中断服务程序流程图

1 第一讲 第六章第六章 I O 接口原理接口原理 接口 端口 编址接口 端口 编址 回回 顾顾 微机系统的层次结构 CPU 主机 接口电路及外部设备之间的 结构关联 输入 输出的一般概念 重点和纲要重点和纲要 微机系统主机与外部设备之间的数据传送 包括 I O 端口的寻 址方式 输入 输出的传送控制方式 教学方法 实施步骤教学方法 实施步骤时间分配时间分配教学手段教学手段 回 顾 5 2 讲 授 40 2 提 问 3 2 小 结 2 2 板书 计算机 投影仪 多媒体课件等 讲授内容 讲授内容 6 1 输入输入 输出数据的传输控制方式输出数据的传输控制方式 一 输入一 输入 输出的一般概念输出的一般概念 1 引言引言 输入 输出是微机系统与外部设备进行信息交换的过程 输入 输出设备称 为外部设备 与存储器相比 外部设备有其本身的特点 存储器较为标准 而外部设备则比较复杂 性能的离散性比较大 不同的外部设备 其结构方 式不同 有机械式 电动式 电子式等 输入 输出的信号类型也不相同 有 数字信号 也有模拟信号 有电信号 也有非电信号 输入 输出信息的速率 也相差很大 因此 CPU 与外部设备之间的信息交换技术比较复杂 CPU 与外设之间的信息交换 是通过它们之间接口电路中的 I O 端口来进 行的 由于同一个外部设备与 CPU 之间所要传送的信息类型不同 方向不同 作用也不一样 例如数据信息 状态信息 控制信息 输入 输出等 所以接 口电路中可以设置多个端口来分别处理这些不同的信息 2 输入输入 输出端口的寻址方式输出端口的寻址方式 微机系统采用总线结构形式 即通过一组总线来连接组成系统的各个功 能部件 包括 CPU 内存 I O 端口 CPU 内存 I O 端口之间的信息交 换都是通过总线来进行的 如何区分不同的内存单元和 I O 端口 是输入 输 出寻址方式所要讨论解决的问题 2 根据微机系统的不同 输入 输出的寻址方式通常有两种形式 1 存储器对应的输入 输出寻址方式 存储器对应的输入 输出寻址方式 这种方式又称为存储器统一编址寻址方式或存储器映象寻址方式 方法 方法 把外设的一个端口与存储器的一个单元作同等对待 每一个 I O 端口 都有一个确定的端口地址 CPU 与 I O 端口之间的信息交换 与存储单元 的读写过程一样 内存单元与 I O 端口的不同 只在于它们具有不同的的 地址 优点 优点 CPU 对 I O 端口的读 写操作可以使用全部存储器的读 写操作指令 也 可以用对存储器的不同寻址方式来对 I O 端口中的信息 直接进行算术 逻辑运算及循环 移位等操作 内存与外设地址的分配 可以用统一的分布图 不需要专门的输入 输出操作指令 缺点 缺点 内存与 I O 端口统一编址时 在地址总线根数一定的情况下 使系统中 实际可以直 接寻址的内存单元数减少 一般情况下 系统中 I O 端口数远小于内存单元数 所以在用直接寻址 方式来寻址这些端口时 要表示一个端口地址 必须用与表示内存单元地 址相同的字节数 使得指令代码较长 相应地读 写执行时间也较长 这对 提高系统的运行速度是不利的 Mortorola 公司的 M6800CPU 等均采用这种寻址 I O 端口的方式 3 CPU 与外设之间所传送的信息类型与外设之间所传送的信息类型 CPU 与 I O 端口之间所交换的信息 可以有下列几种类型 数据信息 包括数字量 模拟量 开关量等 可以输入 也可以输出 状态信息 这是 I O 端口送给 CPU 的有关本端口所对应的外设当前状态 的信息 供 CPU 进行分析 判断 决策 控制信息 这是 CPU 送给 I O 端口的控制命令 使相应的外部设备完成 特定的操作 数据信息 状态信息和控制信息是不同类型的信息 它们所起的作用也不 一样 