第7章　输入输出系统概述.ppt

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1、微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 第第7章章 输入输入/输出系统概述输出系统概述微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术【任务驱动任务驱动】输入输出系统是将外部设备与CPU、主存在电信号上及机械上连接起来，使外设与计算机之间可以进行信息的传送，以完成将要处理的各种信息输入，并通过输出得到处理的结果。输入输出系统包括输入输出的设备、接口以及完成输入输出操作所需的硬件及软件。主要功能是对指定的外部设备进行输入输出的操作。通过本章学习要使学生理解接口的概念和它在计算机系统中的重要作用，熟练掌握CPU与I/O设备间的信息传送方式及各方式的特点和区别，掌握中断和DMA的概

2、念，理解中断和DMA控制器的组成和工作原理并能应用之，了解I/O端口编址方式和寻址电路设计。【重点难点重点难点】1接口的概念和功能2CPU与I/O设备间的信息传送方式3中断和DMA的相关概念微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.1 接口的基本概念接口的基本概念 7.2 I/O端口及寻址方式端口及寻址方式 7.3 CPU与与I/O设备间的信息传送方式设备间的信息传送方式 7.4 中断系统中断系统 7.5 可编程可编程DMA控制器控制器 微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 输入输出（输入输出（I/O）设备作为计算机系统的一个重要组成部分，）设备作为计算机系统的一

3、个重要组成部分，能够实现计算机与外界之间的信息交换。各种外部信息，包括程能够实现计算机与外界之间的信息交换。各种外部信息，包括程序、数据等，都必须通过输入设备才能输入至计算机。而计算机序、数据等，都必须通过输入设备才能输入至计算机。而计算机内部的各种信息也只有通过输出设备才能实现显示和打印等控制内部的各种信息也只有通过输出设备才能实现显示和打印等控制动作。在微机系统中，动作。在微机系统中，CPU与外部设备交换信息是非常重要与频与外部设备交换信息是非常重要与频繁的操作，这种操作必须利用输入输出设备，并通过繁的操作，这种操作必须利用输入输出设备，并通过I/O接口接口（Interface）与系统相连

4、来实现。）与系统相连来实现。这一章，我们将主要讨论这一章，我们将主要讨论I/O接口和系统中的数据传送机制，其内接口和系统中的数据传送机制，其内容包括：容包括：I/O接口、接口、I/O端口寻址方式、端口寻址方式、CPU与外设之间的数据传与外设之间的数据传送方式等。送方式等。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.1 接口的基本概念接口的基本概念 在不同的微机系统中，为实现外部设备与微机系统的连接，在不同的微机系统中，为实现外部设备与微机系统的连接，人们使用了大量的输入输出设备，如键盘、鼠标、显示器、软人们使用了大量的输入输出设备，如键盘、鼠标、显示器、软/硬磁盘存储器等；在某些控

5、制场合，还用到了模硬磁盘存储器等；在某些控制场合，还用到了模/数转换器、数数转换器、数/模转换器等。由于以上这些设备和装置的工作原理、驱动方式、模转换器等。由于以上这些设备和装置的工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度等各不相同，其数据处理速度也各不信息格式、以及工作速度等各不相同，其数据处理速度也各不相同，但都比相同，但都比CPU的处理速度要慢。所以，这些外部设备不能的处理速度要慢。所以，这些外部设备不能与与CPU直接相连，而必须经过中间电路再与系统连接，这部分直接相连，而必须经过中间电路再与系统连接，这部分中间电路被称作中间电路被称作I/O接口电路，简称接口电路，简称I/O接口。也就是

6、说，接口。也就是说，I/O接接口是位于系统与外设间的、能够协助完成数据传送和传送控制口是位于系统与外设间的、能够协助完成数据传送和传送控制任务的那部分电路。任务的那部分电路。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.1.1 I/O接口的功能接口的功能 作为接口电路，通常必须为外部设备提供几个不同地址作为接口电路，通常必须为外部设备提供几个不同地址的寄存器，每个寄存器称为一个的寄存器，每个寄存器称为一个I/O端口。通常的端口。通常的I/O接口示接口示意图如图意图如图7.1所示：所示：I/O接口内部通常由数据、状态、控制三接口内部通常由数据、状态、控制三类寄存器组成，类寄存器组成，C

