微机系统与接口课件：Ch5_2第五章 数字量输入输出(2)

1、1,第五章 数字量输入输出(2),*概念：总线、接口电路、接口芯片、端口地址 *中断及其处理 中断控制器8259 *定时器/计数器 *并行/串行 DMA电路与应用,2,CPU与外设间的数据传送方式,I/O接口电路基础：三态缓冲器/锁存器 问题：CPU与外设的工作速度不一致，尤其是当外设由其他CPU或时序电路控制时更加明显，应如何解决效率和可靠性。,数据传送控制：使两者高效、可靠地进行数据传送,一、 无条件传送方式 二、 条件传送方式 ( 查询方式 ) 三、 中断传送方式 四、 DMA传送方式 ( Direct Memory Access ),四种传送方式,3,典型无条件传送方式接口电路（输入）

2、,该电路在CPU执行指令 MOV DX, 284H IN AL, DX 将输入设备的数据（开关状态）读入CPU内AL中,图中译码电路的作用： 只当A15A0上出现284H时， （即0000 0010 1000 0100B） 输出0，其他输出1。,P247图5.10 74LS244G1/G2,流程,4,典型无条件传送方式接口电路（输出）,图中译码电路的作用： 只当A15A0上出现288H时， （即0000 0011 1000 1000B） 输出0，其他输出1。,例:LED指示灯,74LS273,5,无条件传送：输入输出接口,next:mov dx,8000h;DX指向数据端口 in al,dx;

3、从输入端口读开关状态 not al;反相 out dx,al;送输出端口显示 call delay;调子程序延时 jmp next;重复,6,无条件传送方式 (同步传送方式),实现方法 1、CPU不查询外设工作状态， 与外设速度的匹配通过在软件上延时完成， 2、在程序中直接用I/O指令，完成与外设的数据传送,特点 1. 适用于外设动作时间已知，前提：CPU与外设进行数据传送时，外设保证已准备好。 2. 软硬件十分简单。,7,条件传送方式(查询传送方式),实现方法： 在与外设进行传送数据前，CPU先查询外设状态， 当外设准备好后，才执行I/O指令，实现数据传送 特点： 1. CPU通过不断查询外

4、设状态，实现与外设的速度匹配 2. CPU的工作效率低,（程序方式）,编程流程,流程,8,查询方式输入例,9,查询方式输入接口电路,状态端口 D7=1 表示外设准备好,输 入 装 置,+5v,STB,MOV DX, 288H IN AL, DX,MOV DX, 28CH IN AL, DX,D0 : D7,READY,10,条件查询输入流程图,编程从外设读入50H个字节到内存缓冲区buffer中,11,查询方式输入程序片段,STATUS EQU 28CH MOV AX, SEG buffer ;取缓冲区首地址 MOV DS, AX LEA DI, buffer MOV CX, 50H ;传送个

5、数 next: MOV DX, STATUS ask： IN AL, DX ;从状态端口读入状态信息 TEST AL, 1000 0000B ;80H, 检测D7位 JZ ask ;D7=0,继续查询 MOV DX, 288H IN AL, DX ;从数据端口读入数据 MOV DI, AL ;送缓冲区 INC DI ;修改缓冲区指针 LOOP next ;传送下一个 .,12,查询方式输出,13,查询方式输出接口,状态端口 D0 = 0 表示外设准备好,MOV DX, 288H OUT DX, AL,MOV DX, 28CH IN AL, DX,READY (BUSY),14,条件查询输出流程

6、图,编程将缓冲区buffer的80H个字节输出到外设,15,STATUS_PORT EQU 28CH DATA_PORT EQU 288H MOV AX, SEG buffer ;取缓冲区首地址 MOV DS, AX LEA SI, buffer MOV CX, 80H ;传送个数 next: MOV DX, STATUS_PORT ask： IN AL, DX ;从状态端口读入状态信息 TEST AL, 0000 0001B ;检测D0位 JNZ ask ;D00,继续查询 MOV AL, SI ;从缓冲区取数 MOV DX, DATA_PORT OUT DX, AL ;从数据端口输出数据

