微機原理及單片機應用技術(shù)-輸入輸出接口與中斷技術(shù)

輸入/輸出接口與中斷一、接口的功能§5－1接口的基本概念定義：是電子電路。是CPU與存儲器、I/O設備等外設間

協(xié)調(diào)動作的控制電路。功能地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖信息轉(zhuǎn)換提供命令譯碼和狀態(tài)信息定時和控制在接口中專門用于傳送控制/狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)的寄存器，稱為I/O端口（port），每個端口都有唯一具體的地址碼。CPU尋址外設，是通過尋址與相應外設相連接的接口中的具體端口地址來實現(xiàn)的。在串行信息傳送系統(tǒng)中，接口要把CPU輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，或者把外設輸入的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)再送給CPU。數(shù)字信號模擬信號二、接口的基本結(jié)構(gòu)圖5.2I/O接口基本結(jié)構(gòu)三、CPU與外設的信息交換數(shù)據(jù)信息狀態(tài)信息控制信息計算機可直接發(fā)送、接收和處理的數(shù)據(jù)（二進制的）數(shù)字量模擬量開關(guān)量外設采集到信號很多都是以電壓或電流形式的模擬信號，要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能輸入計算機開關(guān)的斷開和閉合，機器的運轉(zhuǎn)與停止，閥門的打開與關(guān)閉等。這些開關(guān)量通常要經(jīng)過相應的電平轉(zhuǎn)換才能與計算機連接。用一位二進制表示即可外設將自身狀態(tài)以數(shù)據(jù)的形式送給CPU，CPU通過對外設狀態(tài)信號的讀取，可知其是否準備好或空閑等，以便進行下一步的操作是CPU通過接口傳送給外設的，CPU通過發(fā)送控制信息設置外設(包括接口)的工作模式、控制外設的工作。如外設的啟動信號和停止信號就是常見的控制信息?！?－2CPU與外設進行數(shù)據(jù)傳送的方式程序傳送方式中斷傳送方式DMA方式（直接存儲器存取方式）無條件傳送方式查詢傳送方式一、程序傳送方式1、無條件傳送方式概念：CPU對外設進行輸入/輸出操作時無需考慮外設的狀態(tài)（無需聯(lián)絡信號）。圖5.2（a）無條件傳送數(shù)據(jù)輸入CPU送出（執(zhí)行IN指令時）0000外設數(shù)據(jù)早已準備好2、查詢傳送方式概念：也稱為條件傳送，是指在執(zhí)行輸入指令(IN)或輸出指令(OUT)前，要先查詢相應設備的狀態(tài)，當輸入/輸出設備處于準備好狀態(tài)CPU才執(zhí)行輸入/輸出指令與外設交換信息。為此，接口電路中既要有數(shù)據(jù)端口，還要有狀態(tài)端口。圖5.5查詢傳送方式進行輸入的接口電路外設準備好數(shù)據(jù)后向接口發(fā)選通信號。作用：1、接通鎖存器，將數(shù)據(jù)送入；2、選通D觸發(fā)器，使其輸出1，從而使三態(tài)緩沖器的READY置1。CPU執(zhí)行IN指令讀取狀態(tài)字，測試RAEDY位，若READY=1，則說明數(shù)據(jù)準備好，再執(zhí)行IN指令讀入數(shù)據(jù)例：設接口電路中數(shù)據(jù)輸入口地址為DATA，狀態(tài)口地址為STATUS，傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為N，則查詢數(shù)據(jù)輸入的程序如下：

