【正文】 1 ? 概述 ? 系統(tǒng)總線及接口 ? 中斷控制系統(tǒng) ? 計(jì)數(shù)定時(shí)接口 ? 并行輸入輸出接口 第 5章 數(shù)字量輸入輸出 2 概述 I/O信號(hào)的形式 開(kāi)關(guān)量：只有兩種穩(wěn)定的信號(hào) ， 可以用兩個(gè)最基本的邏輯符號(hào)表示 數(shù)字量：多位 0和 1按一定規(guī)則組合所表示的信號(hào) 脈沖量：兩種穩(wěn)態(tài)之間的變化 ? 正跳變 ：由 0變到 1 ? 負(fù)跳變 ：由 1變到 0 模擬量：數(shù)值和時(shí)間上都能連續(xù)變化的信號(hào) 3 I/O接口 接口的含義： ? 狹義上：連接計(jì)算機(jī)和 I/O設(shè)備的部件； ? 廣義上：還包括接口電路的管理驅(qū)動(dòng)程序； I/O接口的功能 （ 1） 信號(hào)的形式變換：非數(shù)字信號(hào)變換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)； （ 2） 電平轉(zhuǎn)換和放大 （ 3） 鎖存及緩沖 （ 4） I/O定向 （ 5） 并行及串行 I/O的轉(zhuǎn)換 ? 并行方式：接口和 I/O設(shè)備之間以并行方式傳送； ? 串行方式：一位一位地進(jìn)行傳送； 4 I/O的內(nèi)容分類 （ 1） 數(shù)據(jù)信息：數(shù)據(jù)信息可分為數(shù)字量 、 模擬量和開(kāi)關(guān)量 。 （ 2） 狀態(tài)信息：狀態(tài)信息是 CPU與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)時(shí)的聯(lián)絡(luò)信息 。 （ 3） 控制信息：控制信息用來(lái)設(shè)置 I/O外設(shè) (包括 I/O接口 )的工作模式 、 命令字等有關(guān)信息 。 如 “ 啟動(dòng) ” ， “ 停止 ” 信息 。 I/O接口的構(gòu)成 （ 1） 端口：構(gòu)成 I/O接口的基本單元 。 較低地址端口存放較低字節(jié)內(nèi)容 ， 較高端口存放較高字節(jié)的內(nèi)容 （ 2） 端口的分類： ① 數(shù)據(jù)端口：?jiǎn)蜗蜉斎?、 單向輸出 、 雙向 ② 狀態(tài)端口 ③ 控制端口：輸入 、 輸出指令 5 I/O編址 兩種 I/O編址方式： 存儲(chǔ)器映象和 I/O端口尋址 存儲(chǔ)器映象編址：從存儲(chǔ)器地址中分出 一部分 給 I/O端口使用，每個(gè) I/O端口被看成一個(gè)存儲(chǔ)器單元，用訪問(wèn)存儲(chǔ)器的方法訪問(wèn) I/O端口 優(yōu)點(diǎn)： 無(wú) 須專門的 I/O指令和專門的 I/O控制信號(hào)也能完成 I/O； I/O端口單獨(dú)編址：使用專門的 I/O指令和控制信號(hào)進(jìn)行 I/O； 優(yōu)點(diǎn)： I/O指令和存儲(chǔ)器分別編址，各自都有完整的地址空間； 兩種方式優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)； 6 I/O的控制方式 1. 無(wú)條件傳送方式 無(wú)條件傳送方式是假設(shè)輸入接口數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，或者輸出設(shè)備是 空閑的，此時(shí) CPU無(wú)需查詢狀態(tài)，直接用 IN和 OUT指令完成與接口之 間的數(shù)據(jù)傳送。 2. 查詢傳送方式 利用查詢方式輸入數(shù)據(jù)之前， CPU要查詢輸入數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好；利 用查詢方式輸出數(shù)據(jù)之前， CPU要查詢輸出設(shè)備是否空閑。只有確認(rèn)外 設(shè)已經(jīng)具備了傳送條件后，才能用 IN和 OUT指令完成數(shù)據(jù)傳送。 7 中斷控制傳送方式 中斷控制的輸入和輸出方式，也成中斷傳送方式。