但在 8086 8088 微机系统中 这三种不同类型的信息的输入 输出过程 是相同的 为了加以区分 可以使它们具有不同的端口地址 在端口地址相同 的情况下 可以规定操作的顺序 或者在输入 输出的数据中设置特征位 3 二 二 CPU 与外设之间输入与外设之间输入 输出数据的传输控制方式输出数据的传输控制方式 CPU 与外设之间传输数据的控制方式通常有三种 程序方式 中断方式和 DMA 方式 1 1 程序方式程序方式 指用输入 输出指令 来控制信息传输的方式 是一种软件控制方式 根 据程序控制的方法不同 又可以分为无条件传送方式和条件传送方式 无条件传送方式无条件传送方式 条件 利用程控方式与外设交换信息时 如果输入 输出的时刻 都可以保 证外设总是处于 准备好 状态 则可以直接利用输入 输出指令进行信息的输 入 输出操作 图 5 1 如图 5 1 从硬件电路上来看 输入 加三态缓冲器 控制端由地址译码信号和信号选中 CPU 用 IN 指令 RD 输出 加锁存器 控制端由地址译码信号和信号选中 CPU 用 OUT 指令 WR 这种方式下的硬 软件设计都比较简单 但应用的局限性较大 因为很难 保证外设在每次信息传送时都处于 准备好 状态 一般只用在诸如开关控制 七段数码管的显示控制等场合 条件传送方式条件传送方式 又称查询方式 即通过程序查询相应设备的状态 若状态不符合 则CPU 不能进行输入 输出操作 需要等待 只有当状态信号符合要求时 CPU才能进 行相应的输入 输出操作 一般外设均可以提供一些反映其状态的信号 如对输入设备来说 它能够提供 准备好 READY 信号 READY 1 表示输入 数据已准备好 输出设备则提供 忙 BUSY 信号 BUSY 1 表示当前时刻不 能接收 CPU 来的数据 只有当 BUSY 0 时 才表明它可以接受来自于 CPU 的输出数据 4 过程过程 输入操作的程序流程如图 5 2 所示 对 READY 的状态查询 是通过读状态端口的相应位来实现的 输出的情 况亦大致相同 这种传送控制方式的最大优点是 能够保证输入 输出数据的正 确性 输入接口 以输入设备将数据送入锁存 发选通信号开始 READY 1 CPU 查询 读 READY 读数据 清除 READY 见图 5 3 图 5 2 输出接口 CPU 送数据至锁存器 发选通信号 a 通知外设取数据 b BUSY 输出设备取完数据 ACK 清 BUSY CPU 查询 见图 5 4 图 5 3 图 5 4 5 例 1 假设从某输入设备上输入一组数据送缓冲区 接口电路如图 5 3 若缓冲 区已满则输出一组信息 BOFFER OVERFLOW 然后结束 设该设备的启动 地址为 0FCH 数据端口为 0F8H 状态端口为 FAH 程序如下 DATA SEGMENT MESS1 DB BUFFER OVERFLOW BUFF DB 60 DUP DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS CODE DS DATA START MOV AX DATA MOV DS AX MOV BX OFFSET BUFF 送缓冲区指针 MOV CX 60 送计数初值 OUT 0FCH AL 启动设备 WAIT IN AL OFAH 查询状态 若为 0 则等待 TEST AL 01H JZ WAIT IN AL 0F8H 输入数据 MOV BX AL INC BX LOOP WAIT 检测缓冲区是否满 不满再输入 MOV DX OFFSET MESS1 缓冲区满 输出标志字符串 MOV AH 09H INT 21H MOV AH 4CH INT21H CODE ENDS END START 优先级问题 当 CPU 需对多个设备进行查 询时 