MOV

SI，0

MOVCX，NCHECK：IN

AL，STATUS

TESTAL，80H

JZCHECK

IN AL，DATA

MOV[SI]，AL

INCSI

LOOPCHECK

二、中斷傳送方式概念：當外設需要與CPU進行信息交換時，由外設向CPU發(fā)出請求信號，使CPU暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，CPU再繼續(xù)執(zhí)行被暫停的程序。優(yōu)點：CPU不必查詢等待，工作效率高，CPU與外設可以并行工作；由于外設具有申請中斷的主動權(quán)，故系統(tǒng)實時性比查詢方式要好得多。缺點：接口電路相對復雜，而且每進行一次數(shù)據(jù)傳送就要中斷一次CPU，CPU每次響應中斷后，都要轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，且都要進行斷點和現(xiàn)場的保護和恢復，浪費了很多CPU的時間。故這種傳送方式一般適合于少量的數(shù)據(jù)傳送。三、DMA傳送（直接存儲器存取）方式概念：是指在存儲器和外設之間、存儲器和存儲器之間直接進行數(shù)據(jù)傳送，傳送過程無需CPU介入，這樣，在傳送時就不必進行保護現(xiàn)場等一系列額外操作，傳輸速度基本取決于存儲器和外設的速度。DMA傳送方式需要一個專用接口芯片DMA控制器(DMAC)對傳送過程加以控制和管理。在進行DMA傳送期間，CPU放棄總線控制權(quán)，將系統(tǒng)總線交由DMAC控制，由DMAC發(fā)出地址及讀/寫信號來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。傳送結(jié)束后DMAC再將總線控制權(quán)交還給CPU。圖5.7DMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖①DMAC初始化②外設送數(shù)據(jù)，并將DMA請求觸發(fā)器置1③DMA請求觸發(fā)器向狀態(tài)端口發(fā)READY信號，并向DMAC發(fā)DMA請求信號④DMAC向CPU發(fā)HOLD信號⑤CPU響應DMA請求，返回HLDA，并使DMAC發(fā)出DMA響應信號，使DMA觸發(fā)器復位。此時，DMAC接管三總線⑥D(zhuǎn)MAC控制三總線完成數(shù)據(jù)傳送（每傳送一字節(jié)，地址寄存器+1，得到下一地址，字節(jié)計數(shù)器-1，如此循環(huán)。直到計數(shù)器=0，傳送完畢）⑦DMA傳送完畢，DMAC撤銷HOLD，CPU也撤銷HLDA，恢復對三總線的控制管理?！?－3I/O地址譯碼和I/O指令一、I/O端口的尋址方式CPU對I/O接口尋址同存儲器類似每個I/O接口電路都包含一組寄存器，CPU與外設進行數(shù)據(jù)傳送時，各類信息在進入接口電路以后分別進入不同的寄存器，通常把接口電路中CPU可以訪問的每一個寄存器或控制電路稱為一個I/O端口（port），為便于訪問，每個I/O端口都賦予一個地址，稱為I/O端口地址。CPU對外設的訪問歸結(jié)于對相應I/O端口的讀/寫操作。數(shù)據(jù)端口控制端口狀態(tài)端口I/O端口獨立尋址方式存儲器映象I/O尋址方式

I/O端口獨立尋址方式特點：1、I/O端口地址空間與存儲器空間完全獨立，CPU使用專門的信號來區(qū)分是對存儲器訪問還是對I/O端口進行訪問；例：在8086工作于MIN時中，用信號來區(qū)分是對存儲器還是I/O端口進行訪問。

2、CPU對I/O端口的訪問必須使用專門的輸入輸出指令（IN/OUT）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。二、I/O接口的端口地址譯碼

80X86系列CPU都用地址線的低16位（A15～A0）尋址I/O端口，則可尋址64K個I/O端口，但在實際中，只用了最前面的1K個端口，故只用A9～A010根線所有接口芯片都有片選信號線和用于片內(nèi)端口尋址的地址線。例如，某接口芯片內(nèi)有四個端口地址，則該芯片外就會有兩根地址線。一般的原則是把CPU用于I/O端口尋址的地址線分為高位地址線和低位地址線兩部分，將低位地址線直接連到I/O接口芯片的相應地址引腳，實現(xiàn)片內(nèi)尋址，即選中片內(nèi)的端口；將高位地址線與CPU的控制信號組合，經(jīng)地址譯碼電路產(chǎn)生I/O接口芯片的片選信號。I/O直接地址譯碼三、輸入輸出指令1、輸入指令I(lǐng)N格式：INAL，portINAX，portINAL，DXINAX，DX例：INAL，28H

