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1、,第7章 输入/输出与中断,7.1 I/O接口概述 7.2 CPU与外设之间数据传送的方式 7.3 中断技术 7.4 8086/8088 中断系统 7.5 可编程中断控制器Intel 8259A,7.1 I/O接口概述,7.1.1 I/O接口的作用主机与外界交换信息称为输入/输出(I/O)。主机与外界的信息交换是通过输入/输出设备进行的。一般的输入/输出设备都是机械的或机电相结合的产物，比如常规的外设有键盘、显示器、打印机、扫描仪、磁盘机、鼠标器等，它们相对于高速的中央处理器来说，速度要慢得多。此外，不同外设的信号形式、数据格式也各不相同。因此，外部设备不能与CPU直接相连，需要通过相应的电路
2、来完成它们之间的速度匹配、信号转换，并完成某些控制功能。通常把介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口(Interface)，如图7.1所示。对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O接口记忆了主机送给外设的一切命令和数据，从而使主机与外设之间协调一致地工作。,图7.1 主机与外设的连接,对于微型计算机来说，设计微处理器CPU时，并不设计它与外设之间的接口部分，而是将输入/输出设备的接口电路设计成相对独立的部件，通过它们将各种类型的外设与CPU连接起来，从而构成完整的微型计算机硬件系统。因此，一台微型计算机的输入/输出系统应该包括I/O接
3、口、I/O设备及相关的控制软件。一个微机系统的综合处理能力，系统的可靠性、兼容性、性价比，甚至在某个场合能否使用都和I/O系统有着密切的关系。输入/输出系统是计算机系统的重要组成部分之一，任何一台高性能计算机，如果没有高质量的输入/输出系统与之配合工作，计算机的高性能便无法发挥出来。,7.1.2 CPU与外设交换的信息主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三类。1数据信息数据信息又分为数字量、模拟量和开关量三种形式。1) 数字量数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。例如，由键盘、显示器、打印机及磁盘等I/O外设与 CPU交换的信息，它们是以二进制形式表示的数或
4、以ASCII码表示的数符。,2) 模拟量当计算机应用于控制系统中时，输入的信息一般为来自现场的连续变化的物理量，如温度、压力、流量、位移、湿度等，这些物理量通过传感器并经放大处理得到模拟电压或电流，这些模拟量必须先经过模拟量向数字量的转换(A/D转换)后才能输入计算机。反过来，计算机输出的控制信号都是数字量，也必须先经过数字量向模拟量的转换(D/A转换)，把数字量转换成模拟量才能去控制现场。,3) 开关量开关量可表示两个状态，如开关的断开和闭合，机器的运转与停止，阀门的打开与关闭等。这些开关量通常要经过相应的电平转换才能与计算机连接。开关量只要用一位二进制数即可表示。,2. 状态信息状态信息作
5、为CPU与外设之间交换数据时的联络信息，反映了当前外设所处的工作状态，是外设通过接口送往CPU的。CPU通过对外设状态信号的读取，可得知输入设备的数据是否准备好、输出设备是否空闲等情况。对于输入设备，一般用准备好(READY)信号的高低来表明待输入的数据是否准备就绪；对于输出设备，则用忙(BUSY)信号的高低表示输出设备是否处于空闲状态，如为空闲状态，则可接收CPU输出的信息，否则CPU要暂停送数。因此，状态信息能够保障CPU与外设正确地进行数据交换。,3控制信息控制信息是CPU通过接口传送给外设的，CPU通过发送控制信息设置外设(包括接口)的工作模式、控制外设的工作。如外设的启动信号和停止信
