第六章输入输出和中断技术

1第六章输入输出和中断技术课时分配:4学时教学要求：1、了解I/O系统、I/O接口和I/O端口一般概念；2、了解I/O端口的编址方式；3、理解基本输入输出方法及中断控制技术；教学内容：1输入输出系统概述2简单接口电路3基本输入输出方法4中断技术§1输入输出系统概述一、基本概念I/O系统：在计算机系统中，通常把处理器和主存储器之外的部分统称为输入输出系统。I/O接口：就是将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称，也称为外设接口。在计算机控制系统中，CPU与外部设备之间进行的信息交换，都是通过接口来实现的。I/O端口：接口中的寄存器。二、I/O系统的特点1、复杂性2、异步性3、实时性4、与设备无关性三、I/O接口的基本功能1、I/O要解决的问题速度匹配问题信号电平和驱动能力问题信号形式匹配问题信息格式问题时序匹配问题在计算机中，上述问题是通过在CPU与外设之间设置相应的I/O接口电路来解决的。22、I/O接口的功能I/O地址译码与设备选择信息的输入输出命令、数据和状态的缓冲与锁存信息转换四、I/O接口的编码方式CPU与I/O接口进行通信实际上是通过I/O接口内部的一组寄存器实现的，这些寄存器通常称为I/O端口。I/O端口包括三种类型：有数据端口、状态端口、命令端口。根据需要，一个I/O接口可能仅包含其中的一类或两类端口，也可能包含全部三类端口。CPU通过数据端口从外设读入数据或向外设输出数据，从状态端口读入设备的当前状态，通过控制端口向外设发出控制命令。8086CPU最多能够管理64K个端口，只使用地址总线的A0～A15，在使用这些端口时，就要给每个端口分配一个地址(称为I/O地址)。在计算机系统中，端口的编址通常有两种不同的方式：1、I/O端口与内存单元统一编址又称为存储器映射编址方式，即把每个I/O端口都当做一个存储单元来看待，I/O端口与存储器单元在同一个地址空间中进行编址。通常是在整个地址空间中划分出一小块连续的地址分配给I/O端口。被端口占用了的地址，存储器不能再使用。见书上235页图6-1优点：可以用访问内存的方法来访问I/O端口。缺陷：外设占用了一部分地址空间，就减少了内存可用的地址范围，并且从指令上不易区分当前是对内存进行操作还是对外设进行操作。2、I/O端口独立编址内存地址空间和外设地址空间是相互独立的，CPU在寻址内存和外设时，使用不同的控制信号来区分当前是对内存操作还是对I/O端口操作。例如：8086的引脚IO/M。采用独立编址的CPU，有专门的I/O指令，用于对I/O端口进行读写操作。特点：I/O端口的地址空间与内存地址空间完全独立；I/O端口与内存使用不同的控制信号；指令系统中有专门的指令来访问I/O端口。五、I/O端口地址的译码在PC机中，CPU与I/O接口进行通信都是由I/O指令来完成的，在执行I/O指令时，CPU首先把所要访问端口的地址放到地址总线上(也就是选中该端口)，然后再对其进行读写操作。将总线上3的地址信号转换为某个端口的“使能”信号，这个操作就称为端口地址的译码。在输入输出技术中，端口的地址也是通过地址信号的译码来确定的。注意以下几点：1)8086CPU最多能够管理64K个端口，只使用地址总线的A0～A15。对只有单一I/O端口的外设，这16条地址线一般应全部参与译码，译码输出直接选择该外设的端口；对具有多个I/O端口的外设，则16位地址线的高位参与译码，决定外设的基地址，而低位则用于确定外设的每一个端口。例如：某外设接口有4个端口，地址为2F0H～2F3H，则其基地址为2F0H，由A15～A2译码得到，而A1、A0用来确定4个端口中的某一个连接2)对I/O端口读写要求控制信号要有效，有3个。【IOM，RDT，DEN】RDT：数据传送方向控制信号，用于确定数据传送的方向。DEN：数据允许信号，有效时，表示数据总线上有有效数据。