计算机组成原理第七章输入输出系统[二]

1、7.3.2程序中断方式的接口电路程序中断方式的接口电路一、中断请求触发器和中断屏蔽触发器一、中断请求触发器和中断屏蔽触发器 接口电路中接口电路中, ,每台外设都相应配备一个中断请求每台外设都相应配备一个中断请求触发器触发器(INTR),(INTR),完成触发器完成触发器D,D,中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器MASK;MASK; 中断请求触发器的作用是存放设备的中断请求中断请求触发器的作用是存放设备的中断请求; ; 中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器MASKMASK的作用是的作用是, ,当当MASK=1MASK=1时时, ,封锁其中断源的请求封锁其中断源的请求; ; 中断请求触发器和中断屏蔽触发器在接口

2、电路中断请求触发器和中断屏蔽触发器在接口电路中成对出现中成对出现;一、中断请求触发器和中断屏蔽触发器一、中断请求触发器和中断屏蔽触发器 当设备本身准备就绪当设备本身准备就绪, ,完成触发器完成触发器D =1,D =1,且该且该设备未被屏蔽设备未被屏蔽(MASK=0),CPU(MASK=0),CPU的中断查询信的中断查询信号可将中断请求触发器置号可将中断请求触发器置“1”(INTR=1).1”(INTR=1).。QQD D&1 1Q QQ QINTRINTR D D来自来自CPU的的中断查询信号中断查询信号MASKMASKQQ 图图7.9 7.9 接口电路中接口电路中D D、INTRINTR、M

3、ASKMASK和中断查和中断查 询询信号的关系信号的关系 各个中断源均有对应的中断请求触发器各个中断源均有对应的中断请求触发器, ,它它们可以分散在各个中断接口电路内们可以分散在各个中断接口电路内( (如图如图7.157.15所示所示), ),也可以集中在也可以集中在CPUCPU的中断系统中的中断系统中, ,构成构成一个中断请求寄存器一个中断请求寄存器, ,如图如图7.107.10所示所示. . 寄存器中寄存器中n n位分别对应位分别对应n n个中断源的中断请求个中断源的中断请求. . 中断屏蔽触发器的情况亦然中断屏蔽触发器的情况亦然. . 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5n-1n-1n

4、 n过过热热阶上溢阶上溢非法除法非法除法键盘输入键盘输入打印机输出打印机输出图图7.107.10 中断请求寄存器中断请求寄存器二、中断请求信号的传送中断请求信号的传送1 1、独立请求线：各个中断源单独、独立请求线：各个中断源单独设置自己的中断请求线设置自己的中断请求线, ,每条中断每条中断请求线直接送往请求线直接送往CPU.CPU.特点：特点：CPUCPU接到中断请求的接到中断请求的同时就知道了中断源是谁同时就知道了中断源是谁, ,故响应故响应速度快速度快, ,但但CPUCPU能连接的中断请求能连接的中断请求线数目有限线数目有限, ,中断源难于扩充中断源难于扩充. .CPUCPU中断中断源源1

5、 1中断中断源源2 2中断中断源源n nINTR1INTR1INTR2INTR2INTRnINTRn2、公共请求线：各个中断源的中公共请求线：各个中断源的中断请求信号通过三态门电路汇断请求信号通过三态门电路汇集到一根公共中断请求线上集到一根公共中断请求线上.特特点：在负载允许的情况下中断点：在负载允许的情况下中断源的数目可以随意扩充；但源的数目可以随意扩充；但CPU在接到中断请求后必须通在接到中断请求后必须通过软件或硬件的方法来识别中过软件或硬件的方法来识别中断源进而再找到中断服务程序断源进而再找到中断服务程序的入口地址的入口地址.3、二维结构：同一优先级别的中二维结构：同一优先级别的中断源，

6、采用一根公共的请求线；断源，采用一根公共的请求线；不同请求线上的中断源优先级不同请求线上的中断源优先级别不同别不同. .CPUCPU 中断中断源源n n中断中断源源1 1INTRINTRCPU中断中断源源1 1中断中断源源2 2INTR2INTR2INTR1INTR1中断中断源源n n中断中断源源3 3INTR3INTR3三、中断判优逻辑三、中断判优逻辑 中断系统在任一时刻中断系统在任一时刻, ,只能响应一个中断源只能响应一个中断源的请求的请求; ; CPUCPU必须给予不同的中断源不同等级的优必须给予不同的中断源不同等级的优先级别先级别. .当多个中断源同时向当多个中断源同时向CPUCPU提