7、PU可分别对数据、状态、控制三种端口可分别对数据、状态、控制三种端口（port）寻址，并与之交换信息。这三种端口被简称为数据）寻址，并与之交换信息。这三种端口被简称为数据口、状态口、控制口。口、状态口、控制口。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 I/O接口示意图：接口示意图：微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 数据寄存器可分为输入缓冲寄存器和输出缓冲寄存器两种。在数据寄存器可分为输入缓冲寄存器和输出缓冲寄存器两种。在输入时，由输入缓冲寄存器保存外设发往输入时，由输入缓冲寄存器保存外设发往CPU的数据；在输出时，的数据；在输出时，由输出缓冲寄存器保存由输出缓冲

8、寄存器保存CPU发往外设的数据。有了输入发往外设的数据。有了输入/输出缓冲输出缓冲寄存器，就可以在高速工作的寄存器，就可以在高速工作的CPU与慢速工作的外设之间起协调与慢速工作的外设之间起协调与缓冲作用。与缓冲作用。状态寄存器主要用来保存外设现行的各种状态信息，从而让状态寄存器主要用来保存外设现行的各种状态信息，从而让处理器了解数据传送过程中正在发生或最近已发生的状况。处理器了解数据传送过程中正在发生或最近已发生的状况。控制寄存器用来存放处理器发来的控制命令与其它信息，确控制寄存器用来存放处理器发来的控制命令与其它信息，确定接口电路的工作方式和功能。定接口电路的工作方式和功能。以上三种寄存器是

9、以上三种寄存器是I/O接口电路中的核心部分，在较复杂的接口电路中的核心部分，在较复杂的I/O接口电路中还包括有数据总线和地址总线缓冲器、端口地址译码接口电路中还包括有数据总线和地址总线缓冲器、端口地址译码器、内部控制器、对外联络控制逻辑等部分。器、内部控制器、对外联络控制逻辑等部分。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术任何接口电路，均包括如下基本功能：任何接口电路，均包括如下基本功能：1.数据缓冲数据缓冲2.转换信息格式转换信息格式3.提供联络信号，协调数据传送的状态信息。提供联络信号，协调数据传送的状态信息。如设备如设备“就绪就绪”、“忙忙”，数据缓冲器，数据缓冲器“满满”、

10、“空空”等等信号。信号。4.协调定时差异。协调定时差异。5.进行译码选址。进行译码选址。6.实现电平转换。实现电平转换。7.具备时序控制。具备时序控制。8.可编程序。可编程序。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.1.2 CPU与与I/O之间的接口信号之间的接口信号CPU与与I/O之间的接口信号通常包括数据、状态信息和控制信之间的接口信号通常包括数据、状态信息和控制信息等。息等。1.数据数据:数字量、模拟量和开关量等三种类型。数字量、模拟量和开关量等三种类型。2.状态信息状态信息:指示输入输出设备当前的状态。指示输入输出设备当前的状态。当有输入时，主要查看输入设备是否准备好。

11、若准备好，则状态当有输入时，主要查看输入设备是否准备好。若准备好，则状态信息为信息为Ready；当有输出时，看输出设备是否有空。若有空，则状态信息为当有输出时，看输出设备是否有空。若有空，则状态信息为Empty（闲）。若输出设备正在输出信息，则状态信息显示为（闲）。若输出设备正在输出信息，则状态信息显示为Busy（忙）。（忙）。3.控制信息控制信息:控制设备的启动与停止。控制设备的启动与停止。数据、状态和控制信息作为数据、状态和控制信息作为CPU与与I/O设备间的接口信号，必设备间的接口信号，必须分别传送。须分别传送。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.2 I/O端口及其寻

12、址方式端口及其寻址方式 外部设备与微处理器进行信息交换必须通过访问该外设外部设备与微处理器进行信息交换必须通过访问该外设相对应的端口来实现。具体访问这些外设端口的过程叫做寻相对应的端口来实现。具体访问这些外设端口的过程叫做寻址。端口的寻址方式通常有两种：址。端口的寻址方式通常有两种：存储器映像的存储器映像的I/O寻址方式和寻址方式和I/O端口单独寻址方式。端口单独寻址方式。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.2.1 存储器映像的存储器映像的I/O寻址方式寻址方式存储器映像的存储器映像的I/O寻址方式是将寻址方式是将I/O端口地址与存储器地址统一端口地址与存储器地址统一分配，

