第6章

輸入輸出及中斷技術1§6.1輸入輸出系統28086/8088的尋址能力：內存：1MB端口：64KB編址方式：與內存統一編址獨立編址3I/O映象方式和存儲器映象方式存儲器映象方式把一個I/O端口看作一個存儲單元，相當于給每一個I/O端口分配一個存儲器地址優點：指令豐富，I/O端口空間大，尋址的控制邏輯比較簡單缺點：內存空間相對減小，地址譯碼電路比較復雜，存儲器操作指令字節長，降低了I/O操作速度，分析程序困難。I/O接口的編址方式4端口與內存的統一編址特點：指令及控制信號統一內存地址資源減少內存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH5I/O映象方式I/O端口空間與存儲器空間各自獨立，互不干涉優點：I/O空間與存儲器空間可分開設計，采用單獨的I/O指令，程序清晰。I/O地址線較少，所以譯碼電路簡單。I/O指令格式短，執行時間快6端口的獨立編址特點：內存地址資源充分利用能夠應用于端口的指令較少內存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H7統一編址和獨立編址的示意圖

（b）獨立編址方式I/O空間00HFFH00000H內存空間FFFFFH1M內存空間

（a）統一編址方式

00000H供I/O接口使用FFFFFHFFFFH0000H8I/O端口CPU數據狀態控制外設I/O接口DB9I/O端口地址的譯碼常見的端口地址選擇方法有兩種：門電路組合法、譯碼器譯碼法10§6.3基本輸入/輸出方法11基本輸入/輸出方法無條件傳送查詢式傳送中斷方式傳送直接存儲器存取(DMA)程序控制方式12一、無條件傳送CPU可在任何時刻與I/O設備交換數據，對CPU而言，I/O設備總是處于“準備好”狀態無條件傳送方式又稱同步方式，是最簡單的一種I/O控制方式多用于CPU與低速接口之間的信息交換。如開關、繼電器、LED顯示器，它們總是被認為處于“待命”狀態13開關K通過三態門接口與系統的連接14二、查詢工作方式查詢方式是有條件的傳送控制方式所謂查詢，就是詢問外部設備的工作狀態，通過這一狀態來判定外設是否已具備了與CPU交換數據的條件程序查詢方式的硬件接口部分應包括數據端口，狀態端口，端口選擇及控制邏輯等三個部分程序對每個I/O設備的查詢，是通過檢查該設備的狀態標志來實現的查詢方式特點：I/O操作由CPU啟動，即CPU是主動的而I/O是被動的，所有的傳送都與程序的執行同步15查詢工作方式優點：軟硬件比較簡單缺點：CPU效率低，數據傳送的實時性差，速度較慢16READY?進行一次數據交換讀入并測試外設狀態YN傳送完？Y結束N開始每滿足一次條件只能進行一次數據傳送17對多個外設的查詢最簡單的查詢方法是用輸入指令IN逐個讀取I/O設備的狀態標志，并對狀態標志進行相應的測試18三、中斷控制方式中斷方式：CPU對一個隨機的請求進行處理的過程特點：外設在需要時向CPU提出請求，CPU再去為它服務。服務結束后或在外設不需要時，CPU可執行自己的程序優點：CPU效率高，實時性好，速度快。缺點：程序編制相對較為復雜19以上三種I/O方式的共性信息的傳送均需通過CPU軟件：外設與內存之間的數據傳送是通過CPU執行程序來完成的硬件：I/O接口和存儲器的讀寫控制信號、地址信號都是由CPU發出的。缺點：程序的執行速度限定了傳送的最大速度20四、DMA控制方式特點：外設直接與存儲器進行數據交換，CPU不再擔當數據傳輸的中介者；總線由DMA控制器（DMAC）進行控制（CPU要放棄總線控制權），內存/外設的地址和讀寫控制信號均由DMAC提供。21DMA控制方式DMAC外設接口CPUQRDMEMDACKHOLDHLDA…BUS控制信號地址信號22DMA控制方式的工作過程外設向DMA控制器發出“DMA傳送請求”信號DRQ；DMA控制器收到請求后，向CPU發出“總線請求”信號HOLD；CPU在完成當前總線周期后會立即發出HLDA信號，對HOLD信號進行響應；DMA控制器收到HLDA信號后，就開始控制總線，并向外設發出DMA響應信號DACK23§6.4中斷技術24一、中斷的基本概念中斷：CPU執行程序時，由于發生了某種隨機的事件(外部或內部)，引起CPU暫時中斷正在運行的程序，轉去執行一段特殊的服務程序(稱為中斷服務程序或中斷處理程序)，以處理該事件，該事件處理完后又返回被中斷的程序繼續執行，這一過程稱為中斷。