基本输入输出和中断

输入输出和中断系统第五章计算机科学与软件学院计算机基础教学部1输入/输出的基本概念2输入/输出数据的传送方式3中断技术4MCS-51的中断系统5学会MCS-51中断程序设计及应用6学会与中断有关的硬件连线本章重点及要求作业：P1725-2、5-4、5-12、5-15、5-17至5-20思考第五章的其它题5.1输入/输出的基本概念5.2输入/输出数据的传送方式5.3中断技术5.4MCS-51的中断系统5.5MCS-51对外部中断源的扩展第五章输入/输出和中断5.1.1输入/输出设备5.1.2输入/输出传送的信息5.1.3输入/输出接口的作用及其类型5.1.4I/O端口的编址方式5.1输入/输出的基本概念5．1．1输入/输出设备输入设备：定义：将程序、原始数据或现场采集的数据等信息输入到主机的设备。常用的输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、读卡机等输出设备定义：将运算结果以人们容易识别的形式呈现给人们，或者将各种控制信号送给外界，以实现各种控制的设备常用的输出设备：显示器、打印机、绘图仪等控制状态数据CPUI/O装置5．1．2输入/输出传送的信息数据信息数字量模拟量开关量状态信息表征外设状态控制信息控制外设启停在输入时，输入装置的信息是否准备好（Ready）；在输出时，输出装置是否有空（Empty），若输出装置正在输出信息，则以Busy指示。数字量是二进制形式表示的数或以ASCⅡ码表示的数或字符。模拟量必须先经过A/D转换才能输入计算机，计算机的控制输出也必须先经过D/A转换才能控制执行机构。开关量是只要用一位二进制数即可表示的量，如灯的亮与灭，开关的合与断，阀门的打开和关闭等。外设与CPU是通过接口连接CPU接口接口外设1外设2地址总线AB数据总线DB控制总线CB5．1．3输入/输出接口的作用及其类型接口电路的作用锁存作用防止由于CPU速度快，外设慢而产生的丢数现象隔离作用防止DB上的信息重叠变换作用在CPU与外设之间进行信息类型的变换电平和数据传输方式的变换、数模转换联络作用在CPU与外设之间进行联络，Ready,Busy1、I/O接口的种类很多，有两种基本类型•串行I/O接口•并行I/O接口I/O接口的类型中断中断1位TxDCPU串行I/O接口串行I/O装置RxD8位•D触发器逻辑符号上升沿触发DQQCLKRR：清零端•D锁存器逻辑符号DQQCLK电平触发•三态门缓冲器逻辑符号三态门指逻辑门电路的输出不仅有高电平、低电平，还有高阻态（又称失效态、截止态、开路态或禁止态）。这时输出端相当于悬空。C：使能端，来控制门电路的通断,低电平有效C=0时,Y=AC=1时,Y为高阻态输出接口电路——锁存作用输出接口中必须含锁存器接口电路(锁存器).......锁存信号写选通输出数据DB来自CPU速度匹配输入接口电路——隔离作用输入接口中必须含三态门接口电路(三态门).......读选通信号输入允许输入数据接口电路(三态门).......输入数据DB防止信息重叠CPU内部数据的传送是并行的，而有些外设（如：通讯系统和鼠标）中数据的传送时串行的。输出接口电路——变换作用改变数据传送方式改变信号的电平通常CPU输入/输出的数据和控制信号采用TTL电平（0.6V表示“0”，3.4V表示“1”），而外设信号电平类型较多（如5V表示“0”，24V表示“1”）接口：由一个或多个端口组成。端口：可被独立选通的I/O接口电路，简称口。端口地址：端口在系统中被分配的惟一地址，简称口地址。端口可分为：状态端口——CPU从中读取外设的状态信息控制端口——由CPU控制输出控制信号数据端口——可以是输入数据端口或输出数据端口CPU通过I/O端口来实现和外设的信息交换。数据8Control控制Status状态Data数据CPUI/O接口I/O端口1I/O端口2I/O端口3I/O装置8端口地址RDWR输出接口电路——变换作用接口与端口5．