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1、,专题六 输入输出和中断系统,第五章,计算机科学与软件学院计算机基础教学部,主讲教师 赵晓安,计算机硬件技术基础,1 输入/输出的基本概念 2 输入/输出数据的传送方式 3 中断技术 MCS-51的中断系统 学会MCS-51中断程序设计及应用 学会与中断有关的硬件连线,本章重点及要求,5.1 输入/输出的基本概念 5.2 输入/输出数据的传送方式 5.3 中断技术 5.4 MCS-51的中断系统 5.5 MCS-51对外部中断源的扩展,第五章输入/输出和中断,511 输入/输出设备 512 输入/输出传送的信息 513 输入/输出接口的作用及其类型 514 I/O端口的编址方式,51 输入/输
2、出的基本概念,531 中断的定义及必要性 532 中断源 533 中断的分类 534 中断系统的功能 535 中断处理过程,5.3 中断技术,541 MCS-51的中断源和中断标志 542 MCS-51对中断请求的控制 543 MCS-51对中断的响应和撤除 544 MCS-51中断系统的初始化及应用,5.4 MCS-51的中断系统,5.5.1 借用定时器/计时器溢出中断扩展外部中断源 （P160 利用计数溢出，扩展中断源） 5.5.2 使用硬件申请软件查询法扩展外部中断源 （P161 硬件申请，软件查询的方法）,55 MCS-51对外部中断源的扩展,511 输入/输出设备, 输入设备： 定义
3、：往主机传送信息的设备 常用的输入设备： 键盘、鼠标、扫描仪、读卡机等 输出设备 定义：接收主机信息并送出信息呈现给人们的设备 常用的输出设备： 显示器、打印机、绘图仪等,外设与CPU是通过接口连接,地址总线 AB,数据总线 DB,控制总线 CB,512 输入/输出传送的信息, 数据信息 数字量 模拟量 开关量 状态信息 表征外设状态 控制信息 控制外设启停,在输入时，输入装置的信息是否准备好（Ready）； 在输出时 ，输出装置是否有空（Empty），若输出装置正在输出信息，则以Busy指示。,二进制形式表示的数或以ASC码表示的数或字符 。,模拟量必须先经过A/D转换才能输入计算机，计算机
4、的控制输出也必须先经过D/A转换才能控制执行机构。,只要用一位二进制数即可表示的量，如电机的运转与停止，开关的合与断，阀门的打开和关闭等。,513 输入/输出接口的作用及其类型,接口电路的作用 锁存作用 防止由于CPU速度快，外设慢而产生的丢数现象 隔离作用 防止DB上的信息重叠 变换作用 在CPU与外设之间进行信息类型、电平、传送接收方式变换 联络作用 在CPU与外设之间进行联络，Ready, Busy,输出接口电路锁存作用,输出接口中必须含锁存器,来自CPU,速度匹配,输入接口电路隔离作用,输入接口中必须含三态门,防止信息重叠,1、 I/O接口的种类很多，有两种基本类型 串行I/O接口 并
5、行I/O接口 2、不可编程接口 例：74LS273、74LS373、74LS138 、74LS244 3、可编程接口 例：8155、8255、8250、8253,I/O接口的类型,514 I/O端口的编址方式, 统一编址 I/O端口与内存储器采用一套地址，完全象存储器单元一样处理，使用访问存储器的指令。 如：movx 类指令 独立编址 采用一套与存储器不同的地址，利用/MREQ（存储器请求）和/IORQ（输入输出请求）， CPU 有专门的I/O指令 如：IN， OUT MCS51系列采用统一编址 片内RAM 与P0P3均用MOV指令 片外RAM与外扩口I/O口均用MOVX指令,接口与端口,接口