7、出请求提出请求时时, CPU, CPU按照优先级别的高低按照优先级别的高低( (中断判优中断判优) ) 予予以响应以响应; ; 中断判优可以采用硬件和软件两种方法中断判优可以采用硬件和软件两种方法. . 1 1、软件判优、软件判优 通过编写查询程序实现通过编写查询程序实现, ,即查询各中断请求即查询各中断请求触发器的状态触发器的状态; ; 程序查询的次序程序查询的次序, ,即为即为CPUCPU响应的优先级别响应的优先级别. .是否是否A A请求请求?是否是否B B请求请求?是否是否C请求请求?Y Y YNNN 图图 7.11 7.11 按照按照ABCABC优先级别的软件排队优先级别的软件排队转

8、转A A的服务程序入的服务程序入口地址口地址转转B B的服务程序入的服务程序入口地址口地址转转C C的服务程序入的服务程序入口地址口地址 优点：软件判优方法简单优点：软件判优方法简单, ,可以灵活地修改中断源可以灵活地修改中断源的优先级别的优先级别; ; 缺点：不管外设是否有中断请求都需按次序逐一缺点：不管外设是否有中断请求都需按次序逐一询问询问, ,效率低效率低, ,适用于中低速外设适用于中低速外设. .是否是否A A请求请求?是否是否B B请求请求?是否是否C请求请求?Y Y YNNN 图图 7.11 7.11 按照按照ABCABC优先级别的软件排队优先级别的软件排队转转A A的服务程序入

9、的服务程序入口地址口地址转转B B的服务程序入的服务程序入口地址口地址转转C C的服务程序入的服务程序入口地址口地址 2 2、硬件判优、硬件判优 采用硬件判优电路实现中断优先级的判采用硬件判优电路实现中断优先级的判定可以节省定可以节省CPUCPU时间时间, ,速度快但成本高速度快但成本高. . 根据中断请求信号的传送方式不同有根据中断请求信号的传送方式不同有不同的优先排队电路不同的优先排队电路, ,常见的方案有常见的方案有: :独独立请求线的优先排队电路、公共请求线立请求线的优先排队电路、公共请求线的优先排队电路等的优先排队电路等. . 共同特点共同特点: :优先级别高的中断请求将自优先级别高

10、的中断请求将自动封锁优先级别低的中断请求的处理动封锁优先级别低的中断请求的处理. . 公共请求线的优先排队电路公共请求线的优先排队电路 如果中断请求信号的传递模式采用公共请求如果中断请求信号的传递模式采用公共请求线方式线方式, ,相应可采用链式优先级排队相应可采用链式优先级排队(daisy-chain (daisy-chain method)method)逻辑逻辑. .该逻辑具有该逻辑具有链式排队链式排队和和提供中断程提供中断程序入口地址序入口地址的功能的功能, ,亦称亦称“串行排队链法串行排队链法”或或“菊花链方式菊花链方式”. . 中断的排队判优及向量编码线路如图中断的排队判优及向量编码线

11、路如图7.127.12所示所示. . CPU CPU只有一根中断响应输入线只有一根中断响应输入线INTRINTR和一根中断和一根中断响应输出线响应输出线INTA(INTA(单线中断单线中断), ),三台设备的中断响应三台设备的中断响应次序为次序为12 3,12 3,排队优先可以用串行优先链来完排队优先可以用串行优先链来完成成, ,响应中断后响应中断后, ,通过数据总线的通过数据总线的D0-D7D0-D7来送出来送出向量向量地址地址. . 或或与与与与与与与与与与与与向量地址形成部件向量地址形成部件( (编码器编码器) )CPUCPUINTAINTAINTRINTRINTR1INTR1INTR2