13、同等看待。也可以认为是在存储器中给分配，同等看待。也可以认为是在存储器中给I/O端口分配了一个端口分配了一个存储器地址。像存储器地址。像Motorola公司生产的公司生产的MC6800/68000系列就采用系列就采用了这种寻址方式。其寻址的连接方式如图所示。了这种寻址方式。其寻址的连接方式如图所示。A15微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 优点是：端口寻址手段丰富，对其数据进行操作可与优点是：端口寻址手段丰富，对其数据进行操作可与对存储器操作一样灵活。且不需要专门的对存储器操作一样灵活。且不需要专门的I/O指令，这有利于指令，这有利于I/O程序的设计。此外，这种程序的设计。此

14、外，这种I/O寻址方式还有两个优点：一寻址方式还有两个优点：一是是I/O寄存器数目与外设数目不受限制，而只受总存储容量的寄存器数目与外设数目不受限制，而只受总存储容量的限制；二是读写控制逻辑比较简单。限制；二是读写控制逻辑比较简单。缺点是缺点是:I/O端口要占用存储器的一部分地址空间，使可端口要占用存储器的一部分地址空间，使可用的内存空间减少。用的内存空间减少。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.2.2 I/O端口单独寻址方式端口单独寻址方式 I/O端口单独寻址方式是将端口单独寻址方式是将I/O端口和存储器分开寻址，端口和存储器分开寻址，各自独立编地址。由于它们编址的独立性

15、，微处理器需要提各自独立编地址。由于它们编址的独立性，微处理器需要提供两类访问指令：一类用于存储器访问，它具有多种寻址方供两类访问指令：一类用于存储器访问，它具有多种寻址方式；另一类用于式；另一类用于I/O端口的访问，这类指令往往比较简单。在端口的访问，这类指令往往比较简单。在这种寻址方式中，这种寻址方式中，CPU访问访问I/O端口必须采用专用端口必须采用专用I/O指令，指令，故也叫专用故也叫专用I/O指令方式（指令方式（Special I/O Instruction Mode）。）。这些专用的这些专用的I/O指令通常有两类，即输入指令指令通常有两类，即输入指令IN、输出指令、输出指令OUT及

16、其相关指令组。及其相关指令组。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术8086/8088等就采用了等就采用了I/O端口单独寻址方式。指令包含端口单独寻址方式。指令包含直接寻址和寄存器间接寻址两种类型。如采用直接寻址，则直接寻址和寄存器间接寻址两种类型。如采用直接寻址，则其指令格式为：其指令格式为：输入指令：输入指令：IN AL，PORT 输出指令：输出指令：OUT PORT,AL这种直接寻址方式的端口地址为一个字节长，可寻址这种直接寻址方式的端口地址为一个字节长，可寻址256个端口。个端口。如采用间接寻址，则其指令格式为：如采用间

17、接寻址，则其指令格式为：输入指令：输入指令：IN AL，DX 输出指令：输出指令：OUT DX，AL这种间接寻址方式的端口地址为两个字节长，由这种间接寻址方式的端口地址为两个字节长，由DX寄存器寄存器间接给出，可寻址间接给出，可寻址64K个端口地址。个端口地址。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 这种寻址方式的优点是：这种寻址方式的优点是：I/O口的地址空间独立，且不口的地址空间独立，且不占用存储器地址空间。地址线较少，且寻址速度相对较快；占用存储器地址空间。地址线较少，且寻址速度相对较快；专门专门I/O指令的使用，使编制的程序清晰，便于理解和检查。指令的使用，使编制的程序清

18、晰，便于理解和检查。缺点是缺点是I/O指令较少，访问端口的手段远不如访问存储器的手指令较少，访问端口的手段远不如访问存储器的手段丰富，导致程序设计的灵活性较差；需要存储器和段丰富，导致程序设计的灵活性较差；需要存储器和I/O端口端口两套控制逻辑，增加了控制逻辑的复杂性。两套控制逻辑，增加了控制逻辑的复杂性。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.3 CPU与与I/O设备间的信息传送方式设备间的信息传送方式 当信息在当信息在CPU与外部设备之间传输时，为提高工作效率，与外部设备之间传输时，为提高工作效率，保证传送的可靠性，按照传送控制方式的不同，通常包括程保证传送的可靠性，按照传

19、送控制方式的不同，通常包括程序控制方式、中断传送方式以及序控制方式、中断传送方式以及DMA方式。方式。7.3.1 程序控制方式程序控制方式 程序控制方式是指在程序控制下进行信息传送的方式。包程序控制方式是指在程序控制下进行信息传送的方式。包括无条件传送方式和条件传送方式。括无条件传送方式和条件传送方式。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术1.无条件传送方式：无条件传送方式：无条件传送是一种最简单的程序控制传送方式。当程序执行到无条件传送是一种最简单的程序控制传送方式。当程序执行到输入输出指令时，输入输出指令时，CPU不需了解端口的状态，直接进行数据的传送。不需了解端口的状态，直

