北航微机原理课件第十四讲

第6章输入输出与中断第十四讲输入输出接口电路2009.5.19（星期二）

6.2CPU与外设数据传送的方式 6.3中断技术 6.48086/8088的中断系统和中断处理

1一、程序传送

二、中断传送

为了提高CPU执行有效程序的工作效率和提高系统中多台外设的工作效率，可以让外设处于能主动申请中断的工作方式,这在有多个外设及速度不匹配时，尤为重要。

2三、直接存储器存取（ＤＭＡ）传送

ＤＭＡ（DirectMemoryAccess）方式 利用程序中断传送方式，虽然可以提高ＣＰＵ的工作率，但它仍需由ＣＰＵ通过程序来传送数据,还要“保护现场”和“恢复现场”,要占用一定时间，就显得太慢了。ＤＭＡ方式是一种由专门的硬件电路执行Ｉ／Ｏ交换的传送方式，它让外设接口可直接与内存进行高速的数据传送，而 不必经过ＣＰＵ，这样就不必进行保护现场之类的额外操作，可实现对存储器的直接存取。这种专门的硬件电路就是DMA控制器,简称为ＤＭＡＣ。该集成电路产品有Zilog公司的Z80－ＤＭＡ，Intel公司的８２５７，８２３７Ａ 和Motorola的ＭＣ６８４４等。图6.12给出了8086用DMA

方式传送单个数据(输出数据)的示意图。3

如图所示，当接口准备就绪,便向DMA控制器发DMA请求①;接着,CPU通过HOLD引脚接收DMA控制器发出的总线请求②。通常,CPU在完成当前总线操作以后，就会在HLDA引脚上向DMA控制器发出允许信号③而响应总线请求，DMA控制器接收到此信号就接管了对总线的控制权。46.3中断技术

中断是一种十分重要而复杂的软硬件相结合的技术，它的出现给计算机结构与应用带来了新的突破。本节将介绍中断的基本概念、中断的响应与处理过程、优先权的安排等有关问题。一、中断概述(一)中断与中断源 使CPU暂停运行原来的程序而应更为急迫事件的需要转向去执行为中断源服务的程序(称为中断服务程序)，即发出中断申请的来源。通常中断源有以下几种：(1)外部设备:一般中、慢速外设如键盘、行式打印机、A/D转换器等，在完成自身的操作后，向CPU发出中断请求,要求CPU为它服务。对于高速的外设如磁盘或磁带，它可以向CPU提出总线请求，进行DMA传送。5

(2)实时时钟：(3)故障源：计算机内设有故障自动检测装置，如发生运算出错（溢出)、存储器读出出错、外部设备故障、电源掉电以及越限报警等意外事件时，这些装置都能使CPU中断，进行相应的中断处理。

以上3种属于随机中断源。由随机引起的中断,称为强迫中断。(4)为调试程序设置的中断源：6(二)中断系统及其功能

中断系统是指为实现中断而设置的各种硬件与软件,包括中断控制逻辑及相应管理中断的指令。中断系统应具有下列功能：1.能响应中断、处理中断与返回

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2.能实现优先权排队通常，在系统中有多个中断源时，有可能出现两个或两个以上中断源同时提出中断请求的情况。这时，要求CPU能根据中断源被事先确定的优先权由高到低依次处理。3.高级中断源能中断低级的中断

处理中断嵌套示意图如图6.14所示。

8二、单个中断源的中断

先研究只有一个中断源的简单中断情况。简单的中断过程应包括：中断请求、中断响应、中断处理和中断返回等环节。

(一)中断源向CPU发中断请求信号的条件中断源是通过其接口电路向CPU发中断请求信号的,该信号能否发给CPU，应满足下列两个条件：1.设置中断请求触发器每一个中断源，要能向CPU发中断请求信号,首先应能由它的接口电路提出中断请求，且该请求能保持着,直至CPU接受并响应该中断请求后,才能清除它。为此,要求在每个中断源的接口电路中设置一个中断请求触发器A,由它产生中断请求，即QA=1。如图6.15所示。

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2．设置中断屏蔽触发器

中断源的中断请求能否允许以中断请求信号(如INTR)发向CPU,应能受CPU的控制，以增加处理中断的灵活性，为此，在接口电路中，还要增设一个中断屏蔽触发器B。当允许中断时，由CPU控制使其QB端为0(不屏蔽)，QB端为1，于是，与门开启,中断请求(QA)被允许并经过与门以中断请求信号INTR发向CPU；反之，当禁止中断时,由CPU控制其QB端置1(屏蔽)，QB端为0，与门关闭，即使有中断请求产生,但并不能以INTR发向CPU。

若有多个中断源,例如8个外设,则可将8个外设的中断屏蔽触发器组成一个端口,用输出指令(即利用WR有效信号)来控制它们的状态。11(二)CPU响应中断的条件CPU开放中断

足够长开中断执行完当前指令122．CPU在现行指令结束后响应中断

在CPU开中时，若有中断 请求信号发至CPU,它也并不 立即响应。而只有当现行指令运行 到最后一个机器周期的最后 一个T状态时,ＣＰＵ才采样

INTR信号；若有此信号，则 把与门１的允许中断输出端 置1，于是，CPU进入中断响 应周期。13(三)CPU响应中断及处理过程

当满足上述条件后，CPU就响应中断，转入中断周期，完成下列几步操作：1．关中断

CPU响应中断后,在发出中断响应信号(在8086/8088中为INTA)

