专题六计算机硬件技术基础输入输出和中断赵晓安.ppt

,专题六 输入输出和中断系统,第五章,主讲教师 赵晓安,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/输出的基本概念,521 无条件传送方式 （又称同步传送） 522 查询式传送方式 （又称条件传送异步传送）,5.2 输入/输出数据的传送方式,523 中断传送方式 524 DMA传送方式,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, MCS-51 的中断程序设计举例, MCS-51 的中断系统的结构,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） 来自P3.4(T0)或P3.5(T1)引脚的 外部输入计数脉冲相当于中断请求信号 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：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：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,#40H jz Test ；(jnz Test) mov DPTR,#PORTD movx A,DPTR ;输入 (movx DPTR,A；输出),0/1,状态信号,D6,Ready=1 Busy=0,(A),523 中断传送方式,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P150图5-22,（1）设置中断请求触发器( 又称中断标志触发器) 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。,中断响应条件,CPU响应中断的条件主要有以下几点：,设置中断请求的情况,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(又称中断允许触发器） 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 。,具有中断屏蔽的接口电路,（3）中断是开放的 在CPU内部有一个中断允许触发器EA。只有当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MOTOROLA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形码表中的序号或字形码。,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 将20H送字位码口则该位显示6，其它位的显示类同，依次循环往复从低位到高位查字形码表，得到对应的字形码送字形码口，其块的字位码送字位码口，由于视觉残留，六个不同的字符就同时显示出来。,字形码表,字位表,8155动态显示电路,ORG 0000H DISP: MOV SP,#5FH MOV A,#03H；对8155初始化，A口、B口输出 MOV DPTR,#0FF20H MOVX DPTR,A DISP4: MOV R5,#01H ；置字位码初值 MOV R0,#79H ；置显示缓冲区指针初值 MOV A,R5 LD0: MOV DPTR,#0FF21H ；字位码送8155 A口 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0FF22H MOV A,R0 ADD A,#0EH MOVC A,A+PC ；查字形码表 MOVX DPTR,A ；字形码送8155 B口 ACALL DLAY ；延时 1MS INC R0 MOV A,R5,JB ACC.5,LD1 RL A MOV R5,A AJMP LD0 LD1: SJMP DISP4 DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H DB 82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H DB 0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,89H DB 0C8H,0C1H,7FH,0BFH DLAY: MOV R7,#02H ；延时子程序 DL1: MOV R6,#0FFH DL2: DJNZ R6,DL2 DJNZ R7,DL1 RET END,；字形码表,口指针DPTR，查表PC,ORG 0000H DISP: MOV SP,#5FH MOV A,#03H；对8155初始化，A口、B口输出 MOV R1,#20H MOVX R1,A DISP4: MOV R5,#01H ；置字位码初值 MOV R0,#79H ；置显示缓冲区指针初值 MOV A,R5 LD0: MOV R1,#21H ；字位码送8155 A口 MOVX R1,A MOV R1,#22H MOV A,R0 MOV DPTR，#TAB MOVC A,A+DPTR ；查字形码表 MOVX R1,A ；字形码送8155 B口 ACALL DLAY ；延时 1MS INC R0 MOV A,R5,JB ACC.5,LD1 RL A MOV R5,A AJMP LD0 LD1: SJMP DISP4 TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H DB 82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H DB 0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,89H DB 0C8H,0C1H,7FH,0BFH DLAY: MOV R7,#02H ；延时子程序 DL1: MOV R6,#0FFH