第5章IO接口传输方式及其中断技术(赵永熹制作)1

1、第第5章章 I/O接口传输方式及其接口传输方式及其中断技术中断技术 本章学习目标本章学习目标 v了解了解I/O的基本概念，的基本概念，掌握掌握I/O端口的编址端口的编址v掌握掌握输入输出的基本方法：无条件、查询、输入输出的基本方法：无条件、查询、中断、中断、DMAvMCS-51MCS-51单片机中断源的种类及工作方式单片机中断源的种类及工作方式v中断控制寄存器中断控制寄存器IEIE、中断优先级寄存器、中断优先级寄存器IPIP及定时器及定时器/ /计数器及外部中断控制寄存器计数器及外部中断控制寄存器TCONTCON的使用方法的使用方法vMCS-51MCS-51型单片机中断响应过程型单片机中断响应

2、过程v外部中断的结构及原理外部中断的结构及原理微型计算机中I/O接口的作用存储器MI/O接口输入设备II/O接口数据总线 DB控制总线 CB地址总线 AB输出设备OCPU什么是什么是I/O接口（电路）接口（电路） I/OI/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，传送和控制任务的逻辑电路，I/OI/O接口接口就是就是CPUCPU与外与外设的连接部件。设的连接部件。 PCPC机系统板的可编程接口芯片、机系统板的可编程接口芯片、I/OI/O总线槽的电路总线槽的电路板（适配器）都是板（适配器）都是I/OI/O接口电路接口电路接口在C

3、PU与外设之间5.1 5.1 I/OI/O接口接口电路电路I/O接口的定义接口的定义 把外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。把外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。实现外设与主机之间的实现外设与主机之间的信息交换。信息交换。 I/O接口要解决的问题接口要解决的问题 速度速度匹配匹配(Buffer) 信号信号电平电平和和驱动驱动能力能力(电平转换器、驱动器电平转换器、驱动器) 信号信号形式形式匹配匹配(A/D、D/A) 信息信息格式格式(字节流、块、数据包、帧字节流、块、数据包、帧) 时序时序匹配匹配(定时关系定时关系) 总线总线隔离隔离(三态门三态门) 1. I/O地址译码与设备选择地址译码

4、与设备选择 把把选中的与总线相接，未选中的与总线隔离（高选中的与总线相接，未选中的与总线隔离（高阻态阻态）。 2. 数据数据的缓冲与暂存的缓冲与暂存缓解接口与缓解接口与CPU工作工作速度的差异速度的差异 输出接口有锁存环节 输入接口有缓冲环节 3. 对对外设进行监测、控制与管理，中断处理外设进行监测、控制与管理，中断处理信号电平与类型的信号电平与类型的转换转换形式形式、格式、电平、功率、码制等、格式、电平、功率、码制等 I/OI/O接口的功能接口的功能 I/O端口：端口： I/O信息信息的三种的三种类型类型：数据、命令、状态。：数据、命令、状态。 传送这三类传送这三类信息的通道信息的通道分别称

5、为：数据端分别称为：数据端口口(I、O)、命令端口、命令端口(O)、状态端口、状态端口(I)。不同外设具有的端口数各不相同，计算机中不同外设具有的端口数各不相同，计算机中为每一个端口都赋予一个惟一编号为每一个端口都赋予一个惟一编号称为称为端口地址端口地址(或端口号或端口号)。端口有端口有两种编址方式：两种编址方式：统一统一编址和编址和独立独立编址。编址。I/OI/O接口的编址方式接口的编址方式I/OI/O接口电路的基本结构接口电路的基本结构定义定义 把外设接口与内存统一把外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。间的不同部分。优点优点指令统一，灵活；指