的同时,内部自动地(由硬件)实现关中断,以免在响应中断后处理 当前中断时又被新的中断源中断,以至破坏当前中断服务的现场. 2．保留断点

CPU响应中断后，立即封锁PC+1(此即断点地址),且把此PC值 压栈保护，以备中断处理完毕后，CPU能返回断点处继续运行主 程序。

14 3．保护现场 在CPU处理中断服务程序时，有可能用到各寄存器,从 而改变它们原在运主程序时所暂存的中间结果，这就破坏 了原主程序中的现场信息。为使中断服务程序不影响主程 序的正常运行，故要把主程序运行到断点处时的有关寄存 器的内容和标志位的状态压栈保护起来。 4．给出中断入口(地址)，转入相应的中断服务程序 8086/8088是由中断源提供中断类型号,并根据中断类 型号在中断向量表中取得中断服务程序的起始地址。15

在中断服务程序完成后，还要执行下述的5、6两步操作。 5．恢复现场 把被保留在堆栈中的各有关寄 存器的内容和标志位的状态从堆栈 中弹出,送回CPU中它们原来的位置 这个操作是在中断服务程序中 用POP指令来完成的。

6．开中断与返回在中断服务程序的最后,要开中 断（以便CPU能响应新的中断请求)

和安排一条返回指令，将堆栈内保 存的断点PC值弹出,送回至PC,CPU

就恢复到断点处继续运行。

上述过程如图6.18所示16

三、向量中断

所谓向量中断(VectoredInterrupt)，是指通过中断向量 来找中断入口地址进而转向中断服务程序的一种方法；而中断 向量则是用来提供中断入口地址的一个地址指针。

例如8086/8088CPU的中断系统就是采用这种向量中断。其 详细过程，将在以后讨论，17四、中断优先权以上讨论了只有一个中断源的最简单的情况。实际的 系统中，具有多个中断源,而CPU的可屏蔽中断请求线往往 只有一条。如何解决多个中断源同时请求中断而只有一根 中断请求线的矛盾呢?这就要求CPU按多个中断源的优先权 由高至低依次来响应中断申请。同时,当CPU正在处理中断 时，还要能响应更高级的中断申请，而屏蔽掉同级或低级 的中断申请。CPU可以通过软件查询技术或硬件排队电路 两种方法来实现按中断优先权对多个中断源的管理，也有 专门用于协助CPU按中断优先权处理多个中断源的中断控 制芯片，如后面第7章中将要介绍的8259A芯片。186.48086/8088的中断系统和中断处理

本节将主要阐述8086/8088的中断系统及其中断处理的全过程。一、8086/8088的中断系统8086/8088有一个简要、灵活而多用的中断系统，它采 用中断向量结构，使每个不同的中断都可以通过给定一个 特定的中断类型号(或中断类型码)供CPU识别,来处理多达 256种类型的中断。这些中断可以来自外部，即由硬件产 生,也可以来自内部，即由软件（中断指令）产生，或者 满足某些特定条件(陷阱)后引发CPU中断。19 8086/8088的中断系统结构如图所 示，图中给出了各主要的中断源20

微机与外设交换信息,都必须通过接口电路来实现。随着大规模集成电路技术的发展，现已生产了各种各样通用的可编程接口芯片，不同系列的微处理器都有其标准化、系列化的接口芯片可供选用。因此，学会典型通用接口芯片的工作原理和使用方法，是掌握微机接口技术的重要基础。

本章主要介绍Intel系列的8255A、8251、8253-5、8259A等几种典型通用的接口芯片第7章可编程接口芯片及应用217.1

接口的分类及功能7.2

可编程计数器/定时器8253-57.3

可编程中断控制器8259A7.4

可编程并行通信接口芯片8255A7.5

可编程串行异步通信接口芯片82517.6

新型通用I/O接口标准22内部外部接口电路基本概念23CPU外部设备接口电路1.什么是接口？242.什么是并行接口？CPU外部设备接口电路特点：快速，价高25什么是串行接口？CPU外部设备接口电路0101110000111010特点：慢速，价廉263.什么是输入接口？CPU输入设备输入接口27什么是输出接口？CPU输出设备输出接口28什么是双向接口？CPU外部设备双向接口方向控制294.什么是可编程接口？不需要改动硬件连线，仅通过软件编程就可以改变接口的功能和设置参数，给用户提供了极大的方便性和灵活性30可编程双向接口的实现CPU外部设备31并行接口的功能接口的分类

按接口的功能可分为通用接口和专用接口两类。通用接口适用于大部分外设，如行式打印机、电传打字机和键盘等都可经通用接口与CPU相连。通用接口又可分为并行接口和串行接口。并行接口是按字节传送的。32二、接口的功能

接口的功能很丰富，视具体的接口芯片而定，其主要的功能有：

(一)缓冲锁存数据

通常CPU与外设工作速度不可能完全匹配,在数据传送过程中难免有等待的时候。为此，需要把传输数据暂存在接口的缓冲寄存器或锁存器中，以便缓冲或等待；而且，要为CPU提供有关外设的状态信息，如外设“准备好”、“忙”，或缓冲器“满”、“空”等。(二)地址译码

在微机系统中，每个外设都被赋予一个相应的地址编码，外设接口电路能进行地址译码，以选择设备。33(三)传送命令

外设与CPU之间有一些联络信号,如外设的中断请求，CPU的响应回答等信号都需要接口来传送。(四)码制转换

在一些通信设备中，其信号是以串行方式传输的，而计算机的代码是以并行方式输入输出的，这就需要进行并行