25中斷源引起CPU中斷的事件，發出中斷請求的來源。內部中斷外部中斷異常中斷軟件中斷可屏蔽中斷非屏蔽中斷異常事件引起中斷指令引起INTR中斷NMI中斷26二、外部中斷響應的一般過程中斷請求中斷源識別及中斷判優中斷響應中斷處理（服務）中斷返回271、中斷請求中斷請求是由中斷源發出的請求服務的信號中斷源：能夠發出中斷請求信號的來源中斷源通常有如下幾種：一般的I/O設備，如鍵盤、打印機等。故障源，包括硬件故障及軟件故障，如電源掉電、存儲器故障、運算溢出等中斷源能夠產生中斷請求信號有兩個條件：中斷源自身工作已經“準備就緒”CPU允許該中斷源申請中斷282、中斷判優在中斷系統中，根據中斷源的輕重緩急，為每個中斷源規定了一個服務優先級別，稱中斷優先級，或中斷優先權中斷優先權排隊一般有兩種方法，即軟件查詢法和硬件排隊法軟件查詢法：用軟件查詢中斷源，根據查詢的順序先后來確定中斷源的優先級。先查詢的優先級就高，后查詢的優先級就低，只要改變查詢次序，就可以改變中斷源的中斷優先級硬件排隊法：用硬件判優邏輯電路來確定申請中斷中的最高優先級，系統中各中斷源的優先級別是由它們在判優電路中的位置決定的29中斷判優軟件判優順序查詢中斷請求，先查詢的先服務（即先查詢的優先級別高）硬件判優鏈式判優、并行判優（中斷向量法）303、中斷響應中斷響應條件：外部設備有中斷請求CPU自身允許中斷沒有更高級的中斷正在被服務CPU在每條指令結束后響應中斷在中斷響應周期，硬件自動完成一些必要的操作：關中斷保護斷點將中斷服務程序的入口地址送入程序計數器，從而實現轉入相應的中斷服務程序314、中斷處理執行中斷服務子程序中斷服務子程序的特點：為“遠過程”用IRET指令返回32中斷服務子程序完成的工作關中斷，保護斷點，找入口地址保護軟件現場（參數）開中斷（STI）中斷處理關中斷（CLI）恢復現場中斷返回335、中斷返回執行IRET指令，使IP、CS和FLAGS從堆棧彈出348088可以處理256種不同類型的中斷，類型號為0～2558088的中斷分為內部中斷和外部中斷兩大類外部中斷：由CPU外部引起的中斷，需要外設產生一個信號來通知CPU，包括非屏蔽中斷NMI和可屏蔽中斷INTR內部中斷：由CPU狀態的改變或執行中斷指令而產生的中斷，它不受IF的控制，主要用于功能調用、程序調試和意外情況處理。包括：除法錯中斷、單步中斷、溢出中斷、軟件中斷三、8088/8086中斷系統35內部中斷外部中斷異常中斷軟件中斷非屏蔽中斷可屏蔽中斷256個中斷源除法錯中斷溢出中斷單步中斷…36NMIINTR中斷邏輯軟件中斷指令溢出中斷除法錯單步中斷非屏蔽中斷請求中斷控制器8259APIC8086/8088CPU內部邏輯斷點中斷可屏蔽中斷請求n430128086/8088中斷源類型：37內部中斷與外部中斷的主要區別外部中斷需要從數據總線上讀取中斷類型碼，而內部中斷的中斷類型碼是指令的一部分外部中斷受IF的控制，IF直接控制中斷允許觸發器。而內部中斷不受IF的控制內部中斷的優先級別比外部中斷要高（除單步中斷外）中斷源的優先級別由高到低順序：內部中斷、NMI、INTR、單步中斷38中斷向量表存放各類中斷的中斷服務程序的入口地址（CS:IP）；每個入口占用4Bytes，低字為段內偏移，高字為段基址；表的地址位于內存的00000H～003FFH，大小為1KB，共256個入口。39中斷向量表：中斷服務程序的入口地址表┇┇00000H003FFH段地址CS高8位偏移地址IP低8位偏移地址IP高8位段地址CS低8位012┇34×256＝1024＝1K1023入口地址40中斷向量地址的計算向量表所在的段地址=0存放子程序入口的單元的偏移地址=n×4例：已知中斷類型碼為21H的中斷，其中斷向量存放在？