微機(jī)原理第4講

1、微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出接口（Interface） 輸入輸出（Input / Output - I/O）接口是主機(jī)與外設(shè)之間的交接界面，通過接口可以實現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的信息交換。在計算機(jī)系統(tǒng)中，“輸入”指的是信息從I/O設(shè)備進(jìn)入CPU中；“輸出”指的是信息從CPU輸送到I/O設(shè)備。 解決主機(jī)和外設(shè)在信息形式和工作速度上差異的電路 端口 端口是指接口電路中可以被CPU直接訪問的寄存器。 數(shù)據(jù)端口存放數(shù)據(jù)信息的寄存器命令端口存放控制命令的寄存器狀態(tài)端口存放外設(shè)狀態(tài)信息的寄存器接口的基本功能：緩沖作用 鎖存功能IO 接口應(yīng)具備輸入緩沖、輸出鎖存功能。微型機(jī)

2、原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出端口編址 獨(dú)立編址方式I/O 端口與存儲器系統(tǒng)是隔離的存儲器映像方式存儲器映像I/O 的端口被視為存儲器映像中的一個存儲單元接口類型 并行接口并行接口將數(shù)據(jù)的各位同時在多根并行傳輸線上進(jìn)行傳輸微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出串行接口串行通信是將數(shù)據(jù)分解成二進(jìn)制位，用一條信號線一位一位順序傳送的方式。串行通信適合于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送，也常用于速度要求不高的近距離數(shù)據(jù)傳送。 微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出通訊方式 同步通信方式（synchronous communic

3、ation） 異步通信方式（asynchronous communication）。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出同步通信同步通信方式，是把許多字符組成一個信息組，這樣，字符可以一個接一個地傳輸，但是，在每組信息(通常稱為信息幀)的開始要加上同步字符，在沒有信息要傳輸時，要填上空字符，因為同步傳輸不允許有間隙。同步方式下，發(fā)送方除了發(fā)送數(shù)據(jù)，還要傳輸同步時鐘信號，信息傳輸?shù)碾p方用同一個時鐘信號確定傳輸過程中每1位的位置。 微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出異步通信異步串行數(shù)據(jù)無需時鐘或定時信號即可發(fā)送和接收。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以字

4、符（character）為單位。每幀串行數(shù)據(jù)通過起始位和停止位來區(qū)分字符。當(dāng)發(fā)送一個字符代碼時，字符前面要加一個“起始”信號，其長度為一位，極性為“0”，稱空號（space）狀態(tài)。規(guī)定在線路不傳送數(shù)據(jù)時全部為“1”，稱傳號（mark）狀態(tài)。字符后邊要加一個“停止”信號，其長度為1、1.5或2位，極性為“1”。字符本身的長度58位數(shù)據(jù)，視傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式而定。由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位四部分構(gòu)成一個數(shù)據(jù)幀。傳送時，字符可以連續(xù)發(fā)送，也可以單獨(dú)隨機(jī)發(fā)送，不發(fā)送字符時線路保持“1”狀態(tài)。字符發(fā)送的順序是先低位后高位。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出每幀包含一個

5、起始位，7個數(shù)據(jù)位、一個奇偶校驗位以及一個停止位。 微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出串行通訊分類 全雙工 半雙工 單工 微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出波特率 發(fā)送端使用的用于決定數(shù)據(jù)位寬度的時鐘稱為發(fā)送時鐘接收端使用的用于測定每一位輸入數(shù)據(jù)位寬度的時鐘稱為接收時鐘發(fā)送/接收時鐘決定了每一位數(shù)據(jù)的位寬度，所以發(fā)送/接收時鐘頻率的高低決定串行通信雙方發(fā)送/接收字符數(shù)據(jù)的速度。 發(fā)送/接收時鐘單位時間內(nèi)傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位為位/秒（b/s） 一個數(shù)據(jù)幀包括12位（一個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個偶校驗位，2個停止位）傳輸速率

6、為1200b/s時，每秒最大所能傳送的字符是 1200/(1+8+1+2)=100個。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出2. 輸入輸出方式 輸入輸出方式指的是主機(jī)與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送的途徑和方法。 程序直接控制方式程序直接控制方式 由CPU 執(zhí)行一般輸入輸出程序來實現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送的方式叫做程序直接控制方式。根據(jù)外設(shè)的不同性質(zhì)，無條件傳送 程序查詢方式 中斷方式中斷方式利用中斷服務(wù)程序中完成一次主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送直接存儲器存取方式（直接存儲器存取方式（DMA）I/O 端口stand by CPU 無需查詢外設(shè)的工作狀態(tài)，認(rèn)為外設(shè)始終處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)

