第5章输入输出技术应用

第5章 输入输出技术
图5-4 查询方式I/O接口
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图5-5 多外设查询方式工作流程
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5-2 中断方式
一、中断的基本概念 1.中断的概念及中断源分类 在 CPU 执 行 程 序 过 程 中 , 由 于 某 种 事 件 发 生 , 强 迫 CPU暂时停止正在执行的程序而转向对该发生的事件 进行处理,当对事件的处理结束后又能回到原中止的程 序,接着中止前的状态继续执行原来的程序,这一过程称 为中断。
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一、外设接口的编址方式 在微型计算机系统中,主要采用两种不同的外设地 址的编址方式。 1.外设地址与内存地址统一编址。 这种编址方式又称为存贮器映射编址方式。在这 种编址方式中,将外设接口地址和内部存贮器地址统一 安排在内存的地址空间中。即把内存地址分配给外设, 由外设来占用这些地址。用于外设的内存地址,存贮器 不能再使用。
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图5-10 中断嵌套示意图
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二、8086(88)的中断系统 8086(88)具有功能很强的中断系统,可以处理256个 不同方式的中断。每一个中断赋于一个中断向量 码 ,CPU 根 据 向 量 码 的 不 同 来 识 别 不 同 的 中 断 源 。 8086(88)中断源分为两大类,下面将逐一加以介绍。 1.内部中断源 8086(88)的内部中断主要是如下五种:
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② CPU 处于开中断状态。只有在CPU的IF=1开中 断时,CPU 才有可能响应可屏蔽中断请求。
③ 没有发生复位(RESET),保持(HOLD)和非屏蔽中 断请求(NMI)。
④ 开中断指令(STI)、中断返回指令(IRET)执行完, 还需再执行一条指令才能响应INTR请求。另外,一些前 缀指令,如LOCK、REP等,将它们后面的指令看作一个 总体,直到这种指令执行完,方可响应INTR请求。
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(3) 断点中断 8086(88)的指令系统中有一条专门用做设置断点的 指令,其操作码为单字节CCH。 (4) 溢出中断 当CPU进行算术运算时,如果发生溢出,则会使标志 寄存器的OF标志置1。 (5) 用户自定义的软件中断 用户可以用INTn这样的指令形式来产生软件中断。
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1.无条件传送。 在微机系统中,有一些简单的外设,当它工作时,随时 都准备好接收CPU的输出数据或它的数据随时都是准 备好的,CPU什么时候读它的数据均可以正确地读到。 也就是说外设无条件准备好向 CPU提供数据或接收 CPU送来的数据。所以CPU可以无条件地向这样的外 设传送数据。在CPU与这样的外设交换数据的过程中, 数据交换与指令的执行是同步的。故有人也称其为同 步传送。
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图5-6 查询中断源硬件
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一旦中断请求得到响应,在保护断点后,CPU读INT 的输入口,利用软件对中断源逐一查询,确定中断源并对 相应的中断源进行服务。当然,应当注意到,一旦确定了 中断源之后,应当立即将相应的INT状态变低——去掉 请求信号。查询确定中断源的流程框图如图5-7所示。
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若CPU需要向外设输出一个数据,同样,CPU首先查 询外设的状态,看其是否空闲。若正忙,则等待;若外设 准备就绪,处于空闲状态,则CPU向外设送出数据和输出 就绪信号,后者通知外设CPU送来有效数据。外设接收 数据后,向CPU发出数据已收到的状态信息。这样,一个 数据的输出过程就告结束。
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3.中断优先级及中断嵌套 当微型计算机系统中存在着多个中断源,这些中断 源在提出中断请求后,要求CPU对它响应的快慢程度是 不一样的。而且从微机系统的设计者的眼光来看,在多 个中断源的系统中,设计者会知道哪些中断源特别重要, 所要求的响应要快;哪些中断源速度比较慢或重要性比 较低,对它们的响应稍微晚一点是可以的。为了能够根 据中断源的轻重缓急对多个中断进行合理的响应,在微 机中提出了中断优先级的控制问题。中断优先级控制 应当解决这样两种可能出现的情况:
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中断服务程序分为两种情况:第一种是如图5-8所示 的、不允许被中断的中断服务程序。这种中断服务程 序进入过程是中断源请求,CPU 响应——承认、断点保 护后进入该服务程序的入口。在入口时刻,CPU 内部硬 件已经关中断并进行了部分断点保?护工作。从图5-8 流程图中可以看到,本服务程序直到中断返回IRET前才 开中断,保证在整个中断服务程序中不会被INTR所中断。
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(1) 除法错中断 在 8086(88) 执 行 除 法 指 令 时 , 如 果 所 得 的 商 超 过 了 CPU所能表示的最大值, CPU会立即产生一个向量码为 0的中断。 (2) 单步中断 8086(88)CPU 的标志寄存器中有一位TF标志——陷 井状态标志。CPU每执行完一条指令都检测TF的状态。
MOV AL,81H MOV DX,0000H OUT DX,AL 当执行OUT指令时,CP端会有负脉冲产生,这就可以将数 据线上的81H锁存在输出端,从而点亮发光二极管。
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2.查询方式。 无条件传送对于那些慢速的总是准备好的外设是 适用的,但是,还有许多外设并不是总是准备好的。CPU 与这类外设进行数据交换,经常采用程序查询方式。查 询方式传送数据过程如下:如果CPU要从外设接收一个 数据,则CPU首先查询外设的状态,看外设数据是否准备 好,若没有准备好则等待;若外设已将数据准备好,则CPU 由外设读取数据。接收数据后,CPU向外设发响应信号, 表示数据已被接收。外设收到响应信号之后,即可开始 下一个数据的准备工作。
以上所描述的查询方式工作的输入输出过程,可简 要地用图5-3所示的流程图来说明。CPU查询外设的状 态而后决定数据的传送。
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图5-3 查询方式输入输出框图
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下面的一段程序是将BL的内容输出到外设上去。 MOV DX,00FFH
LOOP: IN AL,DX AND AL,01H JZ LOOP MOV AL,BL OUT DX,AL
② 中断矢量法 利用不同中断源提供不同中断矢量,从而确定中断 源。该方法已得到广泛的应用。在下一节中将仔细加 以说明。
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图5-7 软件查询确定中断源流程图
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(5) 中断服务 我们将用户为进行中断处理所编写的程序统称为 中断服务程序。通常用户编写的服务程序包括断点保 护——是指在中断响应过程中CPU硬件未能保护的那 些寄存器的内容,要进行保护。对中断源进行针对其要 求的服务,假定采用矢量中断,识别中断源已经解决。最 后是恢复断点,开中断,中断返回。上述内容都是用户在 编写中断服务程序时需要做的工作。
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(2) 可屏蔽中断请求INTR 通常简称中断请求。它受中断允许标志位IF的约束。 只有当IF=1,CPU 才有可能响应INTR请求。INTR是高 电平有效。 INTR的响应过程中,在获得中断向量码上与内部中 断和NMI中断不同。其时序关系图如图5-11所示。
第二种是可以被中断的中断服务程序,其流程图如 图5-9是允许被其他优先级更高的中断源中断的服务程 序。同样,在流?程图中,在某些CPU最后一次开中断是 可以不要的。
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图5-8 不允许被中断的中断服务程序流程图
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图5-9 允许中断的中断服务程序流程图
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(2) 中断承认 CPU 在每条指令执行的最后一个时钟周期检测中 断请求输入端有无请求发生,而后决定是否对它做出响 应。CPU 承认一个中断请求,必须满足以下四个条件: ① 一条指令执行结束。CPU 在一条指令执行的最 后一个时钟周期对请求进行检测,当满足我们要叙述的 四个条件时,本指令结束,即可响应。