1．4I/O端口的编址方式独立编址I/O端口与存储器分别编址，互为独立。利用/MREQ（存储器请求）和/IORQ（输入输出请求），CPU有专门的I/O指令如：IN，OUT统一编址I/O端口与存储器采用一套地址，完全象存储器单元一样处理，使用访问存储器的指令。MCS51系列采用统一编址片内RAM与P0~P3均用MOV指令片外RAM与外扩口I/O口均用MOVX指令5．2．1无条件传送方式（又称同步传送）5．2．2查询式传送方式（又称条件传送——异步传送）5．2．3中断传送方式5．2．4DMA传送方式5.2输入/输出数据的传送方式无条件I/O举例——显示程序设计5．2．1无条件传送方式（又称同步传送）应用外设工作速度固定无需等待的高速I/O输入时：movDPTR,#PORTmovxA,@DPTR输出时：movDPTR,#PORTmovx@DPTR,ADB三态门锁存器地址译码器地址译码器来自外设至外设ABRDWR无条件I/O举例——显示程序设计5.2.2查询式传送方式（又称条件传送——异步传送）CPU查询外设状态信息(Ready,Busy)，条件满足时，进行数据传送程序简单高速CPU查询低速外设浪费CPU时间，效率低输入接口原理图输出接口原理图程序流程图条件传送方式程序举例Test:movDPTR,#PORTSmovxA,@DPTRanlA,#40HjzTest；(jnzTest)movDPTR,#PORTDmovxA,@DPTR;输入(movx@DPTR,A；输出)0/1状态信号D6输入接口状态准备好？传送信息YESNOReady=1Busy=0(A)输入接口原理图地址译码器QRD三态缓冲器锁存器输入设备5V选通信号RD口地址PORTD译码PORTS译码D6Ready状态信号DB外设准备好，置入状态信号Q=1CPU读数据口时清掉状态信号12movDPTR,#PORTSmovxA,@DPTRmovDPTR,#PORTDmovxA,@DPTR;输入输出接口原理图外设将数据输出后，发“应答信号”清掉状态信号Q=0CPU写入数据后，置入状态信号Q=1口地址地址译码器QRD5V应答信号WR锁存器输出设备PORTD译码PORTS译码状态线Busy状态信息D6DB12RDmovDPTR,#PORTSmovxA,@DPTRmovDPTR,#PORTDmovx@DPTR,A;输出5．2．3中断传送方式中断：要求进行输入、输出的外设，发出就绪信号给CPU，作为中断请求，打断CPU正在进行的工作，即中断CPU正在执行的程序。中断过程中断方式与查询方式比较CPU与外设可并行工作提高了CPU的效率CPU可及时响应外部事件中断过程外设发出中断请求信号CPU(有条件)响应中断进行中断服务(执行中断服务程序，执行响应I/O操作)中断返回(继续执行原程序)中断方式与查询方式CPU占用时间比较打印机打印时间数据传输时间查询等待时间数据传输时间执行主程序中断服务时间中断方式查询方式外设工作利用DMAC(DMA控制器)实现成组、大批量的数据在内存和外设之间的快速传送。DMA过程：优点：速度快缺点：硬件复杂，成本增加5．2．4DMA传送方式DMA过程外设向DMAC发DMA申请DMAC向CPU发BUSRQCPU发BUSAK响应DMAC发存储器地址和读写信号DMA控制结束，恢复CPU对总线控制BUS外设接口DMACCPU存储器①②③存储器CPUI/O接口外设DMA控制器5.3.1中断的定义及必要性5.3.2中断源5.3.3中断的分类5.3.4中断系统的功能5.3.5中断处理过程5.3中断技术5．3．1中断的定义及必要性定义：所谓中断是指中央处理器CPU正在处理某件事的时候，外部发生了某一事件，请求CPU迅速处理，CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，处理完后，再回到原来被中断的地方，继续原来的工作。这样的过程称为中断。