輸入輸出及中斷技術.ppt

第6章 輸入輸出及中斷技術,主要內(nèi)容：,I/O端口及其編址方式 簡單接口芯片及其應用 基本輸入輸出方法 中斷的基本概念及工作過程 中斷控制器8259,6.1 輸入輸出接口,主要內(nèi)容： I/O接口與I/O端口的概念 I/O端口的編址方式 端口地址譯碼 數(shù)據(jù)傳送方式,一、I/O接口與端口,I/O接口： 將外設連接到總線上的一組邏輯電路的總稱 實現(xiàn)外設與主機之間的信息交換 I/O端口： 接口中的寄存器,I/O接口要解決的問題,速度匹配(Buffer) 信號的驅(qū)動能力(電平轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動器) 信號形式和電平的匹配(A/D、D/A) 信息格式(字節(jié)流、塊、數(shù)據(jù)包、幀) 時序匹配(定時關系) 總線隔離(三態(tài)門),接口的功能,數(shù)據(jù)的緩沖與暫存 信號電平與類型的轉(zhuǎn)換 增加信號的驅(qū)動能力 對外設進行監(jiān)測、控制與管理，中斷處理,二、I/O端口的編址方式,數(shù)據(jù)端口 狀態(tài)端口 控制端口,端 口,I/O端口,CPU,數(shù)據(jù),狀態(tài),控制,外設,I/O端口的編址方式,統(tǒng)一編址 獨立編址,端口與內(nèi)存的統(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 960KB,I/O地址 64KB,00000H,F0000H,FFFFFH,端口的獨立編址,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,00000H,FFFFFH,FFFFH,0000H,端口的獨立編址,8 0 8 8 總 線,A19-A0,A15-A0,MEMR、MEMW,IOR、IOW 、AEN,存儲器,輸入/輸出,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：A15A0 可尋址的I/O端口數(shù)為64K(65536)個 I/O地址范圍為0FFFFH IBM PC只使用了1024個I/O地址(03FFH),三、I/O地址的譯碼,目的： 確定端口的地址 參加譯碼的信號： IOR，IOW，A15 A0 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,I/O地址的譯碼,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,I/O地址的譯碼,某外設接口有4個端口，地址為2F0H2F3H，則其基地址為2F0H，由A15A2譯碼得到，而A1、A0用來確定4個端口中的某一個連接,四、I/O數(shù)據(jù)的傳送方式,并行 一個數(shù)據(jù)單位同時傳送 串行數(shù)據(jù)按位傳送,6.2 簡單接口電路,掌握： 接口電路的分類及特點 兩類簡單接口芯片的應用,一、接口的基本構成,數(shù)據(jù)線,控制線,狀態(tài)線,DB,CB,AB,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) 命令寄存器 存放控制命令，用來設定接口功能、工作參數(shù)和工作方式 狀態(tài)寄存器 保存外設當前狀態(tài)，以供CPU讀取,接口的基本構成,CPU,I/O接口,外設,數(shù) 據(jù),端口地址,控 制,數(shù) 據(jù),狀 態(tài),控 制,二、接口的類型及特點,輸入接口 輸出接口,接 口,接口特點,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)）,三、三態(tài)門接口,高電平、低電平、高阻態(tài),三態(tài)門接口,三態(tài)門的工作波形：,A0A15,IOR,譯碼輸出,D0D7,開關狀態(tài),地址有效,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 74LS244應用例 教材p252,P251圖,三態(tài)門接口應用例,利用三態(tài)門作為輸入接口（接口地址380H）接到地址范圍為70000H71FFFH的EEPROM芯片的READY/BUSY端，當三態(tài)門輸出高電平時，可向98C64A寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)，輸出低電平時則不能寫入。