4×21H＝84H，所以存放在0000H：0084Hp27441§6.5可編程中斷控制器8259A428259A簡介8259A是中斷管理芯片8259A的主要功能：具有8級優先權控制，通過芯片級聯可擴展至64級優先權控制每一級中斷均可通過編程屏蔽或允許在中斷響應周期可提供相應的中斷類型號有多種工作方式，可通過編程選擇可與CPU直接連接，不需要外加硬件電路438259A的引線及內部結構中斷請求寄存器IRR：寄存所有IR輸入線輸入的中斷請求信號，即保存正在請求服務的中斷級中斷服務寄存器ISR：保存當前被CPU服務的中斷級，也就是記錄正在被處理的中斷請求中斷屏蔽寄存器IMR：對各中斷源的中斷請求信號（IR0~IR7）實現開關控制448259A的工作過程（1）某條或幾條中斷請求線（IR0~IR7）有中斷申請，變為高電平，使中斷請求寄存器IRR的相應位置“1”（2）IMR對IRR屏蔽。未被屏蔽的請求信號經優先權電路判別最高優先級，再經由優先級方式確定沒有更高級優先權的中斷，則8259A的INT端輸出為“1”，向CPU提出中斷請求45（3）CPU響應中斷后發出中斷響應信號。在中斷響應過程中，CPU要發出兩次INTA信號。當8259A收到第一個INTA信號后，ISR中當前被選中的最高優先級對應的那一位置“1”，同時IRR中的相應位被清0，表示該位上的中斷請求已經被CPU所接受（4）8259A接收到第二INTA信號后，驅動數據總線將對應的中斷類型碼輸出（5）如果是自動結束中斷方式（AEOI），則在第二個INTA脈沖結束時將ISR中相應置“1”的位復位，否則該位的“1”將一直保持，直到CPU發出EOI命令為止468259A與標準總線的連接47488259A的工作方式四種主要的工作方式：全嵌套循環優先級特定屏蔽程序查詢方式四種從屬的工作方式：中斷結束方式讀狀態中斷請求觸發方式緩沖方式兩大工作類型：單片工作多片級連工作498259A的工作方式－全嵌套方式8259A在初始化工作完成后若未設定其它的工作方式，就自動進入全嵌套方式。全嵌套方式的特點：中斷請求的優先級固定，其順序是IR0最高，逐次減小，IR7最低。中斷服務寄存器ISR保存優先權電路確定的優先級狀態，相應位置“1”，并且一直保持這個服務“記錄”狀態，直到CPU發出中斷結束命令為止在ISR位置期間，不再響應同級及較低級的中斷請求，而高級的中斷請求如果CPU開放重點的話仍能夠得到中斷服務IR7～IR0的中斷請求輸入可分別由中斷屏蔽寄存器IMR的D7～D0的相應位屏蔽與允許，對某一位的屏蔽與允許操作不影響其它位的中斷請求操作全嵌套工作方式由ICW4的D4=0來確定50該方式適用于多片級連同（普通）全嵌套方式的區別：當某從片的一個中斷被CPU響應后，該從片中的高級中斷仍可提出申請。在某個中斷源退出中斷服務程序之前，CPU用軟件檢查它是否是這個從片中的唯一中斷。只有唯一，才能把一個非特殊EOI命令送至主片，從而結束此從片的中斷（何時結束主片中斷？）8259A的工作方式－特殊全嵌套方式518259A的工作方式－循環優先級方式兩種：自動循環優先級方式、特殊循環優先級方式自動循環各設備優先級相同，當某一個設備受到服務之后，它的優先級就自動地排到最后。優先級由高到低的順序：自動循環優先級方式由OCW2的R=1、SL=0來確定52特殊循環通過編程來確定某一設備為最低優先級。特殊循環優先級方式由OCW2的R=1、SL=1來確定，而L2L1L0用于指定最低優先級的二進制編碼53每個中斷請求輸入信號都可由中斷屏蔽寄存器IMR的相應位進行屏蔽，IMR的D0對應IR0，D1對應IR1，…，D7對應IR7IMR相應位為“1”則屏蔽，為“0”則允許IMR寄存器由操作命令OCW1進行設置屏蔽方式有兩種：正常屏蔽方式、特定屏蔽方式8259A的工作方式－屏蔽方式54正常屏蔽方式每個屏蔽位對應一個中斷請求輸入信號屏蔽某一個中斷請求輸入信號對其他請求信號沒有影響未屏蔽的中斷請求輸入信號按照設定的優先級順序工作，同級和低級的中斷請求被禁止，如果CPU允許中斷，可實現中斷嵌套55設定特定屏蔽方式后，IMR中為“1”的位仍然屏蔽相應的中斷請求輸入信號，但所有未屏蔽的位被全部開放，都可以申請中斷特定屏蔽方式由OCW3的ESMM和SMM確定，設定時ESMM=1、SMM=1，復位時ESMM=1、SMM＝0特定屏蔽方式56中斷結束方式是指中斷如何結束的方法ISR中某位為“1”，表示CPU正在為之服務；某位為“0”表示CPU已經停止（結束）為之服務。而IRET指令主要是恢復主程序的斷點，它并不能使ISR的相應位清零8259A的中斷結束方式有兩種：命令中斷結束方式（EOI）和自動中斷結束方式（AEOI）8259A的工作方式－中斷結束方式（使ISR清0的方式）57自動中斷結束方式（AEOI）8259A自動地在最后一個中斷響應脈沖的后沿將中斷服務寄存器ISR中的相應位清零。