河北科大微机原理第6章输入输出及中断.ppt

1 第6章输入 输出和中断 6 1外设接口的一般结构6 2CPU与外设交换数据的方式 6 3中断 2 I O接口 将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称 用以实现外设与主机之间的信息交换I O端口 接口中的寄存器 可以由CPU读或写 6 1外设接口的一般结构 3 一个简单的外设接口框图 4 CPU同外设间交换的信息由三类 1 数据信息 2 状态信息 表示外设当前所处的工作状态 3 控制信息 由CPU发出的 用于控制I O接口的工作方式以及外设的启动和停止等 5 I O端口的访问1 输入指令格式 IN累加器 端口功能 把端口中数据读到AL 或AX中 例 INAL 21HMOVDX 201HINAX DX2 输出指令格式 OUT端口 累加器功能 把寄存器AL 或AX中数据输出到端口 例 OUT32H ALMOVDX 201HINDX AX 6 6 2CPU与外设交换数据的方式 6 2 1程序控制传递方式 特点 1 以CPU为中心 控制来自CPU 通过预先编写好的I O程序实现数据的传送 2 速度较低 传送路径经过CPU内部寄存器同时数据I O响应也比较慢 7 1 无条件传送方式 同步传送方式 特点 适用于总是处于准备好状态的外设 外设的工作时间已知 必须在CPU限定的指令时间内准备就绪 并完成数据的接收或发送 方法 把I O指令插入到程序中 当程序执行到该指令时 外设已作好准备 于是在此指令时间内完成数据传送任务 优点 软件及接口硬件简单缺点 CPU效率低 只适用于简单外设 适应范围较窄 8 2 查询传送方式 异步传送方式 当CPU同外设不同步且不知道外设工作速率时 可采用此方式传送 传送前 CPU必须先对外设进行状态检测 适用场合 外设并不总是准备好对传送速率和效率要求不高对外设及接口的要求 外设应提供设备状态信息接口应具备状态端口 9 完成一次传送过程的步骤如下 1 通过执行一条输入指令 读取所选外设的当前状态 2 根据该设备的状态决定程序去向 外设 忙 或 未准备就绪 重复检测外设状态外设 空 或 准备就绪 发出I O指令 进行一次数据传送 10 输入数据 11 优点 软件比较简单缺点 CPU效率低 数据传送的实时性差 速度较慢 12 3 中断传送方式 无条件传递和查询传送的缺点是 CPU和外设只能串行工作 为提高系统的工作效率 充分发挥CPU的高速运算能力 引入了 中断 系统 利用中断来实现CPU与外设之间的数据传送 这就是中断传送方式 特点 外设在需要时向CPU提出请求 CPU再去为它服务 服务结束后或在外设不需要时 CPU可执行自己的程序 中断使CPU和外设以及外设之间能并行工作 13 工作过程 在中断传送方式中 通常在程序中安排好某一时刻启动某一台外设 然后CPU继续执行其主程序 当外设完成数据传送的准备后 向CPU发出中断请求信号 在CPU可以响应中断的条件下 现行主程序被 中断 转去执行 中断服务程序 在 中断服务程序 中完成一次CPU与外设之间的数据传送 传送完成后仍返回被中断的主程序 从断点处继续执行 优点 CPU效率高 实时性好 速度快缺点 程序编制较为复杂 14 以上三种I O方式的共性 均需CPU作为中介 软件 外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的 PIO方式 硬件 I O接口和存储器的读写控制信号 地址信号都是由CPU发出的缺点 程序的执行速度限定了传送的最大速度 约为几十KB s 15 6 2 2DMA 直接存储器存取 传递方式 外设和内存之间直接传送数据的方式 即DMA传送方式 在DMA传送方式中 对这一数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器 DMAC 特点 外设直接与存储器进行数据交换 不需要CPU干预也不需软件介入 总线由DMA控制器 DMAC 进行控制 CPU要放弃总线控制权 内存 外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供 