中断技术–对中断全过程的分析、研究必要性及应用中断功能便于实现1．分时操作2．实时处理3．故障处理4.主机与外设之间的速度匹配CPU和外设同时工作；CPU可以通过分时操作启动多个外设同时工作，统一管理。大大提高了CPU的利用率，也提高了输入、输出的速度。当计算机用于实时控制时，中断是一个十分重要的功能。现场的各个参数、信息，需要的话可在任何时候发出中断申请，要求CPU处理；CPU就可以马上响应（若中断是开放的话）加以处理。这样的及时处理在查询的工作方式是做不到的。计算机在运行过程中，往往会出现事先预料不到的情况，或出现一些故障：如电源突跳，存储出错，运算溢出等等。计算机就可以利用中断系统自行处理，而不必停机或报告工作人员。外设中断请求实时时钟中断请求控制对象中断源故障引起的中断人为设置的中断5．3．2中断源人为设置的中断，不是随机的，故称为自愿中断。强迫中断引起的中断都是随机。5．3．3中断的分类1.可屏蔽中断（MaskableInterrupt）2.非屏蔽中断（NonMaskableInterrupt）3.软件中断（SoftwareInterrupt）INTNMIMCS-51就是具有可屏蔽中断功能的一类CPU。中断类型中断请求信号可屏蔽中断INT中断请求输入线上输入非屏蔽中断NMI中断请求输入线上输入软件中断用中断指令使CPU响应中断中断类型CPU响应中断的方式可屏蔽中断开中断指令响应关中断指令屏蔽INT上来的低电平中断请求非屏蔽中断CPU必须予以响应，不能由软件指令屏蔽软件中断CPU只要执行这种指令，完成相应的中断功能5．3．4中断系统的功能中断系统能够实现中断功能的那部分硬件电路和软件程序。功能：1.能实现中断及返回2.能实现中断判优3.能实现中断嵌套中断判优多中断源同时发出中断请求，CPU根据中断的优先级判断优先执行的中断请求。中断嵌套CPU正在执行主程序CPU正在执行低级中断服务程序CPU正在执行高级中断服务程序挂起的中断中断处理过程所有的计算机的中断处理过程都可分为三个阶段：中断响应、中断处理和中断返回。中断响应条件有中断请求(中断请求标志位置1)CPU处于开中断状态：51内部有中断允许触发器EAEA=0禁止中断；EA=1开放中断。中断优先级CPU必须在现行一条指令结束时。1.中断响应响应中断，停止现行程序，转向中断处理程序入口地址。关中断（MCS-51响应中断后，不自动关中断)保护断点（自动将断点地址压入堆栈）将中断处理程序入口地址装入PC2.中断处理执行中断处理程序保护现场–保护中断服务程序中用到的寄存器和状态标志的内容中断服务–相应的中断源服务，完成一定的I/O操作恢复现场–完成中断服务后，将保存在堆栈中的现场数据恢复开中断和中断返回–RETI(中断返回指令）pushPSWpushACCpushDPHpushDPLpopDPLpopDPHpopACCpopPSW请看P150图5-225．4．1MCS-51的中断源和中断标志5．4．2MCS-51对中断请求的控制5．4．3MCS-51对中断的响应和撤除5．4．4MCS-51中断系统的初始化及应用5.4MCS-51的中断系统MCS-51的中断程序设计举例MCS-51的中断系统的结构MCS-51共有5个中断源外部中断0外部中断1T0定时器/计数器溢出中断T1定时器/计数器溢出中断串行口中断MCS-51的中断源中断标志由TCON和SCON特殊功能寄存器中的位来锁定MCS-51的中断系统的结构中断标志由TCON和SCON特殊功能寄存器中的位来锁定RX1.外部中断源外部中断0请求信号输入引脚：INT0(P3.2)外部中断1请求信号输入引脚：INT1(P3.3)INT08031INT1电平触发：低电平边沿触发：负边沿中断请求信号外部中断请求信号触发方式选择（IT0/1位）SETBIT02．内部中断源T/C0：定时/计数器0中断，由T/C0回零溢出引起。T/C1：定时/计数器1中断，由T/C1回零溢出引起。TI/RI：串行I/O中断，完成