7、在CPU 認(rèn)為需要時，隨時可直接利用相關(guān)指令訪問I/O 端口，實現(xiàn)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換最簡單、經(jīng)濟(jì)的I/O方式微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出當(dāng)CPU與外設(shè)工作不同步時，為了保證數(shù)據(jù)傳送的正確進(jìn)行，要求CPU 在程序中查詢外設(shè)的工作狀態(tài)。如果外設(shè)尚未準(zhǔn)備就緒，CPU 就循環(huán)等待，只有當(dāng)外設(shè)已做好準(zhǔn)備，CPU才能執(zhí)行指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這就是程序查詢方式。程序查詢方式 微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出程序查詢方式的工作步驟如下：Step 1：預(yù)置傳送參數(shù)，在傳送數(shù)據(jù)之前，由CPU執(zhí)行一段初始化程序，預(yù)置傳送參數(shù)，傳送參數(shù)包括存

8、取數(shù)據(jù)的主存緩沖區(qū)首地址和傳送數(shù)據(jù)的個數(shù)。Step 2：向外設(shè)接口發(fā)出命令字。當(dāng)CPU選中某臺外設(shè)時，執(zhí)行輸出指令向外設(shè)接口發(fā)出命令字啟動外設(shè)，為接受數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)做應(yīng)有的操作準(zhǔn)備。Step 3：從外設(shè)接口取回狀態(tài)字。CPU執(zhí)行輸入指令，從外設(shè)接口中取回狀態(tài)字并進(jìn)行測試，判斷數(shù)據(jù)傳送是否可以進(jìn)行。Step 4：查詢外設(shè)標(biāo)志。CPU不斷查詢狀態(tài)標(biāo)志。如果外設(shè)沒有準(zhǔn)備就緒，CPU就踏步等待，轉(zhuǎn)第Step 3，一直到這個外設(shè)準(zhǔn)備就緒，并發(fā)出“外設(shè)準(zhǔn)備就緒”信號為止。Step 5：傳送數(shù)據(jù)。只有外設(shè)準(zhǔn)備好，才能實現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)間的一次數(shù)據(jù)傳送。輸入時，CPU執(zhí)行輸入指令，從外設(shè)接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中接收

9、數(shù)據(jù)；輸出時，CPU執(zhí)行輸出指令，將數(shù)據(jù)寫入外設(shè)接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中。Step 6：修改傳送參數(shù)。每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送之后必須要修改傳送參數(shù)，其中包括主存緩沖區(qū)地址加1，傳送個數(shù)計數(shù)器減1。Step 7：判斷傳送是否結(jié)束。如果傳送個數(shù)計數(shù)器不為0，則轉(zhuǎn)第Step 3，繼續(xù)傳送，直到傳送個數(shù)計數(shù)器為0，表示傳送結(jié)束。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出通常接口中至少有兩個寄存器，一個是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，即數(shù)據(jù)端口，用來存放與CPU進(jìn)行傳送的數(shù)據(jù)信息；另一個提供CPU查詢的設(shè)備狀態(tài)寄存器，即狀態(tài)端口，這個寄存器由多個標(biāo)志位組成，其中最重要的是“外設(shè)準(zhǔn)備就緒”標(biāo)志。當(dāng)C

10、PU 得到這位標(biāo)志后就進(jìn)行判斷，以決定下一步是繼續(xù)循環(huán)等待還是進(jìn)行I/O 傳送。存在下列缺點(diǎn)： 查詢過程中，CPU長期處于踏步等待狀態(tài)，使系統(tǒng)效率大大降低； CPU在一段時間內(nèi)只能和一臺外設(shè)交換信息，其他設(shè)備不能同時工作； 不能發(fā)現(xiàn)和處理預(yù)先無法估計的錯誤和異常情況。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出中斷方式中斷方式 中斷源和中斷請求信號 中斷源是指中斷請求的來源，即引起計算機(jī)中斷的事件。通常，一臺計算機(jī)允許有多個中斷源。由于每個中斷源向CPU發(fā)出中斷請求的時間是隨機(jī)的，為了記錄中斷事件并區(qū)分不同的中斷源，采用具有存儲功能的觸發(fā)器來記錄中斷源，這個觸發(fā)器稱為中

11、斷請求觸發(fā)器（INTR）。當(dāng)某一個中斷源有中斷請求時，其相應(yīng)的中斷請求觸發(fā)器置成“1”狀態(tài)，表示該中斷源向CPU提出中斷請求。中斷請求觸發(fā)器可能分散在各個中斷源中，也可能集中到中斷接口電路中，在中斷接口電路中，多個中斷請求觸發(fā)器構(gòu)成一個中斷請求寄存器。中斷請求寄存器的每一位對應(yīng)一個中斷源，其內(nèi)容稱為中斷字或中斷碼。中斷字為“1”的位就表示對應(yīng)的中斷源有中斷請求。為了提高輸入輸出能力和CPU 的效率生活實例微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出中斷請求信號的傳送 獨(dú)立請求線每個中斷源單獨(dú)設(shè)置中斷請求線，將中斷請求信號直接送往CPU，這種方式的特點(diǎn)是CPU在接到中斷請