當(dāng)外設(shè)的輸入 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或接受數(shù)據(jù)的鎖存器空時(shí)，主動(dòng)向 CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，使 CPU中斷原來(lái)執(zhí)行的程序（主程序），轉(zhuǎn)去執(zhí)行為外設(shè)服務(wù)的輸入或輸 出操作，服務(wù)完畢 CPU再繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。 直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式 DMA 其他方式： 如 I/O處理機(jī)方式 8 系統(tǒng)總線及接口 總線概述 總線的特性 （ 1） 多信號(hào)源 （ 2） 被分時(shí)使用 （ 3） 由主設(shè)備控制 總線的分級(jí) （ 1） 片內(nèi)總線 （ 2） 系統(tǒng)級(jí)總線：計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部 ， 插卡與插卡之間的連接總線； （ 3） 設(shè)備級(jí)總線：計(jì)算機(jī)機(jī)箱外部 ， I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的連接總線； 9 系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn) PC/XT及 ISA總線 （ 1） 總線信號(hào) （ 2） 總線周期： CPU執(zhí)行一條指令的時(shí)間稱為指令周期 。 系統(tǒng)的總線周去分為 CPU驅(qū)動(dòng)和 DMAC驅(qū)動(dòng) ① CPU驅(qū)動(dòng)的總線周期 ? 存儲(chǔ)器讀總線周期 ? 存儲(chǔ)器寫總線周期 ? I/O讀總線周期 ? I/O寫總線周期 ② DMAC驅(qū)動(dòng)的總線周期 ? DMA存儲(chǔ)器讀周期 ? DMA存儲(chǔ)器寫周期 10 中斷控制系統(tǒng) 中斷及返回 所謂 “ 中斷 ” 是指 CPU在正常執(zhí)行程序 的過(guò)程中，由于 內(nèi)部 /外部事件 或由程序 的預(yù)先安排 ，引起 CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前程序 的運(yùn)行而轉(zhuǎn)去 執(zhí)行為內(nèi)部 /外部事件或預(yù) 先安排的事件服務(wù)的子程序 ， 待中斷服務(wù) 子程序執(zhí)行完畢后， CPU再返回到暫停處 （斷點(diǎn)）繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序 ，這一過(guò)程 稱為中斷，其示意圖如圖 51所示。 現(xiàn)行程序 斷點(diǎn) 中斷服務(wù)程序 圖 5 1 中斷過(guò)程示意圖 中斷的基本概念 11 中斷系統(tǒng)的功能 （ 1） 發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)：原始信號(hào) 、 經(jīng)過(guò)管理后輸往 CPU的信號(hào) （ 2） 定向中斷服務(wù)程序 （ 3） 主程序的暫停及返回 ① 斷點(diǎn)的保護(hù)和返回 ② 現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和返回 中斷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) （ 1）并行操作 (CPU與外設(shè) ) （ 2）實(shí)時(shí)處理 (測(cè)控信號(hào) ) （ 3）故障處理 (掉電保護(hù)等 ) （ 4）分時(shí)操作 (多任務(wù)或多用戶系統(tǒng) ) 12 中斷源： 能引起中斷的設(shè)備或事件稱為中斷源。 （ 1） 中斷源種類 ? 設(shè)備中斷（ 硬中斷 ） ? 指令中斷（ 軟中斷 ） ? 故障中斷（ 狀態(tài)中斷 ） ? 