输入输出及中断.pptx
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1、17第1页/共70页2CPU同外设间交换的信息由三类:同外设间交换的信息由三类:1.数据信息数据信息三种类型三种类型数字量数字量模拟量模拟量开关量开关量二进制二进制数数ASCII码表示的数或字符码表示的数或字符2.2.状态信息状态信息:表示外设当前所处的工作状态。表示外设当前所处的工作状态。3.3.控控制制信信息息:由由CPUCPU发发出出的的,用用于于控控制制I/OI/O接接口口的的工工作作方式以及外设的启动和停止等。方式以及外设的启动和停止等。第2页/共70页37.2 7.2 CPUCPU与外设交换数据的方式 无条件传送方式查询传送方式中断传送方式特点特点:(:(1)以以CPU为中心,控制
2、来自为中心,控制来自CPU,通过预先通过预先编写好的编写好的I/O程序实现数据的传送。程序实现数据的传送。(2)速度较低,传送路径经过)速度较低,传送路径经过CPU内部寄存器内部寄存器同时数据同时数据I/O响应也比较慢。响应也比较慢。第3页/共70页41.1.无条件传送方式无条件传送方式 (同步传送方式)(同步传送方式)外外设设的的工工作作时时间间已已知知,必必须须在在CPU限限定定的的指指令令时间内准备就绪,并完成数据的接收或发送。时间内准备就绪,并完成数据的接收或发送。方方法法:把把I/OI/O指指令令插插入入到到程程序序中中,当当程程序序执执行行到到该该指指 令令时时,外外设设已已作作好
3、好准准备备,于于是是在在此此指指令令时时间间内内完成数据传送任务。完成数据传送任务。优点:优点:软件及接口硬件简单软件及接口硬件简单缺点:缺点:CPU效率低,只适用于简单外设,适应范围较效率低,只适用于简单外设,适应范围较窄窄 第4页/共70页52.查询传送方式(异步传送方式)当CPU同外设不同步且不知道外设工作速率时,可采用此方式传送。传送前,CPU必须先对外设进行状态检测。适用场合:l外设并不总是准备好l对传送速率和效率要求不高对外设及接口的要求:l外设应提供设备状态信息l接口应具备状态端口第5页/共70页6完成一次传送过程的步骤如下:(1)通过执行一条输入指令,读取所选外设的当前状态(2
4、)根据该设备的状态决定程序去向外设“忙”或“未准备就绪”重复检测外设状态外设“空”或“准备就绪”发出I/O指令,进行一次数据传送。第6页/共70页7优点:软件比较简单缺点:CPU效率低,数据传送的实时性差,速度较慢第7页/共70页83 3中断传送方式 无条件传递和查询传送的缺点是:CPU和外设只能串行工作。为提高系统的工作效率,充分发挥CPU的高速运算能力,引入了“中断”系统,利用中断来实现CPU与外设之间的数据传送,这就是中断传送方式。特点:外设在需要时向特点:外设在需要时向CPU提出请求,提出请求,CPU再去为再去为 它服务。服务结束后或在外设不需要时,它服务。服务结束后或在外设不需要时,
5、CPU可执行自己的程序。可执行自己的程序。中断使中断使CPU和外设以及外设之间能并行工作。和外设以及外设之间能并行工作。第8页/共70页9工作过程:工作过程:在在中中断断传传送送方方式式中中,通通常常在在程程序序中中安安排排好好某某一一时时刻刻启启动动某某一一台台外外设设,然然后后CPU继继续续执执行行其其主主程程序序,当当外外设设完完成成数数据据传传送送的的准准备备后后,向向CPU发发出出中中断断请请求求信信号号,在在CPU可可以以响响应应中中断断的的条条件件下下,现现行行主主程程序序被被“中中断断”,转转去去执执行行“中中断断服服务务程程序序”,在在“中中断断服服务务程程序序”中中完完成成
6、一一次次CPU与与外外设设之之间间的的数数据据传传送送,传传送送完成后仍返回被中断的主程序,从断点处继续执行。完成后仍返回被中断的主程序,从断点处继续执行。优点:CPU效率高,实时性好,速度快缺点:程序编制较为复杂第9页/共70页10以上三种以上三种I/OI/O方式的共性方式的共性均需CPU作为中介:l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l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l缺点:程序的执行速度限定了传送的最大速度第10页/共70页11DMADMA(直接存储器存取)传递方式 外设和内存之间直接传送数据的方式,即DMA传送方式。在DMA传送方
