高正中微原第8章輸入輸出接口

1、第8章 輸入輸出接口微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用8.1 I/O接口概述8.2 外設(shè)數(shù)據(jù)傳送方式8.3 中斷系統(tǒng)I/O接口含義為什么使用I/O接口？外部設(shè)備多種多樣;外部設(shè)備輸入/輸出信號(hào)各異；外部設(shè)備響應(yīng)速度各異；微機(jī)總線與外部設(shè)備間也需要可控連接；8.1 I/O接口概述8.1 I/O接口概述內(nèi)部結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)寄存器：保存微處理器與外設(shè)之間交換的數(shù)據(jù)；狀態(tài)寄存器：保存外設(shè)當(dāng)前的工作狀態(tài)信息；控制寄存器：保存微處理器控制接口電路和外設(shè)操作的有關(guān)信息；外部特性面向微處理器一側(cè)的信號(hào)：與微處理器總線類似；面向外設(shè)一側(cè)的信號(hào)：與外設(shè)有關(guān)；I/O地址外設(shè)端口，對(duì)應(yīng)接口寄存器8.1.1 I/O接口的典型結(jié)構(gòu)I/O接口

2、的主要功能數(shù)據(jù)緩沖匹配快速的微處理器與相對(duì)慢速的外設(shè)的數(shù)據(jù)交換緩沖：實(shí)現(xiàn)接口雙方數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣绕ヅ?。信?hào)變換把信號(hào)相互轉(zhuǎn)換為適合對(duì)方的形式；計(jì)算機(jī)直接處理的信號(hào)；數(shù)字量（0和1組成的信號(hào)編碼）；開(kāi)關(guān)量（只有兩種狀態(tài)的信號(hào)）；脈沖量（低脈沖信號(hào)，高脈沖信號(hào)）；I/O接口的軟件編程接口芯片具有可編程性（Programmable）；命令字（控制字）寫入接口芯片、選擇工作方式、控制數(shù)據(jù)傳輸；初始化程序選擇I/O接口工作方式、設(shè)置原始工作狀態(tài)等；驅(qū)動(dòng)程序操縱I/O接口完成具體工作；1. I/O端口與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址將I/O端口單獨(dú)編排地址，獨(dú)立于存儲(chǔ)器地址；優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址空間獨(dú)立；控制和地址譯碼電

3、路相對(duì)簡(jiǎn)單；專門的I/O指令使程序清晰易讀；缺點(diǎn)：I/O指令沒(méi)有存儲(chǔ)器指令豐富；主存空間I/O空間FFFFF0FFFF80 x86采用I/O端口獨(dú)立編址8.1.2 I/O端口的編址2. I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址將I/O端口與存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編排；優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的I/O指令；I/O數(shù)據(jù)存取靈活；缺點(diǎn)：占去部分存儲(chǔ)器空間；程序不易閱讀；主存部分I/O部分存儲(chǔ)器空間00000FFFFF3. I/O地址譯碼與存儲(chǔ)器地址譯碼在原理和方法上完全相同；I/O地址不太強(qiáng)調(diào)連續(xù)，多采用部分譯碼；輸入輸出指令輸入指令I(lǐng)N：數(shù)據(jù)從I/O接口輸入到微處理器；IN AL/AX/EAX,i8/DX；I/O地址0-0FF

4、可以采用直接或DX間址； ；100H-0FFFFH只能DX間址；輸出指令OUT：數(shù)據(jù)從微處理器輸出I/O接口OUT i8/DX,AL/AX/EAXI/O尋址方式直接尋址I/O指令直接提供8位I/O地址；只能尋址最低256個(gè)I/O地址（00FFH）；用i8表示I/O地址，表達(dá)形式上與立即數(shù)一樣；DX間接尋址用DX寄存器保存訪問(wèn)的I/O地址；可尋址全部I/O地址（0000FFFFH）；直接書寫成DX，表示I/O地址；64K個(gè) I/O地址，不分段I/O數(shù)據(jù)傳輸量8位I/O傳輸：I/O指令使用AL；16位I/O傳輸：I/O指令使用AX；32位I/O傳輸：I/O指令使用EAX；8.2 外設(shè)數(shù)據(jù)傳送方式三