畫芯片與系統(tǒng)的連接圖,三態(tài)門接口應用例,D0D7,A0,A12,WE,OE,READY/BUSY,A0,A12,MEMW,MEMR,高位地址信號,D0D7,D0,380H,CE,譯碼,IOR,四、鎖存器接口,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,常用鎖存器芯片,74LS273 不具備數(shù)據(jù)的控制能力 74LS373 具有對數(shù)據(jù)的控制能力,P254圖,鎖存器芯片74LS374,D0D7,Q0,Q7,. . .,OE,CP,譯碼器,D0D7,Q0,Q7,. . .,OE,CP,譯碼器,做輸出口:,做輸入口:,外設,自外設,I/O接口綜合應用例,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00001111時，在7段數(shù)碼管上對應顯示0F,O1 I1 O2 I2 O3 I3 O4 I4 E1,K0K3,+5V,G G2A G2B C B A,1,74LS244,D0 Q0 | Q1 D7 Q2 Q3 Q4 CP Q5 Q6 Q7,a b c d e f g DP,7406,反相器,74LS273,Rx8,1,74LS138,D0D7,IOW#,IOR#,Y0,Y1,F0H = 0000 0000 1111 0000 F1H = 0000 0000 1111 0001,&,1,A7A4,A15A8,A3,A2,A1,A0,D0,D1,D2,D3,譯碼器,I/O接口綜合應用例程序段, Seg7 DB 3FH,06H, 5BH,4FH,66H,6DH, 7DH,07H,7FH,67H,77H, 7CH,39H,5EH,79H,71H LEA BX, Seg7 MOV AH, 0,GO: MOV DX, 0F1H IN AL, DX AND AL, 0FH MOV SI, AX MOV AL, BX+SI MOV DX, 0F0H OUT DX, AL JMP GO,6.3 基本輸入/輸出方法,無條件傳送 查詢式傳送 中斷方式傳送 直接存儲器存取(DMA),一、無條件傳送,適用于總是處于準備好狀態(tài)的外設 優(yōu)點：軟件及接口硬件簡單 缺點：只適用于簡單外設，適應范圍較 窄,無條件傳送例,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,D,CP,Q,D0,D1,輸出口地址38F3H,輸入口地址38F0H,+5V,1,二、查詢工作方式,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 對外設及接口的要求： 外設應提供設備狀態(tài)信息 接口應具備狀態(tài)端口,查詢工作方式,優(yōu)點：軟件比較簡單 缺點：CPU效率低，數(shù)據(jù)傳送的實時性 差，速度較慢,單一外設時的工作流程,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),Y,N,Y,N,傳送完？,防止死循環(huán),復位計時器,N,Y,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)輸出,D5,D7-D0,A9 | A3,1,&,A15 | A10,1,IOW,D7-D0,3F8H,外設,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,BUSY,CP,Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0,狀態(tài)端口,G G2A G2B C B A,A2 A1 A0,74LS138,Y0,1,IOR,Y3,OE,74LS374,3FBH,程序段？,三、中斷控制方式,特點： 外設在需要時向CPU提出請求，CPU再去為它服務。服務結束后或在外設不需要時，CPU可執(zhí)行自己的程序 優(yōu)點：CPU效率高，實時性好，速度快 缺點：程序編制較為復雜,以上三種I/O方式的共性,均需CPU作為中介： 軟件： 外設與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送是通過CPU執(zhí)行 程序來完成的（PIO方式） 硬件： I/O接口和存儲器的讀寫控制信號、地址信號 都是由CPU發(fā)出的 缺點：程序的執(zhí)行速度限定了傳送的最大速度（約 為幾十KB/s）,四、DMA控制方式,特點： 外設直接與存儲器進行數(shù)據(jù)交換 ，CPU不再擔當數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪檎?總線由DMA控制器（DMAC）進行控制（CPU要放棄總線控制權），內(nèi)存/外設的地址和讀寫控制信號均由DMAC提供,DMA控制方式,DMAC,外設 接口,CPU,QRD,MEM,DACK,HOLD,HLDA,BUS,控制信號,DMA控制方式的工作過程,外設向DMA控制器發(fā)出“DMA傳送請求”信號DRQ DMA控制器收到請求后，向CPU發(fā)出“總線請求”信號HOLD CPU在完成當前總線周期后會立即發(fā)出HLDA 信號，對HOLD信號進行響應 DMA控制器收到HLDA信號后，就開始控制總線，并向外設發(fā)出DMA響應信號DACK,DMA控制方式的工作過程,DMA控制器送出地址信號和相應的控制信號，實現(xiàn)外設與內(nèi)存或內(nèi)存與內(nèi)存之間的直接數(shù)據(jù)傳送 例：從外設向內(nèi)存?zhèn)魉鸵粋€字節(jié) DMAC向I/O接口發(fā)出讀信號，同時往地址總線上發(fā)出存儲器的地址和存儲器寫信號和AEN信號。,DMA控制方式的工作過程,DMA控制器自動修改地址和字節(jié)計數(shù)器，并判斷是否需要重復傳送操作。