6、号就是常见的控制信息。实际上，控制信息往往随着外设的具体工作原理不同而含义不同。虽然数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同，但在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换信息时，只能用输入指令(IN)和输出指令 (OUT)传送数据，所以状态信息、控制信息也是被作为数据信息来传送的，即把状态信息作为一种输入数据，而把控制信息作为一种输出数据，这样，状态信息和控制信息也通过数据总线来传送。但在接口中，这三种信息是在不同的寄存器中分别存放的。,7.1.3 I/O接口的基本结构I/O接口的基本结构如图7.2所示。每个接口电路中都包含一组寄存器，CPU与外设进行信息交换时，各类信息在接口中存入不同的寄
7、存器，一般称这些寄存器为I/O端口，简称为口(Port)。用来保存CPU和外设之间传送的数据(如数字、字符及某种特定的编码等)、对输入/输出数据起缓冲作用的数据寄存器称为数据端口；用来存放外设或者接口部件本身状态的状态寄存器称为状态端口；用来存放CPU发往外设的控制命令的控制寄存器称为控制端口。,图7.2 一个典型的I/O接口,正如每个存储单元都有一个物理地址一样，每个端口也有一个地址与之相对应，该地址称为端口地址。有了端口地址，CPU对外设的输入/输出操作实际上就是对I/O接口中各端口的读/写操作。数据端口一般是双向的，数据是输入还是输出，取决于对该端口地址进行操作时CPU发往接口电路的读/
8、写控制信号。由于状态端口只做输入操作，控制端口只做输出操作，因此，有时为了节省系统地址空间，在设计接口时往往将这两个端口共用一个端口地址，再用读/写信号来分别选择访问。应该指出，输入/输出操作所用到的地址总是对端口而言，而不是对接口而言的。接口和端口是两个不同的概念，若干个端口加上相应的控制电路才构成接口。,7.1.4 I/O端口的编址微型计算机系统中I/O端口编址方式有两种：I/O端口与内存单元统一编址和 I/O端口与内存单元独立编址。1I/O端口与内存单元统一编址这种编址方式是对I/O端口和存储单元按照存储单元的编址方法统一编排地址号，由I/O端口地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址空
9、间。例如，对于一个有16根地址线的微机系统，若采用统一编址方式，其地址空间的结构如图7.3所示。,图7.3 I/O端口与内存单元统一编址,采用统一编址方式后，CPU对I/O端口的输入/输出操作如同对存储单元的读/写操作一样，所有访问内存的指令同样都可用于访问I/O端口，因此无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计；同时，对存储器的各种寻址方式也同样适用于对I/O端口的访问，给使用者提供了很大的方便。但由于I/O端口占用了一部分存储器地址空间，因而相对减少了内存的地址可用范围。,2I/O端口与内存单元独立编址 在这种编址方式中，建立了两个地址空间，一个为内存地址空间，一个为I/O地址空间。
10、内存地址空间和I/O地址空间是相对独立的，通过控制总线来确定CPU到底要访问内存还是I/O端口。为确保控制总线发出正确的信号，除了要有访问内存的指令之外，系统还要提供用于CPU与I/O端口之间进行数据传输的输入/输出指令。,图7.4 I/O端口与内存单元独立编址,采用独立编址方式后，存储器地址空间不受I/O端口地址空间的影响，专用的输入/输出指令与访问存储器指令有明显区别，便于理解和检查。但是，专用I/O指令增加了指令系统复杂性，且I/O指令类型少，程序设计灵活性较差；此外，还要求CPU提供专门的控制信号以区分对存储器和I/O端口的操作，增加了控制逻辑的复杂性。,3I/O端口的地址译码微机系统
11、常用的I/O接口电路一般都被设计成通用的I/O接口芯片，一个接口芯片内部可以有若干可寻址的端口。因此，所有接口芯片都有片选信号线和用于片内端口寻址的地址线。例如，某接口芯片内有四个端口地址，则该芯片外就会有两根地址线。本书第8章中将详细介绍几种常用的I/O接口芯片。,I/O端口地址译码的方法有多种，一般的原则是把CPU用于I/O端口寻址的地址线分为高位地址线和低位地址线两部分，将低位地址线直接连到I/O接口芯片的相应地址引脚，实现片内寻址，即选中片内的端口；将高位地址线与CPU的控制信号组合，经地址译码电路产生I/O接口芯片的片选信号。,7.2 CPU与外设之间数据传送的方式,7.2.1 程序