若（28H）=10101111B，則（AL）=10101111B（AFH）將port端口中的數(shù)據(jù)→AL將port、port+1端口中的數(shù)據(jù)→AX將（DX）間接尋址的端口中的數(shù)據(jù)→AL將（DX）間接尋址的連續(xù)兩個端口中的數(shù)據(jù)→AX8位立即數(shù)地址，故可尋址的端口數(shù)共256個DX中存放的是16位的端口地址，故可尋址的端口數(shù)共64K個2、輸出指令OUT格式：OUTport，ALOUTport，AXOUTDX，ALOUTDX，AX（AL）→port端口（AX）→port、port+1兩個端口（AL）→（DX）間接尋址的端口（AX）→（DX）間接尋址的連續(xù)兩個端口§5－48086/8088CPU中斷控制功能一、中斷概述

1、定義：所謂中斷，就是指當CPU正在執(zhí)行程序時，外設(或其它中斷源)向CPU發(fā)出請求，CPU暫停當前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)向該外設服務(或稱中斷服務)程序，當中斷服務程序運行結(jié)束后，返回原程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。

2、中斷源：引起CPU中斷的原因或發(fā)出中斷請求的來源。外部硬件中斷內(nèi)部中斷中斷源為外部硬件電路，通過CPU的NMI引腳或INTR引腳向CPU提出中斷請求可屏蔽中斷非屏蔽中斷軟件設置中斷內(nèi)部異常中斷以中斷源的類型為依據(jù)對中斷的分類

3、中斷優(yōu)先順序：CPU的中斷優(yōu)先權(quán)排列從高到低為：1）除法出錯中斷，溢出中斷，INTn,…2）NMI3）INTR4）單步中斷當多個中斷源向CPU發(fā)中斷請求時，CPU不能同時響應，而得根據(jù)輕重緩急排個隊，即按照每個中斷的優(yōu)先權(quán)排隊，高在前、低在后，然后CPU依據(jù)次序一個一個響應。

4、中斷類型碼

是連接中斷源和中斷處理程序的唯一橋梁。80X86可處理256級中斷，中斷類型碼是0～255，一部分由系統(tǒng)占用，一部分用戶可支配。例如：除法錯誤（n=0）調(diào)試異常（n=1）

NMI中斷（n=2）斷點中斷（n=3）溢出中斷（n=4）……

二、中斷向量80X86系統(tǒng)最多支持256個中斷，對應每一個中斷，都有一個中斷服務程序，該中斷服務程序的入口地址稱為中斷向量。每個中斷向量都有一個唯一的標識——中斷類型碼。每個中斷向量占用4個字節(jié)，前兩個字節(jié)為服務程序的IP（偏移量），后兩個字節(jié)為服務程序的CS（段基址）。中斷向量表例：

若中斷類型碼為88H，試問中斷服務程序的段基址和偏移地址應分別填入哪兩個字單元？向量地址：中斷向量的首地址向量地址=向量表的首地址+中斷類型碼×4（00000H）看書例5—1三、中斷處理過程1、中斷請求2、中斷響應和處理3、保護現(xiàn)場4、恢復現(xiàn)場5、開中斷CPU響應中斷后，轉(zhuǎn)入中斷處理程序，同時關(guān)閉中斷信號接收。目的是在此中斷處理完成前不被其他更高級別的中斷請求打擾。保存中斷前一時刻的斷點地址以及各種狀態(tài)與結(jié)果將各個內(nèi)部寄存器的內(nèi)容和標志位的狀態(tài)，從堆棧彈出，送回CPU中原來的位置。在中斷服務程序的最后，要開中斷（以便CPU能響應新的中斷請求）和安排一條中斷返回指令，將堆棧內(nèi)保存的主程序被中斷的斷點地址彈出到CS和IP里，從而實現(xiàn)返回主程序?！?－5可編程中斷控制器8259A一、8259A的結(jié)構(gòu)與引腳功能圖5.88259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片8259A處理中斷的過程IRR的IR0