就出现了所谓的优先级问题 即究竟先为哪个设备服务 一般来 讲 在这种情况下都是采用轮流查 询的方式来解决 如图 5 5 所示 这时的优先级是很明显的 即先查 图 5 5 询的设备具有较高的优先级 但这种优先级管理方式 也存在着一个问题 即 某设备的优先级是变化的 如当为设备 B 服务以后 这时即使 A 已准备好 它 也不理睬 而是继续查询 C 也就是说 A 的优先地位并不巩固 即不能保证随 时处于优先 为了保证 A 随时具有较高的优先级 可采用加标志的方法 当 CPU 为 B 服务完以后 先查询 A 是否准备好 若此时发现 A 已准备好 立即 转向对 A 的查询服务 而不是为 C 设备服务 6 第二讲 I O 接口原理接口原理 中断方式 中断方式 DMA 方式方式 回回 顾顾 微机系统主机与外部设备之间的数据传送 包括 I O 端口的寻址方 式 输入 输出的传送控制方式 重点和纲要重点和纲要 I O 接口原理 中断方式 DMA 方式 教学方法 实施步骤教学方法 实施步骤时间分配时间分配教学手段教学手段 回 顾 5 2 讲 授 40 2 提 问 3 2 小 结 2 2 板书 计算机 投影仪 多媒体课件等 讲授内容 讲授内容 1 1 中断传送方式中断传送方式 1 1 为什么要采用中断传送方式 为什么要采用中断传送方式 从查询式的传输过程可以看出 它的优点是硬件开销小 使用起来比较简 单 但在此方式下 CPU 要不断地查询外设的状态 当外设未准备好时 CPU 就 只能循环等待 不能执行其它程序 这样就浪费了 CPU 的大量时间 降低了主 机的利用率 为了解决这个矛盾 我们提出了中断传送方式中断传送方式 即当 CPU 进行主程序操作 时 外设的数据已存入输入端口的数据寄存器 或端口的数据输出寄存器已空 由外设通过接口电路向 CPU 发出中断请求信号 CPU 在满足一定的条件下 暂 停执行当前正在执行的主程序 转入执行相应能够进行输入 输出操作的子程序 待输入 输出操作执行完毕之后 CPU 即返回继续执行原来被中断的主程序 这样 CPU 就避免了把大量时间耗费在等待 查询状态信号的操作上 使其工作效率 得以大大地提高 能够向 CPU 发出中断请求的设备或事件称为中断源中断源 微机系统引入中断机制后 使 CPU 与外设 甚至多个外设 处于并行工作状 态 便于实现信息的实时处理和系统的故 障处理 中断方式的原理示意图如图 5 6 所 7 示 2 2 中断方式下的接口电路 中断方式下的接口电路 图 5 6 中断方式提高了 CPU 的工作效率 但是它同时也提高了系统的硬件开销 因为系统需增加含有中断功能接口电路 用来产生中断请求信号 以输入方式 为例 接口电路如图 5 7 所示 图 5 7 数据输入的过程数据输入的过程 当外设发 STB 数据入锁存器 中断请求触发器置 1 若 没有屏蔽则产生 INTR CPU 满足条件 允许中断 指令执行完 发 进INTA 入中断服务子程序 读数据 发 和地址 清中断请求触发器 数据送RD D0 D7 输出过程请自己思考 3 3 中断优先级 中断优先级 问题的提出 问题的提出 当系统中有多个设备提出中断请求时 就有一个该响应谁的问题 也就是 一个优先级的问题 解决优先级的问题一般可有三种方法 软件查询法 简单 硬件方法及专用硬件方法 下 面分别介绍 软件查询法软件查询法 只需有简单的硬件电路 如将 A B C 三台设备的中 断请求信号 或 后作为系统 INTR 这时 A B C 三台 设备中只要至少有一台设备提 出中断请求 都可以向 CPU 发 中断请求 进入中断服务子程 8 序后 再用软件查询的方式分别对不同的设备的服务 查询程序的设计思想同 查询式 查询的前后顺序就给出了设备的优先级 框图如图所示 简单硬件方法简单硬件方法 