IOM：存储器/输入输出的控制信号.4§2简单的接口电路一、接口电路的基本构成数据输入/输出寄存器——暂存输入/输出的数据命令寄存器——存放控制命令，用来设定接口功能、工作参数和工作方式状态寄存器——保存外设当前状态，以供CPU读取CPU通过接口与外设的连接示意图【见书上236页图6-2】通过接口传送数据，还有反映当前外设工作状态的状态信息以及CPU向外设发出的各种控制信息。有两种接口：输入接口：负责把信息从外部设备送入CPU的接口。输出接口：将信息从CPU输出到外部设备的接口。1)作为输入接口时，由于外设处理数据的时间比CPU要长，因此要求输入接口必须要具有对数据的控制能力。即要在外部数据准备好时，才将数据送到系统的数据总线上。(也就是具有缓冲控制线状态线DBCBAB数据线数据输入寄存器(or三态门)数据输出寄存器(锁存器)状态寄存器(or三态门)命令寄存器译码电路控制逻辑外设CPUI/O接口数据端口地址控制数据状态控制5功能)如果外设具有数据保持能力，通常可以使用一个三态门缓冲器作为输入接口，当其控制端信号有效时，三态门导通，该外设就与数据总线连通，CPU将外设准备好的数据读入；当其控制信号端无效时，三态门断开，该外设就从数据总线上脱离。2)作为输出接口时，CPU要向外设输出数据，同样由于外设的速度比较慢，要使数据能正确写入外设，CPU输出的数据要能够保持一段时间，因此，要求输出接口必须要具有数据的锁存能力。CPU输出的数据通过总线送入到接口锁存，由接口将数据一直保持到被外设取走。简单的输出接口一般由锁存器构成。二、三态门接口芯片74LS24420个引脚，2个控制端，8个输入端、8个输出端。【见书上238例6-1】三、锁存器接口芯片74LS27320个引脚，包括：(D0～D7)8个输入端、(Q0～Q7)8个输出端；复位端S，低电平有效；脉冲输入端CP，在每个脉冲的上升沿将输入端Di的状态锁存到Qi的输出端，并将此状态保持到下一个时钟脉冲的上升沿。【见书上238图6-6】附：带有三态输出的锁存器74LS374和74LS373芯片6§3基本输入输出方法在微机系统中，主机与外设之间数据的输入输出方式有以下4种：无条件传送方式、查询方式、中断方式和DMA方式。一、无条件传送方式主要用于外部控制过程的各种动作时间是固定的而且是已知的情况。当这些外设工作时，随时可以接收CPU输出的数据，或者外设的数据随时可被CPU读出。在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，因此也称为同步传送方式。优点：软件及接口硬件简单缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄二、查询工作方式CPU在数据传送前，就必须先查询外设的状态，若外设准备好才传送数据，否则CPU就要等待，直到外设准备好为止。这种利用程序不断询问外设的状态，根据外设的状态来实现数据的输入和输出的方式就称为程序查询方式。为了实现这种方式，外设必须向计算机提供一个状态信息，并且还要有一个传送状态的端口。1、查询工作方式的工作流程图：见书上244页图6-13和图6-142、采用查询方式进行数据传送的工作过程：(CPU从外设接收数据为例)P244(1)首先查询外设的状态，看数据是否准备好；(2)若没准备好，则继续查询；(3)否则就进行一次数据读取；(4)数据读入后，CPU向外设发响应信号，表示数据已被接收。外设收到响应信号后，即开始下一个数据的准备工作；(5)CPU判断是否已读取完全部数据，若没有读完，则重新进行(1)，否则结束传送。3、利用查询方式进行数据的输入输出时，CPU将大量时间耗费到外设的状态检测上，大大降低了CPU的效率，并且在多个外设的情况下无法对一些外部时间进行实时响应。1)、适用场合：外设并不总是准备好对传送速率和效率要求不高2)、对外设及接口的要求：外设应提供设备状态信息接口应具备状态端口73)、优缺点优点：软件比较简单缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，速度较慢三、中断控制方式即CPU不主动介入外设的数据传送工作，而是由外设在需要进行数据传送时向CPU发出中断请求，CPU在接到请求后若条件允许，则暂停正在进行的工作，而去对外设服务，并在服务结束后回到原来被中断的地方继续原来的工作。