第7章 IO与中断(1).ppt

1、，第7章输入/输出和中断，7.1输入/输出接口概述，7.2中央处理器和外围设备之间的数据传输模式，7.3中断技术，7.4 8086/8088中断系统，7.5可编程中断控制器，英特尔8259 A，7.1输入/输出接口概述，7.1.1输入/输出接口功能主机和外部世界之间的信息交换称为输入/输出主机和外部世界之间的信息交换是通过输入/输出设备进行的。通用输入输出设备是机械或机电结合的产物。例如，传统的外围设备包括键盘、显示器、打印机、扫描仪、磁盘驱动器、鼠标等等，它们比高速中央处理器慢得多。此外，不同的外设有不同的信号形式和数据格式。因此，外部设备不能直接与中央处理器相连，需要相应的电路来完成速度匹

2、配、信号转换以及它们之间的一些控制功能。通常，主机和外设之间的缓冲电路被称为输入输出接口电路，简称输入输出接口，如图7.1所示。对于主机，输入输出接口提供外部设备的工作状态和数据；对于外部设备，输入输出接口存储主机发送给外围设备的所有命令和数据，使主机和外围设备协调工作。图7.1主机和外围设备之间的连接。对于微型计算机来说，在设计微处理器中央处理器时，输入输出设备的接口电路被设计成相对独立的部件，通过这些部件，各种类型的外围设备与中央处理器相连，从而形成一个完整的微型计算机硬件系统。因此，微机的输入输出系统应包括输入输出接口、输入输出设备和相关的控制软件。一个微型计算机系统的综合处理能力，它的

3、可靠性、兼容性、性价比，甚至在某些场合能否使用，都与输入输出系统密切相关。输入输出系统是计算机系统的重要组成部分之一。如果没有高质量的输入/输出系统与任何高性能的计算机协同工作，计算机的高性能就不能发挥作用。中央处理器和外围设备之间交换的信息主机和输入输出设备之间交换的信息可分为三类：数据信息、状态信息和控制信息。1数据信息数据信息分为三种形式：数字量、模拟量和开关量。1)数字量数字量是可由计算机直接发送、接收和处理的数据。例如，键盘、显示器、打印机和带中央处理器的磁盘等输入/输出外围设备交换的信息是以二进制形式表示的数字或以ASCII码表示的数字符号。当计算机用于控制系统时，输入的信息通常是

4、来自现场的连续变化的物理量，如温度、压力、流量、位移、湿度等。这些物理量通过传感器并被放大以获得模拟电压或电流，这些电压或电流在输入计算机之前必须从模拟量转换成数字量。相反，计算机输出的控制信号都是数字量，必须将数字量转换成模拟量(数模转换)，才能控制现场。开关值开关值可以表示两种状态，如开关的打开和关闭、机器的运行和停止、阀门的打开和关闭等。这些开关通常通过相应的电平转换与计算机相连。开关值只能用一个二进制数来表示。状态信息状态信息作为中央处理器和外围设备之间交换数据时的联系信息，反映了外围设备当前的工作状态，由外围设备通过接口发送给中央处理器。通过读取外围状态信号，中央处理器可以知道输入设

5、备的数据是否准备好，输出设备是否空闲，等等。对于输入设备，READY信号通常用于指示要输入的数据是否就绪。对于输出设备，BUSY信号的电平指示输出设备是否处于空闲状态。如果处于空闲状态，可以接收中央处理器输出的信息；否则，中央处理器应该暂停发送数据。因此，状态信息可以保证中央处理器和外围设备之间正确的数据交换。控制信息控制信息由中央处理器通过接口传输到外围设备，中央处理器通过发送控制信息来设置外围设备(包括接口)的工作模式和控制外围设备的运行。例如，外围设备的开始信号和停止信号是公共控制信息。事实上，根据外围设备的具体工作原理，控制信息通常有不同的含义。虽然数据信息、状态信息和控制信息的含义不

6、同，但在微机系统中，当中央处理器通过接口与外设交换信息时，它只能通过输入指令(in)和输出指令(OUT)传输数据，因此状态信息和控制信息也作为数据信息传输，即状态信息被视为输入数据，而控制信息被视为输出数据。但是在接口中，这三种信息存储在不同的寄存器中。输入输出接口的基本结构输入输出接口的基本结构如图7.2所示。每个接口电路包含一组寄存器。当中央处理器与外围设备交换信息时，各种信息都存储在接口的不同寄存器中。这些寄存器通常被称为输入输出端口。用于存储数据(如数字、字符和特定代码等)的数据寄存器。)在中央处理器和外围设备之间传输并缓冲输入/输出数据的端口称为数据端口。用于存储外设或接口组件状态的