～IR7接受中斷請求；各中斷請求與IMR對應位相“運算”CPU接受INT信號，返回兩個信號將允許的請求送往PR判斷優(yōu)先級同時控制邏輯接受中斷請求，輸出INT信號給CPU第一個：8259A將最高優(yōu)先級所對應的的IRR位

清除，并將相應的ISR位置位第二個：ISR將最高優(yōu)先級的中斷類型碼送給

CPUCPU讀取中斷類型碼，將其乘以4，得到中斷服務程序入口地址，轉(zhuǎn)入該中斷服務程序；結(jié)束（CPU向8259A送EOI命令，使ISR復位）。二、8259A的級聯(lián)連接一片8259A最多能連接8個外部請求源，當外部中斷源較多時，可以采用多片8259A級聯(lián)的方式加以擴展。具體做法是：將一片8259A作為主片，其他8259A作為從片。從片的中斷請求輸出接主片的中斷請求輸入，這樣，一片8259A最多可擴接8片從片，即可擴展為64個中斷源輸入。圖5.103片8259A構(gòu)成的級連系統(tǒng)三、8259A的工作方式

1、優(yōu)先級設置的方式全嵌套方式特殊全嵌套方式優(yōu)先級自動循環(huán)方式優(yōu)先級特殊循環(huán)方式

最常用的方式。中斷優(yōu)先級按IR0

IR7順序進行排隊，只允許中斷級別高的中斷源去中斷級別低的中斷服務程序。在該方式下，要預置AEOI=0，使中斷結(jié)束處于正常方式。

當執(zhí)行某一級中斷服務程序時，可響應同級的中斷請求；從而實現(xiàn)對同級中斷請求的特殊嵌套。該方式用于多片級聯(lián)優(yōu)先級順序不是固定不變的，一個設備得到中斷服務后，其優(yōu)先級自動降為最低；其初始的優(yōu)先級順序規(guī)定為IR0，IR1，…，IR7；該方式用在系統(tǒng)中多個中斷源優(yōu)先級相等的場合。使用優(yōu)先權(quán)循環(huán)方式，每個中斷源有同等的機會得到CPU的服務。

由程序指定IR0

IR7中任意一個為最高優(yōu)先級，然后再按順序自動循環(huán)，決定優(yōu)先級。

2、屏蔽中斷源的方式普通屏蔽方式

每個中斷請求（IR0~IR7）都可以通過對相應的屏蔽位（IMR0~IMR7）置“1”來屏蔽掉，即對IMRi寫入“1”，則屏蔽IRi的請求，反之，對IMRi寫入“0”，則開放IRi的請求。普通屏蔽方式特殊屏蔽方式特殊屏蔽方式當CPU正在為某級中斷服務時，若要求僅對本級中斷進行屏蔽，而允許其它的中斷源（特別是較低級的）發(fā)出中斷請求，從而進入中斷嵌套的方式。

3、中斷觸發(fā)方式邊沿觸發(fā)方式電平觸發(fā)方式上升沿觸發(fā)中斷請求，之后可一直維持高電平，不會再產(chǎn)生中斷。高電平申請中斷，在響應中斷后必須及時清除高電平，以免引起第二次誤中斷。