當規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送完后，DMA控制器就撤銷發(fā)往CPU的HOLD信號。CPU檢測到HOLD失效后，緊接著撤銷HLDA信號，并在下一時鐘周期重新開始控制總線。,DMA的三種傳送方式,連續(xù)傳送（塊傳送）： DMAC在申請到總線后，將一塊數(shù)據(jù)傳送完后才釋放總線，而不管中間DREQ是否有效。 單次傳送（每次傳送一個字節(jié)）： 每個DMA周期只傳送一個字節(jié)就立即釋放總線。 按需傳送（猝發(fā)傳送）： 只要I/O接口的數(shù)據(jù)緩沖可用，就可進行傳送。此時I/O接口需要有一定大小的FIFO緩沖區(qū)。,數(shù)據(jù)塊傳送：,Y,N,允許DMA,DMA請求？,DMAC請求總線,CPU響應, DMAC獲總線控制權,DMA傳送一個字節(jié),塊結束？,地址增量，計數(shù)器減量,DMAC釋放總線,Y,N,每次傳送一個字節(jié)：,N,Y,N,允許DMA,DMAC請求總線,CPU響應, DMAC獲總線控制權,DMA傳送一個數(shù)據(jù),塊結束？,釋放總線至少一個總線周期,地址增量，計數(shù)器減量,DMAC釋放總線,Y,測試I/O的DREQ DMA請求？,按需傳送：,N,Y,CPU響應, DMAC獲總線控制權,DMA傳送一個字節(jié),塊結束？,測試I/O的DREQ 有效？,地址增量，計數(shù)器減量,釋放總線，請求中斷,無效，釋放總線,允許DMA,DMA請求？,DMAC請求總線,Y,N,Y,N,DMA控制方式,優(yōu)點： 數(shù)據(jù)傳輸由DMA硬件來控制，數(shù)據(jù)直接在內(nèi)存和外設之間交換，可以達到很高的傳輸速率（可達幾MB/s）,6.4 中斷技術,掌握： 中斷的基本概念 中斷響應的一般過程 中斷向量表及其初始化 8088/8086中斷系統(tǒng),一、中斷的基本概念,中斷： CPU執(zhí)行程序時，由于發(fā)生了某種隨機的事件(外部或內(nèi)部)，引起CPU暫時中斷正在運行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段特殊的服務程序(稱為中斷服務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。,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,引入中斷的原因,提高數(shù)據(jù)傳輸率 避免了CPU不斷檢測外設狀態(tài)的過程，提高了CPU的利用率 實現(xiàn)對特殊事件的實時響應,二、外部中斷響應的一般過程,中斷請求 中斷判優(yōu)及中斷源識別 中斷響應 中斷處理（服務） 中斷返回,中斷請求,中斷請求信號應保持到中斷被處理為止 CPU響應中斷后，中斷請求信號應及時撤銷,NMI INTR,中斷源識別,軟件查詢法 中斷矢量法。由中斷源提供中斷類型號，CPU根據(jù)類型確定中斷源,中斷判優(yōu)要解決的問題,對同時產(chǎn)生的中斷： 首先處理優(yōu)先級別較高的中斷；若優(yōu)先級別相同，則按先來先服務的原則 對非同時產(chǎn)生的中斷： 低優(yōu)先級的中斷程序允許被高優(yōu)先級的中斷源所中斷,中斷嵌套,中斷判優(yōu)控制方法,軟件判優(yōu) 順序查詢中斷請求，先查詢的先服務 （即先查詢的優(yōu)先級別高） 硬件判優(yōu) 鏈式判優(yōu)、并行判優(yōu)（中斷向量法）,菊花鏈邏輯電路,INTAin,IREQ,INTR,&,1,INTAout,DB,三態(tài)門,中 斷 向 量 碼,E,外設接口,中斷確認,菊花鏈 邏輯電路,中斷響應,向中斷源發(fā)出INTA中斷響應信號； 保護斷點。包括FLAGS、 CS和IP 獲得中斷服務程序入口地址,固定入口法 中斷向量法,中斷處理,中斷服務子程序的特點： 為“遠過程” 用IRET指令返回,中斷服務子程序完成的工作,保護現(xiàn)場 開中斷（STI） 中斷處理 關中斷（CLI） 恢復現(xiàn)場 中斷返回,中斷返回,執(zhí)行IRET指令，使IP、CS和FLAGS從堆棧彈出,三、8088/8086中斷系統(tǒng),內(nèi)部中斷 外部中斷,除法錯中斷 溢出中斷 單步中斷 軟件中斷,非屏蔽中斷 可屏蔽中斷,256個中斷源,NMI,INTR,中斷邏輯,軟件中斷指令,溢出中斷,除法錯,單步中斷,非屏蔽中斷請求,中斷控 制器 8259A PIC,8086/8088CPU內(nèi)部邏輯,斷點中斷,可 屏 蔽 中 斷 請 求,n,4,3,0,1,2,8086/8088中斷源類型：,中斷向量表,00000H,003FFH,1KB,中斷向量表,存放各類中斷的中斷服務程序的入口地址 每個入口占用4 B，低字為段內(nèi)偏移，高字為段基址 表的地址位于內(nèi)存的00000H003FFH，大小為1KB，共256個入口,中斷向量表的初始化,將用戶自定義的中斷服務程序入口地址放入向量表 例：將中斷向量碼為48H的服務程序入口地址放入向量表,p290,中斷向量表的初始化,MOV AX，0000H MOV DS，AX MOV SI，0120H MOV BX，OFFSET