7、INC SI ;修改缓冲区指针 LOOP next ;输出下一个 .,查询方式输出程序片断,16,条件传送方式(查询传送方式),严重缺点： CPU不断查询外设状态，工作效率低 无条件传送方式(同步传送方式) 严重缺点 CPU与外设必须同步，否则出错！,17,DMA 传送方式(直接存储器存取方式),实现方法 1. 由专用接口芯片DMA控制器(称DMAC) 控制传送过程;,4. DMAC接管总线，控制外设、内存之间直 接数据传送,3 . CPU发出总线响应信号，释放总线； 由CPU控制总线变为DMAC控制,2. 当外设需传送数据时，通过DMAC向CPU 发出总线请求；,18,DMA 传送方式过程,

8、19,DMA传送流程,流程,20,DMA传送方式的特点,1. 外设和内存之间，直接进行数据传送， 不通过CPU, 传送效率高。 适用于在内存与高速外设、 或两个高速外设之间进行大批量数据传送。,2. 电路结构复杂，硬件开销较大。 本章后面详细介绍,21,中断传送方式,解决方法之一:中断传输 1. 当外设准备好，向CPU发出中断请求 2. CPU在满足响应中断的条件下，发出中断响应信号； 3. CPU暂停当前的程序，转 去执行中断服务程序， 完成与外设的数据传送； 4. CPU从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序,程序（查询）方式 =效率问题(空耗时间) 如何解决?,22,中断方式下CPU执

9、行程序流程,主程序(Routine)流 (正常),中断概念: CPU与外设交换信息的一种方式 =硬件手段，改变CPU执行程序的顺序（程序流）,流程,23,中断传送方式的特点,1. CPU和外设大部分时间处在并行工作状态, 只在CPU响应外设的中断申请后， 进入数据传送的过程,3. 不适用于大量、高速频繁数据交换DMA,2. 中断传送方式提高了CPU的效率,24,8088中断结构,IRQ0 IRQ7,直接执行软件中断/指令执行结果 除零(INT 00H) 单步(INT 1) IF=1 TF=1 溢出(INTO INT 04H) 软件中断调用 (INT xxH) 非屏蔽中断NMI(Non-Mask

10、able Interrupt) 可屏蔽中断INTR（IF=1),中断控制,中断请求触发信号,25,中断响应和处理流程,硬件监测处理,Y,Y,Y,Y,Y,Y,Y,N,IRET,26,中断指令Interrupt,INT n ; 软中断， n为中断类型号形成中断向量 (SP) (SP)-2,(SP)+1,(SP) (FLAGS); (IF) 0 (TF) 0 (SP) (SP)-2,(SP)+1,(SP) (CS); (CS) 0:n*4+2 (SP) (SP)-2,(SP)+1,(SP) (IP); (IP) 0:n*4,IRET(Interrupt Return) ; 中断服务程序中最后一语句

11、(IP) (SP)+1,(SP)， (SP) (SP)2 (CS) (SP)+1,(SP)， (SP) (SP)2 (FALGS) (SP)+1,(SP) (IP), (SP) (SP)2,27,中断响应和处理,INTR中断源请求-事件 CPU中断响应/INTA 外设:中断类型号n INT n CPU读n 0000:4*n0000:4*n+3中断矢量 保护断点: (返回现场): PSW入栈、清IF、TF, CS、IP入栈 转入中断服务程序: 保护现场-中断服务-恢复现场 返回断点(继续运行): IP、CS、PSW出栈返回主程序,28,中断向量（矢量）与8088中断响应,中断向量表（0:0-0:

12、3FFH）INT 00H0FFH(4 byte each: CS:IP) PC:INT 080F外部硬件中断。INT 0A保留给用户扩展硬件中断使用IRQ2,中断号n,第2个INTA脉冲,29,中断响应时序,(1）中断响应周期：INTR=1，CPU发第二个/INTA时类型号n（1BYTE）DB给CPU； （2）总线写：F入栈 （3）IF=TF=0（EU） （4）总线写：CS入栈 （5）总线写：IP入栈 （6）总线读：n*4为指针读字IP （7）总线读：n*4为指针+2读字CS,30,中断响应操作 响应条件：CPU的INTR引脚高电平，IF=1。,CPU发出ALE信号，作为地址锁存信号,低电平，