5、態(tài)緩沖器:加有控制端的同相器或反相器控制端T有效時(shí)，控制輸入A端輸出到Y(jié)端；控制端T無(wú)效時(shí)，輸出Y端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；74LS244：雙4位三態(tài)同相緩沖器；雙向三態(tài)緩沖器：兩個(gè)三態(tài)緩沖器構(gòu)成；輸出允許控制端OE*：控制數(shù)據(jù)的輸出；方向控制端DIR：控制數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方向；74LS245 ：8位雙向三態(tài)緩沖器芯片；示意圖對(duì)I/O接口電路基本要求：輸入緩沖、輸出鎖存；輸入緩沖器鎖存器使用D觸發(fā)器構(gòu)成輸入端為D端，控制端為C端；兩個(gè)相反的輸出信號(hào)Q和Q*；復(fù)位R或置位S控制端；電平鎖存：電平控制輸出能跟隨輸入變化；邊沿鎖存：輸出只能鎖存輸入的狀態(tài)；74LS273：上升沿鎖存的8位邊沿鎖存器；74LS373：

6、電平鎖存的8位三態(tài)緩沖鎖存器；示意圖外部數(shù)據(jù)傳輸方式1. 無(wú)條件傳送2. 程序查詢傳送3. 中斷傳送4. DMA傳送8.2.1 無(wú)條件傳送外設(shè)總是處于“就緒”狀態(tài)，隨時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；無(wú)條件傳送的接口電路：輸入只考慮數(shù)據(jù)緩沖，輸出鎖存；無(wú)條件傳送的軟件編程：十分簡(jiǎn)單；無(wú)條件傳送接口電路輸入接口電路連接開(kāi)關(guān)：讀取開(kāi)關(guān)狀態(tài)；輸出接口電路連接發(fā)光二極管LED；功能要求：開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，將相應(yīng)LED點(diǎn)亮；調(diào)用延時(shí)子程序DELAY保持一定時(shí)間；mov dx,8000h;DX指向輸入端口；in al,dx;從輸入端口讀開(kāi)關(guān)狀態(tài)；not al;求反out dx,al;送輸出端口顯示call delay;調(diào)子程

7、序DELAY進(jìn)行延時(shí)示意圖8.2.2 查詢傳送查詢傳送有查詢和傳送兩個(gè)環(huán)節(jié)；首先查詢外設(shè)工作狀態(tài)；檢測(cè)、等待外設(shè)準(zhǔn)備就緒；進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)查詢功能的電路；連接外設(shè)的狀態(tài)輸入信號(hào)；保存在狀態(tài)寄存器中；通過(guò)狀態(tài)端口讀?。粚?shí)際中常引入超時(shí)判斷；查詢需大量時(shí)間，效率較低；查詢輸入接口讀取狀態(tài)端口查詢外設(shè)狀態(tài)，若已就緒，讀取數(shù)據(jù)端口得到外設(shè)提供的數(shù)據(jù)mov dx,5001h;DX指向狀態(tài)端口status:in al,dx;讀狀態(tài)端口test al,01h;測(cè)試狀態(tài)位D0jz status;D00，未就緒，繼續(xù)查詢dec dx;D01，就緒，DX改指數(shù)據(jù)端口in al,dx;從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)示意圖

8、查詢輸出接口讀取狀態(tài)端口查詢外設(shè)狀態(tài)，若已就緒，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)端口輸出給外設(shè)mov dx,5001h;DX指向狀態(tài)口status:in al,dx;讀取狀態(tài)口的狀態(tài)數(shù)據(jù)test al,80h;測(cè)試標(biāo)志位D7jnz status;D71，未就緒，繼續(xù)查詢dec dx;D70，就緒，DX改指數(shù)據(jù)口mov al,buf;將變量BUF送ALout dx,al;將AL中的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)口示意圖8.2.3 中斷傳送微處理器在執(zhí)行程序過(guò)程中，被內(nèi)部或外部的事件所打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預(yù)先安排好的中斷服務(wù)程序；服務(wù)結(jié)束后，又返回原來(lái)的斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序；8.2.4 DMA傳送希望克服程序控制傳送的不足：外設(shè)CP

9、U存儲(chǔ)器外設(shè)CPU存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)器存取DMA：外設(shè)存儲(chǔ)器外設(shè)存儲(chǔ)器CPU釋放總線，由DMA控制器管理DMA傳送過(guò)程CPU對(duì)DMA控制器進(jìn)行初始化設(shè)置外設(shè)、DMAC和CPU三者通過(guò)應(yīng)答信號(hào)建立聯(lián)系：CPU將總線交給DMAC控制DMA傳送DMA讀存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器 外設(shè)DMA寫存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器 外設(shè)自動(dòng)增減地址和計(jì)數(shù)，判斷傳送完成否示意圖8.3 中斷系統(tǒng)中斷含義：中斷作用：利用外部中斷：可以實(shí)時(shí)響應(yīng)外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求、能夠及時(shí)處理外部意外或緊急事件（提高CPU工作效率）;利用內(nèi)部中斷：為用戶提供了發(fā)現(xiàn)、調(diào)試并解決程序執(zhí)行時(shí)異常情況的有效途徑;IA-32微處理器的中斷系統(tǒng)采用向量中斷機(jī)制，能夠處理25