12、INTR2INTR3INTR3数据线数据线向量向量地址地址形成形成向向量量中中断断优优先先权权编编码码器器INTR1INTR1INTR2INTR2INTR3INTR3中断请求寄存器中断请求寄存器 1 23图图7.127.12串行排队优先及向量编码线路串行排队优先及向量编码线路(1)(1)优先权优先权排队电路排队电路中断的串行排队优先识别的工作原理如下中断的串行排队优先识别的工作原理如下： 所有中断源的中断请求所有中断源的中断请求INTR1INTR1，INTR2INTR2，通过一条中断请求线通过一条中断请求线INTRINTR送送CPUCPU； 在开中断在开中断(CPU(CPU内部的中断允许触发器

13、内部的中断允许触发器EINT=1)EINT=1)的情况下的情况下,CPU,CPU在当前指令执行结束在当前指令执行结束时时, ,响应中断请求响应中断请求, ,发出发出INTAINTA信号；信号； INTAINTA信号串行的一次连接所有的中断源；信号串行的一次连接所有的中断源； 若某设备没有中断请求若某设备没有中断请求, ,该设备将中断响应信该设备将中断响应信号号INTAINTA传送给下一设备传送给下一设备; ; 若某设备有中断请求若某设备有中断请求, ,该设备就封锁该设备就封锁INTAINTA信号信号, ,不再往下传送不再往下传送, , 同时产生该设备的中断允许信同时产生该设备的中断允许信号号I

14、NTRiINTRi, ,并将其送往向量地址编码器并将其送往向量地址编码器; ; 编码器可产生对应中断源的向量地址编码器可产生对应中断源的向量地址. . 串行排队链法串行排队链法的特点的特点 硬件实现简单硬件实现简单; ; 硬件连接固定后硬件连接固定后, ,中断源的优先次中断源的优先次序就固定不变；序就固定不变； 故障敏感；故障敏感； 响应速度慢响应速度慢一条一条响应线上响应线上串串行行确定中断源确定中断源. .向量地址形成部件向量地址形成部件( (编码器编码器) )与与与与与与INTRINTR1 1INTRINTR2 2 INTRINTR3 3INTRINTR4 4INTRINTR1 1INT

15、RINTR2 2INTRINTR3 3INTRINTR4 4排排队队器器向量地址向量地址 独立请求方式独立请求方式的优先级排队的优先级排队逻辑逻辑独立请求线的优先排队电路独立请求线的优先排队电路 1 2 3 4中断请求中断请求寄存器寄存器图图7.13 7.13 独立请求方式的优先级排队逻辑独立请求方式的优先级排队逻辑 独立请求方式的特点：速度快；硬件代价高独立请求方式的特点：速度快；硬件代价高.独立请求方式的排队优先识别及向量编码独立请求方式的排队优先识别及向量编码线路的工作原理如下：线路的工作原理如下： 每个中断源的中断请求信号保存在每个中断源的中断请求信号保存在“中断请中断请求触发器求触发

16、器”中中, ,可能有若干中断请求信号可能有若干中断请求信号INTRiINTRi进入排队电路进入排队电路; ; 排队电路优先级别最高的中断源会封锁级别排队电路优先级别最高的中断源会封锁级别低的中断源的中断请求低的中断源的中断请求, ,只有其对应的输出线只有其对应的输出线IRNTIRNTi i上给出上给出“1”1”信号信号, ,并将其送往向量地并将其送往向量地址编码器址编码器, , 而其他各线为而其他各线为“0”0”信号信号; ; 编码器可产生对应中断源的向量地址编码器可产生对应中断源的向量地址. .四、中断服务程序入口地址的获取方四、中断服务程序入口地址的获取方法法 不同的中断源不同的中断源,

17、,对应不同中断服务程序；对应不同中断服务程序； 获取该中断服务程序的入口地址获取该中断服务程序的入口地址, ,是中是中断处理的核心断处理的核心; ; 入口地址的获取方法有两种：硬件向入口地址的获取方法有两种：硬件向量法和软件查询法量法和软件查询法. .1 1、软件查询法、软件查询法 原理：用软件寻找中断服务程序入口地址原理：用软件寻找中断服务程序入口地址; 由程序员实现确定各中断源对应的中断服由程序员实现确定各中断源对应的中断服务程序入口地址务程序入口地址; 查询流程见查询流程见图图7.117.11; ; 当查到某一中断源有中断请求时当查到某一中断源有中断请求时, , 接着安接着安排一条转移指