實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷（ 定時(shí)中斷 ） ? CPU內(nèi)部運(yùn)算產(chǎn)生的 某些錯(cuò)誤所引起的中斷 13 （ 2） 中斷源識(shí)別 通常有兩種方法： 查詢中斷和矢量中斷 。 ① 查詢中斷 查詢中斷時(shí)采用軟件或硬件查詢技術(shù)來(lái)確定發(fā)出中斷請(qǐng)求的中斷源。 多個(gè)中斷源共用一個(gè)中斷服務(wù)入口程序，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后查詢 方式有： ? 軟件查詢： 首先讀取中斷源狀態(tài)并查詢檢測(cè)，然后根據(jù)狀態(tài)檢測(cè)情況作相應(yīng)的中斷處理。 ? 硬件查詢 1：通過(guò)串行順序鏈電路端口讀取引起中斷的最高優(yōu)先級(jí)中斷源的編碼，然后根據(jù)該編碼（計(jì)算出入口地址）轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序。 ? 硬件查詢 2：中斷相應(yīng)信號(hào) INTA觸發(fā)從串行順序鏈電路中獲取終端類信號(hào)。根據(jù)類型號(hào)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序。（硬件查詢 2類似矢量中斷） 14 ② 矢量中斷 矢量中斷又稱 向量中斷 ，通常是 由中斷向量來(lái)指示中斷服務(wù)程序 的入口地址 。每個(gè)中斷源都預(yù)先指定一個(gè)矢量標(biāo)志，要求 外設(shè)在提出中 斷請(qǐng)求時(shí)提供該中斷矢量標(biāo)志 。當(dāng) CPU響應(yīng)某個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求時(shí) ， 控制邏輯就將該 中斷源的矢量標(biāo)志送入 CPU， CPU根據(jù)矢量標(biāo)志自動(dòng)指 向相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址 ，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。 每個(gè) 中斷源 對(duì)應(yīng)一個(gè) 中斷服務(wù)入口程序， CPU響應(yīng)中斷時(shí)， 通過(guò)中 斷電路獲取中斷矢量 （或中斷類型號(hào)）， 根據(jù)中斷矢量 轉(zhuǎn)入該中斷源的 中斷服務(wù)程序。 15 中斷的分類 內(nèi)部中斷也稱 軟件中斷 ，是由處理器 檢測(cè)到異常情況 或 執(zhí)行軟件 中斷指令 所引起的一種中斷。 （ 1）內(nèi)部中斷 ① 除法出錯(cuò)中斷 (除法指令 操作結(jié)果溢出 (除數(shù)位 0)， 引起 0號(hào)中斷 )； ② INTO溢出中斷 (當(dāng) OF=1， 并且執(zhí)行 INTO指令 ， 引起 4號(hào)中斷 )； ③ INT n中斷 (執(zhí)行 INT n中斷指令 (相當(dāng)于子程序調(diào)用指令 )， 引起的中斷 )； ④ 斷點(diǎn)中斷 (在程序某斷點(diǎn) 插入 單個(gè)字節(jié) 的 INT3指令代碼 ， 當(dāng)執(zhí)行到INT3， 引發(fā)的 3號(hào)中斷 類型 )； ⑤ 單步中斷 (當(dāng) TF=1時(shí) ， 每執(zhí)行一條指令 ， 自動(dòng)轉(zhuǎn)入 1號(hào)中斷 類型的服務(wù) 程序 )。 16 （ 2） 外部中斷 —— 硬件中斷 外部中斷也稱 硬件中斷 ，是由 CPU的 外部中斷請(qǐng)求信號(hào)觸發(fā)的一種中斷 ，分為不可屏蔽中斷 NMI和可屏蔽中斷 INTR。 （ 1） 非屏蔽中斷請(qǐng)求 NMI (上升沿觸發(fā) ) 非屏蔽中斷請(qǐng)求由不受中斷允許標(biāo)志位 IF的影響， 中斷類型碼為 2 。 （ 2） 可屏蔽中斷 INTR (高電平觸發(fā) ) 若 CPU發(fā)現(xiàn)有可屏蔽中斷請(qǐng)求， CPU將 根據(jù)中斷允許標(biāo)志位 IF的狀態(tài)決定是否響應(yīng) 。