2019微机原理及接口技术课件CH6

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中断系统
计算机中断系统：
计算机中实现中断功能的软、硬件的总称， 一般包括CPU内部配置的中断机构、外设接口中 设计的中断控制器及各类中断服务子程序。
中断的相关概念
中断源：引起中断的原因，或能够发出中断请求信 号的外设
外部中断 （硬件中断）
可屏蔽中断 (INTR) 不可屏蔽中断 (NMI)
内部中断
端口编址
为了区分接口电路的各个寄存器，系统为它 们各自分配了一个地址，称为I/O端口地址，以 便对它们进行寻址并与存储器地址相区别
I/O端口有两种编址方式： 存储器映像方式、 I/O独立编址方式
存储 单元 地址
端口编址方式1：独立编址
（如Intel的系列芯片）
0000H 0001H …… F0FFH
独立端口编址总线结构
DB
三
AB
总
CB
线
存储器 1 存储器 2 CPU
接口 1 接口 2 接口 3
存储器读写
I/O 读写 外设 1
外设 2
外设 3
端口编址方式2：存储器映像编址
（如Freescale的系列芯片）
特点：将端口看作存储单元
，仅以地址范围的不同来区分两 者。
优点：对端口的操作和对存
储单元的操作完全一样，因此系 统简单，并且对端口操作的指令 种类较多。
F100H F101H …… FFFFH
I/O 端口 地址
0000H 0001H …… F…F0…0H FFFFH
特点：系统视端口和存储单元为不同的对象。 优点：系统中存储单元和I/O端口的数量可达到最大。 缺点：需专门信号来指示系统地址线上出现的是存储单元地址还
是端口地址；专用的端口操作指令比较单一；
无条件控制方式举例
DB
G1
AB 端口译
≥1
M/IO 码电路
WR
G2
RD
≥1
输出锁 存器
输入缓 冲器
L1
L2
……
L8
输出 设备
K1
… K2
K8 VCC
输入 设备
条件控制（程序查询）方式
数据端口读选通 DB（数据、状态）
③
(1bit) READY 状态端口读选通
④
输入数据
输
①入
R ＋5V
设
②Q D
备
接口举例-USB通用接口芯片
-支持USB设备的控制传输、批量传输、中断传输。 -内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输。 -通过U盘文件级子程序库实现单片机读写USB 存储设备中的文件。 -并行接口包含8位数据总线，4线控制:读选通、写选通、片选、中断输出。 -…
接口举例
接口举例
接口分类
（软件中断） （执行指令所引起的）
中断的相关概念
执行中断指令 INT N、INTO 等
自动产生的中断 除法错中断 单步中断 断点中断 溢出中断等
CPU 内部
中断
内存奇偶校验错
中
NMI 引脚 接口
系统掉电
断
电路 ……
控
制
中
键盘
逻 辑
INTR 引脚
断 控
打印机
制
串行口
器 ……
中断类型码：处理器对各类中断的中断源进行的统一 编号N。
二．条件控制（查询控制）
1. 特点： CPU主动、外设被动。执行I/O操作时CPU总要先查询外设状态； 若传输条件不满足时，CPU等待直到条件满足。
2.优点：解决了CPU与外设之间的同步问题，可靠性高。 3.缺点：CPU利用率低，低优先级外设可能无法及时得到服务。
无条件控制方式举例
无条件控制
外设数据变化缓 慢，始终处于就 绪状态,如开关 或LED接口结构 简单（通常只需 要数据端口）， 适用面较窄
缺点：CPU对存储单元和I/O
端口的实际寻址空间都小于其最 大寻址空间。
统一编址总线结构
DB
三
CPU
AB
CB
总
线
存储器 1 存储器 2 接口 1 接口 2 接口 3
外设 1 外设 2 外设 3
I/O接口地址译码方法
地址译码的方法灵活多样
低位地址线直接接到I/O接口芯片的地址引脚，进 行I/O接口芯片的片内端口寻址
打印机子程序
键盘子程序
……
内存
中断系统相关概念
中断优先级：在系统中多个中断源可能同时提出中断
请求时，需要按中断的轻重缓急给每个中断源指定一个 优先级别，这就是中断优先级。
CPU按照中断优先权的高低顺序，依次响应。 同级优先级问题
断点:是指CPU执行的现行程序被中断时的下一条指令的