利用中断方式进行数据传送，可提高CPU的效率，还能对外设的请求做出实时响应。优点：CPU效率高，实时性好，速度快缺点：程序编制较为复杂四、直接存储器存取方式以上三种I/O方式的共性：均需CPU作为中介：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）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缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约为几十KB/s）对需要高速数据传送的场合，希望外设能够不通过CPU而直接与存储器进行信息交换，这就是直接存储器存取方式(DMA)，即通过特殊的硬件电路来控制存储器与外设直接进行数据传送。在这种方式下，CPU放弃对总线的管理，而由硬件来控制，这个硬件称为DMA控制器。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/s）8§4中断技术主要内容：中断的基本概念中断响应的一般过程中断向量表及其初始化8088/8086中断系统一、中断的基本概念1、中断：CPU执行程序时，由于发生了某种随机的事件(外部或内部)，引起CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序(称为中断服务程序或中断处理程序)，以处理该事件，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行，这一过程称为中断。2、中断源：引起CPU中断的事件，即引起中断的原因或来源。中断源分为两大类：来自CPU内部的，称为内部中断源；来自CPU外部的，称为外部中断源；1)内部中断源包括：①CPU执行指令时产生的异常；②特殊操作引起的异常；③是由程序员安排在程序中的INTn软件中断指令。2)外部中断源包括：①I/O设备、数据通道；②实时时钟；③故障源。对于内部中断来说，中断的控制完全在CPU内部实现的，而对于外部中断，则是利用CPU的两条中断输入线INTR和NMI来告诉CPU已发生的中断事件。3、中断优先级：给每个中断源指定一个优先权，称为中断优先级；4、中断方式的优点1)实现分时控制，提高CPU的利用率；2)实现实时处理，能够立即响应外设的请求；3)可以实现故障处理；二、中断的工作过程中断请求中断源识别(中断判优)中断响应中断服务中断返回1、中断请求外设需要CPU服务时，就必须要发出一个有效的中断请求信号送到CPU的中断输入端。中断请9求信号分为：边沿触发和电平触发。边沿触发：CPU根据中断请求端上有没有从低到高或从高到低的跳变来决定中断请求信号是否有效；电平触发：CPU根据中断请求端上有没有稳定的电平信号来确定中断请求信号是否有效；在8086/8088CPU中，NMI为边沿触发，而INTR为电平触发。为了保证产生的中断能被CPU处理，INTR信号应保持到该信号被CPU响应为止，CPU响应后，INTR信号应及时撤除，以免造成多次响应。2、中断源识别(中断判优)当系统具有多个中断源时，由于中断产生的随机性，就有可能在某一时刻有多个中断源发出中断请求，而CPU往往只有一条中断请求线，且任一时刻只能响应并处理一个中断，这就要求CPU能够识别出是哪些中断源发出了请求，并且能找出优先级最高的中断源并进行响应。中断判优就是解决中断时间的识别和优先级的顺序问题，有软件和硬件两种方法。1)软件判优：是指由软件来安排各中断源的优先级别。外设的中断请求状态通过并行接口与CPU的INTR引脚相连。软件判优的电路原理图——【见书上249页图6-17】如果某一中断源发出中断请求，中断请求信号经或门电路送到CPU的INTR引脚上，CPU响应中断进入中断处理程序，用软件读取并行端口的中断状态，逐位查询端口的每位状态，如果哪个中断源有请求，就转入相应的中断服务程序中。顺序查询中断请求，先查询的先服务（即先查询的优先级别高），查询的次序，就反映了各中断源优先级别的高低。特点：硬件电路简单，优先权安排灵活