12、传送方式1无条件传送方式微机系统中的一些简单的外设，如开关、继电器、数码管、发光二极管等，在它们工作时，可以认为输入设备已随时准备好向CPU提供数据，而输出设备也随时准备好接收CPU送来的数据，这样，在CPU需要同外设交换信息时，就能够用IN或OUT指令直接对这些外设进行输入/输出操作。由于在这种方式下CPU对外设进行输入/输出操作时无需考虑外设的状态，故称之为无条件传送方式。,对于简单外设，若采用无条件传送方式，其接口电路也很简单。如简单外设作为输入设备时，输入数据保持时间相对于CPU的处理时间要长得多，所以可直接使用三态缓冲器和数据总线相连，如图7.5(a)所示。当执行输入的指令时，读信号
13、有效，选择信号M/处于低电平，因而三态缓冲器被选通，使其中早已准备好的输入数据送到数据总线上，再到达CPU。所以要求CPU在执行输入指令时，外设的数据是准备好的，即数据已经存入三态缓冲器中。,图7.5 无条件传送方式 (a) 无条件传送数据输入；(b) 无条件传送数据输出,2查询传送方式查询传送也称为条件传送，是指在执行输入指令(IN)或输出指令(OUT)前，要先查询相应设备的状态，当输入设备处于准备好状态，输出设备处于空闲状态时，CPU才执行输入/输出指令与外设交换信息。为此，接口电路中既要有数据端口，还要有状态端口。查询传送方式的流程图见图7.6。从图中可以看出，采用查询方式完成一次数据传
14、送要经历如下过程：(1) CPU从接口中读取状态字。(2) CPU检测相应的状态位是否满足“就绪”条件。(3) 如果不满足，则重复(1)、(2)步；若外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,图7.6 查询传送方式的流程图,图7.7给出的是采用查询传送方式进行输入操作的接口电路。输入设备在数据准备好之后向接口发选通信号，此信号有两个作用：一方面将外设中的数据送到接口的锁存器中；另一方面使接口中的一个D触发器输出“1”，从而使三态缓冲器的READY位置“1”。CPU输入数据前先用输入指令读取状态字，测试READY位，若READY位为“1”，说明数据已准备就绪，再执行输入指令读入数据。由于在读入数据时
15、信号已将状态位READY清0，于是可以开始下一个数据输入过程。,图7.7 查询式输入的接口电路,图7.8 查询式输出的接口电路,查询传送方式的主要优点是能保证主机与外设之间协调同步地工作，且硬件线路比较简单，程序也容易实现。但是，在这种方式下，CPU花费了很多时间查询外设是否准备就绪，在这些时间里CPU不能进行其他的操作；此外，在实时控制系统中，若采用查询传送方式，由于一个外设的输入/输出操作未处理完毕就不能处理下一个外设的输入/输出，故不能达到实时处理的要求。因此，查询传送方式有两个突出的缺点：浪费CPU时间，实时性差。所以，查询传送方式适用于数据输入/输出不太频繁且外设较少、对实时性要求不
16、高的情况。不论是无条件传送方式还是查询传送方式，都不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况。为了提高CPU的效率、增强系统的实时性，并且能对随机出现的各种异常情况做出及时反应，通常采用中断传送方式。,7.2.2 中断传送方式中断传送方式是指当外设需要与CPU进行信息交换时，由外设向CPU发出请求信号，使CPU暂停正在执行的程序，转去执行数据的输入/输出操作，数据传送结束后，CPU再继续执行被暂停的程序。查询传送方式是由CPU来查询外设的状态，CPU处于主动地位，而外设处于被动地位。中断传送方式则是由外设主动向CPU发出请求，等候CPU处理，在没有发出请求时，CPU和外设都可以独立进行各自的工
17、作。目前的微处理器都具有中断功能，而且已经不仅仅局限于数据的输入/输出，而是在更多的方面有重要的应用。例如实时控制、故障处理以及BIOS和DOS功能调用等。,中断传送方式的优点是：CPU不必查询等待，工作效率高，CPU与外设可以并行工作；由于外设具有申请中断的主动权，故系统实时性比查询方式要好得多。但采用中断传送方式的接口电路相对复杂，而且每进行一次数据传送就要中断一次CPU，CPU每次响应中断后，都要转去执行中断处理程序，且都要进行断点和现场的保护和恢复，浪费了很多CPU的时间。故这种传送方式一般适合于少量的数据传送。对于大批量数据的输入/输出，可采用高速的直接存储器存取方式，即DMA方式。,