地址,又称断点地址。
G2A
Y5
Y6
&
G2B
Y7
74LS138 3-8译码器
端口译码电路
课本P184 例6.2
输入输出控制方式——程序控制方式
一．无条件控制
1. 特点：要求外设数据变化缓慢，操作时间固定，可以被认为始终处于 就绪状态，如一组开关或LED显示管。
2. 优点：简单， CPU随时可无条件读/写数据。 3. 缺点：无法保证数据总是有效，适用面窄。
CPU与外设 都是面向接口而非直接联络！
端口和接口的区别？
端口（PORT）
一定要理解
一． I/O接口通常设置有若干个寄存器，用来暂存CPU和外 设之间传输的数据、状态和控制信息。
二． 一般有三类寄存器，分别是数据寄存器、状态寄存器、 控制寄存器。
三． 接口内的寄存器通常被称为端口。根据寄存器内暂存信 息的类型，分别称为数据端口、控制端口和状态端口。
“中断”是外设向 CPU发出的信号（高电平 或低电平），它告诉CPU 已发生了某种需要特别处 理的事件，需要CPU停止 正在执行的程序，转而去 处理该事件或为其服务。
烧水的过程
方式1：查询 缺点：不停地到厨房查看
方式2：中断机制 优点：可以同时做多件事情或 处理紧急情况
计算机中断的过程
一． 在CPU正常运行程序时， 二． 由于内部或外部某个非预料
高位地址线与CPU的控制信号进行组合，经译码 电路产生I/O接口芯片的片选信号CS，实现系统中 的接口芯片寻址
接口地址译码的设计
接口芯片的片选信号的生成仍然可以采用存储器的译码 方式，即线译码、部分译码和全译码三种方式：
地址信号不完全
线译码
确定，所以存在地 址重叠问题，浪费
每组芯片使用一根地址线作片选 寻址空间，并可能
四．每个中断服务程序末尾必须有IRET指令以示结束， 从而返回被中断的程序地址处
中断屏蔽：在某些情况下，CPU可能不对中 断请求信号作出响应或处理，这就是中断屏蔽。
1. 中断屏蔽标志 2. 系统在处理优先级别较高的中断请求时，不会理睬后来
的级别较低的中断请求 。
中断处理过程
中断检测
CPU内部硬件自动完成
中断现场:是指CPU转去执行中断服务程序前的运
行状态，包括CPU内部各寄存器、断点地址等。
中断嵌套：若有更高级别的新中断源发出请求，
且新中断源满足响应条件，则CPU中止当前的中断服 务程序，转而响应高级中断。这种多级（重）中断的 处理方式称为“嵌套”。
中断系统
CPU执行流程
非预料事件1
中断服务程序1
中断判优
是否已有中断，哪个优先级更高
中断响应
CPU内部硬件自动完成
中断处理服务
中断服务是根据用户自行编制的指令顺序完成各项操作的。
中断返回
中断的全过程
结束当前指令
内部中断？
Y
N
Y
NMI中断？
N
INTR中断？
N
TF=1？
Y
N
IF=1？ Y N
从总线上取中断类型号 保护现场：FLAG压栈
译码 78H
电路
D2
7AH
数据 端口
数据缓 冲器
打印机
状态 状态信号 端口
接口电路
触发信号
状态 检测
接口信息传输方式——中断控制方式
中断（软件层面）:
是指CPU在执行正常程 序时，为处理一些紧急发生 的情况，暂时中止当前程序， 转而对该紧急事件进行处理， 并在处理完后返回正常程序 的过程。
中断（硬件层面）:
关键：设置接口电路
一． CPU与外设两者的信号不兼容，在信号类型、功能定义、逻辑定义和时序 关系上都不一致。如：信号类型有机械的、物理的、电信号等，信号形式 有脉冲、模拟量或数字量等；
二． 两者的工作速度不匹配，CPU速度高，外设速度低 ；
三． 若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，就会使CPU处于穷 于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率；
输入选通
数据端口写选通
③
DB（数据、状态）
数据锁存器
② （输出端口）
④输
出
①
＋5V
D R
Q
输出选通
设 备
BUSY(1bit) 状态缓冲器
ACK
(输入端口)
⑥
⑤
状态端口读选通
外设应具有必要的 联络（握手）信号 如READY、ACK等；
接口避免了对端 口的“盲读”、“ 盲写” ，数据传送 的可靠性高，且硬 件接口相对简单。
传输方式