10、6個(gè)中斷;用中斷向量號(hào)0255區(qū)別;可屏蔽中斷需要中斷控制器實(shí)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)管理;IA-32微處理器的中斷類型分類：按中斷源位置：外部中斷內(nèi)部中斷按中斷源的原因：硬件中斷軟件中斷是否可控可屏蔽中斷非可屏蔽中斷1-內(nèi)部中斷(1)除法錯(cuò)中斷-0 執(zhí)行除法指令時(shí)，若除數(shù)為0或商超過(guò)了寄存器所能表達(dá)的范圍，產(chǎn)生的一個(gè)向量號(hào)為0的內(nèi)部中斷。(2)單步中斷-1，程序調(diào)試用(4)斷點(diǎn)中斷-3，程序調(diào)試用(5)溢出中斷-4 執(zhí)行溢出中斷指令I(lǐng)NTO時(shí)，若溢出標(biāo)志OF為1，產(chǎn)生的一個(gè)向量號(hào)4的內(nèi)部中斷.2. 外部中斷-非屏蔽中斷（2#）外部通過(guò)非屏蔽中斷NMI請(qǐng)求信號(hào)提出的中斷；非屏蔽中斷的中斷向量號(hào)是2；非屏蔽中斷

11、主要用于處理系統(tǒng)的意外或故障；IBM PC系列微機(jī)的非屏蔽中斷用于：主板上存儲(chǔ)器產(chǎn)生奇偶校驗(yàn)錯(cuò)I/O通道上產(chǎn)生奇偶校驗(yàn)錯(cuò)數(shù)值協(xié)處理器產(chǎn)生異?？善帘沃袛嗤獠客ㄟ^(guò)可屏蔽中斷INTR請(qǐng)求信號(hào)提出的中斷；在允許可屏蔽中斷的條件下、在當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束后予以響應(yīng)；同時(shí)輸出可屏蔽中斷響應(yīng)信號(hào)INTA*，產(chǎn)生可屏蔽中斷響應(yīng)總線周期；可屏蔽中斷通常需要中斷控制器負(fù)責(zé)處理多個(gè)中斷優(yōu)先權(quán)排隊(duì)等管理工作；可屏蔽中斷主要用于與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；可屏蔽中斷從外部獲取中斷向量號(hào)中斷標(biāo)志IF1，微處理器開(kāi)中斷；可以響應(yīng)，允許中斷，中斷開(kāi)放；IF0，微處理器關(guān)中斷；不能響應(yīng)，禁止可屏蔽中斷，中斷被屏蔽；關(guān)中斷的情況；系統(tǒng)復(fù)位后

12、；任何一個(gè)中斷被響應(yīng)后；執(zhí)行關(guān)中斷指令CLI后；開(kāi)中斷的方法；執(zhí)行開(kāi)中斷指令STI；執(zhí)行中斷返回指令I(lǐng)RET恢復(fù)中斷前IF狀態(tài)；3.中斷響應(yīng)過(guò)程將標(biāo)志寄存器壓入堆棧，保護(hù)標(biāo)志位；禁止可屏蔽中斷和單步中斷；將被中斷指令的邏輯地址壓入堆棧；根據(jù)向量號(hào)獲取中斷向量；執(zhí)行服務(wù)程序；中斷返回：斷點(diǎn)地址和標(biāo)志寄存器出?；謴?fù)；控制返回到斷點(diǎn)指令繼續(xù)執(zhí)行；8.3.2 中斷向量表中斷類型碼（向量號(hào)）：中斷的編號(hào)；中斷向量： 中斷服務(wù)程序的入口地址；中斷向量表：中斷服務(wù)程序的入口地址按照中斷 向量號(hào)排列成的有規(guī)則的表格。中斷向量地址：中斷向量在中斷向量表中的物理地址；實(shí)方式的中斷向量表結(jié)構(gòu)物理地址00000H，對(duì)

