第5章 IO接口传输方式及其中断技术(赵永熹制作)1

（3）中断允许控制寄存器IE
D7 EA D6 D5 D4 ES D3 ET1 D2 EX1 D1 ET0 D0 EX0
0 禁止，1允许
1 ） IE.7 EA ： CPU 中断总允许位。 EA=1 ， CPU 开放中 断，每个中断源是被允许还是被禁止，分别由各 自的允许位确定；EA=0，CPU屏蔽所有的中断要求， 称关中断。 2 ） IE.4 ES ：串行口中断允许位。 ES=1 ，允许串行 口中断；ES=0，禁止串行口中断。
地址总线 AB
CPU
存 储 器 M
I/O 接 口
输 入 设 备 I
I/O 接 口
输 出 设 备 O 数据总线 DB
控制总线 CB
微型计算机中I/O接口的作用
什么是I/O接口（电路）
– I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据 传送和控制任务的逻辑电路，I/O接口就是CPU与外 设的连接部件。 – PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路 板（适配器）都是I/O接口电路
DMA传输
• 前面三种I/O方式共性: 都需要CPU作为中介： 外设 CPU 内存 两个含义： 1）软件：外设与内存之间的数据传送是通过 CPU执行程序来完成的（PIO方式）； 2）硬件：I/O接口和存储器的读写控制信号、 地址信号都是由CPU发出的（总线由CPU控
制）。
• 缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速 度（约为几十KB/秒） — 解决办法：DMA传输
– I/O端口： I/O信息的三种类型：数据、命令、状态。 传送这三类信息的通道分别称为：数据端 口(I、O)、命令端口(O)、状态端口(I)。
– 不同外设具有的端口数各不相同，计算机中 为每一个端口都赋予一个惟一编号——称为 端口地址(或端口号)。 – 端口有两种编址方式：统一编址和独立编址。
I/O接口电路的基本结构
(4)中断优先级控制寄存器（IP）
D7 D6 D5 D4 PS D3 D2 D1 D0 PT1 PX1 PT0 PX0 0 低级别，1高级别
1）PS：串行口中断优先级控制位。 2）PT1：定时计数器T1中断优先级控制位。 3）PX1：外部中断1中断优先级控制位。 4）PT0：定时计数器T0中断优先级控制位。 5）PX0：外部中断0中断优先级控制位。 单片机复位后，IP寄存器被清0，所有中断源 为低级中断。
1. 统一编址（例如: MCS-51单片机）
– 定义 把外设接口与内存统一 进行编址。各占据统一地址空 间的不同部分。 – 优点 •指令统一，灵活；
地址空间(共1MB)
0
•访问控制信号统一，使用同 一组的地址/控制信号。 EFFFFH F0000H – 缺点 •内存可用地址空间减小 FFFFFH
内存地址 (960KB)
I/O接口的功能
1. I/O地址译码与设备选择
把选中的与总线相接，未选中的与总线隔离（高 阻态）。 2. 数据的缓冲与暂存 缓解接口与CPU工作速度的差异 输出接口有锁存环节 输入接口有缓冲环节 3. 对外设进行监测、控制与管理，中断处理 信号电平与类型的转换 形式、格式、电平、功率、码制等
I/O接口的编址方式
2．中断请求标志
在中断请求被响应前，中断请求是由 CPU 锁 存在特殊功能寄存器 TCON 和 SCON 的相应中断标 志位中。 与中断控制有关的控制寄存器有4个： TCON----定时控制寄存器 IE----中断允许控制寄存器 IP----中断优先级控制寄存器 SCON----及串行口控制寄存器
• DMA传输: 外设 内存 – 外设直接与存储器进行数据交换 ，CPU 不再担当数据传输的中介者； – 总线由DMA控制器（DMAC）进行控制 （CPU要放弃总线控制权），内存/外设 的地址和读写控制信号均由DMAC提供。 • 优点：数据传输由DMA硬件来控制，数据 直接在内存和外设之间交换，可以达到很 高的传输速率（可达几MB/秒）
I/O地址 (64KB)
2. 独立编址（例如: 8088/8086 微机系统）
– 定义: 外设地址空间和内存地址空间相互独立。 – 优点：内存地址空间不受I/O编址的影响 – 缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控 制信号。