7、状态寄存器称为状态端口。用于存储中央处理器发送给外围设备的控制命令的控制寄存器称为控制端口。图7.2一个典型的输入/输出接口、CB、AB、DB、正如每个存储单元都有一个物理地址一样，每个端口也有一个与之对应的地址，称为端口地址。有了端口地址，中央处理器对外围设备的输入/输出操作实际上就是对输入/输出接口中每个端口的读/写操作。通常，数据端口是双向的，数据是输入还是输出取决于操作端口地址时中央处理器发送给接口电路的读/写控制信号。由于状态端口只做输入操作，控制端口只做输出操作，有时为了节省系统地址空间，在设计接口时，这两个端口经常共享同一个端口地址，然后分别用读/写信号选择访问。应该指出的是，用

8、于输入/输出操作的地址总是用于端口，而不是接口。接口和端口是两个不同的概念。几个端口加上相应的控制电路构成一个接口。输入/输出端口的寻址在微机系统中，有两种方法来寻址输入/输出端口：用存储单元统一寻址输入/输出端口，用存储单元独立寻址输入/输出端口。1I/O端口和存储单元统一寻址，根据存储单元的寻址方式统一排列I/O端口和存储单元的地址号，I/O端口地址和存储单元地址共同构成统一的地址空间。例如，对于一个有16条地址线的微机系统，如果采用统一寻址方式，地址空间结构如图7.3所示。图7。3个输入/输出端口和存储单元被统一寻址。采用统一寻址方式后，中央处理器对输入输出端口的输入输出操作与对存储单元

9、的读写操作相同，所有访问内存的指令也可以用来访问输入输出端口，因此不需要特殊的输入输出指令。同时，各种内存寻址方式也适用于访问输入输出端口，为用户提供了极大的方便。然而，由于输入输出端口占用了一部分内存地址空间，内存的可用地址范围相对减少。2I/O端口由存储单元独立寻址。在这种寻址模式中，建立了两个地址空间，一个是存储器地址空间，另一个是输入/输出地址空间。内存地址空间和输入输出地址空间相对独立，通过控制总线来决定中央处理器是应该访问内存还是输入输出端口。为了保证控制总线发出正确的信号，除了访问存储器的指令外，系统还提供了中央处理器和输入输出端口之间数据传输的输入输出指令。，图7.4输入/输出

10、端口用存储单元独立寻址，内存，输入/输出，图3.7 8086/80然而，特殊的输入/输出指令增加了指令系统的复杂性，并且输入/输出指令的类型很少，因此编程的灵活性很差。此外，中央处理器需要提供特殊的控制信号来区分内存和输入输出端口的操作，这增加了控制逻辑的复杂性。微机系统中常用的3I/O端口I/O接口电路的地址译码一般设计为通用I/O接口芯片，一个接口芯片中可以有多个可寻址端口。因此，所有接口芯片都具有用于片上端口寻址的片上选择信号线和地址线。例如，如果一个接口芯片中有四个端口地址，那么芯片外部将有两条地址线。本书第八章将详细介绍几种常用的输入输出接口芯片。有许多方法可以解码输入/输出端口地址

11、。一般原理是将中央处理器用于输入输出端口寻址的地址线分为高地址线和低地址线两部分，并将低地址线直接连接到输入输出接口芯片的相应地址引脚，实现片上寻址，即选择片上端口。将上层地址线与中央处理器的控制信号相结合，由地址解码电路产生输入输出接口芯片的芯片选择信号。7.2中央处理器与外设之间的数据传输模式7.2.1程序传输模式1无条件传输模式微机系统中的一些简单外设，如开关、继电器、数码管、发光二极管等。可以认为输入设备随时准备向中央处理器提供数据，而输出设备随时准备接收中央处理器发送的数据。因此，当中央处理器需要与外围设备交换信息时，这样，中央处理器在对外围设备执行输入/输出操作时就不需要考虑外围设

