第7章 输入输出系统.ppt

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2、基本概念7.1.2 微型计算机中的中断系统及功能7.1.3 微机系统中的中断调用机制7.1.4 IBM-PC微型计算机中断系统的结构7.2 输入输出接口7.2.1 输入输出概述7.2.2 输入输出接口的构成与功能7.2.3 输入输出接口信息的种类7.2.4 输入输出端口的编址方式7.2.5 输入输出指令7.2.6 输入/输出控制方式7.3 输入输出接口的扩展应用举例-模拟信号的采集及输出7.3.1信号采集输出接口卡简介7.3.2 程序控制传送方式的端口访问7.3.3 Windows环境接口程序设计简介本章小结习题 7.1 微型计算机中的中断机制 输入输出是计算机与外界交流信息的重要手段，在微型

3、计算机中有多种完成输入输出功能的控制方式。为了全面介绍微型计算机的输入输出系统，现将输入输出控制方式中常用的中断机制做一介绍。 7.1 微型计算机中的中断机制 中断是现代计算机系统中提高计算机工作效率的一项重要技术。除了传统的外部事件（硬件）引起的中断外，在微型计算机系统中又引进了CPU内部软件中断的概念，构成了一个完整的计算机中断系统。 7.1 微型计算机中的中断机制 7.1.1中断的基本概念 中断是一种使CPU暂时中止正在执行的程序而转去处理一个临时发生，或虽然由程序预先安排，但出现在现行程序的什么地方是事先不知道的特殊事件（执行中断服务子程序），待中断服务程序执行完毕，能够自动返回到被中

4、断程序继续执行的操作。 7.1 微型计算机中的中断机制1、中断技术的特点 在微型计算机系统中，中断技术具有以下几个方面的特点：同步处理能力 /快速响应，实时处理 /故障处理2、中断源 能够引起计算机中断的内部或外部原因称中断源。产生中断的外部因素一般是由于计算机的外设要求数据的输入/输出操作时请求CPU为之提供的服务或其他硬件产生的故障等；而内部因素一般是当CPU处理某些特殊的事件时所引起，或通过内部CPU执行程序时遇到的特殊情况（例如除法出错）或通过CPU执行中断指令产生。 7.1 微型计算机中的中断机制3、中断处理过程 在微型计算机系统中，一个中断的处理过程可以分为以下4个过程：u中断请求

5、 中断源向CPU发出请求中断的申请，称中断请求。u中断响应 在CPU收到中断请求信号后，对中断请求做出的服务响应。 7.1 微型计算机中的中断机制u中断服务 在CPU做出中断响应后，执行中断服务程序完成对发生中断事件处理的过程称之为中断服务。u中断返回 在执行完中断服务程序后，返回中断发生时原来程序运行的中断点继续执行的处理过程。 7.1 微型计算机中的中断机制 中断系统是中断装置和中断处理程序统称，它是在计算机系统中为实现中断功能而设置的，由硬件实现的中断控制逻辑和管理相应中断的软件指令构成，是计算机的重要组成部分。从中断管理和处理的角度，微型计算机的中断系统应具有以下功能：7.1.2 微型

6、计算机中的中断系统及功能 7.1 微型计算机中的中断机制 1、中断源识别识别中断源一般有查询法和矢量法两种方法查询法 这是通过程序来查询的方法来判别是哪一个中断源提出的中断请求。向量法(矢量法) 该方法的基础是中断向量，也就是中断标识码。它是为中断源预先指定的识别标志，可用来形成相应的中断服务程序的入口地址或存放中断服务程序的首地址。 7.1 微型计算机中的中断机制2、实现中断响应和中断返回CPU中断响应过程如下：保护断点和现场 将断点处的PC值（即下一条应执行指令的地址）压入堆栈保存，称之为保护断点，该操作由硬件自动执行；将有关的寄存器内容和标志位状态压入堆栈保留下来，这称为保护现场，该操作