6、令统一，灵活；访问控制信号统一，使用同访问控制信号统一，使用同一组的地址一组的地址/控制信号。控制信号。 缺点缺点内存可用地址空间内存可用地址空间减小减小0地址空间(共1MB)内存地址(960KB)I/O地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H1. 统一编址统一编址（例如（例如: MCS-51单片机）单片机） 定义定义: 外设地址空间和内存地址空间外设地址空间和内存地址空间相互独立相互独立。优点：优点：内存地址空间不受内存地址空间不受I/O编址的影响编址的影响缺点：缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控指令功能较弱，使用不同的读写控制信号。制信号。00000H内存地址空间内存空

7、间(1MB)I/O空间(64KB)FFFFHFFFFFHI/O地址空间0000H2. 独立编址独立编址（例如（例如: 8088/8086 微机系统）微机系统）MCS-51单片机单片机8088/80865 5.2 .2 I/OI/O接口数据传送接口数据传送的的控制控制方式方式 主机与外设之间数据传送的控制方式主机与外设之间数据传送的控制方式有有以下以下四种：四种：无条件无条件传送传送查询查询(条件条件)方式传送方式传送中断中断方式传送方式传送直接存储器存取直接存储器存取(DMA, Direct Memory Access)无条件传送方式无条件传送方式 适用场合：适用场合：适用于适用于总是处于准备

8、好状态总是处于准备好状态（定（定时固定或已知）时固定或已知）的外设的外设 以下以下简单外设简单外设可采用无条件传送方式：可采用无条件传送方式：开关开关发光器件发光器件(如发光二极管、如发光二极管、7段数码管、灯段数码管、灯泡等泡等)继电器继电器步进电机步进电机 优点：优点：软件及接口硬件简单软件及接口硬件简单 缺点：缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄只适用于简单外设，适应范围较窄查询查询(条件条件)方式传送方式传送 适用场合：适用场合：适用于外设并不总是准备好，适用于外设并不总是准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。合。 CPU在与外设交换数据前

9、必须询问外设状在与外设交换数据前必须询问外设状态态“你准备好没有？你准备好没有？” 对外设的要求：对外设的要求：应提供设备状态信息应提供设备状态信息 对接口的要求：对接口的要求：需要提供状态端口需要提供状态端口 优点：优点：软件比较简单软件比较简单 缺点：缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，效率低，数据传送的实时性差， 速度较慢速度较慢查询查询方式的流程图方式的流程图超时?READY?与外设进行数据交换超时错读入并测试外设状态YNYN传送完？防止死循环复位计时器NY例如：例如：用查询方式进行输出用查询方式进行输出 外设状态端口地址为外设状态端口地址为3FBH，第，第5位位(D5)为状态标志

10、（为状态标志（=1忙，忙，=0准备好）准备好） 外设数据端口地址为外设数据端口地址为3F8H，写入数，写入数据会使状态标志置据会使状态标志置1 ；外设把数据读走；外设把数据读走后又把它置后又把它置0。 试画出其电路图。（电路图见下页）试画出其电路图。（电路图见下页）D5D7-D0A9|A31&A15 |A101IOWD7-D03F8H外设D7D6D5D4D3D2D1D0BUSYCPQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0状态端口GG2AG2BCBAA2A1A074LS138Y01IORY3OE74LS374CPQQDSSTROBE3FBH思考: 程序段？打印机（1忙/0闲）中断方式中断方式传送

11、传送 概念概念: CPU无需循环查询外设状态，而是外无需循环查询外设状态，而是外部设备在需要进行数据传送时才中断部设备在需要进行数据传送时才中断CPU正正在进行的工作，让在进行的工作，让CPU来为其服务。即来为其服务。即CPU在没有外设请求时可以去做更重要的事情，在没有外设请求时可以去做更重要的事情，有请求时才去传输数据，从而大大提高了有请求时才去传输数据，从而大大提高了CPU的利用率。的利用率。 优点：优点：CPU效率高，实时性好，速度快。效率高，实时性好，速度快。 缺点：缺点：程序编制较为复杂。程序编制较为复杂。DMA传输传输 前面三种前面三种I/O方式共性方式共性: 都需要都需要CPU作