16 1 DMA操作的基本方法 1 周期挪用 CycleStealing 2 周期扩散 3 CPU停机方式最常用 最简单的传送方式 17 2 DMA的传送方式 1 单字节传送方式每个DMA周期只传送一个字节就立即释放总线 2 成组传送方式DMAC在申请到总线后 将一组数据传送完后才释放总线 而不管中间DREQ是否有效 3 请求传送方式 查询传送方式 成组传送 但每传送一个字节后 DMAC查DREQ 有效传 无效挂起 18 DMAC DMA控制器 的基本功能 1 能接收外设的请求 向CPU发出DMA请求信号 2 当接到CPU发出DMA响应信号后 DMAC接管对总线的控制 进入DMA方式 3 能寻址存储器 即能输出地址信息和修改地址 4 能向存储器和外设发相应的读 写控制信号 5 能控制传送的字节数 判断DMA是否结束 6 在DMA传送结束后 能结束DMA请求信号 释放总线 使CPU恢复正常工作 19 6 3中断 6 3 1概述 中断 外设随机地 指主程序运行到任何一条指令时 或程序预先安排产生中断请求信号 暂停CPU正在运行的程序 转入执行称为中断服务的子程序 中断服务完毕后 返回到主程序被中断处继续执行的过程 中断源 引起中断的事件 20 通常中断源有以下几种 1 输入 输出设备 如键盘 显示器和打印机等 2 数据通道 如磁带等 3 实时控制过程中的各种参数 4 故障源 如掉电保护等 5 控制系统的现场测试信号以及软件中断 中断系统应具有以下功能 1 能实现中断响应 中断服务和中断返回2 能实现中断优先级排队3 能实现中断嵌套 21 6 3 2中断过程与中断管理 1 中断过程 一个完整的中断基本过程包括 中断请求 中断判优 中断响应 中断处理及中断返回等五个基本过程 1 中断请求当某一外部中断源要求CPU中断时 首先要向CPU发出中断请求 该请求信号被存放在中断源接口电路的中断请求触发器中暂存 并通过INTR或NMI信号线引入CPU 22 2 中断判优由于中断请求是随机的 在某一瞬间有可能出现两个或两个以上中断源同时提出请求的情况 这时必须根据中断源的轻重缓急 给每个中断源确定一个中断级别 中断优先权 对同时产生的中断 首先处理优先级别较高的中断 若优先级别相同 则按先来先服务的原则对非同时产生的中断 低优先级的中断程序允许被高优先级的中断源所中断 中断嵌套 23 3 中断响应CPU每执行完一条指令后 查询是否有中断请求 当查询到有中断请求且此时CPU允许中断 即IF 1 开中断 CPU响应中断 响应中断后系统做的工作 自动关中断 通过使IF清零来实现 保存FR和断点 将被中断程序的断点 即当前IP和CS内容压入堆栈实现 形成中断入口地址 通过中断矢量 查询中断地址表实现 24 4 中断处理执行中断服务程序 中断服务开始要用压栈指令 PUSH 将要用到的寄存器内容压入堆栈 以便返回到主程序时能正确运行 保护现场 中断服务程序结束后 用POP指令把所保存的有关寄存器的内容从堆栈弹出 以便恢复到中断前的状态 恢复现场 25 5 中断返回通常在中断返回前 要用指令开中断 以便再次响应中断 然后执行中断返回指令IRET IRET指令具有弹出断点地址送IP和CS及恢复标志寄存器FR内容的功能 26 中断服务子程序完成的工作 保护现场开中断 STI 中断处理关中断 CLI 恢复现场中断返回 27 2 中断优先权 1 软件查询方式 28 2 硬件优先权排队电路 简单硬件方式 菊花链法或链式优先权排队电路 专用硬件方式 可编程的中断控制器 29 6 48086 8088的中断系统 6 4 1中断结构 1 中断分类 30 硬件中断 由外部硬件产生的 也称外部中断 软件中断 CPU根据软件的某些指令或者软件对标志寄存器某个标志位的设置而产生的 由于它与外部中断电路完全无关 故称为内部中断 31 8086 8088中断源类型 32 2 中断向量表 存放中断地址的一段内存空间称中断向量表 存放各类中断的中断服务程序的入口地址表的地址位于内存的0000 0000 0000 03FFH 即0段的0000 03FFH 大小为1KB 