并行接口：一次传输多个数据位 串行接口：一次只有一位数据
时序控制方式
同步接口：总线相连，同步传输 异步接口：无共同的基准时钟
程序查询方式：程序的执行实现
传输控制方式
程序中断方式：传输时由中断请求信号触发 存储器直接存取访问方式（DMA）
工作对象
通道控制器，I/O处理机 外围接口：与外设无关，是系统的一部分 外设接口：用于连接外设的接口
IF=0，TF=0
中断响应过程
保护断点：PC压栈 根据中断类型号获取中断 向量，进入中断处理过程
执行下一条指令
恢复断点：PC出栈 恢复现场：FLAG出栈
中断返回过程
中断响应周期时序
CLK
第一个 中断响应周期 T1 T2 T3 T4
第二个 中断响应周期 T1 T2 ห้องสมุดไป่ตู้3 T4
INTA
AD7~AD0
类型码N
CPU从引脚 INTA 发中断响应信号， 接口芯片接收此信号，把中断类型号准备好；
CPU再从引脚 INTA 发中断响应信号， 接口芯片接此信号后，将中断类型号送至数据总线上；
部分译码
导致误操作
只有部分高位地址线参与译码形成片选信号
全译码
全部高位地址线都参与译码形成片选信号
课本P184 例6.1
练习:分析图中74LS138输出端的译码地址范围
A3 A4 A5 +5V A6 A7 A8 A9 AEN IOR IOW
0 0 0 1 0
&
A
Y0
B
Y1
C
Y2
G1
Y3
Y4
中断服务程序2
非预料事件2
新到来的中断应比原中断的优先级高；
中断嵌套必须具备的几个条件
一．正处于响应状态的中断服务程序中，应开放总中断 （IF位置1）
二．新中断应具有比原中断有高的优先级；同级或低级 均不能嵌套
三．为保护各级中断服务程序的数据不被破坏，所有服 务程序中均应有保护现场、恢复现场的指令
第6章 输入/输出接口
一．输入输出接口基础
1. 接口的功能与结构 2. 端口编址
二．接口地址译码方式
三．接口信息传输方式
程序控制（无条件、条件）、中断、DMA、通道
四. 接口设计
1.并行接口设计： 无握手（无条件）、带握手信号、可编程并行接口
2.串行接口设计
同步、异步
计算机与直接相联的外围设备进行数据交换的过程 通常称为输入/输出(In/Out)，而与远方设备进行数据交换 的过程习惯上称为数据通信(data communication)。
四． 数据传输方式不同，有并行、串行之分。 五． 它们不能与CPU直接相连,必须经过中间电路再与系统相连,这部分电路被
称为I/O接口电路。
3/81
接口结构与功能
一．接口主要功能
数据缓冲 信号转换 联络控制
二．接口硬件结构
存储器接口、外设接口
三．接口技术组成
四． 硬件：地址译码、读写控制、总线（数据）缓冲 五． 软件：驱动程序（初始化、传送控制、结束控制等）
事件的发生， 三． 使CPU暂停正在运行的程序， 四． 而转去执行处理引起中断事
件的程序 （中断服务子程序）， 五.然后再返回被中断了的程序，
继续执行。 六.这个过程就是计算机系统中的
中断。
main ( )
产生一个打印机中断
{
int a, b, sum;
a=123;
b=456; sum=a+b;
打印机中断服务程序
四． 每个端口有一个独立的地址，CPU可以用端口地址代码 来区别各个不同的端口，并对它们分别进行读/写操作。
端口和接口的区别？
接口（Interface）
1、若干个端口加上相应的控 制逻辑电路构成了接口
2、一个接口包含多个端口， 端口是接口的一部分
3、对接口的访问实质是对寄 存器（端口）的访问
一定要理解
中断系统相关概念 0000H
中断向量：
中断向量即中 断服务子程序的入 口地址，也就是中 断服务子程序的第 一条指令在存储器 中的存放地址。
0053H
中断向量
0FFFH 10E2H
中断向量
中断向量表
…… …… …… MOV R1, #0x60 MOV R2, #0x10 ADD R0, R1,R2 …… …… ……
缺点是CPU工作效 率低，I/O响应速度 慢；在有多个外设的 系统中，CPU的查询 顺序由外设的优先级 确定，实时性差。
程序查询方式的打印机接口
状态位为0，则表明先前送出的数据已被打印，可以再送下 一个数据；若状态位为1，则表明先前送出的数据还没打印， 就不能再送数据出去
数据总线
地址总线
控制总线 信号