第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術6.1 輸 入 輸 出 及 接 口6.2 輸 入 和 輸 出 的 傳 送 方 式6.3 中 斷 技 術6.4 80X86/Pentium中 斷 系 統(tǒng)6.5 8259A可 編 程 中 斷 控 制 器6.6 中 斷 程 序 設 計 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 6.1 輸 入 輸 出 及 接 口 接 口 I/O接 口 是 位 于 系 統(tǒng) 與 外 設 間 、 用 來 協(xié) 助 完 成 數(shù)據 傳 送 和 控 制 任 務 的 邏 輯 電 路 ， 它 不 僅 包 括 接 口的 電 路 ， 還 包 括 接 口 電 路 的 管 理 驅 動 程 序 。 為 什 么 需 要 I/O接 口 I/O設 備 工 作 速 度 不 同 I/O設 備 數(shù) 據 字 長 不 同 I/0設 備 可 能 是 模 擬 或 數(shù) 字 的 I/O設 備 的 控 制 信 號 不 同 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 I/O接 口 I/O的 功 能 輸 入 輸 出 數(shù) 據 的 緩 沖 和 鎖 存輸 出 接 口 有 鎖 存 環(huán) 節(jié)輸 入 接 口 有 緩 沖 環(huán) 節(jié) 信 號 形 式 和 數(shù) 據 格 式 的 變 換 I/O端 口 尋 址 、 控 制 信 號 產 生 電 氣 特 性 匹 配 I/O信 息 數(shù) 據 信 息 ： 數(shù) 字 量 、 模 擬 量 、 開 關 量 狀 態(tài) 信 息 控 制 信 息 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 I/O接 口 的 構 成 端 口 ： I/O接 口 通 常 設 置 有 若 干 個 寄 存 器 ， 用 來 暫 存 CPU和 外 設 之間 傳 輸 的 數(shù) 據 、 狀 態(tài) 和 控 制 信 息 ,接 口 內 的 寄 存 器 通 常 被 稱 為 端 口 。 根 據 寄 存 器 內 暫 存 信 息 的 類 型 ， 分 別 稱 為 數(shù) 據 端 口 、 控 制 端 口 和 狀態(tài) 端 口 每 個 端 口 有 一 個 獨 立 的 地 址 ， CPU可 以 用 端 口 地 址 代 碼 來 區(qū) 別 各 個不 同 的 端 口 ， 并 對 它 們 分 別 進 行 讀 /寫 操 作 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 I/O端 口 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 I/O端 口 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 I/O接 口 的 編 址存 儲 器 映 象 編 址 I/O單 獨 編 址屬 性 統(tǒng) 一 編 址 單 獨 編 址應 用 motorola的 M6800系 列 ， iMCS51系 列 80X86 ,MCS96系 列 ，Z80系 列特 點 1.I/O端 口 相 當 于 內 存 的 一 部 分 ,使 內 存 容 量 減 小2.對 I/O端 口 的 讀 /寫 與 對 存 儲器 的 讀 /寫 相 同 ， 所 有 可 對 內 存操 作 的 指 令 對 I/O端 口 均 可 使 用 3.指 令 系 統(tǒng) 中 不 專 設 I/O指 令 1.端 口 與 存 儲 器 分 別 獨 立 編址 ， 端 口 不 占 用 內 存 空 間2.設 有 專 門 的 I/O指 令 對 端口 進 行 讀 寫 ， 內 存 操 作 的 指令 不 能 用 于 I/O端 口 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 I/O接 口 的 編 址獨 立 編 址統(tǒng) 一 編 址 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 端 口 地 址 譯 碼門 電 路 譯 碼 門 電 路 譯 碼 是 最 基 本 的 也 是 最 簡 單 的 地 址 譯 碼方 法 ， 通 常 采 用 各 種 門 電 路 ， 如 與 門 、 或 門 、非 門 等 電 路 的 組 合 。 設 計 時 首 先 分 配 好 地 址 ， 然 后 寫 成 二 進 制 形 式 ，再 根 據 地 址 總 線 數(shù) 分 配 各 與 非 門 輸 入 管 腳 地 址 。 