共256个入口每个入口占用4个单元 依次为IP CS 低字为段内偏移 高字为段基址 33 中断向量表 00000H 003FFH 1KB 34 IP CS 中断类型码与中断向量所在位置 中断向量地址指针 之间的对应关系为 中断向量地址指针 4 中断类型码 35 例 中断类型码为20H 32 的中断源所对应的中断服务程序首址存放在0000 0080H 4 20H 80H 开始的4个单元中 若在0080H至0083H这4个单元中存放的值分别为10H 20H 30H 40H 则该系统中20H号中断所对应的中断处理 服务 程序入口地址为4030 2010H 36 6 4 2内部中断 软中断在8086 8088系统中 通过执行中断指令或由CPU本身启动的中断称为内部中断 也称软件中断 除单步中断外 内部中断无法用软件禁止 即不受IF的影响 1 内部中断的类型 1 0型中断 除法出错中断 2 1型中断 单步中断 3 3型中断 断点中断 4 4型中断 溢出中断 5 INTn指令中断 37 2 内部中断的处理过程 如何获取相应的中断类型码专用中断 中断类型码是自动形成的 几种类型码为 类型0 1 3 4 对于INTn指令 其类型码为指令中给定的n 38 取得了类型码后的处理过程 类型码 4 向量表指针 标志寄存器FR入栈 保护各个标志 清除IF和TF标志 屏蔽新的INTR中断和单步中断 保存断点 断点处IP和CS压栈 先压CS后压IP 从中断向量表中取出中断服务程序入口地址分别送入IP和CS中 按新的地址执行中断服务程序 39 6 4 3外部中断 硬中断 非屏蔽中断 NMI引脚产生的中断 不受IF控制 类型号为2 可屏蔽中断 由CPU的INTR端接收可屏蔽中断 受IF控制 只有当IF 1 在一条指令执行结束后 CPU才能响应可屏蔽中断的请求 40 1 外部中断的响应CPU采样到非屏蔽中断请求时 自动提供中断类型号2 然后根据中断类型号 查找中断向量表指针 其后的处理与内部中断一样 当INTR信号有效 如IF 1 则CPU执行完一条指令后 进入可屏蔽中断响应周期 在中断响应周期中CPU从数据线中获取外部设备的中断类型码 41 2 外部中断处理过程 在外部中断响应周期中 CPU获取了外部中断类型码之后的中断处理过程 与前述的软中断过程顺序是一样的 不再赘述 如果把CPU中断响应周期的动作和前面讲到的中断响应过程结合起来 当一个可屏蔽中断被响应时 CPU实际执行了7个总线周期 即 42 执行第一个INTA周期 执行第二个INTA周期 被响应的外设通过D0 D7的8位数据线提供中断类型码n 由8259A提供 CPU接到类型码后 将它左移两位 形成向量表指针存入暂存器 执行一个总线写周期 把FR压栈 同时IF和TF为0 以禁止中断响应过程中 其他可屏蔽中断的进入 同时也禁止了中断过程中出现单步中断 43 执行一个总线写周期 CS压栈 执行一个总线写周期 IP压栈 执行一个总线读周期 从中断向量表中取出中断服务程序入口地址的偏移量送IP中 执行一个总线周期 从中断向量表中取出中断服务程序入口地址的段值送CS 对于非屏蔽与软中断跳过第 步 从第 步开始执行到第 步 44 6 4 4各类中断的优先权及中断响应8086 8088系统中 中断优先权次序从高到低为 除法出错 INTn INTO NMI INTR 单步中断 除单步之外的内部优先权最高 其次是非屏蔽中断 再次是可屏蔽中断 而单步最低 45 6 58259A可编程中断控制器6 5 18259A的功能 结构及工作原理1 功能 Intel8259A是与8086系列CPU兼容的可编程中断控制器 它的主要功能为 1 具有8级优先权控制 级连可扩展至64级 2 每一级中断都可以屏蔽或允许 3 在中断响应周期 8259A可提供相应的中断向量号 中断类型号 4 8259A的工作方式 可通过编程来进行选择 46 2 结构 1 8259A的内部结构 8位寄存器 是8259A与外设中断源的接口 通过IR7 IR0与8个中断源相接 当有某个中断源申请中断时 使IRR的相应位置1 最多可同时接收8个中断源的中断申请 8位寄存器 