第七章 IO接口與中斷技術(shù)

第7章I/O接口與中斷技術(shù)

1第7章I/O接口與中斷技術(shù)7.1I/O接口7.2中斷的基本原理7.38086/8088的中斷系統(tǒng)7.4可編程中斷控制器8259A7.5IBMPC-XT／AT中的外部中斷邏輯27.1I/O接口7.1.1

I/O接口的重要作用輸入和輸出設(shè)備是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。計算機所處理的信息，包括程序與數(shù)據(jù)均要由輸入設(shè)備提供；而處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)，則要送給輸出設(shè)備。

3給計算機與外設(shè)間交換信息帶來以下一些問題：1．

速度不匹配2．

信號電平不匹配3．

信號格式不匹配4．

時序不匹配4圖7.1I/O接口在系統(tǒng)中的位置

5圖7.2微機系統(tǒng)各種I/O接口示意圖

67.1.2

I/O接口的主要功能數(shù)據(jù)緩沖功能設(shè)備選擇功能信號轉(zhuǎn)換功能對外設(shè)的控制和監(jiān)測功能中斷請求與管理功能可編程功能77.1.3

I/O端口的編址方式與存儲器統(tǒng)一編址方式（存儲器映射方式）－非80X86系列機，如MC68000等（占用存儲器地址范圍不同）．I/O單獨編址方式（I/O映射方式）－

80X86系列機，Ｚ80等．（不占用存儲空間）8主存空間I/O空間FFFFF0FFFF實際：0～3FFH主存部分2I/O部分存儲器空間00000FFFFF9主存部分1MC68000等80X86系列機等7.1.4

CPU與I/O接口之間傳送信息的方式圖7.3無條件傳送的輸入方式

101、無條件傳送方式無條件傳送微處理器與慢速變化的設(shè)備交換數(shù)據(jù)外設(shè)總是處于“就緒”狀態(tài)，隨時可以進行數(shù)據(jù)傳送無條件傳送的接口電路：只考慮數(shù)據(jù)緩沖無條件傳送的軟件編程：十分簡單輸入時執(zhí)行輸入IN指令

movdx,8000h inal,dx

mov

bufin,al輸出時執(zhí)行輸出OUT指令

mov

al,bufout

movdx,8000h outdx,al11

圖7.4查詢輸入的接口電路和輸入程序流程圖

122、程序查詢傳送方式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)

movdx,5001h ;DX指向狀態(tài)端口status: inal,dx ;讀狀態(tài)端口

testal,01h ;測試狀態(tài)位D0

jzstatus ;D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢

dec

dx ;D0＝1，就緒，DX改指數(shù)據(jù)端口:dx＝5000h

inal,dx ;從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)示意圖13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)

movdx,5001h ;DX指向狀態(tài)口status: inal,dx ;讀取狀態(tài)口的狀態(tài)數(shù)據(jù)

testal,80h ;測試標志位D7

jnzstatus ;D7＝1，未就緒，繼續(xù)查詢

dec

dx ;D7＝0，就緒，DX改指數(shù)據(jù)口：dx＝5000h

mov

al,buf ;將變量BUF送AL outdx,al ;將AL中的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)口示意圖14查詢傳送方式下CPU與外設(shè)工作過程示意圖

15中斷傳送方式下CPU與外設(shè)工作過程示意圖

163、中斷傳送方式中斷傳送微處理器在執(zhí)行程序過程中，被內(nèi)部或外部的事件所打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預先安排好的中斷服務(wù)程序；服務(wù)結(jié)束后，又返回原來的斷點，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序中斷源引起中斷的事件或原因內(nèi)部中斷外部中斷可屏蔽中斷非屏蔽中斷17中斷工作過程中斷請求中斷響應(yīng)關(guān)中斷斷點保護中斷源識別現(xiàn)場保護中斷服務(wù)恢復現(xiàn)場開中斷中斷返回響應(yīng)條件數(shù)據(jù)交換的實質(zhì)性環(huán)節(jié)184、DMA傳送方式希望克服程序控制傳送的不足：外設(shè)→CPU→存儲器外設(shè)←CPU←存儲器直接存儲器存取DMA：外設(shè)→存儲器外設(shè)←存儲器CPU釋放總線，由DMA控制器管理19圖7.7DMA傳送原理示意圖