7、由用户自己编程完成。执行中断服务程序中断返回 恢复原保留寄存器的内容和标志位的状态，这称为恢复现场，该操作由用户编程完成；然后，执行中断返回RETI，该指令的功能是恢复PC值，使CPU返回断点，这称为恢复断点。恢复现场和断点后，CPU将继续执行原来的主程序，中断响应过程到此为止。 7.1 微型计算机中的中断机制 3、实现优先权排队 为最大限度地提高系统的性能，在微机系统中一般设有多个中断源。这时，当有一个以上的中断源同时发出中断请求时，CPU必须能确定首先响应哪一个中断。为此，为了有一个判别的标准，在计算机中断系统中为每个中断源设定了一个优先级别，称为优先权。 7.1 微型计算机中的中断机制图

8、图7.2 中断嵌套示意图中断嵌套示意图4、实现中断嵌套 CPU将中断正在进行的中断服务程序，并保留这个程序的断点转去响应优先权更高级的中断，并在高级中断处理结束以后，继续进行被中断的中断服务程序，这个过程称为中断嵌套。中断嵌套的过程示意见图7.2。 7.1 微型计算机中的中断机制 根据程序的结构性质，中断处理的过程与子程序调用有些类似，但又有本质的不同。 1中断请求与中断屏蔽 中断请求就是某个中断源发出的、需要CPU中断正在运行的程序而对自己的特定需求进行立即处理的信号。如果系统由于某种原因（优先级别，运行时间等），不允许某个中断发中断请求，这时即使系统本身要求发中断请求，也不能发出。这种情况

9、称作中断被“禁止”或被“屏蔽”。7.1.3 微机系统中的中断调用机制 7.1 微型计算机中的中断机制2中断响应 所谓中断响应就是如何找到中断服务程序入口，转向执行中断服务程序的过程。若为可屏蔽中断请求，能否响应中断还取决于以下的条件：中断未被屏蔽CPU处于中断允许状态CPU执行完一条指令 7.1 微型计算机中的中断机制 3 中断处理 中断处理过程与微处理器的结构有密切关系，不同结构的微处理机，其中断处理的具体步骤也不完全一样。以可屏蔽中断为例，整个过程可以分为4个环节，中断准备、中断处理、现场回复和中断返回。具体可以分为以下几步：关中断保存断点保护现场进行中断处理恢复现场中断返回 7.1 微型

10、计算机中的中断机制 1 系统构成 IBM-PC微型计算机的中断系统构成见图7.3。其中，虚线框内的中断为内部中断，框外的中断为外部中断。 7.1.4 IBM-PC微型计算机中断系统的结构 7.1 微型计算机中的中断机制图图7.3 8086 CPU的中断系统构成的中断系统构成 7.1 微型计算机中的中断机制（1） 内部中断 内部中断又称软件中断，是由指令驱动或者是由指令通过CPU状态间接驱动的中断。内部中断的特点是：中断类型号是指令中指定的，或是隐含的。CPU不执行中断响应总线周期INTA。除单步中断外，其他内部中断的优先级都比外部中断的要高，都不能被屏蔽（禁止）。单步中断的优先级是所有中断里最

11、低的，并可以用中断允许标志位TF置0来屏蔽。其他内部中断的优先级顺序依次为：除法出错中断、INTn指令中断、INT 0溢出中断和断点中断。 7.1 微型计算机中的中断机制 由INTn指令调用的软中断可以分为以下几种类型：BIOS中断DOS中断未定义自由中断特殊中断（2） 外部硬件中断 顾名思义，外部硬件中断是由外部设备提出的中断请求而产生的。硬件中断通过CPU的两条外部中断请求信号线以及8259A中断控制器引入（具体内容可参看第六章有关内容），分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断两种。 7.1 微型计算机中的中断机制图图7.4 中断向量表的结构中断向量表的结构2中断类型号和中断向量表 在微型计算机中，