用于设置中断请求的屏蔽信号 第i位被置1时 与之对应的IRi被屏蔽 不能向CPU发INT信号 可通过软件设置其内容 确定每个中断请求的屏蔽状态 设置IMR也可起到改变中断请求优先级的效果 8位寄存器 寄存所有正在被服务的中断级 第i位置1表示CPU正为IRi中断源服务 该信号一直保持到CPU处理完该中断服务程序为止 该中断处理结束前 要使用指令清除这一位 ISR可被CPU读出 当有多位置1时 表示发生了中断嵌套 对在IRR中的中断请求 经判断确定最高的优先权 并在中断响应用周期把它选通送至ISR 8位双向三态缓冲器 是8259A与系统数据总线的接口 8259A通过它接收CPU发来的控制字 也通过它向CPU发送中断类型代码和状态信息 接收CPU的读 写命令 CS和地址线A0决定访问8259A的哪个寄存器 用于多块8259A的连接 使中断可由8级扩展到64级 47 8259A的引脚 双功能信号 当8259A工作与缓冲器方式时 它作为控制缓冲器传送方式的输出信号 当工作与非缓冲方式时 用于规定其是主8259A还是从8259A 48 3 8259A的工作原理当系统通电后 首先应对8259A初始化 由CPU执行一段程序 向可编程芯片写入若干命令字 规定其工作状态 使其处于准备就绪的状态 8259A对外部中断请求处理过程如下 1 当有IR0 IR7变高 则IRR的相应位置1 2 若中断请求线中至少有一条是中断允许的 则由INT引脚向CPU发出中断请求 3 若CPU处于开中断状态 则在当前指令执行完后 用INTA信号作为响应 49 4 8259A接到INTA后 使最高优先权的ISR位置1 而相应的IRR位复位 在此周期中 8259A不向系统数据总线送任何内容 5 在中断响应周期的第二个信号期间8259A向数据总线输送一个8位指针 向量号或类型号 CPU读取此类型号 类型号 4作为地址就可从中断向量表中取出中断服务程序入口地址 6 若8259A工作在自动结束中断AEOI方式 AutomaticEndOfInterrupt 在第二个INTA结束时 使中断源在ISR的相应位复位 否则 直至中断服务程序执行到EOI命令 才使ISR的相应位复位 50 6 5 28259A的编程8259A的编程分两部分 1 初始化编程由CPU向8259A送2 4字节的初始化命令字ICW 2 工作方式编程由CPU向8259A送三个字节的工作命令字OCW 以规定8259A的工作方式 该命令字可在8259A初始化命令字ICW后的任何时间写入 51 1 8259A的初始化编程8259A的初始化命令字共4个 ICW1 ICW4 设置过程如图 52 0 53 2 写初始化命令字ICW2 中断类型控制字 中断类型码 用来定义中断类型码的高5位 74 54 3 写初始化指令字ICW3 主 从片初始化 级连控制字 55 4 写初始化命令字ICW4 方式控制字对于8086 8088系统是必须设置的初始化命令字 74 1 56 2 8259A的操作命令字 三个操作命令字OCW1 OCW3 在设置操作命令字时 顺序上没有严格的要求 但端口地址上有严格的规定 OCW1必须写入奇地址端口 A0 1 OCW2和OCW3必须写入偶地址端口 A0 0 57 操作命令字OCW1 屏蔽操作命令字用来设置或清除对中断的屏蔽 设置IMR的值 75 58 2 操作命令字OCW2 中断方式命令字设置优先级循环和中断结束方式 64 75 若ICW4设置正常结束访问 则在IRET前写OCW2 使EOI 1 ISR复位 1 若OCW2中设置特殊优先级循环方式时 最低优先级编码 2 OCW2中设置特殊中断命令结束 指具体清除哪一位 59 3 操作命令字OCW3 状态操作命令字设置和撤销特殊屏蔽方式 设置中断查询方式 设置对8259A内部寄存器的读出命令 60 注意 1 如何区分OCW2 OCW3 用D3位 即两个操作命令字的标识位 2 如何区分ICW1 OCW2 OCW3 61 6 5 38259A的工作方式 1 中断嵌套方式 1 全嵌套方式当工作在全嵌套方式时 8259A写入初始化命令字后 中断优先权是固定的 即IR0优先权最高 IR7优先权最低 