過程：中斷請求、CPU響應，發第一個，ISR相應位置“1”，CPU發第二個，8259A提供中斷類型碼，ISR相應位清零，結束。應用：用于8259A單片系統，或不需要嵌套的多級中斷系統。由ICW4的AEOI=1確定。58命令中斷結束方式（EOI）指在中斷服務程序返回之前，向8259A發中斷結束命令（EOI），使ISR中的相應位清零。它包括兩種情況：非特殊（正常）EOI命令：全嵌套方式下的中斷結束命令稱為非特殊EOI命令，該命令能自動地把當前ISR中的最高優先級的那一位清“0”特殊EOI命令：非全嵌套方式下的中斷結束命令稱為特殊EOI命令。由于無法確定最后響應的是哪一級中斷，所以應向8259A發出特殊EOI命令，即指定哪一級中斷返回，使其ISR中的相應位清“0”598259A的工作方式－中斷請求觸發方式（1）8259A的中斷請求寄存器IRR中有8個中斷請求觸發器，分別對應8個中斷請求信號的輸入端IR0-IR7，這些觸發器的觸發方式有兩種，即邊沿觸發和電平觸發60邊沿觸發61電平觸發628259A的工作方式－多片級連方式級連系統中，每個從片的中斷請求輸出線INT直接連到主片的某個中斷請求輸入線上，主片的CAS0～CAS2是輸出線，輸出被響應的從片代碼，從片的CAS0～CAS2是輸入線，接收主片發出的從片代碼，以便與自身代碼相比較。6364初始化編程：指系統在上電或復位后對可編程器件進行控制字設定的一段程序8259A的命令控制字包括兩個部分：初始化命令字和操作命令字初始化命令字一般在系統復位后的初始化編程中設置，用于確定8259A的基本工作方式，設置后一般保持不變操作命令字是在初始化以后的正常工作中寫入的，它實現對8259A的狀態、中斷方式和過程的動態控制，在工作中可隨時寫入操作命令字以修改某些控制方式8259A的初始化編程（1）658259A內部有7個寄存器，分為兩組：初始化命令寄存器和操作命令寄存器組初始化命令寄存器組包括4個寄存器：ICW1~ICW4對應的寄存器操作命令寄存器包括3個寄存器：OCW1~OCW3對應的寄存器8259A的初始化編程（2）668259A初始化命令字8259A初始化命令字有4個：ICW1、ICW2、ICW3、ICW4寫入的初始化命令字一般為2～4個，ICW1使用偶地址，而ICW2、ICW3、ICW4使用奇地址，為了相互區別，初始化命令字的寫入必須有一個固定的順序。678259A初始化命令字－ICW1

A0

D7

D6D5

D4D3

D2

D1

D0

0

1要ICW4

0不要ICW4

1單片方式

0級連方式

8088/8086系統無效

偶地址端口

80/85中斷地址

特征位

1電平觸發

0邊沿觸發

A7A6A51LTIMADISNGLIC4

68

A0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

中斷類型號的高5位8259A自動填入

T7T6T5T4T3000

由ICW2來定義中斷類型碼的高5位8259A初始化命令字－ICW269ICW2的主要功能：確定中斷向量，中斷類型碼8259A初始化命令字－ICW2A0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

中斷類型號的高5位8259A自動填入

T7T6T5T4T3000

70

A0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

0

ID2ID1

ID0000

01

從8259A的ICW3命令字8259A初始化命令字－ICW371

1-8088/8086CPU

0-8080/8085CPU

1-自動EOI方式

0-非自動EOI方式

1-特殊完全嵌套方式

0-非特殊完全嵌套方式

0

X

非緩沖方式

1

0

緩沖方式從片

1

1

緩沖方式主片

A0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1D0

1

000