13、通知外设CPU已接受其中断请求，同时使数据总线、地址总线浮空,被响应的外设向数据总线发送一个字节的中断类型号，CPU读入后查中断向量表，找到中断服务程序入口地址，转去执行中断服务程序。,31,CPU中断控制,中断源-中断请求-中断响应-中断服务 （1）中断源及其识别判断：（电平/时钟等）（2）优先权及其队列 8086内部：优先级（H）除法错、INTn、INTO、NMI、INTR（IF=1）、单步中断（IF=1） （3）强占式/中断嵌套，可屏蔽中断（INTR，单步IF=1才响应） （4）中断请求触发信号（脉冲/电平）(INTR:电平，每个指令最后一个时钟周期结束时取样）,32,8086/8088

14、中断,问题：多中断源申请中断，优先级？屏蔽？自动？中断控制逻辑专用IC i8259 -可编程接口芯片,33,i8259A可编程中断控制器,重点：* 了解功能 *熟悉管脚 *编程（中断软件初始化与EOI） 功能：INTR：可编程模式 优先级判断 提供中断向量 单独屏蔽中断输入（可编程选择） 每片直接管理8级外部中断, 级联扩展：64级 TTL全兼容 82C59 CMOS 低功耗,PIC - Priority Interrupt Controller,34,i8259A可编程中断控制器PIC,Top View 28PDIP +5V,Function Diagram,MPU接口：D0D7，/RD、/

15、WR、/CS，A0（2口地址） INT申请/INTA应答（允许）PC:20/21H IR0IR7：外部级中断源信号,SP=1 Master,35,中断控制,中断请求寄存器IRR 保存8条外界中断请求信号IR0IR7的请求状态 Di位为1表示IRi引脚有中断请求；为0表示无请求 中断服务寄存器ISR 保存正在被8259A服务着的中断状态 Di位为1表示IRi中断正在服务中；为0表示没有被服务 中断屏蔽寄存器IMR 保存对中断请求信号IR的屏蔽状态 Di位为1表示IRi中断被屏蔽（禁止）；为0表示允许,36,SP/EN和CAS0CAS2（级联）通常模式下确定（ MASTER: SP/EN=1 ，I

16、R07接各从片INT， CAS02输出编码选择从片-8片）/(Slave: SP/EN=0, CAS为输入端，接主片的CAS0CAS2,接收主片发出的从片选择编码)；| 特殊Enable buffer-Buffer MODE下控制Buffer收发（EN）-与系统总线间加BUFFER由SP/EN控制，发送时/EN=0）。（硬件简单，软件难用-动态优先级）9片-64级,8259级联扩展,37,中断级连,一个系统中，8259A可以级连，有一个主8259A，若干个（最多8个）从8259A 级连时，主8259A的三条级连线CAS0CAS2作为输出线，连至每个从8259A的CAS0CAS2 每个从8259

17、A的中断请求信号INT，连至主8259A的一个中断请求输入端IR 主8259A的INT线连至CPU的中断请求输入端 SP*/EN*在非缓冲方式下，规定该8259A是主片（SP*1）还是从片（SP*0）,动画,38,I8259寄存器的读写,初始化编程：ICW（初始化命令字14）P255 工作编程： OCW（工作命令字13） 初始化顺序见P255图5.19,39,8259A编程,两步： 1、初始化编程一次写入（编程） 初始化命令字ICW14，P255 2、工作编程可多次写入（编程） 工作命令字OCW13 ，P258,初始化编程顺序： ICW1 ICW2 多片时写ICW3 需要时写ICW4,40,8

18、259A编程ICW1(主初始化命令字),ICW1：A0=0 D4=1工作方式（ICW标志初始化开始：结果清中断屏蔽寄存器OCW1=0；恢复优先级IR0（H）-IR7（L）D7D5、D2仅对8080/85有意义-可忽略 中断控制标志位D0:D0=1 要送ICW4（不送时ICW4各位=0）；级联扩展：D1（SNGL）=1单片=0级联，要送ICW3（=1 单片，不送ICW3） 触发电平: D3（LTIM）=1 高电平触发 =0 上升沿触发,初始化编程,例： MOV AL, 00010011B ;沿触发，单片工作，后跟ICW4 OUT 20H,AL,41,8259A-ICW2中断类型号寄存器,ICW2