内存地址空间
00000H
I/O地址空间
内存空间 (1MB)
0000H
I/O空间 (64KB)
CPU
I/O接口 电路
I/O 设备
接口在CPU 与外设之间
5.1 I/O接口电路
–I/O接口的定义 把外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。 实现外设与主机之间的信息交换。 –I/O接口要解决的问题 • 速度匹配(Buffer) • 信号电平和驱动能力(电平转换器、驱动器) • 信号形式匹配(A/D、D/A) • 信息格式(字节流、块、数据包、帧) • 时序匹配(定时关系) • 总线隔离(三态门)
1 0
中断源
中断 向量
0 INT1 1
IT1
IE
wenku.baidu.com
EX 1
PX 1
1 0
TF1
ET 1
PT 1
1 0 低级中断 请求
T1 R1
ES EA
PS
1 0
中断源
中断 向量
中断源入口地址
具体入口如下： 中断源 入口地址 INT0 0003H T0 000BH INT1 0013H T1 001BH RI/TI 0023H 在这些单元中往往是一些跳转指令，跳到 真正的中断服务程序，这是因为给每个中断 源安排的空间只有8个单元。
3 ） IE.3 ET1 ： T1 中 断 允 许 位 。 ET1=1 ， 允 许 T1 中 断 ； ET1=0，禁止T1中断。 4）IE.2 EX1：外部中断1允许位。EX1=1，允许外部中断1 中断；EX1=0，禁止外部中断1中断。 5 ） IE.1 ET0 ： T0 中 断 允 许 位 。 ET0=1 ， 允 许 T0 中 断 ； ET0=0，禁止T0中断。 6）IE.0 EX0：外部中断0允许位。EX0=1，允许外部中断0 中断；EX0=0，禁止外部中断0中断。
• 适用场合：适用于总是处于准备好状态（定 时固定或已知）的外设 • 以下简单外设可采用无条件传送方式： – 开关 – 发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯 泡等) – 继电器 – 步进电机 • 优点：软件及接口硬件简单 • 缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄
查询(条件)方式传送
• 适用场合：适用于外设并不总是准备好， 而且对传送速率、传送效率要求不高的场 合。 • CPU在与外设交换数据前必须询问外设状 态——“你准备好没有？” • 对外设的要求：应提供设备状态信息 • 对接口的要求：需要提供状态端口 • 优点：软件比较简单 • 缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差， 速度较慢
Y3
BUSY
Q S D
Q CP
打印机
3FBH
≥1
状态端口
思考: 程序段？
中断方式传送
• 概念: CPU无需循环查询外设状态，而是外 部设备在需要进行数据传送时才中断CPU正 在进行的工作，让CPU来为其服务。即CPU 在没有外设请求时可以去做更重要的事情， 有请求时才去传输数据，从而大大提高了 CPU的利用率。 • 优点：CPU效率高，实时性好，速度快。 • 缺点：程序编制较为复杂。
中断优先级的设定
基本原则是： （1）高优先级不能被低优先级中断； （2）低优先级可被高优先级中断。 （ 3 ）任何一种中断（不管是高级还是低级），一旦得 到响应，不会再被它的同级中断所中断。
序号 中断源 外部中断 0 定时器 0 外部中断 1 定时器 1 串行口中断 自然优先顺序 最高 次高 中 此低 最低
74LS374
D7-D0 IOW A9 | A3 A15 | A10 A2 A1 A0 IOR
74LS138
D7-D0
D5
&
≥1
G
G2A G2B
Y0
≥1
3F8H
CP
Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
外 设
OE
STROBE
（1忙/0闲）
C B A
5.3 MCS-51单片机的中断系统
中断的概念
主程序 执行主 程序 中断请求 断点 继续执行 主程序 中断响应 执行 中断 处理 程序 中断返回
中断系统的结构框图
中断源开放
中断开放
0
INT 0
1
IT 0
IE 0
EX 0
中断优先 级寄存器 1
查询硬件
PX 0
0
高级中断 请求
TF 0
ET 0
PT 0