如果 IF=0，表示 CPU處于關(guān)中斷狀態(tài)，屏蔽 INTR線上的中斷， CPU不理會(huì)該中斷請(qǐng)求而繼續(xù)執(zhí)行下一條指令； 如果 IF=1，表示 CPU處于開(kāi)中斷狀態(tài)，允許 INTR線上的中斷， CPU執(zhí)行完現(xiàn)行指令后轉(zhuǎn)入中斷響應(yīng)周期 。 17 （ 3）中斷處理順序 中斷處理順序即 按中斷優(yōu)先權(quán) 從高到低 的排隊(duì)順序?qū)χ袛嘣? 進(jìn)行響應(yīng) ， 8086系統(tǒng)的中斷處理次序如下： （ 1） 除法錯(cuò)誤中斷 、 溢出中斷 、 INT n指令中斷 、 斷點(diǎn)中斷 。 （ 2） 非屏蔽中斷 NMI。 （ 3） 可屏蔽中斷 INTR。 （ 4） 單步中斷 。 18 6 中斷向量表 中斷向量 就是中斷服務(wù)程序的 入口地址表 。 把系統(tǒng)中的所有中斷向量集中起來(lái)放到存儲(chǔ)器的某一區(qū)域 (0~3ffH)內(nèi)，這個(gè)存放中斷向量的 存儲(chǔ)區(qū)就叫中斷向量表 （或中斷矢量表），即 每一個(gè)中斷服務(wù)程序與表內(nèi)的中斷向量具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系 。 中斷向量表分為三部分： 專用中斷 、 備用中斷 和 用戶中斷 。 （ 1） 專用中斷 ： 類型 0～類型 4，共有 5種類型。專用中斷的中斷服務(wù)程 序的入口地址由系統(tǒng)負(fù)責(zé)裝入，用戶不能隨意修改。 （ 2） 備用中斷 ： 類型 5～類型 3FH，這是 Intel公司為軟、硬件開(kāi)發(fā)保留 的中斷類型，一般不允許用戶改作其他用途。 （ 3） 用戶中斷 ： 類型 40H～類型 FFH，為用戶可用中斷，其中斷服務(wù)程序的入口地址由用戶程序負(fù)責(zé)裝入 19 ∶ ∶ ∶ ∶ 除法中斷入口 單步中斷入口 NM I 中斷入口 斷點(diǎn)中斷入口 溢出中斷入口 類型 5 中斷入口 IP CS 0000H 0004H 0008H 000CH 0010H 0014H 類型 31H 中斷入口 類型 32H 中斷入口 00C4H 00C8H 類型 0F F H 中斷入口 03 FCH 80 86 的中斷向量表 專 用 中 斷 備 用 中 斷 用 戶 中 斷 20 可編程中斷控制電路 Intel 8259A可編程外部中斷控制器的功能 ? 可對(duì) 8個(gè)中斷源實(shí)現(xiàn) 優(yōu)先級(jí) 控制 ? 可擴(kuò)展至對(duì) 64個(gè)中斷源實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)控制 ? 可編程設(shè)置不同工作方式 ? 根據(jù)中斷源向 x86提供不同中斷類型碼 21 8259A引腳及功能 見(jiàn) P297的圖 ① 數(shù)據(jù)線 D7~D08位； ② 片選信號(hào) 低電平有效； ③ A0地址引腳； ④ 讀寫信號(hào) 低電平有效； ⑤ INT中斷請(qǐng)求信號(hào)； ⑥ IR7~IR0外部中斷請(qǐng)求 8個(gè)； ⑦ CAS2~CAS0多片 8259A的級(jí)聯(lián) 22 1． 8259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 中斷請(qǐng)求寄存器 IRR ? 保存從 IR0～ IR7來(lái)的中斷請(qǐng)求信號(hào)， 某位 =1表示對(duì)應(yīng)的 IRi有中斷請(qǐng)求 – 中斷服務(wù)寄存器 ISR ? 保存所有正在服務(wù)的中斷源， 某位 =1表示對(duì)應(yīng)的 IRi中斷正在被服務(wù) – 中斷屏蔽寄存器 IMR ? 存放中斷屏蔽字， 某位 =1表示對(duì)應(yīng)的 IRi輸入被屏蔽 – 中斷優(yōu)先權(quán)判別電路 ? 確定是否向 CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，中斷響應(yīng)時(shí)確定 ISR的哪位應(yīng)置位及把相應(yīng)中斷的類