門 電 路 譯 碼 需 要 芯 片 較 多 ， 且 譯 出 的 端 口 地 址單 一 ， 接 口 中 用 到 的 端 口 地 址 不 能 更 改 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 門 電 路 譯 碼【 例 】 設 計 端 口 地 址 為 218H的 譯 碼 電 路分 析 ：CPU執(zhí) 行 IN/OUT指 令 時 ， 發(fā) 出 端 口 的 地 址 信 號 MOV DX, 218H IN AL, DX 或 OUT DX, AL對 應 218H端 口 的 地 址 信 號 為 （ 只 取 A9A0） ： A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 (地 址 信 號 ) 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 B 2 1 8 H只 要 滿 足 此 地 址 取 值 的 譯 碼 電 路 均 可 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 門 電 路 譯 碼譯 碼 電 路 部 分 滿 足 ：只 當 地 址 信 號 A9 A0為 ：A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0即 218H時 ， 輸 出 “ 0 ” ， 使 I/O接 口 的 CS有 效否 則 輸 出 “ 1 ” 使 I/O接 口 的 CS無 效地 址 重 疊 (16根 地 址 線 )：64個 地 址 重 疊 區(qū) ， 如 218， 618, A18， E18 等 等 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 譯 碼 器 譯 碼若 接 口 電 路 中 需 使 用 多 個 端 口 地 址 ， 則 采用 譯 碼 器 譯 碼 比 較 方 便 。譯 碼 器 的 型 號 很 多 ， 如 3 8譯 碼 器 74LS138；4 16譯 碼 器 74LS154； 雙 2 4譯 碼 器74LS139、 74LS155等 。這 些 譯 碼 器 通 常 由 三 個 部 分 組 成 ： 譯 碼 控制 端 ， 選 擇 輸 入 端 ， 譯 碼 輸 出 端 。 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 譯 碼 器 譯 碼 當 端 口 地 址 信號 為 ：A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0即 218H時 ,Y0輸 出 0， I/O接口 的 CS有 效 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 比 較 器 譯 碼 將 比 較 器 的 A(或 B)輸 入 端 輸 入 地 址 信 號 ， B(或 A)端 接 一 組 DIP(Dual In-line Package)開 關 。 地址 總 線 所 送 的 地 址 與 DIP所 設 置 的 地 址 相 等 時 ， 產生 一 選 通 信 號 輸 出 。 特 點 ： 可 以 通 過 改 變 DIP開 關 的 設 置 ， 很 容 易 地 改 變 接 口 的 地址 。 不 但 同 一 功 能 的 模 塊 在 不 同 微 型 計 算 機 應 用 中 可 以 被分 配 不 同 的 地 址 ， 而 且 即 使 在 同 一 微 型 計 算 機 系 統(tǒng) 中 ，也 可 通 過 改 變 DIP開 關 的 設 置 而 控 制 不 同 的 設 備 .。 這 種 譯 碼 電 路 應 用 非 常 廣 泛 ， 常 用 的 比 較 器 有 四位 比 較 器 74LS85和 八 位 比 較 器 74LS688。 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 比 較 器 譯 碼 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 鎖 存 和 緩 沖輸 入 接 口 的 鎖 存 和 緩 沖內部數(shù)據總線 外部數(shù)據引腳鎖 存 控 制鎖 存 器緩 沖 器 DCDCDCQQQ選 通 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 鎖 存 和 緩 沖輸 出 接 口 的 鎖 存 和 緩 沖內部數(shù)據總線 外部數(shù)據引腳鎖 存 控 制 DC QDC QDC Q 讀 數(shù) 據 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 6.2 輸 入 輸 出 的 傳 送 方 式程 序 控 制 的 輸 入 輸 出 無 條 件 傳 送 查 詢 傳 送中 斷 控 制 的 輸 入 輸 出直 接 存 儲 器 訪 問 方 式 （ DMA） 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 無 條 件 傳 送 方 式 所 謂 無 條 件 ， 就 是 假 設 外 設 已 處 于 就 緒 狀 態(tài) ， 數(shù)據 傳 送 時 ， 程 序 就 不 必 再 去 查 詢 外 設 的 狀 態(tài) ， 而直 接 執(zhí) 行 I/O指 令 進 行 數(shù) 據 傳 輸 ， 如 LED等 。 