（2）串行口控制寄存器SCON
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 TI D0 RI
串行中断请求标志
1）SCON.1 TI：串行发送中断标志。CPU将一个字节 数据写入发送缓冲器SBUF后启动发送，每发送完一个 串行帧，硬件置位TI。但CPU响应中断后，并不能自 动清除TI标志，必须由软件清除。 2）SCON.0 RI：串行接收中断标志。在串行口允许接 收时，每接收完一个串行帧，硬件置位RI。同样， CPU响应中断后不会自动清除RI标志，必须由软件清 除。
FFFFH
FFFFFH
MCS-51 单片机
8088/ 8086
5.2 I/O接口数据传送的控制方式
主机与外设之间数据传送的控制方式 有以下四种： – 无条件传送 – 查询(条件)方式传送 – 中断方式传送 – 直接存储器存取(DMA, Direct Memory Access)
无条件传送方式
3.响应时间 从查询中断请求标志位到转向中断服务入口地址 所需的机器周期数。 （1）最快响应时间 以外部中断的电平触发为最快。 从查询中断请求信号到中断服务程序需要3个机器 周期：1个周期（查询）＋2个周期（长调用LCALL） （2）最长时间 若当前指令是RET、RETI和IP、IE指令，紧接着下 一条是乘除指令发生，则最长为8个周期： 2个周期执行当前指令（其中含有1个周期查询）＋ 4个周期乘除指令＋2个周期长调用＝8个周期。
（1）定时控制寄存器TCON D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF1 TF0 IE1 IT1 IE0 IT0
中断请求标志 触发方 0 低电平 式选择 1 下降沿
1 ） TCON.7 TF1 ： T1 溢出中断标志。 T1 被启动计数后，从 初值开始加 1 计数，直至计满溢出由硬件使 TF1=l ，向 CPU 请求中断，此标志一直保持到 CPU 响应中断后，才由硬件 自动清“0”。也可用软件查询该标志，并由软件清“0”。 2）TCON.5 TF0：T0溢出中断标志。其操作功能类似于TF1。 3）TCON.3 IE1：外部中断1标志。IE1=1表明外部中断1向 CPU申请中断。 4）TCON.1 IE0：外部中断0标志。其操作功能与IE1类似。
查询方式的流程图
防止死循环
超时? N Y
读入并测试外设状态
N
超时错
READY?
Y 与外设进 行数据交换
复位计时器 N
传送完？ Y
例如：用查询方式进行输出
外设状态端口地址为3FBH，第5位
(D5)为状态标志（=1忙，=0准备好）
外设数据端口地址为3F8H，写入数 据会使状态标志置1 ；外设把数据读走 后又把它置0。 试画出其电路图。（电路图见下页）
1. 优点
（1）分时操作 （2）实现实时处理 （3）故障处理
2. 中断的功能
(1) 实现中断及返回 (2) 能实现优先权排队 (3) 能实现中断嵌套
中断请求
1.中断源 共有5个中断源，分别是外部中断2个、定时中 断2个和串行中断1个，它们是： 外部中断0—INT0，由P3.2提供 外部中断1—INT1，由P3.3提供，外部中断有两 种信号方式，即电平方式和脉冲方式。 T0溢出中断— 由片内定时/计数器0提供 T1溢出中断— 由片内定时/计数器1提供 串行口中断RI/TI— 由片内串行口提供
（4）两个同一级的 中断源同时向CPU发 出中断申请，CPU通 过内部硬件查询，按 自然优先级确定优先 响应哪一个中断要求
1 2 3 4 5
中断响应
1．CPU的中断响应条件 ① 无同级或高级中断正在服务； ② 当前指令周期结束，如果查询中断请求的机器 周期不是当前指令的最后一个周期，则不行； ③ 若现行指令是RETI、RET或访问IE、IP指令， 则需要执行到当前指令及下一条指令方可响应。 2.响应过程 ① 置位中断优先级有效触发器，即关闭同级和低 级中断： ② 调用入口地址，断点入栈，相当于LCALL指令； ③ 进入中断服务程序。
第5章 I/O接口传输方式及其 中断技术
本章学习目标
了解I/O的基本概念，掌握I/O端口的编址 掌握输入输出的基本方法：无条件、查询、 中断、DMA MCS-51单片机中断源的种类及工作方式 中断控制寄存器IE、中断优先级寄存器IP 及定时器 / 计数器及外部中断控制寄存器 TCON的使用方法 MCS-51型单片机中断响应过程 外部中断的结构及原理