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1、侯彦利 第6章 输入/输出与中断技术 吉林大学工学部计算机硬件基础课程 微机原理与接口技术 1 第6章 输入/输出与中断技术 侯彦利 2 3 本章教学目的 n了解输入输出系统的基本知识 n了解系统总线与输入输出设备的连接方式。 n掌握简单设备接口的设计方法 n了解中断的基本概念 n了解中断的处理过程 n熟悉8088/8086中断系统 4 6.1 I/O 接口概述 通常把处理器和主存储器之外的部分称为输入输出系 统。包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软 件； 5 6.1.1 I/O接口的功能 （1）信号电平转换 不同规格的电平转换为TTL或者MOS电路的电平 （2）数据格式转换 串并转换或
2、数模转换 （3）速度匹配 通过缓冲或锁存保证CPU与外设传输数据时各部件都能正确 接收数据。 6 （4）数据传送 建立数据传输的逻辑关系，即规定好数据传输的过程与时 序。 （5）寻址能力 为外设的各个端口编址，使外设能被cpu访问到。 （6）错误检测功能 可进行数据校验，保证数据传输的正确性。 7 n高速的微处理器与低速的外设能够协调的工作，需要有一个 具有数据缓冲和锁存能力、数据格式转换能力、提供外设状 态和定时控制能力的连接电路，我们把它叫做输入输出接 口。 8 6.1.2 I/O接口的分类 CPU与接口之间通过系统总线传输信息，属于并行传输，传输 的信息有接口的地址信息、控制信息和数据信
3、息。 接口与设备之间可以通过串行和并行两种方式交换信息，包括 数据信息、控制信息和状态信息。 9 按接口与设备之间的数据传送方式，接口分为： 并行接口：一次传送一个字节或字的所有位。 串行接口：一位一位地传送。 10 6.2 I/O端口及其编址方式 CPU与外设进行数据传输，接口电路需要设置若干专用寄存器 ，缓冲输入输出数据，设定控制方式，保存输入输出状态信息， 这些寄存器常称为端口。 接口中可被CPU直接访问的专用寄存器专用寄存器称为端口。 端口可分为： n数据端口：CPU与外设交换数据信息； n状态端口：保存外设当前的状态信息； n控制端口：CPU向外设发出的控制信息； 11 CPU通过对
4、端口分配地址识别它们，称为编址。 CPU给每个端口分配一个地址，称为端口地址或端口号。 一个接口中的多个端口分配连续地址。 思考：专用寄存器中保存的是什么数据？这些数据可能是从 哪里来的？ 12 根据传输方向，端口可分为输入端口和输出端口。 输入端口：具有“通断”控制能力 输出端口：具有锁存能力 13 D0D7 74LS244 +5V K0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 DO0 DO7 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 E1 E2 1 IOR A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A15 A10 A11 A12 A13 A14 系 统 总 线 信 号 1 取
5、8段码显示字形表基地址 MOV DX, 0FE00H AA1: MOV SI, 0 AA2: MOV AL, BX+SI;取显示字形码 OUT DX, AL 55 CALL DELAY ;调用延时子程序 INC SI CMP SI, 16 JZ AA1 JMP AA2 MOV AH, 4CH INT 21H CSEG ENDS END START 56 延时子程序 DELAY PROC NEAR;子程序开始 PUSH CX MOV CX，2FFFH SUBS:LOOPSUBS POPCX RET DELAYENDP;子程序结束 57 6.5 中断技术 58 中断的概念 n中断，是指在程序执行过