7、式中,对这一数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器(DMAC)。特点:外设直接与存储器进行数据交换,不需要CPU干预也不需软件介入。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。第11页/共70页121.DMA操作的基本方法(1)周期挪用(Cycle Stealing)(2)周期扩散(3)CPU停机方式 最常用,最简单的传送方式第12页/共70页132.2.DMADMA的传送方式的传送方式(1)(1)单字节传送方式单字节传送方式 每次每次DMA传送传送只传送一个字节就立即释放总线。只传送一个字节就立即释放总线。(2)(2)
8、成组传送方式成组传送方式 DMAC在申请到总线后,将一组数据传送完后才在申请到总线后,将一组数据传送完后才释放总线,而不管中间释放总线,而不管中间DREQ是否有效。是否有效。(3)(3)请求传送方式请求传送方式(查询传送方式)(查询传送方式)成组传送,但每传送一个字节后,成组传送,但每传送一个字节后,DMAC查查DREQ,有效传,无效挂起。有效传,无效挂起。第13页/共70页14.DMAC(DMA控制器)的基本功能(1)能接收外设的请求,向CPU发出DMA请求信号。(2)当接到CPU发出DMA响应信号后,DMAC接管对总线的控制,进入DMA方式。(3)能寻址存储器,即能输出地址信息和修改地址。
9、(4)能向存储器和外设发相应的读/写控制信号。(5)能控制传送的字节数,判断DMA是否结束。(6)在DMA传送结束后,能结束DMA请求信号,释放总线,使CPU恢复正常工作。第14页/共70页15 7 7.3 .3 中断技术 中断外设随机地(指主程序运行到任何一条指令时)或程序预先安排产生中断请求信号,暂停CPUCPU正在运行的程序,转入执行称为中断服务的子程序,中断服务完毕后,返回到主程序被中断处继续执行的过程。中断源引起中断的事件第15页/共70页16通常中断源有以下几种:(1 1)输入、输出设备:如键盘、显示器和打印机等;(2 2)数据通道;(3 3)实时控制过程中的各种参数;(4 4)故
10、障源:如掉电保护等;(5 5)控制系统的现场测试信号以及软件中断。中断系统应具有以下功能:1.1.能实现中断响应、中断服务和中断返回 2.2.能实现中断优先级排队 3.3.能实现中断嵌套 第16页/共70页171.中断过程一个完整的中断基本过程包括:中断请求、中断判优、中断响应、中断处理及中断返回等五个基本过程。(1)中断请求当某一外部中断源要求CPU中断时,首先要向CPU发出中断请求,该请求信号被存放在中断源接口电路的中断请求触发器中暂存,并通过INTR或NMI信号线引入CPU。第17页/共70页18(2)中断判优)中断判优 由由于于中中断断请请求求是是随随机机的的,在在某某一一瞬瞬间间有有
11、可可能能出出现现两两个个或或两两个个以以上上中中断断源源同同时时提提出出请请求求的的情情况况。这这时时必必须须根根据据中中断断源源的的轻轻重重缓缓急急,给给每每个个中中断断源源确确定定一一个个中中断级别断级别 中断优先权中断优先权。另一个作用能实现中断嵌套。第18页/共70页19(3)中断响应CPU每执行完一条指令后,查询是否有中断请求。当查询到有中断请求且此时CPU允许中断(即IF=1,开中断),CPU响应中断。响应中断后系统做的工作:自动关中断;通过使IF清零来实现保存FR和断点;形成中断入口地址。通过中断矢量,查询中断地址表实现。第19页/共70页20(4 4)中断处理执行中断服务程序中
12、断服务开始要用压栈指令(PUSHPUSH)将要用到的寄存器内容压入堆栈,以便返回到主程序时能正确运行。保护现场中断服务程序结束后,用POPPOP指令把所保存的有关寄存器的内容从堆栈弹出,以便恢复到中断前的状态。恢复现场第20页/共70页21(5)中断返回通常在中断返回前,要用指令开中断,以便再次响应中断,然后执行中断返回指令第21页/共70页222.中断优先权(1)软件查询方式77第22页/共70页23(2)硬件优先权排队电路。简单硬件方式菊花链法或链式优先权排队电路。专用硬件方式可编程的中断控制器7第23页/共70页24 7.48086/8088的中断系统1.中断分类硬件中断(外部中断)软件