20、接进行数据的传送。这种信息传送方式，只限于定时为已知且固定不变的低速这种信息传送方式，只限于定时为已知且固定不变的低速I/O接口，接口，或不需要等待时间的或不需要等待时间的I/O设备才能使用。当设备才能使用。当CPU与外部设备交换数与外部设备交换数据时，总认为它们处于据时，总认为它们处于“就绪就绪”状态，随时可进行数据传送。状态，随时可进行数据传送。按这种方式传送信息时，外部设备必须已准备好，系统不需要按这种方式传送信息时，外部设备必须已准备好，系统不需要查询外设的状态。在输入时，只给出查询外设的状态。在输入时，只给出IN指令；而在输出时，则仅给指令；而在输出时，则仅给出出OUT指令。这种传送

21、方式的输入输出接口电路最简单，一般只需指令。这种传送方式的输入输出接口电路最简单，一般只需要设置数据缓冲寄存器和外设端口地址译码器就可以了。其接口示要设置数据缓冲寄存器和外设端口地址译码器就可以了。其接口示意图如下所示。意图如下所示。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术对于输入设备，由于输入数据在数据总线上保持的时间对于输入设备，由于输入数据在数据总线上保持的时间很短，可直接利用三态缓冲器，不必加锁存器。很短，可直接利用三态缓冲器，不必加锁存器。对于输出设备，一般需要锁存器，要求对于输出设备，一般需要锁存器，要求CPU送出的数

22、据送出的数据在接口电路的输出端保持一定的时间。在接口电路的输出端保持一定的时间。无条件传送的接口电路和程序控制都比较简单，但有它无条件传送的接口电路和程序控制都比较简单，但有它特殊的应用条件：输入时外设必须已准备好数据，输出时接特殊的应用条件：输入时外设必须已准备好数据，输出时接口锁存器必须为空。即接口和口锁存器必须为空。即接口和I/O设备在无条件传送时必须保设备在无条件传送时必须保持持“就绪就绪”状态。状态。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 例例7.1把开关键的状态通过三态缓冲器把开关键的状态通过三态缓冲器74LS244接口芯片采集进接口芯片采集进来，把采集结果再通过来，

23、把采集结果再通过74LS373锁存器接口芯片驱动锁存器接口芯片驱动8个指示灯显个指示灯显示出来。示出来。分析：硬件电路设计如图所示，为一个无条件传送的接口电路。其分析：硬件电路设计如图所示，为一个无条件传送的接口电路。其中中8位锁存器位锁存器构成输出口。数据的构成输出口。数据的锁存通过信号锁存通过信号DE来来控制，并经反向驱控制，并经反向驱动器驱动动器驱动8个发光个发光二极管发光。三态二极管发光。三态缓冲器构成输入口。缓冲器构成输入口。它与它与8个开关相连，个开关相连，当当CPU选通三态选通三态缓冲器时，读取缓冲器时，读取各开关的状态。各开关的状态。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技

24、技 术术汇编程序如下：汇编程序如下：MOV DX，04A2H；74LS244芯片选中地址IN AL，DX；采集开关状态MOV DX，04A0H；74LS373芯片选中地址OUT DX，AL；输出数据使指示灯显示如果计算机能够确信微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术2.条件传送方式：也称为查询方式。条件传送方式：也称为查询方式。CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，如果外设通过执行程序不断读取并测试外设的状态，如果外设处于准备好状态或者空闲状态，则处于准备好状态或者空闲状态，则CPU执行输入执行输入/输出指令输出指令与外设交换信息。与外设交换信息。I/O操作在一段程序的控制

25、下进行。一般由I/O指令选中并启动相应的设备。此后，主机就查询设备的状态，若外设未准备好，CPU就等待，若已准备好，则进行数据传送。其工作流程包括两个基本工作环节，如图所示：（1）查询环节（2）传送环节图图7.6 7.6 查询传送方式流程图查询传送方式流程图微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术其优点是：(1)比无条件传送方式更容易实现数据的有准备传送，控制程序也容易编写;(2)工作可靠，适应面宽。但由于需要不断测试状态信息(实际是在等待)，使大量CPU工时将被查询环节消耗掉，属串行工作方式，导致传送效率较低（工作：ns，等待ms）。对CPU负担不重，所配外设对象不多，实时性要求