以链式中断优先权排队电路为例 基本设计思想基本设计思想 将所有的设备连成一条链 靠近 CPU 的设备优先级最高 越远的设备优先级别越低 则发出中断响应信号 若级别高的设备发出了中断 请求 在它接到中断响应信号的同时 封锁其后的较低级设备使得它们的中断 请求不能响应 只有等它的中断服务结束以后才开放 允许为低级的设备服务 如图所示 专用硬件方式专用硬件方式 采用可编程的中断控制器芯片 如 Intel8259A 图 5 11 中断控制器的系统连接 有了中断控制器以后 CPU 的 INTR 和引脚不再与接口直接相连 而INTA 是与中断控制器相连 外设的中断请求信号通过 IR0 IR7进入中断控制器 经 优先级管理逻辑确认为级别最高的那个请求的类型号会经过中断类型寄存器在 当前中断服务寄存器的某位上置 1 并向 CPU 发 INTR 请求 CPU 发出 信号后 中断控制器将中断类型码送出 在整个过程中 优先级较低的中INTA 断请求都受到阻塞 直到较高级的中断服务完毕之后 当前服务寄存器的对应 位清 0 较低级的中断请求才有可能被响应 电路如图图 5 11 所示 利用中断控制器可以通过编程来设置或改变其工作方式 使用起来方便灵 活 4 4 中断响应中断响应 中断源向 CPU 发出中断请求 若优先级别最高 CPU 在满足一定的条件下 可以中断当前程序的运行 保护好被中断的主程序的断点及现场信息 然后 根据 中断源提供的信息 找到中断服务子程序的入口地址 转去执行新的程序段 这就是中断响应 注意注意 CPU 响应中断是有条件的 如内部允许中断 中 断未被屏蔽 当前指令执行完等 9 5 5 中断服务子程序 中断服务子程序 CPU 响应中断以后 就会中止当前的程序 转去执行一个中断服务子程序 以完成为相应设备的服务 中断服务子程序的一般结构如图 5 12 所示 保护现场 由一系列的 PUSH 指令完成 目的是为了保护那些与主程序 中有冲突的寄存器 如 AX BX CX 等 如果中断服务子程序中所使用的寄 存器与主程序中所使用的寄存器等没有冲突的话 这一步骤可以省略 开中断 由 STI 指令实现 目的是为了能实现中断的嵌套 中断服务 图 5 12 中断服务子程序的流 程 恢复现场 由一系列的 POP 指令完成 是与保护现场对应的 但要注意数 据恢复的次序 以免混乱 返回 使用中断返回指令 IRET 不能使用一般的子程序返回指令 RET 因为 IRET 指令除了能恢复断点地址外 还能恢复中断响应时的标志寄存器的 值 而这后一个动作是 RET 指令不能完成的 中断的工作过程可分为五大步骤 中断的工作过程可分为五大步骤 即中断请求 中断判优 中断响应 中断服务和中断返回 2 2 DMADMA 传送方式传送方式 利用中断进行信息传送 可以大大提高 CPU 的利用率 但是其传送过程必 须由 CPU 进行监控 每次中断 CPU 都必须进行断点及现场信息的保护和恢复 操作 这些都是一些额外的操作 会占用一定的 CPU 时间 如果需要在内存的 不同区域之间 或者在内存与外设端口之间进行大量信息快速传送的话 用查 询或中断方式均不能满足速度上的要求 这时应采用直接数据通道传送 即 DMA 数据传送方式 DMA Direct Memory Access 意为直接数据传送 它是在内存的不同区 域之间 或者在内存与外设端口之间直接进行数据传送 而不经过 CPU 中转的 一种数据传送方式 可以大大提高信息的传送速度 DMA方式传送的主要步骤方式传送的主要步骤 见图 5 13 的流程图 外设准备就绪时 向 DMA 控制器发 DMA 请求 DMA 控制器接到此信号后 向 CPU 发 DMA 请求 CPU 接到 HOLD 请求后 如果条件允 许 一个总线操作结束 则发出 HLDA 信号 作为响应 同时 