12、为中介：作为中介： 外设外设 CPU 内存内存 两个含义：两个含义：1）软件：）软件：外设与内存之间的数据传送是通过外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的（执行程序来完成的（PIO方式）；方式）；2）硬件：）硬件：I/O接口和存储器的读写控制信号、接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由地址信号都是由CPU发出的（总线由发出的（总线由CPU控控制）。制）。 缺点缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约为几十度（约为几十KB/秒）秒） 解决办法：解决办法：DMA传输传输 DMA传输传输: 外设外设 内存内存外设直接与存储器进行数据交换外设直接

13、与存储器进行数据交换 ，CPU不再担当数据传输的中介者；不再担当数据传输的中介者；总线由总线由DMA控制器（控制器（DMAC）进行控制进行控制（CPU要放弃总线控制权），内存要放弃总线控制权），内存/外设外设的地址和读写控制信号均由的地址和读写控制信号均由DMAC提供。提供。 优点：优点：数据传输数据传输由由DMA硬件来控制，数据硬件来控制，数据直接在内存和外设之间交换，可以达到很直接在内存和外设之间交换，可以达到很高的传输速率（可达几高的传输速率（可达几MB/秒）秒）中断的概念中断的概念 执行主程序主程序继续执行主程序断点中断请求中断响应执行中断处理程序中断返回5.3 MCS-515.3 M

14、CS-51单片机的中断系统单片机的中断系统 0INT010110101010100TF1INT1TF1T1R0IT1IT0IEIE0EX0ET1EX1ETES中断源开放中断开放EA级寄存器中断优先0PX0PT1PX1PTPS查询硬件请求高级中断中断源中断源向量中断向量中断请求低级中断中断系统的结构框图中断系统的结构框图 中断源入口地址具体入口如下： 中断源 入口地址 INT0 0003H T0 000BH INT1 0013H T1 001BH RI/TI 0023H 在这些单元中往往是一些跳转指令，跳到真正的中断服务程序，这是因为给每个中断源安排的空间只有8个单元。 1. 1. 优点优点（1

15、 1）分时操作）分时操作（2 2）实现实时处理）实现实时处理（3 3）故障处理）故障处理2. 2. 中断的功能中断的功能 (1) (1) 实现中断及返回实现中断及返回(2) (2) 能实现优先权排队能实现优先权排队 (3) (3) 能实现中断嵌套能实现中断嵌套 1.1.中断源中断源 共有共有5 5个中断源，分别是个中断源，分别是外部中断外部中断2 2个、个、定时中定时中断断2 2个和个和串行中断串行中断1 1个，它们是：个，它们是：外部中断外部中断00INT0INT0，由，由P3.2P3.2提供提供外部中断外部中断11INT1INT1，由，由P3.3P3.3提供，外部中断有两提供，外部中断有两

16、种信号方式，即种信号方式，即电平电平方式和方式和脉冲脉冲方式。方式。T0T0溢出中断溢出中断 由片内定时由片内定时/ /计数器计数器0 0提供提供T1T1溢出中断溢出中断 由片内定时由片内定时/ /计数器计数器1 1提供提供串行口中断串行口中断RI/TIRI/TI 由片内串行口提供由片内串行口提供中断请求2中断请求标志中断请求标志 在中断请求被响应前，中断请求是由在中断请求被响应前，中断请求是由CPUCPU锁锁存在特殊功能寄存器存在特殊功能寄存器TCONTCON和和SCONSCON的相应中断标的相应中断标志位中。志位中。与中断控制有关的控制寄存器有与中断控制有关的控制寄存器有4 4个：个：TC

17、ON-TCON-定时控制寄存器定时控制寄存器 IE-IE-中断允许控制寄存器中断允许控制寄存器IP-IP-中断优先级控制寄存器中断优先级控制寄存器SCON-SCON-及串行口控制寄存器及串行口控制寄存器 （1 1）定时控制寄存器）定时控制寄存器TCON TCON D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TF0IE1 IT1 IE0 IT0中断请求标志触发方式选择0 低电平1 下降沿1 1）TCON.7 TF1TCON.7 TF1：T1T1溢出中断标志。溢出中断标志。T1T1被启动计数后，从被启动计数后，从初值开始加初值开始加1 1计数，直至计满溢出由硬件使计数，直至计满溢出由硬件使TF1=lTF

