汇编语言接口技术第七章输入输出系统(1).

中断控制的输入和输出方式，也称中断传送 方式，即当外设的输入数据准备好或接收数据
的锁存器为空时，主动向CPU发出中断请求，使
CPU中断原来执行的程序(主程序)，转去执行为
外设服务的输入或输出操作，服务完毕，CPU再
继续执行原来的程序。
中断传送过程可概括为以下五步： （1）I/O事件发出中断请求； （2）CPU暂停主程序，实现程序的转移，即 中断响应； （3）保护现场，即保护有关寄存器的内容； （4）执行I/O操作，并实现内存到累加器再 到端口之间的传送； （5）中断返回。

外设的 I/O 操作速度较慢，中断传送方式恰 恰在这段较慢的过程中让主机和各个外设 并行工作；仅仅在外设 I/O 过程完成后要求 与主机交换数据时才暂停 CPU 主程序运行， 而 CPU 传送输入／输出的数据到端口是很 快的，因此中断方式基本实现了主机和外 设的并行工作。
3、DMA控制方式
中断传送方式要中断主程序，每次都要保护 断点、保护现场、进入中断服务子程序，中断 服务完毕又要恢复现场、恢复断点、返回主程 序，这些操作繁多步骤重复，对低速外设和数 据量不大的 I/O操作，这些缺点不明显，中断传 送不失为一种行之有效的传送方式。但对成批 高速数据传输效率就较低，这时常采用 DMA(Direct Memory Access ：直接存储器存取 ) 方式。
第7章 输入输出系统
7.1 7.2 7.3 输入输出系统概述 CPU与外设数据的传输控制方式 中断控制器8259A
7.1 概述
1、引言
I/O接口的概念（什么是I/O接口？）

把外围设备同微型计算机连接起来的电路 称为外设接口电路，简称外设接口。
2、主机（CPU）和I/O设备之间传送的信息格式
(1)数据信息 数字量（计算机可以直接接收和处理的数据）、模拟量、开 关量等，可以输入，也可以输出。 (2)状态信息 状态信息是CPU与外设之间交换数据时的联络信息。CPU通过 读取外设状态信号，可知外设的工作状态。 例如：对于输入设备的“ Ready” ；对于输出设备的“ Busy” 特点：①CPU外设接口 ②可读（不可写） (3)控制信息 控制信息是设置I/O外设(包括I/O接口)的工作模式、 命令 字的有关信息。 如“启动”、“停止”信息。 特点：①CPU外设接口 ②可写（不可读）
工作过程：当输入设备准备好数据之后，发出选通信 号。它一方面把输入数据锁存到数据锁存器中，另一方
面使状态标志触发器置1。状态标志是一位信号，通过
缓冲器后，接到CPU数据总线的某一位上，假设接至D7 位。CPU先读状态口，查询D7是否为1。若D7=1，表示输 入数据已经准备好，再读数据口，取走输入数据，同时 使状态标志触发器复位。
1) 可以直接管理8个中断源，级联方式下不用附加 电路就可以管理 64 个可屏蔽中断源，并具有优先权判 决功能。 2) 能为中断源提供中断向量码。
3) 可以对每一级中断进行屏蔽或允许控制。
4) 可提供多种可供选择的工作方式，并能通过编 程或硬件连接进行控制。 5）可直接与CPU连接，不需要外接硬件电路
DMA 方式基本思想 : 在存储器和外设之间建 立起直接的数据传送通路，即不经由 CPU， 而由专门的DMA控制器实现存储器和外设之 间的操作。于是，传送就不必进行保护现场 等一系列额外操作，从而减轻了CPU的负担， 因此特别适合于高速度大批量数据传送的场 合。但是，这种方式要增设DMA控制器，硬 件电路比前两种方式更为复杂。
小结： 1、程序控制方式 （1） 无条件传送方式 （2） 程序查询方式 2、中断控制方式 （1）中断定义： （2）中断方式的特点： a）CPU的效率高，CPU不必查询等待 b）CPU与外设可并行工作 c）外设具有申请服务的主动权 3、DMA方式 DMA方式的特点：在专门的硬件控制电路（ DMAC） 控制之下，由DMAC发出地址及读/写信号来实现 高 速数据传输。在此过程中，CPU放弃总线控制权， 数据传送不经过CPU。

