07第七章输入输出和中断技术.ppt
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1、Ch.7 输入输出和中断技术,本章内容 基本概念 I/O端口的编址 输入输出的基本方法:无条件、查询、中断、DMA 中断 中断基本概念 8086/8088中断系统 8259中断控制器* DMA* DMA的基本概念 DMA工作过程 DMA的三种传输方式,7.1 输入/输出接口(I/O接口),7.1.1 概述 什么是I/O接口? 把外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。实现外设与主机之 间的信息交换。 I/O接口的功能 数据的寄存和缓冲功能 缓解接口与CPU工作速度的差异 对外设的控制和检测功能 对外设进行选择 信号电平与类型的转换(信号兼容) 形式、格式、电平、功率、码制等,7.1.2 端口的编
2、址方式 I/O端口: I/O信息的三种类型:数据、控制、状态。传送这三类信息的通道分别称为:数据端口(I、O)、控制端口(O)、状态端口(I)。 不同外设具有的端口数各不相同,计算机中为每一个端口都赋予一个惟一编号称为端口地址(或端口号)。 端口有两种编址方式:统一编址和独立编址。,1. 统一编址 把外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。 优点 指令统一,灵活; 访问控制信号统一,使用同一组的地址/控制信号。 缺点 内存可用地址空间减小,0,地址空间(共1MB),内存地址 (960KB),I/O地址 (64KB),FFFFFH,EFFFFH F0000H,2. 独立编址 外
3、设地址空间和内存地址空间相互独立。 优点:内存地址空间不受I/O编址的影响 缺点:I/O指令功能较弱,使用不同的读写控制信号,00000H,内存地址空间,内存空间 (1MB),I/O空间 (64KB),FFFFH,FFFFFH,I/O地址空间,0000H,7.1.3 I/O端口地址的译码(地址+控制信号) 片间寻址: 高位地址+控制信号=CS* 片内寻址: 地位地址连接到芯片,7.1.4 I/O数据的传送方式 并行 一个数据单位(通常为字节)的各位同时传送 速度快、距离短、成本高 例:PC机的并行接口(通常用于连接打印机) 串行 数据按位进行传送 速度慢、距离远、成本低 例: PC机的串行接口
4、(通常用于串行通信),7.2.1 接口电路的基本结构,7.2 简单接口电路,数据线,控制线,状态线,DB,CB,AB,数据输入寄存器 (or 三态门),数据输出寄存器 (锁存器),状态寄存器 (or 三态门),命令寄存器,译码 电路,控制 逻辑,接外设,接主机,数据输入/输出寄存器暂存输入/输出的数据 命令寄存器存放控制命令,用来设定接口功能、工作参数和工作方式。 状态寄存器保存外设当前状态,以供CPU读取。,简单接口电路,数据输入接口 必须具有三态输出能力,以便与总线挂接 外设有数据保持能力时可用三态门实现 外设无数据保持能力时用三态输出的锁存器实现 数据输出接口 常用锁存器实现,7.3 I
5、/O设备数据传送控制方式,程序控制传送方式 无条件传送 查询式传送 中断方式传送 直接存储器存取(DMA, Direct Memory Access,无需CPU参与) IOP方式(输入输出处理机),7.3.1 无条件传送方式,适用于总是处于准备好状态的外设 以下外设可采用无条件传送方式: 开关 发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等) 继电器 步进电机 优点:软件及接口硬件简单 缺点:只适用于简单外设,适应范围较窄,7.3.2 查询传送方式,适用于外设并不总是准备好,而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。 CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态“你准备好没有?” 对外设的要求:应提供设
6、备状态信息 对接口的要求:需要提供状态端口 优点:软件比较简单 缺点:CPU效率低,数据传送的实时性差, 速度较慢,7.3.3 中断传送方式,CPU无需循环查询外设状态,而是外部设备在需要进行数据传送时才中断CPU正在进行的工作,让CPU来为其服务。即CPU在没有外设请求时可以去做更重要的事情,有请求时才去传输数据,从而大大提高了CPU的利用率。 优点:CPU效率高,实时性好,速度快。 缺点:程序编制较为复杂。,7.3.4 DMA传输,前面三种I/O方式都需要CPU作为中介: 外设 CPU 内存 两个含义: 1)软件:外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的(PIO方式); 2)硬