26、不太高的高速外设可使用这种传送方式。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术（1）查询式输入）查询式输入图图7.7为为 查询输入接口电路：查询输入接口电路：微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 具体工作过程如下：当输入设备的数据已经准备好后发具体工作过程如下：当输入设备的数据已经准备好后发一选通信号一选通信号STB，STB选通信号作用有二，一是打开锁存器，选通信号作用有二，一是打开锁存器，数据被锁存在锁存器中；二是使数据被锁存在锁存器中；二是使D触发器置触发器置1，表示数据准备，表示数据准备好。当好。当CPU要求外设输入信息时，先检查状态信息。若数据要求外设输入信息

27、时，先检查状态信息。若数据已经准备好，则输入相应数据，并使状态信息清已经准备好，则输入相应数据，并使状态信息清“0”。否。否则，等待数据准备则，等待数据准备“就绪就绪”。查询式输入的相应程序段为：查询式输入的相应程序段为：NEXTIN：IN AL,STATUS_PORT ；从状态口输入状态信息 TEST AL,01H ；测试标志位是否为1 JZ NEXTIN ；未就绪，继续查询 IN AL,DATA_PORT ；从数据端口输入数据微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术（2）查询式输出）查询式输出微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术具体工作过程如下：当输出设备将数据

28、输出后，会发出一个具体工作过程如下：当输出设备将数据输出后，会发出一个ACK信号，使信号，使D触发器翻转为触发器翻转为0。CPU查询到这个状态信息后，便知道外查询到这个状态信息后，便知道外设空闲，可以执行输出指令，将新的输出数据发送到数据总线上，设空闲，可以执行输出指令，将新的输出数据发送到数据总线上，同时把数据口地址发送到地址总线上。由地址译码器产生的译码信同时把数据口地址发送到地址总线上。由地址译码器产生的译码信号和相号和相“与与”后，发出选通信号，将输出数据送至后，发出选通信号，将输出数据送至8位锁存器。同位锁存器。同时，将时，将D触发器置为触发器置为1，触发器置，触发器置1有两个作用，

29、一是通知外设数有两个作用，一是通知外设数据输出锁存器中已有数据可以取走，二是使三态缓冲器的输入端置据输出锁存器中已有数据可以取走，二是使三态缓冲器的输入端置1，表示外设处于工作状态。，表示外设处于工作状态。查询式输出的相应程序段为：查询式输出的相应程序段为：NEXTOUT：IN AL,STATUS_PORT ；从状态口输入状态信息 TEST AL,80H ；测试标志位D7JNZ NEXTOUT ；未就绪，继续查询MOV AL,BUF ；从缓冲区BUF取数据OUT DATA_PORT,AL ；从数据端口输出微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.3.2 程序中断方式程序中断方式

30、在这种方式中，通常在程序中安排一条指令启动外设，在这种方式中，通常在程序中安排一条指令启动外设，外设去准备。机器则继续执行程序。外设准备好后，向外设去准备。机器则继续执行程序。外设准备好后，向CPU提出中断申请，提出中断申请，CPU响应中断后，去执行一段响应中断后，去执行一段“中断服务程中断服务程序序”，完成传送数据工作，传送完后，则返回。，完成传送数据工作，传送完后，则返回。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 一次中断只传送一个单位的数据一次中断只传送一个单位的数据一个字或一个字节。由一个字或一个字节。由于系统启动外设后到外设准备好这段时间，于系统启动外设后到外设准备好这段

31、时间，CPU一直在执行原程一直在执行原程序而不是在等待，仅在外设准备好后，才中止原程序，进行数据序而不是在等待，仅在外设准备好后，才中止原程序，进行数据传送，因此，在一定程度上实现了传送，因此，在一定程度上实现了CPU和外设的并行工作。此外，和外设的并行工作。此外，有多台外设依次启动后，可同时进行数据交换的准备工作。若在有多台外设依次启动后，可同时进行数据交换的准备工作。若在某一时刻有几台外设同时发出中断请求信号，某一时刻有几台外设同时发出中断请求信号，CPU可根据预先准可根据预先准备好的优先顺序，按轻重缓急去处理几台外设的数据传送，从而备好的优先顺序，按轻重缓急去处理几台外设的数据传送，从而

