第7章输入输出技术.ppt
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1、第七章 输入/输出与中断,7.1 I/O接口概述 7.2 I/O传送方式 7.3 中断技术 7.4 8086微处理器的中断方式 7.5 可编程中断控制器8259A,7.1 I/O接口概述,I/O接口 : 指CPU与外围设备或外围设备与系统设备之间进行 数据交换和通信的连接电路,是CPU与外界进行信 息交换的中转站。 I/O接口技术 : 是研究CPU如何与外设进行最佳耦合与匹配,实现 双方高效、可靠地交换信息的一门技术,是软件、 硬件结合的体现,是微机应用的关键。,速度匹配 光电隔离驱动外设 信号特性匹配 数据缓冲与锁存 信息格式转换 设备选择 中断控制,7.1.1 I/O接口的作用,1、数据信
2、息 通常包括数字量、模拟量和开关量3种信息 数字量 以二进制形式或是以ASCII码表示的数或字符。 模拟量 指在计算机控制系统中,某些现场信息经传感器转 换为电信号,再通过放大得到模拟电压或电流。 开关量 指只含两种状态的量,如开关的断开与闭合,电路 的通与断等,故只需用一位二进制数即可描述一个开关量。 2、状态信息 状态信息作为一种CPU与I/O设备之间的接口信号,主要 用来反映I/O设备当前的状态。 3、控制信息 控制信息是CPU通过I/O接口传送给外设的,专门用来控 制I/O设备的操作,是向外设传送的控制命令。,7.1.2 CPU与外设交换的信息,7.1.3 I/O接口的基本结构,数据信
3、息、状态信息和控制信息作为CPU与I/O设备间的接口信号, 在接口电路中,将这3种信息分别存放在不同的寄存器中,这些寄存器 称为接口电路的I/O端口。,接口电路有3种端口:数据端口,状态端口和控制端口。 数据端口:数据端口可分为数据输入端口和数据输出端 口两类。在输入时,由数据输入端口保存外设发往CPU或内存的数据;在输出时,由数据输出端口保存CPU或内存发往外设的数据。 状态端口:状态端口用来保存I/O设备或接口部件本身的工作状态信息,让微处理器了解数据传送过程中正在发生或最近已发生的状态。 控制端口:控制端口用来存放处理器发来的控制命令与其他信息,确定接口电路的工作方式和功能,便于控制接口
4、电路和I/O设备的动作。,CPU和外部设备之间进行数据传输时,各类信息在接口中将进入不同的寄存器,一般称这些寄存器为I/O端口;每个端口分配一个地址号,称之为端口地址,CPU通过指令对它们进行访问。 8086CPU最大可用地址总线的低16位作为对8位I/O端口的寻址线,相邻的两个8位端口可以组成一个16位端口,所以8086CPU可访问的8位I/O端口有64K个,16位I/O端口有32K个。,7.1.4 I/O端口的编址方式,一、I/O端口与存储器统一编址,优点: 不需要专门的I/O指令 I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活 缺点: I/O端口要占去部分存储器地址空间 寻址速度比专用的I/O指
5、令慢,二、I/O端口独立编址,优点: I/O端口的地址空间独立,不占用内存空间 指令的执行速度快 缺点: I/O指令没有存储器指令丰富,指令功能比较弱,1、门电路地址译码(与门、非门、或门、与非门、或非门),三、I/O端口地址的译码,2、译码器地址译码,常用的译码器有74LS139 、 74LS138 、 74LS154等,一、直接程序控制方式(程序方式) 无条件传送方式 外部控制过程的各种动作在时间上是固定的, 而且是已知的。 条件传送方式(查询方式) 传送前,先查询外设状态,准备好才传送,否则 CPU处于等待状态。,7.2 I/O与外设之间的数据传送的方式,1、无条件传送方式,输入时外设必
6、须已准备好数据,输出时接口锁存器必须为空。即接口和I/O设备在无条件传送时必须要保持“就绪”状态。,N,Y,从状态端口读入状态信息,从数据端口传送一个数据,外设准备好否?,2、条件传送方式,查询方式输入接口,查询方式输出接口,条件传送方式 优点: 接口简单 缺点: CPU不断查询外设状态,降低了CPU的利 用率。 为了提高CPU的效率以及使系统具有实时 性,通常采用中断方式传送数据。,二、中断传送方式 中断传送方式是指由于某些随机事件的产 生,使CPU暂停当前正在执行的程序,而转去处 理相应的外部事件,执行一个为外设服务的I/O 程序,执行完毕后,CPU返回原来程序的断点处 继续执行。,INT
7、A,中断方式输入接口,中断 请求,D,Q,三态缓冲器,&,&,中断 屏蔽 触发 器,Q,端口 译码,地址总线,RD,INTR,输入设备,数据,输入 锁存器,+5V,D0D7,中断传送方式 优点: CPU和外设大部分时间处在并行工作状态,只在CPU响应 外设的中断申请后,进入数据传送的过程,提高了CPU的效 率。 缺点: 利用中断方式传送数据,为了可靠的进行数据传送,必 须花费一定的时间进行断点的保护和恢复,现场的保护和恢 复等工作,浪费了CPU很多时间。 因此中断方式一般适合传送少量的数据及中低速外设, 对于大量的输入/输出数据,应采用高速的直接存储器存取 方式DMA。,DMA 传送方式过程,