201、外設(shè)、DMAC和CPU三者通過應(yīng)答信號建立聯(lián)系：CPU將總線交給DMAC控制2、DMA傳送DMA讀存儲器：存儲器→外設(shè)DMA寫存儲器：存儲器←外設(shè)3、自動增減地址和計數(shù)，判斷傳送完成否4、CPU對DMA控制器進行初始化設(shè)置DMA傳送過程21227.1.5

I/O端口的地址分配不同的微機系統(tǒng)對I/O端口地址的分配是不同的。8086微機系統(tǒng)本來可尋址I/O地址空間為64K字節(jié)，實際有1024＝1K字節(jié)。237.1.6

I/O端口地址譯碼I/O端口地址譯碼電路的作用是把地址信號和控制信號進行邏輯組合，從而產(chǎn)生對接口芯片的選擇信號。241.利用門電路進行地址譯碼

圖7.8（a）I/O端口譯碼電路示意圖圖7.8（b）I/O端口全譯碼電路示意圖252.利用譯碼器進行地址譯碼利用譯碼器芯片（例如74LS138譯碼器）對地址信號進行譯碼，譯碼器芯片有2:4，3:8，4:16等各種規(guī)格。

262728圖7.9利用譯碼器進行譯碼的全譯碼電路

書中有誤29358H～35FHA9…A3A2A1A01101011000-1113.利用開關(guān)和比較器進行地址譯碼

若用戶要求擴展板的口地址能夠適應(yīng)不同的地址分配，利用開關(guān)式地址可選譯碼器。圖7.10是一開關(guān)式可選譯碼電路。

30圖7.10開關(guān)式可選擇譯碼電路314.利用GAL芯片進行地址譯碼

GAL采用電擦除工藝，門陣列的每個單元可以反復改寫。GAL中的邏輯關(guān)系還可加密，以防止外人抄襲電路和非法復制。

32見SSS.PLD文檔337.2中斷的基本原理所謂中斷，就是當CPU正常運行程序時，由于隨機的事件（包括內(nèi)部事件和外部請求），引起CPU暫時中止正在運行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行請求中斷的外設(shè)（或內(nèi)部事件）的中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)結(jié)束后再返回被中止的程序，這一過程稱為中斷。34中斷基本概念定義：CPU暫?，F(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)而處理隨機到來的事件，待處理完后再回到被暫停的程序繼續(xù)執(zhí)行，這個過程就是中斷。中斷過程：中斷過程的隱操作：程序狀態(tài)及程序斷點地址的進棧及出棧。中斷請求中斷響應(yīng)中斷服務(wù)中斷處理中斷結(jié)束主程序主程序357.2.1中斷請求

外設(shè)需要CPU服務(wù)時，首先要發(fā)出中斷請求。發(fā)出中斷請求的外設(shè)就是中斷源。廣義地說，中斷源就是能引起CPU產(chǎn)生程序中斷的隨機事件。外設(shè)及其接口的中斷請求分為邊沿請求和電平請求。

367.2.2

中斷判優(yōu)1．

軟件判優(yōu)軟件判優(yōu)采用軟件查詢方式，將多個外設(shè)的中斷請求信號通過或門相“或”后，送到CPU的INTR端，同時把幾個外設(shè)的中斷請求狀態(tài)位組成一個端口，賦予端口號。

37圖7.11軟件判優(yōu)電路

38特點：電路簡單，查詢費時較長中斷源較多時不適宜2.硬件判優(yōu)