18、1=l，向，向CPUCPU请求中断，此标志一直保持到请求中断，此标志一直保持到CPUCPU响应中断后，才由硬件响应中断后，才由硬件自动清自动清“0”0”。也可用软件查询该标志，并由软件清。也可用软件查询该标志，并由软件清“0”0”。2 2）TCON.5 TF0TCON.5 TF0：T0T0溢出中断标志。其操作功能类似于溢出中断标志。其操作功能类似于TF1TF1。3 3）TCON.3 IE1TCON.3 IE1：外部中断外部中断1 1标志。标志。IE1=1IE1=1表明外部中断表明外部中断1 1向向CPUCPU申请中断。申请中断。4 4）TCON.1 IE0TCON.1 IE0：外部中断外部中断

19、0 0标志。其操作功能与标志。其操作功能与IE1IE1类似类似。 （2）串行口控制寄存器SCON D7D6D5D4D3D2D1D0TIRI串行中断请求标志1 1）SCON.1 SCON.1 TITI：串行发送中断标志。串行发送中断标志。CPUCPU将一个字节将一个字节数据写入发送缓冲器数据写入发送缓冲器SBUFSBUF后启动发送，每发送完一个后启动发送，每发送完一个串行帧，硬件置位串行帧，硬件置位TITI。但。但CPUCPU响应中断后，并不能自响应中断后，并不能自动清除动清除TITI标志，必须由软件清除。标志，必须由软件清除。2 2）SCON.0 SCON.0 RIRI：串行接收中断标志。在串

20、行口允许接串行接收中断标志。在串行口允许接收时，每接收完一个串行帧，硬件置位收时，每接收完一个串行帧，硬件置位RIRI。同样，。同样，CPUCPU响应中断后不会自动清除响应中断后不会自动清除RIRI标志，必须由软件清标志，必须由软件清除。除。 （3）中断允许控制寄存器IE D7D6D5D4D3D2D1D0EAESET1EX1ET0EX00 禁止，1允许1 1）IE.7 EAIE.7 EA：CPUCPU中断总允许位。中断总允许位。EA=1EA=1，CPUCPU开放中开放中断，每个中断源是被允许还是被禁止，分别由各断，每个中断源是被允许还是被禁止，分别由各自的允许位确定；自的允许位确定；EA=0E

21、A=0，CPUCPU屏蔽所有的中断要求，屏蔽所有的中断要求，称关中断。称关中断。2 2）IE.4 ESIE.4 ES：串行口中断允许位。串行口中断允许位。ES=1ES=1，允许串行，允许串行口中断；口中断；ES=0ES=0，禁止串行口中断。，禁止串行口中断。3 3）IE.3 ET1IE.3 ET1：T1T1中断允许位。中断允许位。ET1=1ET1=1，允许，允许T1T1中断；中断；ET1=0ET1=0，禁止，禁止T1T1中断。中断。4 4）IE.2 EX1IE.2 EX1：外部中断外部中断1 1允许位。允许位。EX1=1EX1=1，允许外部中断，允许外部中断1 1中断；中断；EX1=0EX1=

22、0，禁止外部中断，禁止外部中断1 1中断。中断。5 5）IE.1 ET0IE.1 ET0：T0T0中断允许位。中断允许位。ET0=1ET0=1，允许，允许T0T0中断；中断；ET0=0ET0=0，禁止，禁止T0T0中断。中断。6 6）IE.0 EX0IE.0 EX0：外部中断外部中断0 0允许位。允许位。EX0=1EX0=1，允许外部中断，允许外部中断0 0中断；中断；EX0=0EX0=0，禁止外部中断，禁止外部中断0 0中断。中断。 1 1）PSPS：串行口中断优先级控制位。串行口中断优先级控制位。2 2）PT1PT1：定时计数器定时计数器T1T1中断优先级控制位。中断优先级控制位。3 3）