32、实现了外设的并行工作，因此，中断方式大大提高了系统的工作实现了外设的并行工作，因此，中断方式大大提高了系统的工作效率。效率。特点：特点：能响应外设的随机请求能响应外设的随机请求 CPU与外设一定程度上并行工作，效率高与外设一定程度上并行工作，效率高 对于高速外设（如：磁盘、磁带），频繁中断对于高速外设（如：磁盘、磁带），频繁中断CPU会使其效会使其效率下降，率下降，CPU若不马上响应请求，将造成信息丢失。它适用于慢若不马上响应请求，将造成信息丢失。它适用于慢速外设与速外设与CPU之间的数据传送。之间的数据传送。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术下图为中断传送方式下的接口电路图

33、下图为中断传送方式下的接口电路图:微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 图中的数据寄存器由图中的数据寄存器由8位锁存器与位锁存器与8位三态缓冲器构成。位三态缓冲器构成。当输入装置准备当输入装置准备“就绪就绪”以后，发出选通信号以后，发出选通信号STB，将数据，将数据存入锁存器，并使存入锁存器，并使D触发器翻转为触发器翻转为1。若此时允许中断（中断。若此时允许中断（中断允许触发器置为允许触发器置为1），则产生一个中断请求信号），则产生一个中断请求信号INTR；CPU响应此中断后，暂停现在的工作，转入中断服务程序，执行响应此中断后，暂停现在的工作，转入中断服务程序，执行数据输入的指

34、令，并将中断请求标志复位。待中断处理结束数据输入的指令，并将中断请求标志复位。待中断处理结束后，后，CPU返回断点处继续执行原来的任务。返回断点处继续执行原来的任务。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.3.3 直接存贮器存取方式直接存贮器存取方式DMA(Direct Memory Access)使用程序中断方式，频繁中断主机会出现前面说的两个使用程序中断方式，频繁中断主机会出现前面说的两个问题：问题：(1)会使会使CPU效率下降。效率下降。(2)若主机不马上响应请求，若主机不马上响应请求，由于外设不断完成交换数据的准备，则可能冲掉已产生但没由于外设不断完成交换数据的准备，则

35、可能冲掉已产生但没交换的数据，造成信息丢失，因此，高速外设一般不用中断交换的数据，造成信息丢失，因此，高速外设一般不用中断方式，而用方式，而用DMA方式。方式。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术DMA方式又叫直接存储器存取方式，即在外设与存储器方式又叫直接存储器存取方式，即在外设与存储器间传送数据时，不需要通过间传送数据时，不需要通过CPU中转，只需要中转，只需要CPU让出总线，让出总线，由专门的硬件装置由专门的硬件装置DMA控制器（控制器（DMAC）即可完成传送。由）即可完成传送。由于这种传送是在硬件控制下完成，不需于这种传送是在硬件控制下完成，不需CPU的介入，故具有的介

36、入，故具有较高的工作效率。较高的工作效率。与上述几种传送方式比较起来，与上述几种传送方式比较起来，DMA方式的主要优点是方式的主要优点是传输速度高，适用于高速传输的外部设备的批量数据传送。传输速度高，适用于高速传输的外部设备的批量数据传送。缺点是需要专门的缺点是需要专门的DMA控制器，成本较高。控制器，成本较高。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术DMA传送的工作原理可用图传送的工作原理可用图7.14表示。表示。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术DMA方式的工作流程如图方式的工作流程如图7.15所示。在整个所示。在整个DMA工作期间，工作期间，不同传送周期有不

37、同的时序要求，且随不同传送周期有不同的时序要求，且随DMA芯片的不同而有芯片的不同而有所差异。所差异。DMA传送完成后，自动撤消发向传送完成后，自动撤消发向CPU的总线请求信的总线请求信号，使总线响应信号号，使总线响应信号BUSAK和和DMA的响应信号的响应信号DMAAK相继相继失效。此时，失效。此时，CPU恢复对总线的控制权，继续执行正常操作。恢复对总线的控制权，继续执行正常操作。伴随着大规模集成电路技术的发展，伴随着大规模集成电路技术的发展，DMA传送可以应用传送可以应用于存储器与外设间信息交换，并扩展到两个存储器之间，或于存储器与外设间信息交换，并扩展到两个存储器之间，或者两种高速外设之

38、间进行信息交换。者两种高速外设之间进行信息交换。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术图图7.15 DMA7.15 DMA工作流程工作流程微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术7.4 中断系统中断系统7.4.1 中断系统的基本概念中断系统的基本概念一、一、中断与中断系统功能中断与中断系统功能中断基本概念：中断基本概念：中断是这样一个过程：当中断是这样一个过程：当CPU内部或外部出现某种事件内部或外部出现某种事件（中断源）需要处理时，中止正在执行的程序（断点），转（中断源）需要处理时，中止正在执行的程序（断点），转去执行请求中断的那个事件的处理程序（中断服务程序），去