（1）并行判優(yōu)網(wǎng)絡(luò)：介紹矢量中斷優(yōu)先權(quán)控制器P290圖7.12（2）鏈式判優(yōu)電路：P290圖7.1339圖7.12矢量優(yōu)先級控制器原理框圖40

圖7.13鏈式判優(yōu)

41串行判別物理位置決定優(yōu)先等級時延較長7.2.3中斷響應(yīng)

中斷響應(yīng)就是CPU“中斷”現(xiàn)在正在進行的處理任務(wù)，轉(zhuǎn)向中斷請求相對應(yīng)的處理程序的過程。這相當于CPU的使用權(quán)（或稱控制權(quán)）由一種任務(wù)（被中斷的程序）轉(zhuǎn)移到另一任務(wù)（相應(yīng)的中斷處理程序）。421、保存下一條指令的cs:ip2、保護CPU工作現(xiàn)場，如FR等3、關(guān)中斷，使在響應(yīng)過程中，不被其它新的中斷源中斷4、轉(zhuǎn)移到中斷處理程序7.2.4中斷處理中斷處理就是執(zhí)行中斷服務(wù)程序，以完成中斷源提出的處理要求。這實際上是軟件編程的問題。與子程序的編寫原則差不多。

43

中斷服務(wù)程序與子程序的差別在于前者是處理隨機出現(xiàn)的事件，后者處理是意料之中的事件。7.2.5

中斷返回中斷返回就是CPU控制權(quán)由中斷服務(wù)程序轉(zhuǎn)移到被中斷程序的過程。與一般的“返回主程序”指令類似，即使用指令I(lǐng)RET，恢復CPU工作現(xiàn)場，但運行內(nèi)容還有清ISR的對應(yīng)位。447.3.2

8086/8088響應(yīng)中斷的過程8086/8088CPU對INTR、NMI與軟中斷的響應(yīng)過程是不同的，正如前面所介紹的那樣，INTR是可屏蔽中斷請求，受IF標志位的影響，而NMI和軟中斷不受IF的影響。

45圖7.158086/8088的中斷處理流程467.3.3

中斷向量表與中斷向量號中斷向量表又稱中斷服務(wù)程序入口地址表。

各個中斷處理程序的段地址與偏移量按中斷向量號順序存入中斷向量表中。

47

圖7.16中斷操作流程

481、取中斷向量號2、計算中斷向量地址3、中斷服務(wù)入口地址送入IP4、轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序5、中斷返回至INTn指令的下一條指令向量號0～4用于除法出錯、單步中斷、NMI中斷、斷點中斷、溢出中斷。向量號5～7系統(tǒng)使用

、8H～0FH用于主片8279A，

10H～1FH為BIOS專用中斷向量號、20～3FH為DOS中斷向量號。向量號70～77H用于從片8279A，80～85H用于BASIC程序。497.3.4

對中斷請求INTR的響應(yīng)時序圖7.178086/8088對INTR的中斷響應(yīng)周期時序50準備響應(yīng)中斷，外設(shè)要準備好中斷向量號CPU接收外設(shè)接口發(fā)來的中斷向量號7.3.5

中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序的功能各不相同，用戶根據(jù)外設(shè)或外設(shè)接口需要來編程，但所有的中斷服務(wù)程序都有相同的結(jié)構(gòu)形式：511、保護現(xiàn)場，用一系列PUSH指令將保存內(nèi)容入棧2、若允許中斷嵌套，則令I(lǐng)F=1（STI）3、執(zhí)行中斷處理4、關(guān)中斷，使IF=0，禁止其他中斷請求5、送中斷結(jié)束命令EOI，使中斷服務(wù)標志清零6、恢復現(xiàn)場7、IRET返回主程序527.4可編程中斷控制器8259A8259A是一種功能強、使用靈活方便的可編程中斷控制器（PIC）。它可以直接與Intel8085或8086/8088CPU相連而不需要附加其他邏輯電路；它可實現(xiàn)8級矢量優(yōu)先中斷，并可擴展至64級矢量優(yōu)先中斷而不需附加邏輯。