6、：由一个或多个端口组成。 端口：可被独立选通的I/O接口电路，简称口。 端口地址：端口在系统中被分配的惟一地址，简称口地址。 端口可分为： 输入端口CPU从中读取外设的状态或数据信息 输出端口CPU通过它输出控制信号或数据信息 状态端口CPU从中读取外设的状态信息 控制端口由CPU控制输出控制信号 数据端口 可以是输入数据端口或输出数据端口 I/O信息都是通过数据总线传递的。,521 无条件传送方式（又称同步传送）,应用于定时为已知的且 固定不变的低速I/O 无需等待的高速I/O movx A,DPTR movx DPTR,A,无条件I/O举例显示程序设计,输入接口原理图,DB,外设准备好，置
7、入状态信号 Q=1 CPU读数据口时清掉状态信号,522 查询式传送方式 （又称条件传送异步传送）, CPU查询外设状态信息(Ready,Busy)，条件 满足时，进行数据传送 程序简单 高速CPU查询低速外设 浪费CPU时间，效率低 输入接口原理图 输出接口原理图 程序流程图,条件传送方式程序举例,Test:mov DPTR,#PORTS movx A,DPTR anl A,#80H jz Test ；(jnz Test) mov DPTR,#PORTD movx A,DPTR ;输入 (movx DPTR,A；输出),0/1,状态信号,D7,Ready=1 Busy=0,(A),523 中
8、断传送方式,中断：要求进行输入、输出的外设，发出就绪信号给CPU，作为中断请求，打断CPU正在进行的工作，即中断CPU正在执行的程序。 中断过程 中断方式与查询方式比较 提高了CPU的效率 CPU与外设可并行工作 CPU可及时响应外部事件,中断方式与查询方式CPU占用时间比较,中断过程, 利用DMAC(DMA控制器)实现成组、大批量的数据在内存和外设之间的快速传送。 DMA过程： 优点：速度快 缺点：硬件复杂，成本增加,524 DMA传送方式,DMA过程,外设向DMAC发DMA申请 DMAC向CPU发BUSRQ CPU发BUSAK响应 DMAC发存储器地址和读写信号 DMA控制结束，恢复CPU
9、对总线控制,531 中断的定义及必要性,定义：所谓中断是指中央处理器CPU正在处理某件事的时候，外部发生了某一事件，请求CPU迅速处理，CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，处理完后，再回到原来被中断的地方，继续原来的工作。这样的过程称为中断。,必要性及应用 中断功能便于实现 1分时操作 2实时处理 3故障处理 4.主机与外设之间的速度匹配,CPU和外设同时工作；CPU可以通过分时操作启动多个外设同时工作，统一管理。大大提高了CPU的利用率，也提高了输入、输出的速度。,当计算机用于实时控制时，中断是一个十分重要的功能。现场的各个参数、信息，需要的话可在任何时候发出中断申请，要求CPU
10、处理；CPU就可以马上响应（若中断是开放的话）加以处理。这样的及时处理在查询的工作方式是做不到的。,计算机在运行过程中，往往会出现事先预料不到的情况，或出现一些故障：如电源突跳，存储出错，运算溢出等等。计算机就可以利用中断系统自行处理，而不必停机或报告工作人员。, 外设中断请求 实时时钟中断请求 控制对象中断源 故障引起的中断 人为设置的中断,532 中断源,人为设置的中断，不是随机的，故称为自愿中断。,强迫中断 引起的中断都是随机。,533 中断的分类,MCS-51就是具有可屏蔽中断功能的一类CPU。,534 中断系统的功能, 中断系统 包括中断源的产生、中断判优、中断查询、中断处理等实现这
11、一全过程的硬件和软件。,中断技术 对中断全过程的分析、研究及实现的方法,中断判优,多中断源同时发出中断请求，CPU根据中断的优先级判断优先执行的中断请求。 中断嵌套,CPU正在执行主程序,CPU正在执行低级中断服务程序,CPU正在执行高级中断服务程序,CPU正在执行低级中断服务程序,挂起的中断,中断查询, 软件查询 硬件查询 中断优先级链式电路 中断优先级编码电路,mov DPTR,#PortI movx A,DPTR RLC A JC ASV RLC A JC BSV ASV: BSV: ,先查询的优先级高,硬件申请 软件查询,中断处理,中断响应条件 CPU处于开中断状态：51内部有中断允许