23、PX1PX1：外部中断外部中断1 1中断优先级控制位。中断优先级控制位。4 4）PT0PT0：定时计数器定时计数器T0T0中断优先级控制位。中断优先级控制位。5 5）PX0PX0：外部中断外部中断0 0中断优先级控制位。中断优先级控制位。 单片机单片机复位后，复位后，IPIP寄存器被清寄存器被清0 0，所有中断源，所有中断源为低级中断。为低级中断。 (4)中断优先级控制寄存器（IP） D7D6D5D4D3D2D1D0PSPT1PX1PT0PX00 低级别，1高级别中断优先级的设定中断优先级的设定 基本原则是：基本原则是：（1）高优先级不能被低优先级中断；）高优先级不能被低优先级中断；（2）低优

24、先级可被高优先级中断。）低优先级可被高优先级中断。（3）任何一种中断（不管是高级还是低级），一旦得）任何一种中断（不管是高级还是低级），一旦得到响应，不会再被它的同级中断所中断。到响应，不会再被它的同级中断所中断。序号 中断源 自然优先顺序 1 外部中断0 最高 2 定时器0 次高 3 外部中断1 中 4 定时器1 此低 5 串行口中断 最低 （4 4）两个同一级的）两个同一级的中断源同时向中断源同时向CPUCPU发发出中断申请，出中断申请，CPUCPU通通过内部硬件查询，按过内部硬件查询，按自然优先级确定优先自然优先级确定优先响应哪一个中断要求响应哪一个中断要求中断响应中断响应 1 1CPU

25、CPU的中断响应条件的中断响应条件 无同级或高级中断正在服务；无同级或高级中断正在服务； 当前指令周期结束，如果查询中断请求的机器当前指令周期结束，如果查询中断请求的机器 周期不是当前指令的最后一个周期，则不行；周期不是当前指令的最后一个周期，则不行； 若现行指令是若现行指令是RETIRETI、RETRET或或访问访问IEIE、IPIP指令，指令，则需要执行到当前指令及下一条指令方可响应。则需要执行到当前指令及下一条指令方可响应。2.2.响应过程响应过程 置位中断优先级有效触发器，即关闭同级和低置位中断优先级有效触发器，即关闭同级和低级中断：级中断： 调用入口地址，断点入栈，相当于调用入口地址

26、，断点入栈，相当于LCALLLCALL指令；指令； 进入中断服务程序。进入中断服务程序。 3.3.响应时间响应时间 从查询中断请求标志位到转向中断服务入口地址所需的机器周期数。（1）最快响应时间以外部中断的电平触发为最快。从查询中断请求信号到中断服务程序需要3个机器周期：1个周期（查询）2个周期（长调用LCALL）（2）最长时间若当前指令是RET、RETI和IP、IE指令，紧接着下一条是乘除指令发生，则最长为8个周期：2个周期执行当前指令（其中含有1个周期查询）4个周期乘除指令2个周期长调用8个周期。中断处理中断处理 中断处理中断处理（又称中断服务）程序从入口地址（又称中断服务）程序从入口地址

27、开始执行，直到返回指令开始执行，直到返回指令“RETIRETI”为止，这个为止，这个过程称为中断处理。此过程一般包括两部分内过程称为中断处理。此过程一般包括两部分内容，一是保护现场，二是处理中断源的请求。容，一是保护现场，二是处理中断源的请求。 中断返回中断返回 中断处理程序的最后一条指令是中断处理程序的最后一条指令是RETIRETI，它，它使使CPUCPU结束中断处理程序的执行，返回到断结束中断处理程序的执行，返回到断点处，继续执行主程序。点处，继续执行主程序。外部中断外部中断 1.1.外部中断外部中断的方式选择的方式选择 外部中断外部中断的方式选择是通过定时的方式选择是通过定时/ /计数器