537.4.1

8259A基本構(gòu)成與引腳信號8259A是28腳封裝的NMOS芯片，其管腳和內(nèi)部框圖如圖7.18所示。54

圖7.188259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖

55ISR：In-ServiceRegisterPR：PriorityRegisterIMR：InterruptMaskRegisterIRR：InterruptRequestRegister圖7.198259A級聯(lián)的15級中斷連接

568259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）中斷請求寄存器（IRR）

（2）在服務(wù)（IS：In-service）寄存器

（3）中斷屏蔽寄存器（IMR）

（4）中斷判優(yōu)電路（IPR）

57內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）數(shù)據(jù)總線緩沖器：為雙向三態(tài)八位緩沖器，主要功能有：

1)μP向8259發(fā)送命令。

2)μP接收8259的狀態(tài)信息。

3)在中斷響應(yīng)期間，μP通過它可得到中斷類型號。（2)讀/寫邏輯控制：接收μP發(fā)來的控制信號，完成讀/寫控制、端口選擇，片選信號的邏輯電路。（3）級聯(lián)緩沖/比較器：對主從結(jié)構(gòu)的8259進行設(shè)備標志（ID）存放。（4）控制邏輯：

1)根據(jù)μP對8259編程設(shè)定的工作方式，產(chǎn)生內(nèi)部控制信號。

2)判斷中斷源的優(yōu)先級，向μP發(fā)中斷請求信號INT。

3)接收μP送來的中斷響應(yīng)信號，允許中斷服務(wù)器ISR的ISRi（i＝0～7）置位。

4)控制發(fā)出相應(yīng)的中斷類型號，通過數(shù)據(jù)總線緩存器輸出至系統(tǒng)總線上。58（5）中斷請求寄存器IRR

為八位的寄存器，用來存放外部可屏蔽中斷源的中斷申請，8個輸入端可接8個中斷源。當有中斷請求（IRi由低電平變?yōu)楦唠娖剑┣椅幢沪蘌響應(yīng)時，相應(yīng)的IRRi位置1，直到中斷服務(wù)器ISR相應(yīng)的ISRi置1，IRRi隨即復位。IRR各位與外部中斷源的關(guān)系見下表所示。（6）優(yōu)先權(quán)分辨器PR

確定出當前最高優(yōu)先級中斷源的中斷申請，通知控制邏輯。（7）中斷服務(wù)寄存器ISR

為記錄正在被μP處理的中斷源的8位寄存器

。（8）中斷屏蔽寄存器IMR

是用于硬件上屏蔽中斷源的8位寄存器。597.4.2

8259A的工作原理1．中斷矢量8259A可在中斷響應(yīng)中自動提供當前響應(yīng)的中斷源的矢量字以便把程序自動引導到相應(yīng)的服務(wù)程序。根據(jù)8259A所用的處理器的類型，它有兩種不同的處理方式。即8085方式和8086／8088方式。

60圖7.20中斷矢量字格式

61由IR2提供的矢量號72H到中斷處理程序入口地址的引導示例622．觸發(fā)方式為了方便用戶將8259A用于各種中斷源，在8259A中對中斷請求IR0—IR7提供了兩種可供選擇的中斷觸發(fā)方式，沿觸發(fā)方式和電平觸發(fā)方式。633．中斷優(yōu)先方式及中斷嵌套(1)優(yōu)先方式①固定優(yōu)先P302②循環(huán)優(yōu)先①8259A的EOI命令P303②特殊全嵌套方式P304③特殊屏蔽方式P305④循環(huán)控制方式P306(2)中斷嵌套64P3024．中斷狀態(tài)及多級級聯(lián)查詢方式CPU可以查詢的8259A中斷狀態(tài)寄存器包括：中斷屏蔽寄存器(IMR：InterruptMaskRegister)。中斷請求寄存器(IRR：InterruptRequestRegister)。在服務(wù)寄存器(ISR：In-ServiceRegister)。65IMR的內(nèi)容可以在8259A工作中隨時讀取，但對于IRR和ISR的讀取，只有向8259A發(fā)出讀寄存器命令后，才可讀取(詳見編程部分OCW3的說明)。此外，8259A提供了一個專門的查詢命令。