8、三、DMA控制方式(直接存储器存取方式),实现方法: 1、由专用接口芯片DMA控制器 (称DMAC) 控制传 送过程; 2、当外设需传送数据时,通过 DMAC向CPU发出 总线请求; 3、CPU发出总线响应信号,释放总线; 4、DMAC接管总线,控制外设、内存之间直接数据 传送; 5、DMA操作结束,将总线控制权交还给CPU。,DMA传送方式 优点: 传送速度快 缺点: 需用DMA控制器进行控制,硬件连接也比较复杂,四、接口设计实例,例:显示器采用7段LED,由BCD-7段译码/驱动器所驱动,并采用共阳极接法,假定任何时候至多只有一个开关闭合。编写一程序段,显示闭合开关序号,若无开关闭合,则显
9、示器不发光。,DATA SEGMENT TAB DB 10H,11H,12H,13H,14H,15H,16H,17H DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE , DS:DATA START: MOV AX , DATA MOV DS , AX MOV BX , OFFSET TAB IN AL ,20H COUN:SHR AL ,1 JNC NEXT MOV AL , BX OUT 20H , AL JMP EXIT NEXT: INC BX JMP COUN EXIT: CODE ENDS END START,7.3.1 中断的基本概念,一、中断与异常 1
10、、中断 在CPU正常运行程序时,由于内部或外部某个非预料 事件的发生,使CPU暂停正在运行的程序,而转去执行处 理引起中断事件的程序,然后再返回被中断了的程序, 继续执行。这个过程就是中断。,7.3 中断技术,早期中断概念的引入,是为解决CPU与外设间的速度匹配问题,提高CPU 的工作效率。中断源主要是由外部硬件产生。当今的中断技术,不再限于外部硬件产生中断(称硬件中断或外中断 ),还可由CPU内部产生。 2、异常(软件中断或内中断) 因内部意外条件而改变程序执行流程以报告出错情况和非正常状态的过程或者由程序预先安排,即由指令INT n调用中断服务程序产生的中断。(286以上称内中断为异常),
11、二、中断原理(外中断) 1)中断请求 2)中断判优 3)中断响应 响应条件:无总线请求和非屏蔽中断请求; 中断允许控制位IF=1; CPU执行完当前指令; 当前中断级别最高。 响应时自动完成以下工作: 发送两个INTA负脉冲,取中断类型号N; 将FLAGS入栈,关中断,即IF=0、TF=0; 保护断点,将CS、IP入栈; 根据中断类型号N取得中断向量送入IP、CS; 进入中断服务子程序。,4)中断处理 保护现场; 开中断,以允许嵌套,也可不开中断; 中断服务; 关中断,保证无干扰恢复现场; 恢复现场。 5)中断返回 开中断; 中断返回。,1、中断优先级的识别 当有多个中断源同时提出中断申请时,
12、究竟应该先响应哪个中断源的申请;当CPU正在执行中断服务程序时,又接收到新的中断申请,是否应该响应这个中断请求,这些问题都应当通过设置与判断中断的优先级来得以解决。 1)软件查询法 2)硬件排队电路,2、中断嵌套 指当CPU因响应某一中断源的中断请求而正在执行其中断服务程序时,若此时中断是开放的,那必然可以把正在执行的中断服务程序暂停下来转而响应和处理中断优先级更高的中断请求,等到处理完后再转回来继续执行原来的中断服务程序。,7.3.2 中断优先级和中断的嵌套,从8086/8088到以上系统中,可以处理256个不同类型的中断,其编号从00H0FFH,称为中断类型号。 内部中断: 除法出错 类型
13、号0 自动产生 单步中断 类型号1 DEBUG执行T命令 断点中断 类型号3 DEBUG执行G命令 溢出中断 类型号4 执行INTO INT n 类型号n (05H 0FFH),7.4 8086/8088中断系统,7.4.1 8086/8088中断源类型,外部中断: 不可屏蔽中断 类型号2 自动产生 可屏蔽中断 类型号(32 255) 由8259管理,当有多个中断源同时产生中断申请时,CPU先响应优先权最高的中断源,再响应优先级较低的中断源。,8086/8088CPU的中断优先级,优先级 高 低 内部中断 ( 除法出错,INT 指令,断点,INTO指令 ) 非屏蔽中断 可屏蔽中断 低 内部中断
14、( 单步 ),7.4.2 中断向量表,中断向量:中断服务程序入口地址。 中断向量表:用于存放256个中断向量的存储区域,共占1KB存储空间。 中断向量指针:在向量表中存放每个中断向量的地址。,例:NMI中断,为2号中断 中断向量存于 IP 0000H:0008H 0000H:0009H CS 0000H:000AH 0000H:000BH 中断响应后CPU根据CS和IP内容进入中断子程序。 例:中断类型号30H (30H4=C0H) 中断向量存于IP 0000H:00C0H 10H 0000H:00C1H 20H CS 0000H:00C2H 30H 0000H:00C3H 40H 则中断所对
15、应的中断向量为4030H:2010H,也即该中 断服务程序的入口地址。,1、直接装入法 PUSH DS XOR AX, AX MOV DS, AX MOV BX, N*4 MOV AX, OFFSET NEWINT MOV WORD PTRBX, AX MOV AX, SEG NEWINT MOV WORD PTRBX+2, AX POP DS NEWINT PROC IRET NEWINT ENDP,7.4.3 中断向量表的建立,2、使用串送存指令装入法 MOV AX, 0 MOV ES, AX MOV DI, N*4 MOV AX, OFFSET NEWINT CLD STOSW MOV
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