当CPU响应中断时 申请中断的优先权最高的中断源在ISR中相应位置位 而且把它的中断向量号 类型码 送到数据总线 在此中断源的中断服务程序完成前 与它同级或优先权更低的中断源申请被屏蔽 只有优先权比它高的中断源的申请才允许 62 2 特殊全嵌套方式 级连情况与全嵌套方式不同之处 当某一从片中断请求被响应后 主片不封锁从片的INT输入端 使该从片优先级更高的中断源的请求能得到响应 当从片中断处理快要结束时 用软件检查从片中断服务寄存器ISR的内容是否为0 若为0 则这个从片的中断请求是唯一的 此时连发两个中断结束命令EOI 使主片 从片都结束中断 若只发一个EOI命令则只结束从片 不结束主片中断 63 2 中断优先级循环方式 8259A中有两种改变优先权的办法 自动循环方式初始优先级顺序为IR0最高 IR7最低 当某一个中断源服务完以后 它的优先级变成最低的 64 2 特殊循环方式如果中断源的优先权需要任意改变 就必须工作在特殊循环方式下 此时 可用程序通过写OCW2来改变优先权 例如 设置IR5为最低优先权 则IR6的优先权就变为最高 这时OCW2最高三位为110 而最低三位L2 L0应为101 最低优先权编码 OCW2 11000101 65 3 中断屏蔽 8259A的8条中断请求线的每一条都可根据需要单独屏蔽 可通过写入OCW1的命令字来实现 8259A有两种屏蔽方式 1 普通屏蔽方式特点 当执行某一级中断服务程序时 只允许比该级优先级高的中断源申请中断 不允许同级或低级的中断源申请中断 方法 用OCW1将IMR寄存器某一位或几位置1 即可将相应的中断请求屏蔽掉 使用情况 当CPU执行主程序时 可将不希望响应的中断源屏蔽 当CPU执行某中断服务程序时 可将不希望响应的比此优先级高的中断源屏蔽 66 2 特殊屏蔽方式特点 CPU正在处理某一级中断时 只可对本级中断进行屏蔽 允许级别比它高的或比它低的中断源申请中断 方法 在某级中断服务程序中首先用OCW3设置该方式 即D6D5 11 然后设置OCW1使该级的中断申请被屏蔽 只有写入这两个控制字之后 才能使中断屏蔽寄存器IMR中该级中断位被屏蔽 1 不允许发生同级中断 同时使中断服务寄存器ISR相应位置0 允许比该级低级别的中断源申请中断 若想退出此方式 通过设置OCW3的D6D5 10 再执行输出指令即可 使用情况 在中断处理过程中 需要动态改变系统的优先级结构时 67 4 程序查询方式 一般用于多于64级的中断的场合 CPU利用查询命令 OCW3中D2 1 获得当前请求服务的优先级 此时8259A内部仍进行8级中断请求的判优和屏蔽管理 查询命令发出后 执行一条输入指令 可得到查询字 D7 1有中断请求D7 0无中断请求 当前发出中断请求级别最高的中断信号 68 5 中断结束命令 根据不同的工作方式8259A可以有几种不同的结束方法 1 自动中断结束方式 AEOI 特点 中断服务寄存器ISR的相应位清零是由硬件自动完成的 当某一级中断被CPU响应后 CPU送回第一个INTA中断响应信号 使ISR的相应位置1 当第二个INTA负脉冲结束时 自动将ISR的相应位置0 实现方法 通过将ICW4的D1位设置为1实现 使用环境 适用不要求中断嵌套的情况 69 2 非自动中断结束方式 EOI 特点 中断返回前 必须用指令向8259A发中断结束命令 即使ICW4的D1 0 若级连 发2个 方法 首先将ICW4的D1 0 定为正常中断结束方式 然后用OUT向8259A的偶地址端口输出OCW2操作控制字 OCW2的D7D6D5 001 实现自动结束命令 使用环境 一般的中断结束方式只能应用于全嵌套方式下 不能用于优先级自动循环方式和优先级特殊循环方式 因为一般中断结束方式结束的中断是尚未处理完的级别最高的中断 若中断级别改变 会使整个中断过程混乱 70 3 特殊中断结束方式特点 通过用指令发一中断结束命令 同时给出结束中断的中断源是哪一级 使该中断源的中断服务寄存器ISR的相应位置0 使用环境 可应用在任何情况下 但要在中断处理中给出中断结束命令 使用方法 首先将ICW4的D1 0 定为正常中断结束方式 