12、触发器EA EA=0 禁止中断；EA=1 开放中断。 中断响应过程 中断响应：停止现行程序， 转向中断处理程序入口地址 关中断 （MCS-51响应中断后，不自动关中断) 保护断点 （自动将断点地址压入堆栈） 执行中断处理程序,执行中断处理程序, 保护现场 保护中断服务程序中用到的寄存器和状态标志的内容 中断服务 相应的中断源服务，完成一定的I/O操作 恢复现场 完成中断服务后，将保存在堆栈中的现场数据恢复 开中断和中断返回 RETI (中断返回指令）,push PSW push ACC push DPH push DPL,pop DPL pop DPH pop ACC pop PSW,请看P1
13、50图5-22,中断响应条件 CPU响应中断的条件主要有以下几点： （1）设置中断请求触发器，又称中断标志触发器（p148图5-19） 每个中断源需有一个中断请求触发器, 保持中断请求信号 ，直至CPU响应这个中断后，才可清除中断请求。 当中断请求触发器为“1”状态时（Q=1），表示有中断产生；Q=0表示没有中断产生。 CPU 中也要有中断标志触发器，有中断请求则置1。 （2）需设置中断屏蔽触发器（p149图5-20） 每一个中断源的接口电路中需增加一个中断屏蔽触发器，只有当此触发器为“1”时，中断源的中断请求才能被送出至CPU 。,（3）中断是开放的 在CPU内部有一个中断允许触发器EA。只
14、有当EA为“1”时（即中断开放时），CPU才能响应中断；若EA为“0”（即中断是关闭的），这时外部有中断请求，CPU不会响应，EA的状态是可以用指令来控制的（称为可编程的）。 （4）需设中断优先级触发器 在CPU内部要设置中断优先级触发器，以实现嵌套； 在各中断源中也要设一个中断优先级触发器，由指令置位/复位，以表示本中断源在中断系统中的优先级。 （5）CPU在现行指令结束后响应中断 在开中断情况下，若中断源有中断请求，CPU也并不是立即响应，只是当正在执行的指令运行到最后一个机器周期T状态时，CPU才采样中断源。若发现有中断请求，则把内部的中断标志锁存器置“1”，然后下一个机器周期不进入取指
15、周期，而进入中断周期 。,LED显示器程序设计_无条件I/O传送例1, LED显示器结构与原理 LED显示接口 显示程序设计,LED显示器结构与原理,LED显示器是由个发光二极管显示字段的显示器件， 通过点亮不同的字段可显示09、AF及小数点等字形。其外形结构与原理见图8-1所示。,（a）LED管脚图；（b）共阴极；（c）共阳极,要使数码管显示指定的字符 对共阴极接法的电路： 1、要发光的二极管段加高电平 2、共阴极端接低电平,称0CFH为字形码 G端称为字位,LED显示器有静态显示与动态显示两种形式 ： 1、静态显示接口 常采用MC14495芯片作为LED的静态显示器接口，它是MOTOROL
16、A公司生产CMOS BCD七段十六进制锁存、译码驱动芯片，可以与LED显示器直接相连。具体应用略。 2.动态显示接口 常用可编程并行接口芯片8155作为LED动态显示器的接口。实验设备中8031通过8155接六只共阴极LED动态显示器的接口。PA口作为字位码口，PB口作为字形（字段）码口。,LED显示接口,静态显示电路,所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（称为动态扫描），对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度即与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。,动态显示原理,显示缓冲区每个显示块对应一个存储单元，存放该块要显示的字符或字形码。,7EH,7DH,7CH,7BH,7AH,79H,6,5,4,3,2,1,查字形码表得到字符6的字形码82H送字形码口