4、中斷查詢方式是一種將中斷與查詢相結(jié)合的新型中斷傳送方式，一般用于多于64級中斷源的場合。外設通過8259A申請中斷，但8259A卻不使用INT信號向CPU申請中斷，CPU用軟件查詢來了解外設的中斷請求，并根據(jù)8259A提供的優(yōu)先級次序，依次為外設服務。任何一級中斷服務程序結(jié)束時，必須給8259A寫入一條中斷結(jié)束命令(EOI)；8259A收到EOI后，便將ISR寄存器中優(yōu)先級別最高的且已被置為“1”的那一位清0。這種結(jié)束方式較簡單，但只適于全嵌套工作方式中。當某級中斷IRi被CPU響應后，8259A在CPU的第二個中斷響應周期的信號結(jié)束時，自動將ISRi清0，完成中斷結(jié)束動作。該方式通過初始化命令字ICW4的D1來設置。當中斷服務程序結(jié)束，CPU在給8259A發(fā)出EOI命令的同時，也將當前結(jié)束的中斷源的級別傳送給8259A，8259A根據(jù)此級別，則將ISR中對應位清0。這種方式可在任何優(yōu)先權(quán)設置方式下使用，它既允許在中斷服務程序中修改中斷優(yōu)先權(quán)級別，也不用擔心在中斷結(jié)束時，ISR無法確定當前正在處理的是哪一級中斷的情況出現(xiàn)

5、中斷結(jié)束處理方式一般的中斷結(jié)束方式自動中斷結(jié)束方式（AEOI）特殊的中斷結(jié)束方式

6、連接系統(tǒng)總線的方式緩沖方式非緩沖方式緩沖方式

適用于多片8259A級連的大系統(tǒng)。8259A主片的端輸出低電平信號，作為總線驅(qū)動器的啟動信號，接總線驅(qū)動器的OE端。從片的端接地。非緩沖方式

在單片或少數(shù)幾片8259A的系統(tǒng)中，8259A的D0~D7與數(shù)據(jù)總線直接連接的方式。非緩沖方式時，單片8259A的

端接高電平，級連8259A的主片的

端接高電平，從片的

端接低電平。四、8259A的編程1、8259A的初始化編程與初始化命令字由CPU向8259A寫初始化命令字ICWICW1芯片控制初始化命令字，對應偶地址端口（A0=0）例：MOVAL，13HOUT20H，AL指令執(zhí)行后，對8259A設置了基本工作狀態(tài)，說出其具體意義

00010011ICW1的設置

ICW2設置中斷類型碼的初始化命令字，

對應奇地址端口（A0=1）

D7—D3與本芯片管理的8級中斷類型碼的高5位相同。

如：設置ICW2＝50HICW2＝53H③ICW3標志主/從片的初始化命令字，A0=1

只有在主從式中斷系統(tǒng)中，才設置ICW3，即是否設置ICW3，由ICW1中的SNGL來指示，只有SNGL=0，才設置ICW3

要區(qū)分主/從片，分別設置ICW3ICW3的設置例：主片的ICW3＝00101011，表示IR5，IR3、IRl和IR0上連有從8259A

例：從片的ICW3＝00000100，則此從片的INT連至主片的IR4上ICW4方式控制初始化命令字，A0=1

D7D6D5D4D3D2D1D0000SFNMBUFM/SAEOIμPM特征位嵌套方式，D4=1為全嵌套；D4=0為普通嵌套緩沖方式，D3=1為緩沖方式；D3=0為非緩沖方式與D3配合，表示緩沖方式下是主片/從片，D2=1表示為主片，D2=0表示為從片結(jié)束方式，D1=1為自動結(jié)束；D1=0為正常結(jié)束系統(tǒng)選擇，D0=1選擇8086/8088系統(tǒng)；D0=0選擇8080/8085系統(tǒng)P174例5-6

設某單片8259A應用于8088CPU系統(tǒng)中，要求8259A按如下方式工作：中斷采用邊沿觸發(fā)方式、非自動結(jié)束方式，普通全嵌套方式、非緩沖方式；中斷類型號為18H~1FH。假設8259A的端口地址為30H、31HMOVAL,13HOUT30H,ALMOVAL,18HOUT31H,ALMOVAL,01HOUT31H,AL自行學習理解例5-7(教材端口地址錯誤)8259A的ICW設置過程2、8259A的工作方式編程由CPU向8259A寫操作命令字OCW1—OCW