放弃对总线的控制 DMA 控制器取得总线控制权后 往地 址总线发送地址信号 每传送 1 个字节 就会 10 自动修改地址寄存器的内容 以指向下一个要传送的字节 每传送一个字节 字节计数器的值减 1 当减到 0 时 DMA 过程结束 图 5 13DMA 的工作流程图 DMA 控制器向 CPU 发结束信号 将总线控制权交回 CPU DMA 传送控制方式 解决了在内存的不同区域之间 或者内存与外设之间 大量数据的快速传送问题 代价是需要增加专门的硬件控制电路 称为 DMA 控制器 其复杂程度与 CPU 相当 习题与思考习题与思考 1 CPU 与外设之间的数据传输控制方式有哪几种 何谓程序控制方式 它有哪两种 基本方式 请分别用流程图的形式描述出来 2 试从程序转移的角度比较中断控制与子程序调用这两种处理过程 它们有哪些根本 区别 又有哪些相似之处 3 用查询式将 DATA 开始的存贮区的 100 个字节数据在 FCH 端口输出 完成程序 状态端口地址为 FFH 4 什么是接口 什么是端口 在 8086 8088 微机系统中 CPU 是如何实现端口寻址的 5 简述链式中断优先级排队电路的工作过程 6 中断处理的主要步骤有哪些 试说明每一步的主要动作 第三讲 6 3 8086 8088 中断系统中断系统 回回 顾顾 微机系统主机与外部设备之间的数据传送控制方式 中断的概念 及处理过程 重点和纲要重点和纲要 8086 8088 中断系统 教学方法 实施步骤教学方法 实施步骤时间分配时间分配教学手段教学手段 回 顾 5 2 讲 授 35 2 提 问 3 2 小 结 2 2 讨 论 5 2 板书 计算机 投影仪 多媒体课件等 讲授内容讲授内容 11 6 3 8086 8088 中断系统中断系统 一 中断分类及中断类型码一 中断分类及中断类型码 中断源中断源 引起中断的原因或发出中断请求的设备称为中断源 1 中断的分类中断的分类 共分为两类 硬件中断和软件中断 硬件中断硬件中断 即通过外部的硬件产生的中断 如打印机 键盘等 有时也 称为外部中断 硬件中断又可分为两类 可屏蔽中断和不可屏蔽中断 不可屏蔽中断 由 NMI 引脚引入 它不受中断允许标志的影响 每个系统中仅 允许有一个 都是用来处理紧急情况的 如掉电处理 这种中断一旦发生 系 统会立即响应 可屏蔽中断 由 INTR 引脚引入 它受中断允许标志的影响 也就是说 只有 当 IF 1 时 可屏蔽中断才能进入 反之则不允许进入 可屏蔽中断可有多个 一般是通过优先级排队 从多个中断源中选出一个进行处理 软件中断软件中断 内部中断 即根据某条指令或者对标志寄存器中某个标志 的设置而产生 它与硬件电路无关 常见的如除数为 0 或用 INT n 指令产生 I N T n I N TO I N T 3 0 8259A N M I I N TR 溢出中断由 INT0 指令引起 断点中断由 INT3 指令引起 单步由标志 TF 引起 不对应指令 除 0 由计算结果引起 不对应指令 2 中断类型码 中断类型码 8086 8088 为每个中断源分配了一个中断类型码 其取值范围为 0 255 即可处理 56 种中断 其中包括软件中断 系统占用的中断以及开放给用户使用 的中断 12 二 中断向量和中断向量表二 中断向量和中断向量表 系统处理中断的方法很多 处理中断的步骤中最主要的一步就是如何根据 不同的中断源进入相应的中断服务子程序 目前用的最多的就是向量式中断 中断向量中断向量 把各个中断服务子程序的入口都称为一个中断向量 中断向量表中断向量表 将这些中断向量按一定的规律排列成一个表 就是所谓的中断向 量表 当中断源发出中断请求时 即可查找该表 找出其中断向量 就可转入 相应的中断服务子程序 8086 8088 中断系统中的中断向量表是 