當 簡 單 外 設 作 為 輸 入 設 備 時 ， 其 輸 入 數(shù) 據 的 保 持時 間 相 對 于 CPU的 處 理 時 間 要 長 得 多 ， 所 以 可 直接 使 用 三 態(tài) 緩 沖 器 與 系 統(tǒng) 數(shù) 據 總 線 相 連 。 當 簡 單 外 設 作 為 輸 出 設 備 時 ， 由 于 外 設 的 速 度 較慢 ， CPU送 出 的 數(shù) 據 必 須 在 接 口 中 保 持 一 段 時 間 ，以 適 應 外 設 的 動 作 ， 因 此 輸 出 采 用 鎖 存 器 。 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 無 條 件 傳 送 方 式 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 無 條 件 傳 送 方 式 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 查 詢 傳 送 方 式 查 詢 傳 送 方 式 在 傳 送 數(shù) 據 前 先 查 詢 外 設 的 狀 態(tài) ，當 外 設 準 備 好 時 ， CPU執(zhí) 行 I/O指 令 傳 送 數(shù) 據 ； 若未 準 備 好 時 ， 則 CPU等 待 。 要 求 CPU與 外 設 間 的 接 口 電 路 需 要 兩 個 端 口 ： 數(shù)據 端 口 和 狀 態(tài) 端 口 。 優(yōu) 點 ： 能 較 好 地 協(xié) 調 外 設 與 CPU之 間 的 定 時 關 系 ，因 而 比 無 條 件 傳 送 方 式 容 易 實 現(xiàn) 準 確 傳 送 。 缺 點 :該 方 式 需 要 不 斷 查 詢 外 設 的 狀 態(tài) ， 大 量 時 間花 在 等 待 循 環(huán) 中 ， 當 主 機 與 中 、 低 速 外 設 交 換 信息 時 ， 大 大 降 低 了 CPU利 用 率 。 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 查 詢 傳 送 方 式 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 查 詢 傳 送 方 式 輸 入 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 查 詢 傳 送 方 式 輸 入例 ： 設 接 口 電 路 中 狀 態(tài) 端 口 的 地 址 為 STATUS， 數(shù)據 端 口 的 地 址 為 DATA， 則 CPU讀 取 輸 入 設 備 的數(shù) 據 應 執(zhí) 行 下 列 程 序 段 ： POLL: IN AL, STATUS ； TEST AL, 80H ； JE POLL ； IN AL, DATA ； 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 查 詢 傳 送 方 式 輸 出 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 查 詢 傳 送 方 式 輸 出例 ： 設 接 口 電 路 中 狀 態(tài) 端 口 的 地 址 為 STATUS， 數(shù)據 端 口 的 地 址 為 DATA， 則 CPU將 內 存 STORE單元 的 內 容 送 至 輸 出 設 備 應 執(zhí) 行 下 列 程 序 段 ： POLL: IN AL, STATUS ； TEST AL, 80H ； JNE POLL ； MOV AL, STORE ； OUT DATA， AL ； 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 控 制 的 輸 入 輸 出 含 義 :在 中 斷 方 式 下 ， 外 設 掌 握 向 CPU申 請 服 務 的 主 動 權 ，當 輸 入 設 備 將 數(shù) 據 準 備 好 ， 或 者 輸 出 設 備 已 做 好 接 收 數(shù) 據的 準 備 時 ， 向 CPU發(fā) 出 中 斷 請 求 信 號 ， 要 求 CPU為 其 服 務 。若 此 時 中 斷 允 許 觸 發(fā) 器 是 開 放 的 ， 則 CPU暫 停 目 前 的 工 作 ，與 外 設 進 行 一 次 數(shù) 據 傳 輸 ， 等 I/O操 作 完 成 以 后 ， CPU繼 續(xù)執(zhí) 行 原 來 的 程 序 。 優(yōu) 點 :保 證 了 CPU對 外 設 的 實 時 服 務 ， 又 不 會 因 對 各 I/O設備 的 隨 時 關 照 而 花 費 CPU太 多 的 機 時 ， 使 高 速 運 行 的 CPU與速 度 參 差 不 齊 的 各 種 外 設 之 間 形 成 了 良 好 的 匹 配 (并 行 工作 )關 系 ， 確 保 了 CPU的 高 效 率 。 缺 點 :為 了 實 現(xiàn) 中 斷 傳 送 ， 要 求 在 CPU與 外 設 之 間 設 置 中 斷控 制 器 ， 增 加 了 硬 件 開 銷 。 