665．緩沖方式若因系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上的負載很重，以致于8259AD0~D7的驅(qū)動能力不夠而需擴大總線的驅(qū)動能力，8259A提供了緩沖方式，并提供了外加雙向總線驅(qū)動器的控制信號輸出。

67

圖7.288259A的級聯(lián)緩沖方式

687.4.38259A編程方法1．8259A內(nèi)部寄存器的尋址(1)ICW1(2)ICW2(3)ICW3(4)ICW4(1)OCWl(IMR編程)(2)OCW2(3)OCW32．初始化命令寄存器3．操作命令寄存器(OCW)691．8259A內(nèi)部寄存器的尋址（P309表7.5）A0、D4、D3及RD、WR、CS70（1）芯片初始化命令字ICW1

特征位：D4=1；初始化命令I(lǐng)CW4主要設(shè)定嵌套、緩沖、結(jié)束方式，缺省值為全嵌套、非緩沖、非自動結(jié)束方式。當SNGL=0，需要初始化命令I(lǐng)CW3來設(shè)置級聯(lián)項。2、初始化命令寄存器71

（2）中斷類型初始化命令字ICW2時序：ICW1→

ICW2→[ICW3]→[ICW4]。

IRi的中斷類型號=ICW2+i

例：如果ICW2為08H，則

IR3的中斷類型號（中斷向量）為08H+03H=0BH。72（3）主/從片初始化命令字ICW3級聯(lián)方式結(jié)構(gòu)設(shè)置：主片：S7～S0分別對應(yīng)相應(yīng)的IR號的引腳，為1的位對應(yīng)的引腳接有從片；從片：ID2～ID1的編號是該從片接到主片的IR引腳的IR號。需要分別對主片和從片進行設(shè)置。73主片：MOVAL,14HOUT21H，AL；00010100b：IR2、IR4接有從片從片1：MOVAL,04HOUT0A1H，AL；從片1接主片IR4從片2：MOVAL,02H；從片2接主片IR2OUT0C1H，AL級聯(lián)方式中斷請求及響應(yīng)過程：主片請求：與非級聯(lián)一致。從片請求：與非級聯(lián)一致，但其INT送到主片，服從主片的請求規(guī)則。從片響應(yīng)：通過CAS線譯碼，選中時在收到第二個INTA后，返回中斷類型號。主片響應(yīng)：收到第一個INTA后，對從片的IR請求，在第一個INTA下降沿從CAS線送出該IR編碼；否則，在第二個INTA返回中斷類型號。74

（4）控制初始化命令字ICW4（當ICW1中的IC4＝0時，不用ICW4）

D0：用于8080/8085(D0＝0)/用于80X86系列微機(D0＝1)

；

D1：非中斷自動結(jié)束(D1＝0)/自動中斷結(jié)束(D1＝1)方式；

D3D2＝11：緩沖方式/主PIC＝10：緩沖方式/從PIC＝0X：非緩沖方式；

D4：一般全嵌套(D4＝0)/特殊全嵌套(D4＝1)方式。

當ICW1的IC4=0時，隱含ICW4各位置零從片非自動結(jié)束時，主、從片均需發(fā)EOI命令。75

3、操作命令字的編程（1）中斷屏蔽操作命令字OCW1（IMR編程）特征位：無，時序：無。實際上改變了中斷優(yōu)先級（屏蔽掉高優(yōu)先級的中斷請求）。對IMR的讀取在21H（主）、0A1H（從）端口做讀操作。特殊屏蔽：通過OCW3設(shè)置。76（2）操作命令OCW2（控制中斷結(jié)束和優(yōu)先級的操作命令字）