28、及计数器及外部中断控制寄存器外部中断控制寄存器TCONTCON中的标志位选择的。中的标志位选择的。 1 1）TCON.2 TCON.2 IT1IT1：外部中断外部中断1 1触发方式控制位。触发方式控制位。当当 IT1=0IT1=0，外部中断，外部中断l l为电平触发方式。为电平触发方式。若若IT1=1IT1=1，外部中断，外部中断1 1控制为边沿触发方式。控制为边沿触发方式。2 2）TCON.0 TCON.0 IT0IT0：外部中断外部中断0 0触发方式控制位。触发方式控制位。 2.2.外部中断外部中断的系统设计应用的系统设计应用 外设数据经外设数据经P1P1口输入单片机，每准备好一个数口输入

29、单片机，每准备好一个数据，外设发出选通信号，经触发器和非门至据，外设发出选通信号，经触发器和非门至INT0INT0。P1口P3.0QDCLKCLR选通信号+5V1INT0数据8031数据传送过程：外设每准备好一个数据后，发出选通信号，使触发器外设每准备好一个数据后，发出选通信号，使触发器输出输出1 1再经非门得再经非门得0 0至至INT0INT0，向，向CPUCPU发出中断请求，发出中断请求， CPU CPU 响应这个中断请求后，在中断处理程序中先撤除中断响应这个中断请求后，在中断处理程序中先撤除中断请求信号，（通过请求信号，（通过P3.0=0P3.0=0，使，使INT0=1INT0=1）再由

30、）再由P1P1口输入口输入数据到单片机内部。数据到单片机内部。P1口P3.0QDCLKCLR选通信号+5V1INT0数据8031程序清单：序清单：ORG 0000HSTART:LJMP MAIN ORG 0003H LJMP IINT0 ORG 0030H ;主程序MAIN: CLR IT0 ;低电平触发 SETB EA SETB EX0 ;开中断 MOV DPTR,#1000H . ORG 0100HIINT0:PUSH PSW ;中断处理程序 PUSH ACC CLR P3.0 NOPNOPSETB P3.0 ;撤除INT0MOV A,P1 ;输入数据MOVX DPTR,A ;保存数据IN

31、C DPTR.POP ACC ;恢复现场POP PSWRETI ;返回主程序3. 3. 多级外部中断的扩展应用多级外部中断的扩展应用 利用利用单片机扩展单片机扩展5 5个外部中断源，中断的优个外部中断源，中断的优先次序为先次序为X0X0X4X4，其中，其中X0X0接到外部中断上，接到外部中断上，X1X1X4X4接到外部中断上；单片机的接到外部中断上；单片机的P1.4P1.4P1.7P1.7接接4 4个发光二极管用来作输出指示；当有个发光二极管用来作输出指示；当有X1X1X4X4其中一个外部中断发生时，相应的发光二极其中一个外部中断发生时，相应的发光二极管管D1D1D4D4点亮；当点亮；当X0X

32、0外部中断发生时，外部中断发生时，4 4个发个发光二极管全亮。光二极管全亮。 ORG 0000HORG 0000H AJMP MAIN AJMP MAIN ORG 0003H ORG 0003H；中断服务程序入口地址；中断服务程序入口地址 AJMP ZHD0 AJMP ZHD0 ORG 0013H ORG 0013H；中断服务程序入口地址；中断服务程序入口地址 AJMP ZHD1 AJMP ZHD1 ORG 0030H ORG 0030HMAINMAIN：MOV SPMOV SP，#70H#70H；设置堆栈指针；设置堆栈指针 SETB IT0 SETB IT0 ；设置外部中断设置外部中断0 0为边沿触发方式为边沿触发方式 SETB IT1 SETB IT1 ；设置外部中断设置外部中断1 1为边沿触发方式为边沿触发方式 MOV MOV