39、执行请求中断的那个事件的处理程序（中断服务程序），执行完后，再返回被暂时中止执行的程序（中断返回），从执行完后，再返回被暂时中止执行的程序（中断返回），从断点处继续执行，如图所示。断点处继续执行，如图所示。日常生活中类似日常生活中类似“中断中断”的例子：的例子：例例1：门铃响时，放下手中正在做的事情，跑去开门，招待：门铃响时，放下手中正在做的事情，跑去开门，招待客人；客人走后，接着做原来的事情。客人；客人走后，接着做原来的事情。例例2：教师讲课过程中，同学遇有疑问，不同理解之处，随：教师讲课过程中，同学遇有疑问，不同理解之处，随时向老师提问。时向老师提问。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口

40、口 技技 术术2.中断系统及其作用、功能中断系统及其作用、功能 中断系统是计算机中实现中断功能的软、硬件的集合。中断系统是计算机中实现中断功能的软、硬件的集合。整个中断过程由计算机的中断系统配合用户设计的中断服务整个中断过程由计算机的中断系统配合用户设计的中断服务程序来实现。程序来实现。中断系统在微机中可以有以下作用：中断系统在微机中可以有以下作用：（1）实现并行处理；）实现并行处理；（2）实现实时处理；）实现实时处理；（3）实现故障处理。）实现故障处理。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术二、中断工作过程二、中断工作过程中断工作过程，也叫中断过程或中断处理过程，一般包中断工作

41、过程，也叫中断过程或中断处理过程，一般包含以下五个步骤：中断请求、中断判优、中断响应、中断处含以下五个步骤：中断请求、中断判优、中断响应、中断处理以及中断返回。理以及中断返回。1.中断请求中断请求由中断源发出中断请求信号，外部由硬件产生，内部由指令由中断源发出中断请求信号，外部由硬件产生，内部由指令产生。产生。2.中断判优中断判优如果有两个或两个以上中断源同时发出中断请求，要根据中如果有两个或两个以上中断源同时发出中断请求，要根据中断优先权，找出最高级别的中断源，首先响应其中断请求，断优先权，找出最高级别的中断源，首先响应其中断请求，处理完后再响应较低一级的中断源。处理完后再响应较低一级的中断

42、源。如果中断源发出中断请求时，如果中断源发出中断请求时，CPU正在执行中断服务程序，正在执行中断服务程序，则应允许优先权高的中断源中断低一级的中断服务程序，实则应允许优先权高的中断源中断低一级的中断服务程序，实现中断嵌套。现中断嵌套。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术3.中断响应中断响应CPU接到外部可屏蔽中断请求信号后，在满足一定条件下，就进接到外部可屏蔽中断请求信号后，在满足一定条件下，就进入中断响应周期。入中断响应周期。CPU响应外部可屏蔽中断的条件是：响应外部可屏蔽中断的条件是：（1）接收到有效的中断请求信号；）接收到有效的中断请求信号；（2）CPU开放中断（对开放中

43、断（对8086CPU来讲，中断标志来讲，中断标志IF是是“1”）；）；（3）CPU执行完当前指令；执行完当前指令；（4）该中断源是目前优先级最高的。）该中断源是目前优先级最高的。CPU响应中断后，将自动完成以下处理：响应中断后，将自动完成以下处理：（1）关中断（）关中断（8086CPU清清IF）。因为）。因为CPU响应中断后，要进行响应中断后，要进行必要的中断处理，在此期间不允许其它中断源来打扰。必要的中断处理，在此期间不允许其它中断源来打扰。（2）断点保护。对于）断点保护。对于8086CPU来讲，是把断点地址来讲，是把断点地址CS和和IP及标及标志寄存器志寄存器FLAGS的内容自动压入堆栈。

44、的内容自动压入堆栈。（3）形成中断入口地址。）形成中断入口地址。CPU响应中断后，根据判优逻辑提供响应中断后，根据判优逻辑提供的中断源标识，获得中断服务程序的入口地址，转向对应的中断的中断源标识，获得中断服务程序的入口地址，转向对应的中断服务程序。服务程序。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术4.中断处理中断处理中断处理也叫中断服务，是由中断服务程序完成的。中断服中断处理也叫中断服务，是由中断服务程序完成的。中断服务程序一般应由以下几部分按顺序组成：务程序一般应由以下几部分按顺序组成：（1）保护现场）保护现场（2）CPU开放中断开放中断（3）执行中断服务程序）执行中断服务程序（

