務程序,保護此程序的斷點和現(xiàn)場,轉而響應高級中斷。主程序主程序斷點INTA響應中斷中斷源A中斷源B中斷現(xiàn)場INTBIRETIRET38第三十八頁,共46頁。非屏蔽中斷請求INT2(0008H)可屏蔽中斷請求INTn(n=20H~FFH)外部中斷(硬件)NMI(17引腳)INTR(18引腳)中斷系統(tǒng)用戶定義軟件中斷INTn斷點中斷INT3單步中斷INT1(TF=1)除法錯誤中斷INT0溢出中斷INT4內(nèi)部中斷(軟件)8086/8088的中斷系統(tǒng)結構39第三十九頁,共46頁。8086/8088的中斷系統(tǒng)結構8088/8086管理中斷方式可管理256級中斷,采用中斷向量表,將所有中斷服務程序的入口地址集中在一起。每個中斷服務程序的入口地址對應著一個中斷向量。系統(tǒng)占用了部分中斷類型碼:專用中斷:0~4,占中斷向量表000~013H。系統(tǒng)備用中斷:5~31H用戶使用中斷:32H~0FFH
一個中斷向量由四個字節(jié)組成(與內(nèi)存尋址相同!需要兩個16位數(shù))2個高地址字節(jié):存放中斷服務程序的代碼段的段值;2個低地址字節(jié):存放中斷服務程序的偏移地址。中斷向量表放在內(nèi)存的地址單元:00000H~003FFH。┇┇00000H003FFH1KB40第四十頁,共46頁。8086/8088的中斷服務程序設計中斷向量表初始化將用戶自定義的中斷服務程序入口地址放入向量表注意點: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:將中斷向量碼為48H的服務程序入口地址放入向量表41第四十一頁,共46頁。8086/8088的中斷服務程序設計中斷向量表初始化例:將中斷向量碼為48H的服務程序入口地址放入向量表(1)直接設置:MOVAX,0000H;中斷向量表段地址為0000HMOVDS,AXMOVSI,0120H;48H*4=120HMOVBX,OFFSETINT48;取Timer子程序偏移地址MOV[SI],BX;送入內(nèi)存地址0120HMOVBX,SEGINT48;取Timer子程序段地址MOV
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