特征位：D4D3=00；功能：結(jié)束方式和優(yōu)先權(quán)循環(huán)管理；

操作命令：

D7D6D5=001，非指定EOI命令010，指定EOI命令101，非指定EOI循環(huán)命令

100，進入自動EOI循環(huán)命令

000，退出自動EOI循環(huán)命令

111，指定EOI時循環(huán)命令110，設(shè)定優(yōu)先級底命令

010，空操作L2～L0：IR號77RSLEOI00L2L1L0功能

00000000自動EOI、優(yōu)先權(quán)固定命令

00100000非自動EOI[不指定]、優(yōu)先權(quán)固定命令

01100L2L1L0非自動EOI[指定]、優(yōu)先權(quán)固定命令

10000000自動EOI、優(yōu)先權(quán)自動輪轉(zhuǎn)命令

10100000非自動EOI[不指定]、優(yōu)先權(quán)自動輪轉(zhuǎn)命令

11100L2L1L0非自動EOI[指定]、優(yōu)先權(quán)指定輪轉(zhuǎn)命令

11000L2L1L0自動EOI、優(yōu)先權(quán)指定輪轉(zhuǎn)命令

例：MOVAL,20H;含義見上藍字部分

OUT20H，AL;20H為IO地址，寫入OCW278

(3)操作命令OCW3（查詢和讀寄存器狀態(tài)的操作命令字）特征位：D4D3=01

D1D0=10，下一次讀IRR=11，下一次讀ISRD2=0，非查詢方式

D2=1，查詢命令，下一次讀PIC時查詢字節(jié)D6D5=10,退出特殊屏蔽方式（SMM）

=11,進入特殊屏蔽方式（SMM）79查詢字格式：I=0，無中斷請求；I=1，有中斷請求。W2～W0，正在申請中斷的若干中斷源中優(yōu)先級最高的中斷源的編碼。80

特定屏蔽管理：

ESMMSMM功能

0*該操作對特殊屏蔽無效

10取消特定屏蔽

11設(shè)置特定屏蔽設(shè)置方法：用OCW1屏蔽部分IR[含自己]，用OCW3置特殊屏蔽方式（SMM）即可。

取消方法：用OCW3取消特定屏蔽，用OCW1取消被屏蔽的IR。81PIC1PIC2操作內(nèi)容特征位時序D4D3D220H0A0H寫ICW11××無OCW200×OCW301×21H0A1H寫ICW2～ICW4無ICW2→ICW4OCW1初始化后20H0A0H讀IRR，ISR查詢字無OCW3決定21H0A1H讀IMR無無

8259命令關(guān)系表（地址以PC機為例）：注：ICWx只有在初始化過程中才會出現(xiàn)。828259A可編程中斷控制器PIC只有在寫入ICW字后，才可寫OCW寄存器，且ICW寄存器一般只一次寫入，而OCW寄存器可在操作中隨時存取。

7.4.48259A的初始化命令序列和各命令寄存器初始狀態(tài)83圖7.338259A的初始化命令序列84

I/O端口地址：只提供二個端口(使用A0＝0、1區(qū)別)；先寫入初始化程序--ICW1～ICW4，后寫入操作命令字--OCW1～OCW3。8259編程方法一、8259的初始化編程分為兩個步驟：初始化編程的主要任務(wù)：

設(shè)定中斷請求信號的有效形式。設(shè)定單片/多片級聯(lián)方式。設(shè)置中斷類型號。設(shè)置優(yōu)先排隊規(guī)則。設(shè)定中斷結(jié)束時的操作原則。85out20h,alout21h,alout21h,alout21h,al86不同8259A的I/O端口地址不同；

8259A級聯(lián)時，每個8259A均必須有完整的初始化過程[端口地址和部分參數(shù)不同而已]；全嵌套方式時，初始IR優(yōu)先級IR0最高。注意點：87實模式下中斷編程中斷編程注意點1.使用正確的中斷號2.中斷服務(wù)程序入口的正確設(shè)置3.避免中斷程序中DOS重入4.中斷