45、4）CPU关中断关中断（5）恢复现场）恢复现场（6）CPU开放中断开放中断（7）中断返回）中断返回微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术5.中断返回中断返回 自动返回到断点地址，继续执行被中断的程序。对自动返回到断点地址，继续执行被中断的程序。对8086CPU也就是断点地址也就是断点地址CS和和IP自动出栈。自动出栈。值得注意的是，有些微处理器，如值得注意的是，有些微处理器，如MC6800保护现场是保护现场是由硬件自动完成的，而恢复现场，开中断、中断返回用一条由硬件自动完成的，而恢复现场，开中断、中断返回用一条返回指令返回指令IRET完成。完成。微微 机机 原原 理理 与与 接接

46、 口口 技技 术术三、中断向量三、中断向量中断处理过程是中断系统按一定的步骤在硬件和软件的结合下中断处理过程是中断系统按一定的步骤在硬件和软件的结合下完成的。当外部中断源共用一个中断请求引脚向完成的。当外部中断源共用一个中断请求引脚向CPU提出中断请求提出中断请求时，首先是中断源的识别问题。时，首先是中断源的识别问题。中断源的识别可通过向量中断或中断查询来完成。中断源的识别可通过向量中断或中断查询来完成。中断查询方式是中断查询方式是CPU在接到中断请求信号后响应中断，立即执行在接到中断请求信号后响应中断，立即执行中断服务程序，在服务程序中首先查明哪个中断源在申请中断，再中断服务程序，在服务程序

47、中首先查明哪个中断源在申请中断，再执行相应的中断服务程序段。该方法能同时实现中断优先权排队执行相应的中断服务程序段。该方法能同时实现中断优先权排队（先查询的优先），接口电路简单，但需要查询端口且处理滞后一（先查询的优先），接口电路简单，但需要查询端口且处理滞后一步，影响了实时性。步，影响了实时性。向量中断也叫矢量中断，是向量中断也叫矢量中断，是CPU响应中断时通过中断响应信号响应中断时通过中断响应信号选通中断接口，中断接口将中断向量号送至数据总线，选通中断接口，中断接口将中断向量号送至数据总线，CPU通过它通过它获知中断程序入口地址，转去执行该中断服务程序。获知中断程序入口地址，转去执行该中断

48、服务程序。IBM PC系列系列微机中正是采用这种方法。微机中正是采用这种方法。在向量中断中，每个中断服务程序都有一个确定的入口地址，该在向量中断中，每个中断服务程序都有一个确定的入口地址，该地址称为中断向量。地址称为中断向量。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术四、中断优先权与中断嵌套四、中断优先权与中断嵌套 微机系统中有两个或二个以上中断源时，要按轻重缓急微机系统中有两个或二个以上中断源时，要按轻重缓急的顺序进行排列，分别给予不同的优先等级，在中断响应时的顺序进行排列，分别给予不同的优先等级，在中断响应时按优先权排队次序进行处理。除了多个中断源同时申请中断按优先权排队次序进行

49、处理。除了多个中断源同时申请中断需要排队外，中断嵌套时，也需要进行优先权排队，只有高需要排队外，中断嵌套时，也需要进行优先权排队，只有高一级的中断才可以中断较低级的中断服务程序。一级的中断才可以中断较低级的中断服务程序。中断优先权排队，除了前述的中断查询方式用软件实现中断优先权排队，除了前述的中断查询方式用软件实现外，都要通过硬件来实现。外，都要通过硬件来实现。硬件实现方法有两类：中断优先权电路和采用中断控制硬件实现方法有两类：中断优先权电路和采用中断控制器。器。微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术1.中断优先权电路中断优先权电路菊花链式优先权菊花链式优先权 中断优先权电路有菊

50、花链式优先权电路，优先权编码电路等。下面主要以菊花链式优先权电路为例介绍。菊花链式优先权电路是获得中断优先权排队的一个简单的硬件方法，能处理多中断源同时申请中断，也可以实现中断嵌套。其原理是在每个中断设备的接口电路中增加一个称为菊花链的逻辑电路，用于控制中断响应信号的传递，排在前面（靠近CPU）的设备优先权最高，其余依次降低。图图7.177.17菊花链式优先权排队逻辑电路菊花链式优先权排队逻辑电路微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术由上面可以看出，菊花链硬件电路通过菊花链逻辑，实现了排在电路前面的由上面可以看出，菊花链硬件电路通过菊花链逻辑，实现了排在电路前面的设备中断申请级别