6、程中，出现某种紧急事 件，CPU暂停执行现行程序，转去执行处理该事 件的程序中断服务程序，执行完后再返回到 被暂停的程序继续执行，这一过程称为中断。 59 中断源 n引起中断的设备或事件称为中断源，计算机的 中断源可能是某个硬件部件，也可能是软件。 n常见的中断源有： 外围设备、CPU、存储器、控制器、总线、实时钟的 定时中断、程序指令、硬件故障； 60 中断的分类：内部中断和外部中断 n内部中断包括：由CPU本身产生的中断、由控制器 产生的中断、由程序员安排的中断指令引起的中 断。 n外部中断又根据中断事件的紧迫程度将中断源划分 为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。 q可屏蔽中断是指可以延时处理的事
7、件，例如打印机的 输入输出中断请求。 q不可屏蔽中断是指事件异常紧急，必须马上处理，例 如掉电、内存奇偶校验错引起的中断。 61 6.6 中断处理的基本过程 中断处理的基本过程包括中断请求、中断判优、 中断响应、中断服务和中断返回。 62 6.6.1 中断请求 n内部中断无需请求 n外部中断请求由中断源提出。 qCPU的两个中断输入引脚INTR和NMI负责接收中断 请求信号。 qINTR可屏蔽中断请求输入引脚。 n可屏蔽中断请求信号一般为高电平。受中断允许标志位IF 的影响，当IF=1时，CPU接受中断请求；当IF=0时， CPU不予响应，该请求被屏蔽。 qNMI不可屏蔽中断请求输入引脚，上升
8、沿触发。 63 64 6.6.2 中断判优 nCPU一次只能接受一个中断源的请求。 n多个中断源同时向CPU提出中断请求时，CPU必须 找出中断优先级最高的中断源，这一过程称为中断 判优。 n中断判优可以采用硬件方法，也可采用软件方法。 65 软件判优 CPU检测到中断请求后，响应中断进入中断服务程序 ，首先读取中断寄存器的内容，逐位检测它们的状 态，检测到某一位为1，就确定对应的中断源有中断 请求，转去执行它的中断服务程序。先检测哪一个 ，哪一个的优先级就高，后检测哪一个，哪一个优 先级就低，检测的顺序就是各中断源的优先级顺 序。 66 软件判优的简单电路 67 查询程序： MOV DX,
9、87FFH IN AL, DX ;读中断请求寄存器内容 RCR AL, 1 JC IR0 ;IRQ0有请求，转IR0 RCR AL,1 JC IR1 ;IRQ1有请求，转IR1 RCR AL,1 JC IR2 ;IRQ2有请求，转IR2 软件判优的硬件电路简单，优先权安排灵活，但软件判优所花 的时间长，如果中断源很多，中断的实时性就很差。 68 硬件判优 n两种常见的方式：菊花链判优电路和中断控制器 判优。 69 1. 菊花链判优电路 n基本设计思想：每个中断源都有一个中断逻辑电路 ，所有的中断逻辑电路连成一条链，形如菊花。排 在链前端的中断源优先级最高，越靠后的设备优先 级越低。CPU收到中
10、断请求，如果允许中断，CPU 发出中断应答信号INTA，INTA信号首先到达菊花 链的前端。 70 INTA 71 n如果中断源1提出了中断请求，它就会截获INTA信 号，封锁它，使它不能向下一个中断源传送，下面 中断源的中断请求不能被响应。 72 中断控制器判优 nCPU根据中断向量码确定中断源。 n中断控制器中，有一个中断优先级判别器判断中断优先级， 将优先级最高的中断源的中断向量码提供给CPU。 73 6.6.3 中断响应 中断响应时，CPU向中断源发出中断应答信号INTA， 同时： 保护硬件现场，即将标志寄存器FLAGS入栈； 关中断，即设置IF=0； 保护断点，把主程序断点的CS 和
11、IP值压入堆栈； 获得中断服务程序的入口地址，分别送入IP和CS 中。 74 6.6.4 中断服务 n中断服务的过程： q保护现场 q开中断 q中断服务 q恢复现场 q返回 75 6.6.5 中断返回 n中断返回操作是中断响应操作的逆过程，CPU从堆 栈中弹出IP、CS和FLAGS，恢复被中断程序的基本 信息，使被中断程序继续运行。 n在中断服务程序的最后一条语句IRET的功能就是中 断返回的操作。 76 6.7 8086/8088中断系统 8086/8088CPU的中断系统可以处理256种中断。每种中 断对应一个编号，范围0255，这个编号称为中断源的中 断类型码或中断向量码。 77 中断分