19、：A0=1，中断类型号高5位 中断类型号的高五位：编程时写入D7D3 （ T7T3） 中断类型号的低三位：编程时不写D2D0，响应时由外设自动填 入，产生8个不同的中断类型号 总的中断类型号： D7D0 0 0 0B 1 1 1B 8个中断矢量的地址是连续的！ 如8-向量080FH 例：PC机: MOV AL, 00001000B;中断类型号从8开始 OUT 21H,AL,初始化编程,42,ICW1 ICW2 ICW3（此时： ICW1的D1=0级联，要送ICW3） ICW3： A0=1，级联命令字，有主从片之分： 对MASTER主片： （S7S0）D7D0对应8根中断请求线IR7IR0 某根

20、中断请求线IR接SALVE从片，则ICW3相应位=1； 对SLAVE从片： 从片标识码（ID2ID0）仅D2D0有意义(高5位固定为0)对应8片从片 （中断响应时与主片送出的CAS码比较，相同为当前中断源）,8259A初始化编程(续）- ICW3级联命令字,43,注意：每片（主从片）均应顺序写入ICW1 ICW2 ICW3 mov al,00000100B；04h;写入ICW3 out 21h,al,8259A初始化编程(续）- ICW3级联命令字,44,ICW4： A0=1，优先级控制（D7D5=0） D4（SFMN）=0 一般嵌套（单片没有问题；多片时，已服务SALVE片所有中断源被屏蔽、

21、高优先不能嵌套） D4=1特殊嵌套（仅仅屏蔽比当前中断源低级的中断，上述情况可中断嵌套）。 D3（BUF）数据缓冲选择（=0 无BUFFER；=1有三态BUFF，8259A的DB系统总线间加BUFFER由/SP/EN控制接通， /SP/EN引脚变成输出线，以控制缓冲器的接通，当8259的数据送往系统总线时/EN=0，多用于多片级联；此时主从片区分：D2=0 SLAVE/=1 MASTER； D1（AEOI）=1 自动EOI，中断响应时在送出中断类型号后自动将ISR复位; =0正常EOI-中断服务结束时向8259写EOI命令字OCW2。 D0表示系统中所用CPU的系列 =0 8080/85系列

22、=1 8086/88系列 例：PC00001001B 88/86, 非自动EOI,8259A初始化编程(续）-ICW4,45,8259A工作编程-OCW,.8259A工作期间，可以随时接受操作命令字OCW .OCW共有3个：OCW1OCW3 .写入时无顺序限制，根据需要写入OCW,A0=1,写ICW2-ICW3-ICW4-OCW1;读总为IMR,46,8259A工作编程OCW,OCW1：中断屏蔽字, A0=1，屏蔽命令字 内容写入中断屏蔽寄存器IMR，每位对应1根中断请求线 DiMi对应IRi，=1禁止IRi中断；=0允许IRi中断。各位互相独立。,IN AL, 21H AND AL,0FEH

23、 OUT 21H，AL;,47,8259A工作编程OCW,OCW2：（特征A0=0，D3=D4=0） R、SL和EOI编码配合使用产生中断结束EOI命令和改变优先权顺序中断优先权的旋转。,D5中断结束位：=1表示中断结束(EOI命令)，当用8259实现中断管理时，IRET前必须给8259写一条EOI命令(即D5=1的OCW2)，8259收到后将ISR相应位清除。若D6D5=11,特殊的中断结束，它将复位ISR中由OCW2的D2D0指定的位。,D6特殊旋转：=1,D0D2指定了外部请求线IRi,若D7=1,优先权的旋转移位一直到最低优先权对准IRi为止，最高为IRi+1; =0,最低优先权旋转到

24、当前服务的中断请求线， D0D2无意义。,D7中断优先权旋转： =0优先级固定不变IR0最高。=1优先权可旋转，移到什么情况停止与其他位有关。,48,8259A工作编程OCW3 查询支持,OCW3：辅助操作（不常用）（特征A0=0 D4D3=01） ESMM、SMM设置特殊中断屏蔽方式。10清除特殊屏蔽/11设置特殊屏蔽 P（ D2 ）=1 表示查询，8259工作在查询方式（读状态字） 非查询。 写入D2=1的OCW3后再对同一地址（A0=0）作输入，就得到8259的状态字节 P259 D1D010再用同一个的地址(A0=0)再做输入指令，读中断请求寄存器IRR；D1D0=11用同一个的地址(