12、对于所有的中断源系统都给它们分配了一个表示中断源的代号，这个代号称之为中断类型号。对于每一个中断类型号，通过定义可以与一个中断服务程序相对应。中断向量表的结构见图7.4。 7.1 微型计算机中的中断机制 3. Pentium处理器的中断特征 与8086 CPU类似，Pentium处理器的中断系统也采用向量中断结构，可处理256种类型的中断。除了支持实地址方式和保护方式下的中断处理外，Pentium处理器还支持多处理器的高级可编程中断技术，因而，中断处理功能比16位CPU要强大得多。Pentium处理器将引起程序中断的来源分为硬件中断、软件中断和异常三类。 7.1 微型计算机中的中断机制 4 P

13、entium系列微型计算机保护方式下的中断特点 保护方式的中断处理过程与实地址方式相比有几点不同：第一，CPU根据中断类型号从中断描述符表而不是中断向量表获取中断服务程序入口地址的有关信息，中断描述符表的起始位置可由程序选择。第二，中断过程中要对被中断的程序代码进行保护，即要进行特权级检查。第三如果有出错码，还要将出错码压人堆栈。7.2 输入输出接口7.2.1 输入输出概述 为了能使微型计算机工作，各种外部设备(简称外设)是必不可少的。一般的外设具有以下特点：u相对于主机，外设的工作速度远比主机慢，有时会相差几个数量级。u外设所采用的数据格式和主机内部的数据格式不同，外设的数据一般为8位格式，

14、而主机内部采用的数据宽度要大的多。目前，64位的微型计算机已经广泛应用，甚至有向128位宽度发展的趋势。u外设与主机通常使用各自独立的时序控制逻辑，两者之间表现为异步工作状态。7.2 输入输出接口图图7.6微机系统与接口微机系统与接口 输入输出接口是计算机系统与外设交互信息的渠道、是计算机系统中用来协助完成传送数据和控制信息任务的部件，见图7.6。 从功能上来讲，计算机系统的输入输出接口可以分为通用接口与专用接口。7.2 输入输出接口 1 输入输出接口的构成 输入输出接口是指位于计算机系统的CPU与外设间通过系统总线进行信息传递的逻辑部件，是用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路。一个基本的

15、计算机系统的输入输出接口主要由三部分组成：与计算机总线的连接的数据锁存与缓冲逻辑、接口内部的地址译码与控制逻辑以及与外设连接的端口。它们的功能都是通过一系列寄存器或其他逻辑电路来实现的，基本逻辑原理见图7.7。 其外部特性反映为：面向微处理器一侧的信号：与微处理器总线兼容面向外设一侧的信号：与所接口的外设有关7.2.2 输入输出接口的构成与功能7.2 输入输出接口图图7.7 计算机接口逻辑计算机接口逻辑7.2 输入输出接口 下面将输入输出接口的基本组成做一简要的介绍：（1） 端口部分： 接口部分通常设置有若干个寄存器，用来暂存与外设交换的数据、状态和控制命令，这些寄存器被称为端口。（2） 地址

16、译码电路 地址译码是接口的基本功能之一。CPU在执行输入输出指令时，向地址总线发送16位外部设备的端口地址。接口电路在接收到与本接口相关的地址后，译码电路将根据接收到的地址信息产生相应的选通信号7.2 输入输出接口（3） 数据锁存器与缓冲器 计算机的接口是通过系统总线与CPU交换信息的。由于在微机的系统数据总线上连接着许多需要与CPU进行信息交换的设备，因此，为了使系统数据总线能够正常地进行数据传送，要求所有的这些连接到系统数据总线的设备具有三态输出的功能。7.2 输入输出接口 2 输入输出接口的功能 输入输出接口在计算机系统中起着与系统外部其他部件之间连接界面的做用。有以下主要功能：设备寻址

17、与选择功能信息传输与缓冲功能信号电平与数据格式转换功能提供联络信号功能中断管理和通信控制功能可编程功能 7.2 输入输出接口 根据交互的要求，CPU与输入输出设备之间传送的信息通常包括数据信息，状态信息和控制信息三种类型。n 数据信息 数据信息是CPU与外部设备信息交互的基本信息。按照信号的物理形态，主要可分为：数字量、开关量和模拟量。7.2.3 输入输出接口信息的种类7.2 输入输出接口n 状态信息 在微型计算机系统与外部设备进行信息交互的过程中，状态信息用来表述外部设备当前的工作状态，用以协调CPU与外部设备之间的操作和CPU对外部设备的控制。n 控制信息 控制信息是CPU通过接口发送给外