然后通过将OCW2的D7D6D5 011或111 D2D1D0位指出结束中断处理的中断源号 使该中断源在中断服务寄存器ISR中的相应位清零 71 6 读8259A的状态8259A的IRR ISR IMR的状态 可通过读命令读入CPU 供用户了解8259A的工作情况 1 再读命令之前 输出一个OCW3 令其RR 1 RIS 0 D1D0 10 可利用读命令读入中断请求寄存器IRR的状态 若RR 1 RIS 1 D1D0 11 可利用读命令读入中断服务寄存器ISR的状态 2 对奇地址端口 A0 1 进行读操作 可读的中断屏蔽寄存器IMR的值 72 6 5 4由多片8259A组成的主从式中断系统在一个系统中若中断源多于8个 必须采用多片8259A进行级连 其中有一片主8259A 若干片从8259A 可把中断源扩展到64个 73 6 5 58259A的编程实例1 初始化编程例6 1 对IBMPC XT机中使用的8259A初始化编程 硬件连接如图 74 根据系统要求初始化编程如下 在IBMPC机中 只有一片8259A 可接外部8级中断 8259A的端口地址为20H和21H 对8259A的初始化规定 边沿触发方式 缓冲方式 中断结束为EOI命令方式 中断优先权管理采用全嵌套方式 8级中断源类型码为08H 0FH 75 初始化完成后 8259A处于全嵌套工作方式 可以响应外部中断 根据要求设置8259A的操作命令字OCW1 OCW2 1 如允许时钟 键盘 异步通信卡 COM1 中断 设置OCW1为0ECH 屏蔽字 11101100MOVAL 0ECHOUT21H AL 2 由于正常EOI 因此在中断服务程序结束后 返回断点前必须对OCW2写入00100000即20H作结束中断操作命令 MOVAL 20H 设置OCW2的值为20H OUT20H AL 写入OCW2的端口地址20H IRET 中断返回 76 2 应用实例 例1设8086系统中8259A的端口地址为1CE0H 1CE2H 中断请求信号采用电平触发方式 单片8259A 中断类型号高5位为00010 中断源接在IR3中 不用特殊全嵌套方式 用非自动结束方式 非缓冲方式 编写初始化程序 MOVDX 1CE0H 8259A偶地址MOVAL 00011011B 设置ICW1控制字OUTDX ALMOVAL 00010011B 设置ICW2中断类型号MOVDX 1CE2H 8259A奇地址OUTDX ALMOVAL 00000001B 控制字ICW4OUTDX AL 77 例3 PC XT机中有一片8259A 端口地址为20H 21H 边沿触发 工作于缓冲方式 非自动结束 中断采用全嵌套方式 8259A的中断类型码为08H 0FH 利用IR2使8259A中断10次 依次输出 ABC 对8259A初始化并编写相关的主 子程序 解 对8259A初始化ICW1 0001001113HICW2 000010100AHICW4 000011010DHOCW1 11111011FBHOCW2 0010000020H 例2P203 78 DATASEGMENTM1DB ABC M2DW1DUP M3DW1DUP DATASEGMENTSTACKSEGMENTDQQDB100DUP STACKENDSCODESEGMENTASSUMECS CODE DS DATA SS STACKSTART MOVAX DATAMOVDS AXMOVAX STACKMOVSS AXMOVSP SIZEDQQ 79 MOVAL 13H ICW1OUT20H ALMOVAL 0AH ICW2OUT21H ALMOVAL 0DH ICW4OUT21H ALCLI IF 0 关中断MOVAX 350AH 调用系统21H号中断的35H号功能将INT21H 系统中原0AH号中断向量取出保存在ES BXMOVAX ESMOVM2 AXMOVM3 BXPUSHDS 80 MOVDX SEGINT2 取中断服务子程序的段地址MOVDS DXMOVDX OFFSETINT2 取中断服务子程序的偏移地址MOVAX 250AH 调用系统21H号中断的25H号功能将