13、應(yīng)向量號(hào)從0開(kāi)始；依次每4個(gè)字節(jié)安排一個(gè)中斷向量；中斷向量中斷服務(wù)程序入口地址（首地址）；含有16位段地址和16位偏移地址的邏輯地址；按照“低對(duì)低、高對(duì)高”的小端方式存儲(chǔ)；低字部分是偏移地址、高字部分是段地址；256個(gè)中斷占用1KB區(qū)域，形成中斷向量表；示意圖中斷向量的物理地址N4中斷向量的物理地址N4保護(hù)方式-中斷管理中斷描述符表IDT中斷描述符：每中斷占8字節(jié)；中斷描述符表IDT基地址由IDTR給定；8.3.3 內(nèi)部中斷服務(wù)程序定義中斷程序： PROC ENDP；開(kāi)放可屏蔽中斷指令：STI；中斷返回指令： IRET；參數(shù)傳遞：常用寄存器；中斷調(diào)用指令： INT N；設(shè)置中斷向量：25H號(hào)D

14、OS功能調(diào)用；入口參數(shù)：AL=向量號(hào)，DS:DX=中斷入口地址；獲取中斷向量：35H號(hào)DOS功能調(diào)用；入口參數(shù)：AL=向量號(hào)；出口參數(shù)：ES:BX=中斷入口地址；例題1讀出80H中斷號(hào)的中斷服務(wù)程序入口地址，并存入兩個(gè)字變量中。;數(shù)據(jù)段intoffdw ?;保存原中斷服務(wù)程序的偏移地址intsegdw ? ;保存原中斷服務(wù)程序的段地址;代碼段mov ax,3580h;獲取原80H中斷向量int 21hmov intoff,bx;保存偏移地址mov intseg,es;保存段基地址例2設(shè)置中斷服務(wù)程序newint為80h中斷號(hào)；push dsmov dx,offset newintmov ax,

15、seg newintmov ds,axmov ax,2580hint 21hpop ds可屏蔽中斷服務(wù)程序可屏蔽中斷服務(wù)程序隨時(shí)中斷，注意：發(fā)送中斷結(jié)束命令；中斷服務(wù)程序盡量短??；主程序需要修改中斷向量，還要注意：控制微處理器的中斷允許標(biāo)志；設(shè)置中斷屏蔽寄存器；8259A中斷控制器管理外設(shè)的多個(gè)中斷請(qǐng)求并進(jìn)行優(yōu)先權(quán)排隊(duì)等工作；IBM PC/AT機(jī)使用兩個(gè)Intel 8259A可編程中斷控制器每個(gè)管理8級(jí)中斷，請(qǐng)求引腳：IR0IR7；每一級(jí)中斷可單獨(dú)被屏蔽或允許；多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)最多擴(kuò)展至64級(jí)中斷；為每級(jí)中斷提供中斷向量號(hào)；中斷請(qǐng)求寄存器IRR保存8條外界中斷請(qǐng)求信號(hào)IR0IR7的請(qǐng)求狀態(tài)；中斷服

16、務(wù)寄存器ISR保存正在被8259A服務(wù)著的中斷狀態(tài)；中斷屏蔽寄存器IMR保存對(duì)中斷請(qǐng)求信號(hào)IR的屏蔽狀態(tài)；中斷控制器的工作方式普通全嵌套方式中斷優(yōu)先權(quán)順序固定，高低:IR0IR7；對(duì)當(dāng)前請(qǐng)求中斷中優(yōu)先權(quán)最高的中斷IRi予以響應(yīng)；送出向量號(hào)，對(duì)應(yīng)ISR的Di位置位，直到中斷結(jié)束；在ISR的Di位置位期間，禁止再發(fā)生同級(jí)和低級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷，允許高級(jí)優(yōu)先權(quán)中斷的嵌套；普通中斷結(jié)束方式中斷結(jié)束是指8259A結(jié)束中斷的處理，以中斷服務(wù)寄存器ISR某位復(fù)位作為該中斷結(jié)束的標(biāo)志；發(fā)出普通中斷結(jié)束EOI命令，把正在服務(wù)的中斷中優(yōu)先權(quán)最高的ISR位復(fù)位；中斷控制器的編程指定其工作方式和控制中斷處理過(guò)程；開(kāi)始工作

17、前，必須進(jìn)行初始化編程；寫入初始化命令 ICW1-ICW4；工作期間，需要中斷操作編程；寫入操作命令字OCW：按新要求工作，讀取信息等；OCW1：寫入IMR，控制中斷屏蔽；OCW2：產(chǎn)生EOI命令，改變優(yōu)先權(quán)順序；OCW3：控制讀取IRR、ISR、IMR和查詢字；8259A初始化字與操作命令字一、8259A的初始化命令字 8259有4個(gè)初始化命令字ICW1ICW4，ICW1和ICW2是必須送的，ICW3和ICW4由工作方式?jīng)Q定；1. ICW1（初始化字） 特征：A0=0，ICW1中D4=11=需要ICW40=不需要ICW4 IC4SNGL XLTIM 1 0A0D7 D6 D5 D4 D3 D