(6) 断点恢复 与前面所提到的断点保护相对应,由于中断响应过 程中,CPU 硬件本身只保护有限的几个寄存器的内容,而 服务程序中可能还会用到其他一些寄存器,这些寄存器 的内容就必须加以保护。 (7) 中断返回 中断返回是一条指令,执行这条指令,其操作刚好是 CPU硬件在中断响应时自动保护断点的逆过程。即将 堆栈的内容依次弹回到IP、CS和FLAG之中。
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① 当不同优先级的多个中断 源同时提出中断请求时,CPU 首先响应最高优先级 的中断源。② 当CPU正在对某一中断源服务时,比它优 先级更高的中断源提出中断请求,CPU能够中断正在执 行的中断服务程序转向响应并对优先级更高的中断源 服务。服务结束再返回原优先级较低的中断服务程序 继续执行。
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(3) 断点保护 在中断响应过程中,CPU 硬件对断点进行保护。只 是不同的CPU断点保护的内容略有不同。8086(88)CPU 在中断响应时硬件自动关中断、将标志寄存器压入堆 栈进行保护、将CS和IP的内容压入堆栈加以保护。
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有两种常用的确定中断源的方法; ① 软件查询 软件查询中断源,需要硬件支持,其硬件电路简图如 图5-6所示。图5-6中,当中断源要提出中断请求时,INT 变为高电平。它经或门加到CPU 上提出中断请求。同 时,利用并行接口(可以是三态输入口)将INT的状态输入 CPU。
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2.外设与内存独立编址。 在这种编址方法中,内存地址空间和外设地址空间 是相互独立的。例如,在8086 (8088)CPU中,内存地址是 连续的1M字节,从00000H~FFFFFH。
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二、输入输出的基本方法 在微型计算机系统中,主要的输入输出方法有以下四种: ① 无条件传送。 ② 查询方式。 ③ 中断方式。 ④ 直接存贮器存取(DMA)方式。
无条件数据传送的另一个例子如图5-2表示。图中 外设是简单的发光二极管。此外设的接口用锁存器 (273)来实现。锁存器是在打入脉冲CP上升沿将输入端 D的数据锁存在它的输出Q端。
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图5-2 锁存器输出接口
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图5-2中,锁存器作为输出接口,其外设地址为0000H。当 CPU执行如下指令时,即可将图中两个发光二极管点亮。
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作为无条件数据输入的例子,我们来看一下图5-1所 示的电路。在图中,我们把开关K看做是一个简单的外 设。K的状态是确定的,要么闭合,要么打开。当计算机 通过外设接口读K的状态时,一定会读到指令执行时刻K 的状态。
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图5-1 开关K的输入接口
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2.外部中断 8086(88)有两个信号输入端供外部中断源提出中 断请求来使用,下面分别予以说明。 (1) 非屏蔽中断NMI 如前所述,8086(88)的NMI不受IF标志的限制,只要 是CPU在正常执行程序,一旦NMI请求发生,CPU在一条 指令执行结束后将对它作出响应。NMI输入为上升沿 有效。
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2.中断响应的一般过程 在这里主要是介绍可屏蔽中断的响应过程,只要 INTR的响应过程清楚了,NMI的响应过程也就很容易理 解了。可屏蔽中断的响应过程按其先后顺序分为如下 几步: (1) 中断请求 当外部设备要求CPU对它服务时,产生一个有效的 中断请求信号,注意是一个电平信号加到CPU的中断请 求输入端,即可对CPU提出中断请求。
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§5.1 概述 §5.2 中断方式 §5.3 直接存贮器存取(DMA) §5.4 I/O处理器 习题
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5-1 概 述
输入输出是计算机与外部世界进行信息交换不可 缺少的手段,在整个计算机系统中占有极其重要的地位。 没有输入、输出,计算机将变得毫无意义。由于外部设 备种类繁多,要求输入或输出的信号形式、电平、速率 千差万别。这些问题在考虑采用输入输出技术时必须 认真加以考虑。在本节中,我们将介绍如下几个有关的 问题。