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 控 制 的 輸 入 輸 出 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 控 制 的 輸 入 輸 出 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 直 接 存 儲 器 訪 問 (DMA)DMA控 制 器 從 CPU完 全 接 管 對 總 線 的 控 制 ，數(shù) 據 交 換 不 經 過 CPU， 而 直 接 在 內 存 和 I/O設 備 之 間 進 行 。優(yōu) 點 :傳 送 速 率 很 高 ， 這 對 高 速 度 大 批 量 數(shù)據 傳 送 特 別 有 用 。缺 點 :要 求 設 置 DMA控 制 器 ， 電 路 結 構 復 雜 ，硬 件 開 銷 大 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 直 接 存 儲 器 訪 問 (DMA) 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 6.3 中 斷 技 術中 斷 源中 斷 處 理 過 程中 斷 服 務 子 程 序中 斷 系 統(tǒng) 的 功 能 ：1、 正 確 識 別 中 斷 請 求 ， 實 現(xiàn) 中 斷 響 應 、 中 斷 處 理 及 中 斷 返回2、 實 現(xiàn) 中 斷 優(yōu) 先 級 排 隊3、 實 現(xiàn) 中 斷 嵌 套 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 的 分 類中 斷 分 為 內 部 中 斷 和 外 部 中 斷 ， 每 種 又 包含 幾 種 類 型 ， 中 斷 時 產 生 一 條 INT n指 令 ，n表 示 不 同 的 中 斷 類 型 號 。 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 內 部 中 斷 和 外 部 中 斷內 部 中 斷 （ 軟 件 中 斷 ）CPU內 部 執(zhí) 行 程 序 時 自 身 產 生 的 中 斷如 被 0除 、 溢 出 、 INT n等外 部 中 斷 （ 硬 件 中 斷 ）CPU以 外 的 設 備 、 部 件 產 生 的 中 斷 非 屏 蔽 中 斷如 電 源 掉 電 、 內 存 奇 偶 錯 等 故 障 中 斷 可 屏 蔽 中 斷如 打 印 機 、 CRT、 磁 盤 等 輸 入 輸 出 設 備 中 斷 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 處 理 過 程中 斷 請 求中 斷 判 優(yōu)中 斷 響 應中 斷 處 理中 斷 返 回 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 的 優(yōu) 先 權軟 件 排 優(yōu)硬 件 排 優(yōu) 鏈 式 電 路 判 優(yōu) 可 編 程 中 斷 控 制 器 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 軟 件 查 詢 判 優(yōu) 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 軟 件 查 詢 判 優(yōu) 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 查 詢 程 序 兩 種 安 排 方 式（ 1） 屏 蔽 法MOV DX, 380HIN AL,DXTEST AL, 80HJNZ AlSTEST AL, 40HJNZ BISTEST AL, 20HJNZ CIS （ 2） 位 移 法MOV DX, 380HIN AL,DXRCL AL, 1JC AISRCL AL, 1JC BISRCL AL, 1JC CIS 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 鏈 式 電 路 判 優(yōu)處 于 鏈 條 前 端 的 優(yōu) 先 權 更 高 (p239, 圖 6-24) 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 的 嵌 套 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 6.4 80X86/Pentium中 斷 系 統(tǒng) 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 類 型 內 部 中 斷 （ 軟 件 中 斷 ） 除 零 中 斷 （ n 0） 單 步 中 斷 （ n 1） 條 件 ： TF 1且 IF 1 斷 點 中 斷 （ n 3） 溢 出 中 斷 （ n 4） 條 件 ： OF 1 中 斷 指 令 INT n 外 部 中 斷 （ 硬 件 中 斷 ） 非 屏 蔽 中 斷 （ n 2） 可 屏 蔽 中 斷 條 件 ： IF 1 中 斷 優(yōu) 先 權 （ 高 低 ） 除 零 中 斷 、 INT n、 INTO、 NMI、 INTR、 單 步 中 斷 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 向 量 表 中 斷 向 量 是 中 斷 服 務 程 序的 入 口 地 址 。 