25、A0=0)再做输入，读ISR的状态（中断服务服务时相应位） 随时可读IMR（A0=1）不必送OCW3。,49,8259A程序控制应用,PC/XT的中断管理系统用一片8259A： IRQ0：T0；IRQ1：KB；IRQ2 空； IRQ3/4：COM2/1；IRQ5/6 HD/FD；IRQ7： LPT1 写：20H：ICW1、OCW2、OCW3； 21H：ICW2、ICW3，ICW4、OCW1 读：20H：中断请求寄存器IRR、 中断服务寄存器ISR、 中断级编码（查询方式时） 注： 由写OCW3决定读何寄存器； D1D0=10随后读IRR； D1D0=11随后读ISR。 21H：中断屏蔽寄存器I

26、MR,50,PC/XT 中的8259A应用,（BIOS）初始化编程（ P261） MOV AL，13H；上升沿有效、单片8259 OUT 20H，AL； (ICW1) MOV AL，8; 8个中断源填入D2-D0，形成8个矢量08-0FH OUT 21，AL； (ICW2) MOV AL, 9; 8086系统，中断不自动结束，服务程序写含EOI的OCW2，数据线上有缓冲器，一般中断嵌套方式 OUT 21H, AL; (ICW4) MOV AL, 0FFH; 系统未初始化，屏蔽所有硬中断，初始化完成后再重写OCW1开发部分中断 OUT 21H, AL ; (OCW1),51,可屏蔽中断应用1-硬

27、件连线/信号,线路连接 数据通路 中断控制信号,输入,52,中断处理2-编写主程序,为中断准备： 保存系统中断向量、设置用户中断向量 设置设备中断屏蔽位 屏蔽R(IMR)地址 21H(在8259中) Di=1 屏蔽；Di=0 允许 设置CPU中断允许位 STI 恢复系统中断向量设置,8259中断请求输入连接,53,中断处理3-编中断服务子程序,步骤： 保存现场，R内容 如允许中断嵌套，开中断（STI） 处理中断 关中断 送中断结束命令EOI给8259中断命令R MOV AL，20H;(OCW2) OUT 20H，AL 恢复现场，R内容 中断结束返回IRET,54,中断服务程序,关键:保护现场

28、MYINT PROC FAR PUSH AX; PUSH BX;其他寄存器 . . POP BX MOV AL，20H；EOI OUT 20H，AL; POP AX; IRET （注意结尾） MYINT ENDP,55,可屏蔽中断应用4-中断程序调试,检查中断向量及对应中断服务程序 检查中断屏蔽字 在中断服务程序入口设置断点 中断响应后单步调试，中断返回前检查堆栈平衡情况,56,中断程序初始化例程,矢量表修改：DOS功能调用(AH=25H,DS,DX) /直接修改(CLI后送CS,IP STOSW0:4*n=ES:DI, CLD) 保存恢复 Tvectorl DW 0 Tvectorh DW

29、0 intini PROC ;interrupt initializing CLI XOR AX,AX MOV ES,AX ;0 MOV DS,AX MOV SI,20H MOV AX,SI MOV CS:Tvectorl,AX ;int 8 - timer,57,MOV AX,SI+2 MOV CS:Tvectorh,AX CLD MOV DI, 20H ;INT 08h MOV AX,OFFSET MYINT STOSW ；AX DI MOV AX, CS STOSW MOV AL,0;IN AL,21H,OR AL,01H OUT 21H,AL ;中断屏蔽字mask,开中断 OCW1 MOV AL,20H OUT 20H,AL;EOI OCW2 STI RET intini ENDP,中断程序初始化例程,58,中断向量恢复,;INT 8 restor 恢复 INT 8原中断向量 INTRST PROC MOV AX,0 MOV DS,AX MOV SI,20H MOV AX,CS:Tvectorl MOV SI,AX MOV AX,CS:Tvectorh MOV SI+2,AX RET INTRST ENDP,59,保护中断向量,保护原1CH矢量(P262) Tvector_CS DW 0 ；准备