18、设命令或信息，用于指定外部设备的工作方式，控制外设工作。7.2 输入输出接口 在微型计算机系统中，CPU为了对输入输出端口（寄存器）进行读写操作，为端口赋予了一个惟一的地址。CPU对I/O端口的编址方式有外设端口地址与内存地址统一编址和外设端口地址与内存地址独立编址两大类。7.2.4 输入输出端口的编址方式7.2 输入输出接口统一编址的主要特点如下：在输入输出操作中，CPU对I/O端口的操作与对存储器的操作完全相同，但执行的速度相对较慢。I/O端口寄存器的数目几乎不受限制，但外设端口占用内存的部分地址。存储器访问指令丰富、程序设计灵活性较高，但是为了寻址一个I/O端口，需要对全部地址线进行译码

19、。7.2 输入输出接口独立编址的主要特点有：使用了与存储器不同的地址空间，这样就不会影响对内存的使用。设置了专门的I/O指令，指令长度较短，这些速度快。但是，独立的输入输出指令必须是为CPU专门设计的。相对于目前越来越大的存储器空间的地址线，I/O端口的地址空间要小的多。在系统中将I/O指令设计成特权指令，普通用户只能使用由操作系统提供的接口来访问端口，从而为实现设备驱动创造了条件。7.2 输入输出接口I/O端口地址的分配和选用原则 为了在系统中添加新的用外设，必须了解系统I/O端口资源分配的情况，以便了解哪些地址已经分配给了已有的外设，哪些地址是用户可以使用的。对于不同的微型计算机系统，它们

20、对输入输出的地址分配是不同的。7.2 输入输出接口 一般的访问系统端口的操作指令可以由多种语言来实现，下面做一简要的介绍。 1、汇编语言指令 用于从端口输入的指令“IN”和用于往端口输出的指令“OUT”直接对应的，具体有以下几种形式：直接地址的I/O指令间接地址的I/O指令 2、实现输入输出操作的C语言函数 以Turbo C语言为例，在dos.h头文件中就定义了6个用于端口读写的函数。7.2.5 输入输出指令7.2 输入输出接口 概括起来，微型计算机在数据输入输出过程中采取控制方式通常有以下三种：n程序控制传送方式 根据程序的不同控制方式，具体实现又可分为无条件传送和条件传送二种方式两种情况。

21、n中断控制传送方式 在程序控制传送方式下的数据传送过程中，数据传输的可靠性是以CPU不断查询I/O外设的状态、牺牲CPU大量的工作时间来保证的。7.2.6 输入/输出控制方式7.2 输入输出接口图图7.8 DMA控制传送方式控制传送方式存储器直接存取（DMA）控制传送方式，见图7.8。 7.3 输入输出接口的扩展应用举例-模拟信号的采集及输出 7.3.1信号采集输出接口卡简介 模/数(A/D)、数/模(D/A)接口卡是一种专门设计的微型计算机接口装置，这种插件集A/D，D/A转换所需的芯片、接口电路及固化软件于一体，可用于各类电信号的采集、控制和处理后电信号输出。目前市场上应用的信号转换接口卡

22、的外形见图7.9。 7.3 输入输出接口的扩展应用举例-模拟信号的采集及输出图图7.9 数据采集接口卡数据采集接口卡 7.3 输入输出接口的扩展应用举例-模拟信号的采集及输出信号采集接口卡原理框图如图7.10所示。图图7.10 信号采集接口卡原理框图信号采集接口卡原理框图 7.3 输入输出接口的扩展应用举例-模拟信号的采集及输出1、模拟信号的采集 实例参加教材，略。2、模拟信号的输出 根据接口卡的设计参数，DA输出数据低8位dal的端口地址是IOBase+8，DA输出数据高4位dah的端口地址是IOBase+9。3、开关量输入输出控制 在自动化控制系统中常常需要输入一些表示开关状态的信号，或者