12、备的状态，所以这种模式称为无条件传输模式。，从外设到中央处理器的数据，图7.5无条件传输模式，从中央处理器的数据，图3.7 8086/8088中央处理器引脚，8086/8008这意味着在执行输入指令(in)或输出指令(OUT)之前，有必要查询相应设备的状态。当输入设备处于就绪状态，输出设备处于空闲状态时，中央处理器执行输入/输出指令，与外围设备交换信息。因此，接口电路应该同时具有数据端口和状态端口。查询传输模式流程图见图7.6。从图中可以看出，通过查询完成数据传输需要以下过程：(1)中央处理器从接口读取状态字。(2)中央处理器检测相应的状态位是否满足“就绪”条件。(3)如果不是，重复步骤(1)

13、和(2)；如果外围设备处于“就绪”状态，则传输数据。图7.6是查询传输方式的流程图，图7.7是输入操作的查询传输方式的接口电路。数据准备就绪后，输入设备向接口发送选通信号。该信号有两个功能：一方面，它将外设中的数据发送到接口的锁存器；另一方面，接口中的D触发器输出“1”，从而使三态缓冲器的就绪位置为“1”。在中央处理器输入数据之前，用输入命令读取状态字，并测试就绪位。如果READY位为“1”，则数据就绪，然后执行输入命令读取数据。由于读取数据时状态位READY已被信号清零，因此可以开始下一个数据输入过程。图7.7查询输入、选通、状态信息就绪、数据总线数据库到中央处理器、5 V、数据、1，0、接

14、口电路将外设中的数据发送到接口的锁存器；使d触发器输出“1”，从而使三态缓冲器的READY位置为“1”。图7.8查询输出、选通信号、0，1，1，1、数据总线DB的接口电路来自C PU，5V，0，0、查询传输方式的主要优点是可以保证主机与外设之间的协调和同步，硬件电路简单，程序容易实现。然而，通过这种方式，中央处理器花费大量时间询问外围设备是否准备好，在此期间，中央处理器不能执行其他操作；此外，在实时控制系统中，如果采用查询传输方式，一个外设的输入/输出要等到下一个外设的输入/输出操作完成后才能处理，不能满足实时处理的要求。因此，查询传输模式有两个突出的缺点：浪费CPU时间和实时性差。因此，本发

15、明适用于数据输入输出不频繁、外设少、实时性要求不高的情况。无论是无条件传输还是查询传输，都不可能发现和处理无法提前估计的错误和异常。为了提高中央处理器的效率，增强系统的实时性，并对各种随机异常情况做出及时响应，通常采用中断传输。中断传输模式中断传输模式是指当外设需要与中央处理器交换信息时，外设向中央处理器发送请求信号，使中央处理器暂停正在执行的程序，切换到数据输入/输出操作。数据传输完成后，中央处理器继续执行暂停的程序。在查询传输模式下，中央处理器查询外围设备的状态，中央处理器处于主动位置，外围设备处于被动位置。在中断传输模式下，外设主动向中央处理器发送请求，并等待中央处理器处理。当没有请求发

16、送时，中央处理器和外围设备可以独立工作。目前，微处理器具有中断功能，它们不仅仅局限于数据输入/输出，还在更多方面有着重要的应用。例如实时控制、故障处理、基本输入输出系统和操作系统功能调用等。中断传输方式的优点是：中央处理器不需要等待查询，工作效率高，并且中央处理器和外围设备可以并行工作；由于外设主动申请中断，系统的实时性比查询模式好得多。然而，采用中断传输方式的接口电路相对复杂，每次数据传输时中央处理器都会被中断一次。当中央处理器每次对中断做出响应后，它就会转而执行中断处理程序，并保护和恢复断点和站点，这就浪费了大量的中央处理器时间。因此，这种传输模式一般适用于少量的数据传输。对于大量数据的输入输出，可以采用高速直接存储器存取，即直接存储器存取。直接存储器存取传输模式1直接存储器存取传输模式简介直接存储器存取传输模式是在存储器和外围设备之间、存储器和存储器之间直接传输数据(如磁盘和存储器之间的数据交换、高速数据采集、存储器和存储器之间的高速数据块传输等)。)，并且传输过程不需要中央处理器的干预，因此在传输过程中不需要进行一系列额外的操作，如保护站点，传输速度基本上取决于内存的DMA传输，需要一个特殊的接口芯片DMA控制器(DMAC)来控制和管理传输过程。在直接存储器存取传输过程中，中央处理器放弃总线