位于 0 段的 0 3FFFH 的存贮区内 每个 中断向量占四个单元 其中前两个单元存 放中断处理子程序的入口地址的偏移量 IP 低位在前 高位在后 后两个单元 存放中断处理子程序入口地址的段地址 CS 也是低位在前 高位在后 整个中 断向量的排列是按中断类型号进行的 见 P 图 5 14 图示给出了中断类型码与中断向量所在 位置之间的对应关系 其中 00H 04H 为 专用中断 05H 3FH 为系统保留中断 用户一般是不能对它们定义的 这里面有一些为固定的用途 如 INT 21H 即 为 MS DOS 图 5 14 的系统调用 40 FF 为用户定义的中断 00H 04H 系统专用10H 1FH BIOS 用40H FFH 用户用 08H 0FH 硬件中断20H 3FH DOS 用 中断类型号 4 即可计算某个中断类型的中断向量在整个中断向量表中的位 置 如类型号为 20H 则中断向量的存放位置为 20H 4 80H 设中断服务 子程序的入口地址为 4030 2010 则在 0000 0080H 0000 0083H 中就应顺 序放入 10H 20H 30H 40H 当系统响应 20H 号中断时 会自动查找中断向 量 找出对应的中断向量装入 CS IP 即转入该中断服务子程序 三 中断响应过程与时序三 中断响应过程与时序 8086 8088 对软件中断和硬件中断响应的过程是不同的 这是由于软件中断 和硬件中断所产生的原因不同 下面主要讨论硬件中断的情况 1 硬件中断的响应过程硬件中断的响应过程 硬件中断指的是由 NMI 引脚进入的非屏蔽中断或由 INTR 引脚进入的可屏 蔽中断 下面以可屏蔽中断为例 CPU 在 INTR 引脚上接到一个中断请求信号 如果此时 IF 1 CPU 就会在 当前指令执行完以后开始响应外部的中断请求 这时 CPU 在引脚连续INTA 13 发两个负脉冲 外设在接到第二个负脉冲以后 在数据线上发送中断类型码 接到这个中断类型码后 CPU 做如下动作 将中断类型码放入暂存器保存 将标志寄存器内容压入堆栈 以保护中断时的状态 将 IF 和 TF 标志清 0 目的是防止在中断响应的同时又来别的中断 而将 TF 清 0 是为了防止 CPU 以单步方式执行中断处理子程序 这时要特别提醒 因 为 CPU 在中断响应时自动关闭了 IF 标志 因此用户如要进行中断嵌套时 必须在自己的中断处理子程序中用开中断指令来重新设置 IF 保护断点 断点指的是在响应中断时 主程序当前指令下面的一条指令的地 址 因此保护断点的动作就是将当前的 IP 和 CS 的内容入栈 保护断点是为 了以后正确地返回主程序 根据取到的中断类型码 在中断向量表中找出相应的中断向量 将其装入 IP 和 CS 即呆自动转向中断服务子程序 对 NMI 进入的中断请求 由于其类型码固定为 2 因此 CPU 不用从外设读 取类型码 也不需计算中断向量表的地址 只要将中断向量表中 0000 0008H 0000 000BH 单元内容分别装入 IP 和 CS 即可 图 5 15 给出了 8086 8088 中断响应过程的流程图 对这个图我们做几点说明 8086 8088 除软件中断外 内部 非屏蔽中断 可屏蔽中断 均设立有优先级 其中内 中 除单步外 即 0 1 3 4 号中断的优先级高于非屏蔽中断 非屏蔽中断高于可 屏蔽中断 单步中断优先级最低 只有在可屏蔽中断的情况下才判 IF 1 才取中断类型码 其余的没有这个动作 关于单步中断 它是每执行一条指令中断一次 显示出当时各寄存器的内容 供用户参 考 当进入单步中断响应时 CPU 自动清除了 TF 在中断返回后 由于恢复了响应时 的标志寄存器的值 因此 TF 1 执行完一条指令后又进入单步中断 直到程序将 TF 改为 0 为止 关于中