7、件:I/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由CPU发出的(总线由CPU控制)。 缺点:程序的执行速度限定了传送的最大速度(约为几十KB/秒)解决:DMA传输,DMA传输: 外设 内存 外设直接与存储器进行数据交换 ,CPU不再担当数据传输的中介者; 总线由DMA控制器(DMAC)进行控制(CPU要放弃总线控制权),内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。 优点:数据传输由DMA硬件来控制,数据直接在内存和外设之间交换,可以达到很高的传输速率(可达几MB/秒),DMA传送原理示意图,系统总线,CPU,DMAC,存储器,外设接口,AEN,IOW,MEMW,MEMR,IOR,MEMW
8、,MEMR,IOW,IOR,AEN,HOLD,HLDA,DRQ,DACK,AEN,IOW,IOR,MEMW,MEMR, 外设发出DMA请求 DMAC向CPU申请总线 CPU完成当前总线周期后响应,并释放总线控制权 DMAC得到总线控制权,并发出DMA响应信号 由DMAC发出各种控制信号,控制外设与存储器之 间的数据传送 数据传送完后,DMAC撤销HOLD信号 CPU释放HLDA信号,并重新控制总线,DMA控制器的工作过程 1)当外设准备好,可以进行DMA传送时,外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号(DRQ); 2)DMA控制器收到请求后,向CPU发出“总线请求”信号HOLD,表示希望占
9、用总线; 3)CPU在完成当前总线周期后会立即对HOLD信号进行响应。响应包括两个动作:一是CPU将数据总线、地址总线和相应的控制信号线均置为高阻态,由此放弃对总线的控制权。另一方面,CPU向DMA控制器发出“总线响应”信号(HLDA)。 4)DMA控制器收到HLDA信号后,就开始控制总线,并向外设发出DMA响应信号DACK;,DMA控制器的工作过程(续) 5)DMA控制器送出地址信号和相应的控制信号,实现外设与内存或内存与内存之间的直接数据传送; 例如,向I/O接口发出读信号,同时往地址总线上发出存储器的地址和存储器写信号和AEN信号,即可从外设向内存传送一个字节。 6)DMA控制器自动修改
10、地址和字节计数器,并判断是否需要重复传送操作。当规定的数据传送完后,DMA控制器就撤销发往CPU的HOLD信号。CPU检测到HOLD失效后,紧接着撤销HLDA信号,并在下一时钟周期重新开始控制总线。,DMA的三种传输方式: 连续传送(块传送) DMAC申请到总线后,将一块数据传送完后才释放总线,而不管中间DREQ是否有效。 单次传送(每次传送一个字节) 每个DMA周期只传送一个字节就立即释放总线。 按需传送(猝发传送) 只要I/O接口的数据缓冲可用,就进行传送。 (注:I/O接口需要有一定大小的FIFO缓冲),Y,N,允许DMA,DMA请求?,DMAC请求总线,CPU响应, DMAC获总线控制
11、权,DMA传送一个字节,块结束?,地址增量,计数器减量,DMAC释放总线,Y,数据块传送,N,N,Y,N,允许DMA,DMAC请求总线,CPU响应, DMAC获总线控制权,DMA传送一个数据,块结束?,释放总线至少一个总线周期,地址增量,计数器减量,DMAC释放总线,Y,每次传送一个字节,测试I/O的DREQ DMA请求?,N,Y,CPU响应, DMAC获总线控制权,DMA传送一个字节,块结束?,测试I/O的DREQ 有效?,地址增量,计数器减量,释放总线,请求中断,无效,释放总线,允许DMA,DMA请求?,DMAC请求总线,按需传送,Y,N,Y,N,一个总线周期,T,DMAC控制总线,共传送
12、n个数据,DMA1,DMA2,DMAn,CPU重新控制总线,CPU对总线控制,连续传送,T,DMA共传送n个数据,DMA1,DMA2,DMAn,单次传送,DMA3,T,按需传送,DMA传送k个数据,DMA传送n-k个数据,FIFO可用,FIFO满,FIFO可用,FIFO满,图例:,DMA传输方式示意图:,7.4 中断技术,7.4.1 中断的基本概念 什么是中断? 与生活场景的比较,正在看书,电话铃响,接电话,继续看书,执行程序,事件发生,事件处理,继续执行程序,中断处理,中断请求及响应,实际场景,计算机,中断返回,中断的定义,CPU执行程序时,由于发生了某种随机的事件(外部或内部),引起CPU
13、暂时中断正在运行的程序,转去执行一段特殊的服务程序(称为中断服务程序或中断处理程序),以处理该事件,该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行,这一过程称为中断。,中断源,中断源引起CPU中断的事件或设备。如: 外设请求输入输出数据,报告故障等 事件掉电、硬件故障、软件错误、非法操作、定时时间到等 中断源分为:外部中断、内部中断 内部中断:CPU内部执行程序时自身产生的中断 外部中断:CPU以外的设备、部件产生的中断 8086/8088的外部中断信号:INTR、NMI INTR可屏蔽中断请求,高电平有效,受IF标志的控制。IF=1时,执行完当前指令后CPU对它作出响应。 NMI非屏蔽中断请求,上