12、求的同時就知道了中斷源是誰，其中斷服務(wù)程序的入口地址在哪里。這有利于實現(xiàn)向量中斷，提高中斷的響應(yīng)速度。如第三章中的51系列單片機(jī)就是這種形式。獨(dú)立請求線硬件代價較大，且CPU所能連接的中斷請求線數(shù)目有限，難以擴(kuò)充。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出公共請求線多個中斷源共有一根公共請求線，這種方式的特點(diǎn)是在負(fù)載允許的情況下，中斷源的數(shù)目可隨意擴(kuò)充；但CPU在接到中斷請求后，必須通過軟件或硬件的方法來識別中斷源，然后再找出中斷服務(wù)程序的入口地址。8086的中斷就是這種形式。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出二維結(jié)構(gòu) 將中斷請求線連

13、成二維結(jié)構(gòu)，同一優(yōu)先級別的中斷源，采用一根公用線的請求線；不同請求線上的中斷源優(yōu)先級別不同。這種方式綜合了前兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，在中斷源較多的系統(tǒng)中常采用這種方式。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出中斷響應(yīng) CPU響應(yīng)中斷必須滿足下列條件： CPU接收到中斷請求信號。首先中斷源要發(fā)出中斷請求，同時CPU還要接收到這個中斷請求信號。 CPU允許中斷。CPU內(nèi)部有一個中斷允許觸發(fā)器（EINT），只有當(dāng)EINT=1時，CPU才可以響應(yīng)中斷源的中斷請求（中斷允許）；如EINT=0，CPU處于不允許中斷狀態(tài)，即使中斷源有中斷請求，CPU也不響應(yīng)（中斷關(guān)閉）。通常，中斷允許觸

14、發(fā)器由開中斷指令來置位，由關(guān)中斷指令或硬件自動使其復(fù)位。允許中斷通常由CPU的開中斷指令實現(xiàn)。 一條指令執(zhí)行完畢，這是CPU響應(yīng)中斷請求的時間限制條件。一般情況下，CPU在一條指令執(zhí)行完畢且沒有更緊迫的任務(wù)時才能響應(yīng)中斷請求。中斷響應(yīng)是當(dāng)CPU發(fā)現(xiàn)已有中斷請求時，中止現(xiàn)行程序執(zhí)行，并自動引出中斷處理程序的過程。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出中斷處理 當(dāng)I/O通過指令的地址碼選中某設(shè)備后 由CPU啟動外設(shè)命令，將接口中B置“1”，D置“0”； 接口啟動輸入設(shè)備開始工作； 輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送入DBR； 輸入設(shè)備向接口發(fā)“設(shè)備工作結(jié)束”信號，使D置“1”，B置“0

15、”，標(biāo)志設(shè)備準(zhǔn)備就緒； 當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備就緒（D=1），且本設(shè)備未被屏蔽（MARK=0）時，在指令執(zhí)行階段的結(jié)束時刻，由CPU發(fā)中斷查詢信號； 設(shè)備中斷請求觸發(fā)器INTR被置“1”，標(biāo)識設(shè)備向CPU提出中斷請求，與此同時，INTR送至排隊器，進(jìn)行中斷判優(yōu) 若CPU允許中斷（EINT=1），設(shè)備又被排隊選中，即進(jìn)入中斷響應(yīng)階段，由中斷響應(yīng)信號INTA 將排隊器輸出送至編碼器形成向量地址； 向量地址送至PC，作為下一條指令的地址； 由于向量地址中存放的是一條無條件轉(zhuǎn)移指令，故這條指令執(zhí)行結(jié)束后，即無條件轉(zhuǎn)至該設(shè)備的服務(wù)程序入口地址開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序，進(jìn)入中斷服務(wù)階段； 中斷服務(wù)程序的最后一條指令執(zhí)行結(jié)

16、束，即中斷返回至源程序的斷點(diǎn)處。一次中斷處理過程中斷請求中斷判優(yōu)中斷響應(yīng)中斷服務(wù)中斷返回微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理與程序設(shè)計第第4講講 輸入輸出輸入輸出中斷屏蔽 中斷源發(fā)出中斷請求之后，這個中斷請求并不一定能真正送到CPU去，在有些情況下，可以用程序方式有選擇的封鎖部分中斷，這就是中斷屏蔽。如果給每個中斷源都相應(yīng)地配備一個中斷屏蔽觸發(fā)器（MASK），則每個中斷請求信號要受到屏蔽觸發(fā)器的控制。當(dāng)MASK=1，表示對應(yīng)中斷源的請求被屏蔽，可見中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器是成對出現(xiàn)的，只有當(dāng)INTRi = 1（中斷源有中斷請求），MASKi = 0（該級中斷未被屏蔽），才允許對應(yīng)的中斷請求送往CPU 按照是否可以被屏蔽，可將中斷分為兩大類：不可屏蔽中斷（又叫非屏蔽中斷）和可屏蔽中斷。不可屏蔽中斷源一旦提出請求，CPU必須無條件響應(yīng)，而對可屏蔽中斷源的請求，CPU可以響應(yīng)，也可以不響應(yīng)。CPU一般設(shè)置兩根中斷請求輸入線：可屏蔽中斷請求INTR和不可屏蔽中斷請求NMI。微型機(jī)原理與程序設(shè)計微型機(jī)原理