18、2 D1 D0偶地址識(shí)別碼ICW1X X X1=電平觸發(fā) 0=邊沿觸發(fā)1=單片0=級(jí)聯(lián)2. ICW2（中斷類型碼字）寫入時(shí)A0=1。當(dāng)已知某中斷源的中斷類型碼時(shí)，應(yīng)填入ICW2，但其中高5位有效，低3位系統(tǒng)自動(dòng)填入0。 8259A回送中斷類型碼時(shí)，低3位自動(dòng)填寫中斷類型號(hào)； 1 T3 T4 T5 T6 T7A0奇地址中斷類型自動(dòng)填入IR0 000IR1 001IR7 111ICW2（中斷類型碼字）3. ICW3（級(jí)聯(lián)控制字）若系統(tǒng)中只有一片8259A，則不用ICW3；若有多片8259A級(jí)連，則主8259A和每個(gè)從8259A都必須使用ICW3。 僅當(dāng)ICW1中D1為0才需寫ICW3 . S0 S

19、1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 1主片A0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0奇地址對(duì)應(yīng)每位Di表示IRi中斷請(qǐng)求線上有無(wú)從片1有，0無(wú)從片ID0ID1ID2 0 0 0 0 0 1A0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0奇地址無(wú)作用，常取04. ICW4（方式控制字）由 ICW1決定是否要ICW4PMAEOIM/SBUFSFNM 0 0 0 1A0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0奇地址 ICW4（方式控制字）1=80X86模式 0=8080/8085模式1=自動(dòng)EOI0=普通EOI 0 X：非緩沖方式 1 0：緩沖方式/從 1 1：緩沖方式/主 1=

20、特殊的全嵌套方式 0=普通的全嵌套方式初始化流程例：IBM-PC XT微機(jī)外中斷由一片8259A管理，系統(tǒng)分配給8259的I/O地址為20H和21H，要求：中斷優(yōu)先級(jí)采用完全嵌套方式，中斷請(qǐng)求采用邊沿觸發(fā)方式、非緩沖方式，中斷結(jié)束采用自動(dòng)EOI命令方式，并已知其中IR3中斷號(hào)為0BH，對(duì)其初始化操作。初始化控制字ICW1例：IBM-PC XT微機(jī)外中斷由一片8259A管理，系統(tǒng)分配給8259的I/O地址為20H和21H，要求：中斷優(yōu)先級(jí)采用完全嵌套方式，中斷請(qǐng)求采用邊沿觸發(fā)方式、非緩沖方式，中斷結(jié)束采用自動(dòng)EOI命令方式，并已知其中IR3中斷號(hào)為0BH，對(duì)其初始化操作。1=需要ICW40=不需

21、要ICW4 IC4SNGL XLTIM 1 0A0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0偶地址識(shí)別碼ICW1X X X1=電平觸發(fā) 0=邊沿觸發(fā)1=單片0=級(jí)聯(lián)初始化控制字ICW2 1 T3 T4 T5 T6 T7A0奇地址中斷類型自動(dòng)填入IR0 000IR1 001IR7 111ICW2（中斷類型碼字）IR3中斷號(hào)為0BH，對(duì)其初始化操作。初始化控制字ICW4PMAEOIM/SBUFSFNM 0 0 0 1A0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0奇地址 ICW4（方式控制字）1=80X86模式 0=8080/8085模式1=自動(dòng)EOI0=普通EOI 0 X：非緩沖方式 1 0：緩沖方式/從 1 1：緩沖方式/主 1=特殊的全嵌套方式 0=普通的全嵌套方式初始化程序 MOV AL，00010011B OUT 20H，AL ;（ICW1) MOV AL，00001000B OUT 21H，AL ;（ICW2) MOV AL，00001101B OUT 21H，AL ;（ICW4)二、操作命令字OCW1OCW3寫入順序上無(wú)特別要求，端口地址有嚴(yán)格規(guī)定： OCW1寫入奇地址端口(A0=1)， OCW2和OCW3寫入偶地址端口（A0=0）。1. OCW1（屏蔽控制字） M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 1A0D7 D6 D5 D4 D3 D2