18、令排一条转移指令, ,直接指向该中断源的中断直接指向该中断源的中断服务程序入口地址服务程序入口地址. . 特点：灵活特点：灵活, ,但查询时间较长但查询时间较长. .2 2、硬件向量法、硬件向量法 原理：利用硬件产生向量地址原理：利用硬件产生向量地址,再由向量地再由向量地址找到中断服务程序的入口地址址找到中断服务程序的入口地址; 向量地址由向量地址形成部件产生向量地址由向量地址形成部件产生; 由向量地址寻找中断服务程序入口地址由向量地址寻找中断服务程序入口地址,通通常采用两种方法；常采用两种方法； 一种如一种如7.87.8所示所示, ,在内存中设置向量地址表在内存中设置向量地址表, ,存储单元

19、的地址为向量地址存储单元的地址为向量地址, ,其内容为入口其内容为入口地址地址( (中断向量中断向量) )； 另一种方法另一种方法, ,如图如图7.147.14所示：所示： 在向量地址内存放一条在向量地址内存放一条 无条件转移指令；无条件转移指令； CPUCPU响应中断时响应中断时, , 只要将向量地址只要将向量地址 ( (如如12H)12H)送入送入PC,PC, 即可无条件转向即可无条件转向 打印机服务程序打印机服务程序 的入口地址的入口地址200.200. 硬件向量法的硬件向量法的 特点特点: :寻找入口地址寻找入口地址 速度快速度快. .JMP 200JMP 200JMP 300JMP

20、300JMP 400JMP 400显示器服务程序显示器服务程序12H12H13H13H14H14H. . .200200. . .300300. . . 图图7.14 7.14 通过向量地址寻通过向量地址寻找入口地址找入口地址向量地址向量地址入口地址入口地址入口地址入口地址主存主存打印机服务程序打印机服务程序具体用硬件向量法产生向量地址的例子具体用硬件向量法产生向量地址的例子 或或与与与与与与与与与与与与向量地址形成部件向量地址形成部件( (编码器编码器) )CPUCPUINTAINTAINTRINTRINTR1INTR1INTR2INTR2INTR3INTR3数据线数据线向量向量地址地址形成

21、形成向向量量中中断断优优先先权权编编码码器器INTR1INTR1INTR2INTR2INTR3INTR3中断请求寄存器中断请求寄存器 1 23图图7.127.12串行排队优先及向量编码线路串行排队优先及向量编码线路(1)(1)优先权优先权排队电路排队电路 数据总线数据总线001010001010001011001011001000001000INTAINTA编码器编码器( (硬件直硬件直接产生向接产生向量地址量地址) )图图7.127.12串行排队优先及向量编码线路串行排队优先及向量编码线路(2)(2) 优先权优先权排队电路排队电路IR1IR1IR2IR2IR3IR3IR1IR1IR2IR2I

22、R3 五、五、 程序中断方式接口电路的结构程序中断方式接口电路的结构数据端口数据端口设备选择电路设备选择电路&。命令译码命令译码一、程序中断方式接口电路一、程序中断方式接口电路排队器排队器设备编码器设备编码器。 。SELSEL数据线数据线地址线地址线输入数据输入数据启动命令启动命令QQD DQQB B设备工作结束设备工作结束&1 1Q QQ QINTRINTR D D启动设备启动设备中断查询中断查询来自高一级来自高一级的排队器的排队器至低一级的至低一级的排队器排队器中断请求中断请求中断响应中断响应INTAINTA向量地址向量地址图图7.15 7.15 程序中断方式接口电路的基本组成程序中断方式接口电路的基本组成MASKMASKQQ 以输入设备为例以输入设备为例, ,说明说明I/OI/O中断处理的过程中断处理的过程: : 由由CPUCPU发启动发启动I/OI/O设备命令设备命令, ,将接口中的将接口中的B B置置“1”,D1”,D置置“0”0”； 接口电路启动输入设备开始工作接口电路启动输入设备开始工作; 输入设备将数据送入数据端口输入设备将数据送入数据端口; ; 输入设备向接口发出输入设备向接口发出“设备工作结束设备工作结束”信号信号, ,将将D D置置“1”1”，B B置置“0”.0”.标志设备准备就绪标志设备准备就绪;