14、升沿有效,任何时候CPU都要响应此中断请求信号。,为何计算机中要引入中断?,提高数据传输率; 避免了CPU不断检测外设状态的过程,提高了CPU的利用率。 实现对特殊事件的实时响应。如多任务系统操作系统中: 缺页中断 设备中断 各类异常 时钟等,中断过程,五个步骤: 中断请求 中断判优(有时还要进行中断源识别) 中断响应 中断服务 中断返回 以下以外部中断为主介绍这五个步骤。,1)中断请求,外设接口(中断源)发出中断请求信号,送到CPU的INTR或NMI引脚; 中断请求信号:边沿请求,电平请求 例如,NMI为边沿请求,INTR为电平请求 中断请求信号应保持到中断被处理为止; CPU响应中断后,中
15、断请求信号应及时撤销。 在8086/8088系统中,外设的中断要经过8259A可编程中断控制器(PIC)的排队判优后向CPU发出,2.1)中断源识别,计算机中的中断源有很多,CPU必须识别是哪一个设备产生中断。识别中断源有两个方法: 软件查询。将中断信号从数据总线读入,用程序进行判别。 中断矢量法。由中断源提供中断类型号,CPU根据类型确定中断源。(8086/8088即采用此种方法),2.2)中断优先级判断,多个中断源产生中断,CPU首先为谁服务? 中断优先级排队问题。 中断优先级控制要处理两种情况: 对同时产生的中断:应首先处理优先级别较高的中断;若优先级别相同,则按先来先服务的原则处理;
16、对非同时产生的中断:低优先级别的中断处理程序允许被高优先级别的中断源所中断即允许中断嵌套。 中断优先级的控制方法 硬件判优链式判优、并行判优(中断向量法) 软件判优顺序查询中断请求,先查询的先服务(即先查询的优先级别高) 通常将中断判优与中断源识别合并在一起进行处理。 x86系统中,这项任务由PIC和CPU共同完成。,INTAin,CPU INTA INTR,外设1,外设2,外设接口1,菊花链 逻辑电路,外设接口2,外设3,外设接口3,1,菊花链 逻辑电路,菊花链 逻辑电路,IREQ,IREQ,IREQ,中断确认,链式判优电路原理图,INTAin,INTAin,中断确认,中断确认,3)中断响应
17、,在每条指令的最后一个时钟周期,CPU检测INTR或NMI信号。若以下条件成立,则CPU响应中断: 当前指令执行完。对INTR,还应满足以下条件 当前指令是STI和IRET,则下条指令也要执行完。 当前指令带有LOCK、REP等指令前缀时,则把它们看成一个整体,要求完整地执行完; 对INTR,CPU应处于开中断状态,即IF=1; 当前没有复位(RESET)和保持(HOLD)信号。 若NMI和 INTR 同时发生,则首先响应NMI。,3)中断响应(续),CPU中断响应时,要做下述三项工作: 向中断源发出INTA中断响应信号; 断点保护,包括CS、IP和PSW(FLAGS)。这主要是保证中断结束后
18、能返回被中断的程序。 获得中断服务程序首地址(入口)。 如何得到中断处理程序的首地址? 固定入口法 中断向量法常用,4)中断处理(中断服务),中断服务子程序特点 为”远”过程(类型为FAR) 要用IRET指令返回 中断服务子程序要做的工作 保护现场(PUSH regs) 开中断(STI) 进行中断处理 恢复现场(POP regs) 中断返回(IRET),5)中断返回,执行中断返回指令IRET IRET指令将使CPU把堆栈内保存的断点信息弹出到IP、CS和FLAG中,保证被中断的程序从断点处能够继续往下执行。,IPL,IPH,CSL,CSH,FLAGL,FLAGH,SP,IPL,IPH,CSL,
19、CSH,FLAGL,FLAGH,SP,IP,CS,FLAG,进入中断服务程序时,中断返回后,7.4.2 8088的中断系统,与中断有关的控制线为:NMI、INTR、INTA* 8088系统的中断源 内部中断 除法溢出:类型号0,商大于目的操作数所能表达的范围时产生。 单步中断:类型号1,TF=1时产生(当前指令需执行完) 断点中断:类型号3,这是一个软件中断,即INT 3指令。 溢出中断:类型号4,这是一个软件中断,即INTO指令。 软件中断:即INT n指令,类型号n(0-255)。 外部中断 非屏蔽中断NMI:类型号2,不可用软件屏蔽,CPU必须响应它。 可屏蔽中断INTR:类型号由PIC
20、提供。IF=1时CPU才能响应。,NMI,INTR,中断逻辑,软件中断指令,溢出中断,除法错,单步中断,非屏蔽中断请求,中断控 制器 8259A PIC,8086/8088CPU内部逻辑,断点中断,8086/8088中断源类型,可 屏 蔽 中 断 请 求,n,4,3,0,1,2,IRQ0,IRQ1,IRQ7,IRQ2,IRQ3,IRQ4,IRQ5,IRQ6,中断源的识别,8088系统采用中断类型码来识别不同的中断源,每个中断源都有一个与它相对应的中断类型码 。 溢出、断点、除法溢出、单步、非屏蔽中断的类型码为固定值 软件中断的类型码由指令给出 可屏蔽中断的类型码由PIC给出,中断向量表(IVT
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