12、为两类：内部中断和外部中断。外部中断又分 为可屏蔽中断和不可屏蔽中断两类。 78 1. 外部中断 n不可屏蔽中断 q编号为2 qNMI是不可屏蔽中断请求信号的输入端。 q优先级最高。 qCPU不需获取中断向量码，不发送INTA，直接查中断 向量表获得中断服务程序的入口地址。 q不可屏蔽中断用于处理紧急事件，如存储器读/写出 错、电源掉电等。 79 n可屏蔽中断 qINTR是可屏蔽中断请求信号的输入端。 qCPU收到中断请求信号后，检测中断允许标志位IF， 若IF=1，CPU准备响应INTR请求；若IF=0时，CPU 屏蔽INTR请求。 q中断标志位IF可以用指令STI和CLI进行设置。 q可屏
13、蔽中断的优先级低于不可屏蔽中断。 80 2. 内部中断 n内部中断包括： qINT n qINT3 qINTO指令 q除法错中断 q单步中断。 81 INT n qCPU执行INT n指令，产生中断向量码为n的中断。n的 取值范围0255。不管是内部中断还是外部中断都可以 通过INT n指令调用其中断服务程序。 INT3 qCPU执行INT3指令引起的中断，称为断点中断，中断向 量码为3。这是个单字节指令，代码为0CCH。在调试程 序时用这条指令设置断点。 82 INTO指令 4号 qCPU执行INTO指令时，检测溢出标志位OF，如果 OF=1，则产生中断向量码为4的中断。若OF=0， INT
14、O指令不起作用。 MOV BL，126 MOV AL，5 ADD AL，BL ;OF=1 INTO ;执行溢出中断服务程序 83 除法错中断 0号 q执行除法指令时，除数为0或商数超出了结果寄存器的 取值范围，产生中断，中断向量码为0。这个中断的处 理过程一般由系统软件负责。 单步中断 1号 q也叫陷阱中断，中断向量码为1。标志寄存器的标志位 TF=1产生的中断，TF也叫陷阱（Trap）标志。如果 TF=1，CPU 执行一条指令后产生单步中断。单步中 断常用于调试程序。 84 3.中断优先级与中断嵌套 n8088/8086系统的中断优先级如下： q不可屏蔽中断除法错中断INT nINTO可屏蔽
15、中断单 步中断 n中断可以嵌套 8088/8086中断的处理流程 nCPU在每条指令的最后一个时钟周期检测中断请求 信号： (1). 若有非屏蔽中断请求，则CPU执行完现行指令后 ，就立即响应中断。2号。 85 86 (2). 如果有可屏蔽中断请求，CPU响应中断需要满足4个条件： CPU处于开中断状态，即IF=1； 当前没有发生复位、没有总线请求、没有内部中断、没有 不可屏蔽中断； 当前执行的指令不是开中断指令STI，也不是中断返回指令 IRET。如果刚巧是，CPU将它们执行结束后，再执行一条 指令，CPU才能响应中断。 CPU执行完现行指令。 (3). 进入中断响应阶段，CPU向中断源发出
16、中断应答信号INTA ，同时： 保护硬件现场，即将标志寄存器FLAGS入栈； 关中断，即设置IF=0； 保护断点，把主程序断点的CS 和IP值压入堆栈； 通过中断向量码查中断向量表，获得中断服务程序的入口 地址，分别送入IP和CS中。 87 (4). 中断服务 执行中断服务程序 (5). 中断返回 IRET 88 89 4. 中断向量表 n8086为每个中断源分配了一个编号，称为中断类型码或 中断向量码。 n中断向量：中断服务程序的入口地址。 n中断向量表：将中断向量按一定的规律排列成表。 90 中断向量表 91 n256个中断向量 n每个向量（入口地址）需要4个内存单元，256种 中断共需要1K个内存单元。 n8088/8086系统中的中断向量表位于内存低地址 00000003FFH的存储区内。 92 中断向量的存放首地址=4n 如：中断类型码为21H 则中断向量的存放首地址为： 0000：008