在数据传送之前，程序首先测试外设的状态，
当状态符合规定的条件 ( 比如输入设备的下一
个输入数据准备好了，或输出接口已经将前
一个输出的数据送往输出设备 ) 就进行输入或
输出操作，否则就踏步等待或转入其它程序
段。

因此，查询传送方式的接口电路中必须有表 征外设工作状态的触发器或寄存器以供 CPU查
1) 查询式输入
中断方式可以克服查询传送方式中存在缺点：

在中断传送方式中各个外设和主机并行工作，进 行各自的输入或输出操作。当某台外设完成了自 身的输入或输出操作(即完成了下一个数据传送的 准备)时，便向CPU申请中断，CPU收到中断请求信 号后，可暂停正在运行的程序，转去执行为该外 设服务的中断服务子程序，完成主机与外设间的 数据交换，数据传送完毕仍返回原来被中断的主 程序继续执行。
3、I/O接口的基本功能 (为什么要用I/O接口电路)
总的来说，I/O接口具有下述三方面功能： （1）速度的匹配 （2）信息格式的变换：包括串并转换，A/D、 D/A转换，电平转换等。 （3）提供主机和外设间传送数据所必须的状 态和控制信息。
4、I/O接口的基本结构


由图可见，外设通过 I/O 接口电路与 CPU 相连。通常， 每个接口电路包含一组寄存器：数据输入寄存器、 数据输出寄存器、状态寄存器、控制寄存器等。 通常称这些寄存器为I/O端口(I/O PORT)，每个端口 有一个端口地址。
DMA存取方式工作过程如下：
① 当外设准备就绪后，通过I/O端口向DMAC发出
“DMA请求”信号，要求DMA传送；
② 接着DMAC向CPU发出HOLD总线请求信号，请求
接管总线；
③ CPU收到HOLD信号，如果不在总线封锁状态，
则在现行总线周期结束后便给予响应，给出HLDA
信号到DMAC，使CPU与三态的系统总线(数据、地
IR 0 IR 1 IR 2 IR 3 IR 4 IR 5 IR 6 IR 7
中 断 屏 蔽 寄 存 器 (IMR)
8259A的内部结构框图
其内部各组成模块有如下功能：
1) 中断请求寄存器IRR
8259A有8条外部中断请求输入信号线 IR0-IR7，每 一条请求线上有一个相应的触发器来保存请求信号， 当第 i个 IR 端有中断请求时， IRR中的相应位置“ 1”； 当中断请求响应时， IRR中的相应位置“0”。
相关程序如下：
RPLI: IN AL，PSTATUS ;读入状态 TEST AL，80H ;查状态 JZ RPLI ;未准备好,踏步检查 IN AL，PDATAI ;准备好输入数据 ┆
2）查询式输出
输出过程：当前输出设备空闲时，状态标志触 发器清 0。CPU 在输出数据之前，先读取状态信 息。假设忙闲标志接至数据线 D0位，当D0=0 时 ，表示输出设备空闲，CPU再对数据口执行输出 指令。数据口选中信号一方面把输出数据写入 锁存器，一方面使状态标志触发器置1，通知输 出设备。当输出设备取走当前数据后，向接口 发出确认信号 ACK，使状态标志触发器清 0，表 示输出设备空闲。
址和状态/控制线)浮空；
④ DMAC收到HLDA后，立即接管总线，并向I/O端口回
送“DMA响应”信号，通知外设进行DMA传送。
⑤ 进行DMA传送。DMA传送的内存地址、读写控制信号
及传送的字节数或字数由DMAC控制(通过对DMAC事先初 始化编程来设置)。 ⑥ DMA传送结束。设定的字节数或字数传送完毕，或 者外部给一个结束传送的控制信号，DMAC撤消向CPU的
2、中断控制的输入/输出方式
查询传送虽然简单可靠，但效率低下。 ①主机要花费大量时间查询外设状态，等待外设上一次的输 入／输出过程完成。即主机和外设在外设工作的绝大部分时 间内只能串行工作，而外设I/O 操作速度比主机慢得多，使 得CPU利用率和系统效率大大降低。 ②主机在一个时间段内只能询问一台外设的状态，与其交换 数据；因此各个外设在I/O操作完成后也只能串行等待CPU来 询问，进一步降低了系统的效率。