23、控制某个外设的启动和停止，这些量统称为“开关量”。7.3.2 程序控制传送方式的端口访问 7.3 输入输出接口的扩展应用举例-模拟信号的采集及输出 在AD7200接口卡的动态链接库中，为提供了大量用于接口卡设置和数据采集的应用函数。下面，将示例程序有关的数据采集函数做一简要的介绍。开关量采集函数 功能：读取采集卡开关量状态以及输入的脉冲量。模拟量采集函数 功能：读取采集卡模拟量的转换值,采集的结果放置在数组ADResult()数组中。7.3.3 Windows环境接口程序设计简介 7.3 输入输出接口的扩展应用举例-模拟信号的采集及输出采集卡初始化函数 功能：设置模拟采集的通道数、采集的起始通

24、道号以及程控放大器的放大倍数。开关量输出控制函数 功能：控制从开关量输出端输出开关量。模拟量输出控制函数 功能：控制模拟量输出。脉冲量输出控制函数 功能：设置脉冲量的输出。本章小结输入输出接口是计算机系统与外设交互信息的渠道、是计算机系统中用来协助完成传送数据和控制信息任务的部件。在微型计算机系统中接口部件在与外设进行信息交换的过程中起着数据缓冲、隔离、数据格式变换、寻址、同步联络和定时控制等作用，各种方式的数据传送都是在接口的支持下实现的。作为计算机的一项重要技术，中断机制是在现代计算机系统中提高计算机工作效率的一种重要手段。本章小结本章从应用以及程序设计的角度较为详细地介绍了程序传输控制方

25、式（包括无条件传输方式和查询传输方式）、中断传输方式以及DMA传输方式等不同的传输方式。本章借助于广泛应用于工业自动化以及各种不同领域的测量和控制要求的接口卡进行扩充，简化复杂的硬件设计，作为计算机及相关的软件专业人员应用计算机接口技术的实例。习题选择题( 1 ) 微型计算机在数据输入输出过程中采取控制方式，通常有（ ） . A 程序控制传送方式 B 中断控制传送方式 C 存储器直接存取（DMA）控制传送方式 D 以上三种都是( 2 )当单步跟踪标志TF = 1 引发的单步中断程序却能连续执行，其原因是（ ）。 A . TF=0 B 中断允许. C 现场已进栈保存 D 与TF 无关( 3 ）软

26、中断INT n ( n =10H - FFH ）的优先级排列原则是（ ）。 A n值愈小级别愈高 B 无优先级别 C n值愈大级别愈高 D 随应用而定习题( 4 ) I/O指令将端口的地址存放在DX寄存器中的是（ ） . A . 间接地址的I/O指令 B . 直接地址的I/O指令 C . 16位地址的I/O指令 D. 8位地址的I/O指令( 5 )( )的优先级是所有中断里最低的。 A BIOS中断 B . 单步中断 C . DOS中断 D 特殊中断( 6 )微型计算机中，系统给所有的中断源都分配了一个中断源的代号，这个代号称之为( )。 A 中断类型号 B 中断向量 C中断源 D 中断代号习

27、题( 7 ) 输入输出端口的编址方式中，关于独立编址的说法不正确的是 ( )。 A 使用独立的读写控制逻辑访问I/O端口。 B 须使用较多的地址线。 C 使用了与存储器不同的地址空间。 D 不会影响对内存的使用。习题2、填空题：( 1 ) CPU与输入输出设备之间传送的信息通常包括( )，( )和( )三种类型。( 2 ) CPU对I/O端口的编址方式有( )和( )两类。( 3 )Pentium处理器将引起程序中断的来源分为( )，( )和( )三类。( 4 )输入输出接口有以下主要功能( )，( )，( )，( )，( )和( )。习题3、概念解释：中断，中断源，中断请求，中断响应，中断系统，中断优先权，中断嵌套。4、简答题（1）中断系统应该有哪些功能？（2）说明中断处理过程。（3）中断技术的特点是什么？（4）8086 / 8088 CPU 响应可屏蔽中断INTR的条件是什么？