DL2: DJNZ R6,DL2 DJNZ R7,DL1 RET END,；字形码表,口指针R1，查表DPTR,MCS-51 的中断系统的结构,5.4.1 MCS-51的中断源和中断标志,MCS-51 共有5个中断源 外部中断0 外部中断1 T0溢出中断 T1溢出中断 串行口中断,外部中断请求0、1, 中断请求信号输入引脚：,中断请求信号, 外部中断请求信号触发方式选择（IT0/1位）,SETB IT0, 外部中断请求标志位、中断允许位、优先级选择位：,高,低,TCON, IT0（IT1)：外部中断请求0(1)的触发方式选择 IT0=0 电平触发方式；IT0=1 边沿触发方式 IE0(IE1)：外部中断请求0(1)的中断申请标志 IT0=0 CPU每个机器周期采样/INT0，若/INT0=1 则IE0=0 否则/INT0=0， IE0=1申请中断 IT0=1 若第一个机器周期/INT0=1，第二个机器周期/INT0=0，则IE0=1申请中断，否则IE0=0 转向中断服务时边沿触发方式下IE由硬件清零 转向中断服务时电平触发方式下硬件不清IE，待申请信号撤消。,T0、T1溢出中断,TCON, TF0：51片内定时/计数器0溢出中断请求标志。 定时/计数器0溢出时，TF0由硬件置1 CPU 响应中断时 自动清零 TF0 TF0 也可软件清零, TF1： 51片内定时/计数器1溢出中断请求标志,串行口中断, RI：串行口接收中断标志 RI=1串行口接收中断 TI：串行口发送中断标志 TI=1串行口发送中断 RI、TI 由硬件置位 必须由软件清零,SCON,5.4.2 MCS-51 对中断请求的控制,总结中断源的各个触发器(p154)表5-1）,寄存器： TCON、SCON 、IE 、IP 复位后，这四个寄存器均为00H。,若设置串行口和定时器/计数器1为高级中断： SETB PS SETB PT1 问：设置后，那个中断源的优先级最高？ 那个中断源的优先级最低？ 答： 设置后，优先级的顺序为： TF1 RI/TI INT0 TF0 INT1,5.4.3 MCS-51对中断的响应与撤消, MCS-51中断响应的基本条件 MCS-51中断响应过程 MCS-51中断响应时间 MCS-51中断请求的撤消,MCS-51中断响应的基本条件, 51 CPU 中断受阻的条件： CPU 正在处理相同或更高级中断 现行的机器周期不是所执行指令的最后一个机器周期 正在执行的指令是访问IE、IP或RETI指令 在执行上述指令后至少再执行一条指令，才可能响应中断。, MCS-51的中断响应的基本条件： 首先要有中断源发出中断申请； 中断总允许位EA=1，即CPU允许所有中断源申请中断； 在中断源寄存器TCON和SCON中，申请中断的中断允许位为1， 即此中断源可以向CPU申请中断。,A 51CPU自动完成： CPU先在每个机器周期的S5P2期间，对各中断源重复进行查询，并设置相应的中断标志位 。 如果中断响应条件满足，且不存在中断阻断的情况，则CPU就响应中断。 硬件生成长调用指令自动地把断点地址压入堆栈保护，并随之将对应的中断入口装入程序计数器PC，使程序转向该入口地址，以执行中断服务程序。 A 用户必须完成： 在这些入口地址存放一条无条件跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断服务程序起始地址上去 。,MCS-51响应中断的过程,MCS-51 的中断响应过程,中断入口地址表,低级中断源的 中断服务程序,用户编程设计,CLR EA,SETB EA,MCS-51 的中断程序设计举例,ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H LJMP EX1SVR ORG 0100H MAIN:MOV SP#6FH SETB IT0 SETB EX0 SETB EA SJMP $;等待中断,EX1SVR: PUSH PSW PUSH ACC MOV A,#0FFH MOV P1,A MOV A,P1 SWAP A MOV P1,A POP ACC POP PSW RETI END,初始化部分,答：将子程序入口地址压入堆栈，因为它是CALL指令的 转移目标地址， 而不是CALL的下一条指令地址。,问：响应中断后什么地址压入堆栈？,答：将 SJMP $ 指令的转移目标地址压入堆栈。即 中断在本 指令处产生，本指令的目标地址是本指令地址。,问：若中断在CALL指令执行后产生， 响应中断后什么地址压入堆栈？,问：若要控制中断的次数，在主程序中采用CJNE R7,#10,NEXT指令，NEXT标号应写在什么语句上？,答：将NEXT标号写在本指令上。 即：NEXT:CJNE R7,#10,NEXT；等待中断 必须在中断服务程序中用INC R7指令更新R7的值。 R7的初值在主程序的初始化部分置入。,子程序与中断服务程序的区别, 对强迫中断的服务程序具有随机性 要考虑可能在程序的什么指令处发生， 要保护什么内容，才能保证返回断点后正常工作。 对人为设置的软件中断与子程序调用的区别 返回指令不同 子程序返回用RET 中断服务程序返回用RETI 处理内容不同，中断一般处理I/O操作。,544 MCS-51中断系统的初始化及应用,1、MCS-51中断系统的初始化,中断系统初始化步骤为： 1）CPU开中断或关中断； 2）某中断源中断请求的允许或禁止（屏蔽）； 3）设定所用中断的中断优先级； 4）若为外部中断，则应规定低电平还是负边沿 的中断触发方式。,解： (1)采用位操作指令 SETB EA ；CPU开中断 SETB EX1 ；开/INT1中断 SETB PX1 ；令/INT1为高优先级 CLR IT1 ；令/INT1为电平触发 (2)采用字节型指令 MOV IE，#84H ；开/INT1中断 ORL IP，#04H ；令/INT1为高优先级 ANL TCON，#OFBH ；令/INT1为电平触发,IT1=0,例5-2请写出/INT1为低电平触发的中断系统初始化程序,(1)主程序 主程序除了用来对MCS-