把 系 統(tǒng) 中 所 有 的 中 斷 向 量集 中 起 來 放 到 存 儲 器 的 某一 區(qū) 域 內 ， 這 個 存 放 中 斷向 量 的 存 儲 區(qū) 就 叫 中 斷 向量 表 或 中 斷 服 務 程 序 入 口地 址 表 。 中 斷 向 量 表 的 每 一 個 向 量的 序 號 就 是 中 斷 類 型 號 ，共 256個 中 斷 類 型 。 中 斷 向 量 地 址 中 斷 類 型號 4 中 斷 矢 量 表 地 址 0 3FFH（ 1KB） 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 向 量 表中 斷 向 量 并 非 常 駐 內 存 ， 而 是 開 機 上 電 時 ，由 程 序 裝 入 內 存 指 定 的 中 斷 向 量 表 中 。系 統(tǒng) 配 置 和 使 用 的 中 斷 所 對 應 的 中 斷 向 量由 系 統(tǒng) 軟 件 負 責 裝 入 。若 系 統(tǒng) 中 （ 如 單 板 機 ） 未 配 置 系 統(tǒng) 軟 件 ，就 要 由 用 戶 自 行 裝 入 中 斷 向 量 。 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 向 量 表例 1： 假 設 中 斷 向 量 號 為 60H， 中 斷 服 務 程 序 的 段 基 址 是SEG_INTR， 偏 移 地 址 是 OFFSET_INTRCLI ； 關 中 斷CLD ； 內 存 地 址 加 1MOV AX， 0 MOV ES， AX ； 給 ES賦 值 為 0MOV DI， 60H*4 ； 中 斷 向 量 指 針 DIMOV AX， OFFSET_INTR ； 中 斷 服 務 程 序 偏 移 值 AXSTOSW ； AXDIDI+1中 ， 然 后 DI 2MOV AX， SEG_INTR ； 中 斷 服 務 程 序 的 段 基 址 AX STOSW ； AXDI+2DI+3STI ； 關 中 斷 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 向 量 表例 2：MOV AX， 00HMOV ES， AXMOV BX， 60H*4 ； 中 斷 號 4BXMOV AX， OFFSET_INTR ； 中 斷 服 務 程 序 偏 移 值AXMOV ES： BX， AX ； 裝 入 偏 移 地 址MOV AX， SEG_INTR ； 中 斷 服 務 程 序 的 段 基 址AXMOV ES： BX+2， AX ； 裝 入 段 基 址 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 響 應 過 程 內 部 中 斷 響 應 過 程（ 1） 將 類 型 號 乘 4， 計 算 出 中 斷 向 量 的 地 址（ 2） CPU的 標 志 寄 存 器 入 棧（ 3） 清 除 IF和 TF標 志 ， 屏 蔽 新 的 INTR中 斷 和 單 步 中 斷（ 4） 保 存 斷 點 ， 即 把 斷 點 處 的 IP和 CS值 壓 入 堆 棧 ， 先 壓 入 CS值 ， 再壓 入 IP值（ 5） 根 據 第 一 步 計 算 出 來 的 地 址 從 中 斷 向 量 表 中 取 出 中 斷 服 務 程 序的 入 口 地 址 （ 段 和 偏 移 ） ， 分 別 送 至 CS和 IP中（ 6） 轉 入 中 斷 服 務 程 序 執(zhí) 行 特 點 ： 中 斷 由 CPU內 部 引 起 ， 中 斷 類 型 號 的 獲 得 與 外 部 無 關 ， CPU不 需要 執(zhí) 行 中 斷 響 應 周 期 去 獲 得 中 斷 類 型 號 除 單 步 中 斷 處 ， 內 部 中 斷 無 法 用 軟 件 禁 止 ， 不 受 中 斷 允 許 標 志IF的 影 響 內 部 中 斷 何 時 發(fā) 生 是 可 以 預 測 的 ， 類 似 于 子 程 序 調 用 第 6章 輸 入 /輸 出 和 中 斷 技 術 中 斷 響 應 過 程 非 屏 蔽 中 斷 響 應 。 NMI中 斷 不 受 IF標 志 的 影 響 ， 也 不 用 外 部 接 口 給 出 中 斷 類 型 號 ， CPU響應 NMI中 斷 時 也 沒 有 中 斷 響 應 周 期 。 其 余 處 理 類 似 于 內 部 中 斷 可 屏 蔽 中 斷 響 應 。 當 INTR信 號 有 效 時 ， 如 果 中 斷 允 許 標 志 IF 1， 則 CPU就 在 當 前 指 令 執(zhí)行 完 畢 后 ， 產 生 兩 個 連 續(xù) 的 中 斷 響 應 總 線 周 期