以下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
（2）查询方式

查询传送即条件传送， CPU 与接口之间有一个 应答过程，所以又称异步传送。

大多数外设数据传送、处理的速度较慢，跟不 上 CPU 的高速运转，为使传送可靠，程序需要 了解外设的动态情况后才决定是否进行数据传 送。
DB 数据口 CPU AB CB 状态口 控制口 状态信息 控制信息 外设 数据
7．2
CPU与外设数据的 传输控制方式
1、程序控制方式
程序控制传送方式以CPU为中心，数据传送的控制 来自 CPU ，通过执行预先编制的输入 / 输出程序实现数 据 传输。程序传送方式可分为无条件传送和查询传送方 式。 (1）无条件传送方式 无条件传输方式又称同步传送方式。使用这种方式 时外设总是处于准备好状态，CPU 无需查询其状态 而只根据程序中的输入／输出指令执行相应操作。 但这种方式必须确信外部设备已准备好的状态才可 使用，否则就会出错，故很少使用。
7.3 中断控制器8259A
8259A与标准总线的连接
1. Intel 8259A的主要性能和内部结构
（1）Intel 8259A的主要性能 Intel 8259A是被广泛使用的可编程中断控制器， 在 IBM-PC/XT 机中，就使用 Intel 8259A 作为中断控制 器。它用来管理输入到 CPU的可屏蔽中断请求，其主要 功能有：
2)中断屏蔽寄存器IMR
IMR(Interrupt Mask Register) 用 来 存 放 屏 蔽 位 信 息 ， IMR的每一位可以禁止IRR中对应位的中断请求输入信号进入。 如果屏蔽优先权级别较高的中断请求输入时，不会影响到优先 级较低的中断请求输入。
3)优先权判决电路 它在中断响应期间，根据控制逻辑规定的优先权级别和中 断屏蔽寄存器IMR的内容，把中断请求寄存器IRR中允许中断的 优先权最高的中断请求位送入中断服务寄存器ISR。
总线请求信号HOLD，CPU也撤除总线响应信号HLDALeabharlann Baidu重
新控制系统总线继续运行原来的程序。
DMA传送主要应用于高速度大批量数据传送的 系统中，如磁盘存取、图像处理、高速数据采集
系统等，以提高数据的吞吐量。
DMA传送一般有三种形式: ①存储器与I/O设备之间的数据传送； ②存储器与存储器之间的数据传送； ③I/O设备与I/O设备之间的传送。
4) 中断服务寄存器ISR
ISR(Interrupt Service Register)存放当前正在进行服务的 所有中断。ISR中相应位的置位是由优先权判决电路根据IRR中 各请求位的优先权级别和 IMR 中屏蔽位的状态，将中断的最高 优先级请求位选通到ISR中。 5) 控制逻辑 在 8259A 的控制逻辑电路中有一组预置命令字寄存器和一 组操作命令字寄存器，利用它们通过编程设置来管理 8259A 的 工作方式。当有未被屏蔽的高级别的中断请求时，通过控制逻 辑输出高电平的 INT 信号，向 CPU 申请中断。当 CPU 允许中断 时，发出中断响应信号 INTA 。在中断响应期间，它允许 ISR 的 相应位置位，并发送相应的中断向量，通过数据总线缓冲器输 出到总线上。
查询输出的程序段如下：
SCAN：IN AL，状态口地址 ；取状态信息
TEST AL，01H ；
JNZ SCAN
MOV AL， OUT 数据口地址，AL
； 忙，
；空闲，输出数据
查询方式的数据传送过程可概括如下： （1）CPU从状态端口读取状态字。
（ 2 ） CPU 判断状态位是否“准备就绪”，如果 没准备好，就返回上一步，继续读取状态字。 （3）如果准备好，则执行数据传送操作。
(2) Intel 8259A的内部结构
INTA
INT
D 7～ D 0
RD WR
CS A0
数据总线 缓冲器
控
制
逻
辑
读 /写 控制电路 中 断 服 务 寄存器 (ISR) 优先权 判 决 电 路 中断 请求 寄存器 (IRR)
CAS 0 CAS 1 CAS 2 SP / EN
级联缓 冲 /比 较 器