13、中断(内部中断)除法错中断除法错中断溢出中断溢出中断断点中断断点中断单步中断单步中断INT n指令中断指令中断非屏蔽中断非屏蔽中断可屏蔽中断可屏蔽中断256种中断源种中断源类型码类型码0255第24页/共70页25硬件中断由外部硬件产生的,也称外部中断。软件中断软件中断CPU根据软件的某些指令或者软件对标根据软件的某些指令或者软件对标志寄存器某个标志位的设置而产生的,志寄存器某个标志位的设置而产生的,由于它与外部中断电路完全无关,故称由于它与外部中断电路完全无关,故称为为内部中断内部中断。非屏蔽中断:通过非屏蔽中断:通过CPU的的NMI引入,它不受内部中断允引入,它不受内部中断允许标志位许标志
14、位IF的屏蔽,一般在一个系统中只的屏蔽,一般在一个系统中只允许有一个非屏蔽中断。允许有一个非屏蔽中断。可屏蔽中断:通过可屏蔽中断:通过CPU的的INTR引入引入,它受,它受IF的控制。的控制。只有在只有在IF=1时,时,CPU才能响应中断源的请才能响应中断源的请求。当求。当IF=0时,中断请求被屏蔽。时,中断请求被屏蔽。第25页/共70页262中断向量表存放中断地址的一段内存空间称中断向量表。l存放各类中断的中断服务程序的入口地址l位于内存的00000000000003FFH(即00000003FFH)大小为1KB,共256个入口地址l每个入口地址占用4个单元,依次为IP:CS,低字为段内偏移
15、,高字为段基址第26页/共70页27中断向量表中断向量表 00000H003FFH1KB第27页/共70页28IPCS中断类型码与中断向量所在位置(中断向量地址指针)之间的对应关系为:中断向量地址指针=4*中断类型码3第28页/共70页29例:中断类型码为20H(32)的中断源所对应的中断服务程序首址存放在00000080H(4*20H=80H)开始的4个单元中。若在0080H至0083H这4个单元中存放的值分别为10H、20H、30H、40H,则该系统中20H号中断所对应的中断处理(服务)程序入口地址为40302010H中断向量表中断向量表 0080H 10H20H30H40H0083H00
16、82H0081H第29页/共70页30内部中断软中断在8086/8088系统中,通过执行中断指令或由CPU本身启动的中断称为内部中断(也称软件中断)。除单步中断外,内部中断无法用软件禁止,即不受IF的影响。1、内部中断的类型(1)0型中断除法出错中断(2)1型中断单步中断(3)3型中断断点中断(4)4型中断溢出中断(5)INTn指令中断第30页/共70页312内部中断的处理过程如何获取相应的中断类型码专用中断:中断类型码是自动形成的。几种类型码为:类型0、1、3、4。对于INTn指令,其类型码为指令中给定的n。第31页/共70页32取得了类型码后的处理过程:取得了类型码后的处理过程:类型码类型
17、码*4 向量表指针。向量表指针。标志寄存器标志寄存器FR入栈,保护各个标志。入栈,保护各个标志。清除清除IF和和TF标志,屏蔽新的标志,屏蔽新的INTR中断和单步中断。中断和单步中断。保存断点(断点处保存断点(断点处IP和和CS压栈,先压压栈,先压CS后压后压IP)。)。从从中中断断向向量量表表中中取取出出中中断断服服务务程程序序入入口口地地址址分分别别送送入入IP和和CS中。中。按新的地址执行中断服务程序。按新的地址执行中断服务程序。第32页/共70页33非屏蔽中断NMI引脚产生的中断,不受IF控制,类型号为2。可屏蔽中断由CPU的INTR端接收可屏蔽中断。受IF控制,只有当IF=1,在一条
18、指令执行结束后,CPU才能响应可屏蔽中断的请求。第33页/共70页341.外部中断的响应外部中断的响应 CPU采样到非屏蔽中断请求时,自动提供中断类采样到非屏蔽中断请求时,自动提供中断类型号型号2,然后根据中断类型号,查找中断向量表指针,然后根据中断类型号,查找中断向量表指针,其后的处理与内部中断一样。其后的处理与内部中断一样。当当INTR信号有效,如信号有效,如IF=1,则则CPU执行完一条指执行完一条指令后,进入可屏蔽中断响应周期。在中断响应周期中令后,进入可屏蔽中断响应周期。在中断响应周期中CPU从数据线中获取外部设备的中断类型码。从数据线中获取外部设备的中断类型码。第34页/共70页3
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