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1、计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 第第2 2章章 输入输出技术输入输出技术 2.1 2.1 概述概述 在微型计算机系统的应用中，在微型计算机系统的应用中，CPUCPU除与内存交换信息外，还除与内存交换信息外，还必然要经常与各种外部设备交换信息。主机与外设进行信必然要
2、经常与各种外部设备交换信息。主机与外设进行信息交换过程主要是完成数据输入或输出的传送操作。输入息交换过程主要是完成数据输入或输出的传送操作。输入或输出操作的确切含义是有选择地启动被微处理器选中的或输出操作的确切含义是有选择地启动被微处理器选中的外部设备，以便使其接收来自外部设备，以便使其接收来自CPUCPU的数据或向的数据或向CPUCPU送入数据。送入数据。数据传送的方向标准通常以微处理器为中心，当数据是由数据传送的方向标准通常以微处理器为中心，当数据是由外部设备，如键盘、纸带读入机、光笔等设备向外部设备，如键盘、纸带读入机、光笔等设备向CPUCPU送入时，送入时，称为输入传送；而当数据自称为
3、输入传送；而当数据自CPUCPU送到如发光二极管、七段显送到如发光二极管、七段显示器、示器、CRTCRT显示器、点阵打印机、绘图仪等设备时，称为输显示器、点阵打印机、绘图仪等设备时，称为输出传送。出传送。当实现一个数据的输入输出操作时，当实现一个数据的输入输出操作时，CPUCPU必须在众多的外部必须在众多的外部设备中寻找一个确定的设备，而如何寻找这一特定的外部设备中寻找一个确定的设备，而如何寻找这一特定的外部设备就是输入输出寻址方式所解决的问题。当找到一个确设备就是输入输出寻址方式所解决的问题。当找到一个确定的外部设备以后，接下来的问题就是如何同它进行信息定的外部设备以后，接下来的问题就是如何
4、同它进行信息交换，这就是输入输出控制方式所解决的问题。交换，这就是输入输出控制方式所解决的问题。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 2.2 2.2 输入输出的寻址方式输入输出的寻址方式 1 1 存储器映象寻址方式存储器映象寻址方式 存储器映象寻址方式的主要优点是：存储
5、器映象寻址方式的主要优点是：（1 1）指令丰富。）指令丰富。所有存储器访问指令都可以用来处理所有存储器访问指令都可以用来处理I/OI/O操作，而不使用操作，而不使用专用的专用的I/0I/0指令。在微型机的指令系统中，存储器操作指令数量多，功能强，指令。在微型机的指令系统中，存储器操作指令数量多，功能强，寻址方式灵活，这给程序设计带来了方便，同时也大大增强了系统的寻址方式灵活，这给程序设计带来了方便，同时也大大增强了系统的I/0I/0功功能，使能，使I/0I/0端口不仅能完成数据的传送，还能对端口的内容进行算术逻辑运端口不仅能完成数据的传送，还能对端口的内容进行算术逻辑运算或移位等。算或移位等。
6、（2 2）I/OI/O端口空间大。端口空间大。由于在存储器空间中划出一个区域作为由于在存储器空间中划出一个区域作为I/OI/O端口地址端口地址空间，所以系统中的空间，所以系统中的I/OI/O端口数目几乎不受限制，其最大数目只受系统的存端口数目几乎不受限制，其最大数目只受系统的存储容量的限制。这对大型控制或数据通讯系统等一些特殊场合是很有用处储容量的限制。这对大型控制或数据通讯系统等一些特殊场合是很有用处的。的。（3 3）寻址的控制逻辑比较简单。）寻址的控制逻辑比较简单。这种寻址方式的主要缺点是：这种寻址方式的主要缺点是：（1 1）I/OI/O端口占用了一部分存储器地址空间，端口占用了一部分存储
7、器地址空间，使可用的内存空间相对减少。使可用的内存空间相对减少。另外，当所有地址都必须做为存储器单元使用时，则不能采用这种方法。另外，当所有地址都必须做为存储器单元使用时，则不能采用这种方法。（2 2）对对外外设设的的访访问问和和对对存存储储器器的的访访问问一一样样，必必须须对对全全部部地地址址线线译译码码，因因而而地址译码电路比较复杂。地址译码电路比较复杂。（3 3）存储器操作指令字节长，）存储器操作指令字节长，需要较长的执行时间，降低了需要较长的执行时间，降低了I/OI/O操作速度。操作速度。（4 4）用存储器指令来处理输入）用存储器指令来处理输入/输出，输出，在程序清单中不易区别，给程序
8、的在程序清单中不易区别，给程序的设计，分析和调试带来一定的困难。设计，分析和调试带来一定的困难。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 输入输出的寻址方式输入输出的寻址方式 2 I/O2 I/O映象寻址方式映象寻址方式 I/OI/O映象寻址方式的主要优点是：映象寻址方式的
9、主要优点是：（1 1）I/OI/O空间与存储器空间各自独立，空间与存储器空间各自独立，可分开设计。可分开设计。（2 2）由于采用单独的）由于采用单独的I/OI/O指令，指令，其助记符与存储器指令明显不同，其助记符与存储器指令明显不同，因而使程序编制清晰，易于理解。因而使程序编制清晰，易于理解。（3 3）I/OI/O地址线较少，地址线较少，所以译码电路简单。所以译码电路简单。（4 4）I/OI/O指令格式短，指令格式短，执行时间快。执行时间快。这种寻址方式的主要缺点是：这种寻址方式的主要缺点是：（1 1）需需要要专专门门的的I/OI/O指指令令，且且这这些些指指令令一一般般不不如如存存储储器器访
10、访问问指指令令丰富，程序设计灵活性较差。丰富，程序设计灵活性较差。（2 2）参加译码的地址线较少，）参加译码的地址线较少，使外设端口数目受到限制。使外设端口数目受到限制。（3 3）采采用用专专用用的的I/OI/O周周期期和和专专用用的的I/OI/O控控制制线线，这这不不仅仅使使微微处处理理器器有有限限的的引引脚脚更更加加紧紧张张，而而且且也也增增加加了了控控制制逻逻辑辑的的复复杂杂性性。最最小小模模式式下下的的80888088则则用用M/IOM/IO信信号号来来区区分分存存储储器器或或I/OI/O端端口口的的访访问问。最最大大模模式式下下的的80888088与与协协处处理理器器80878087
11、连连接接，引引脚脚更更为为紧紧张张，只只有有通通过过输输出出三三个个总总线线周周期期信信号号，再再由由82888288总总线线控控制制器器解解读读后后生生成成存存储储器器读读/写、写、I/OI/O读读/写的控制信号。写的控制信号。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 8
12、0888088专用专用I/OI/O指令指令 对于采用直接寻址方式，其指令格式为：对于采用直接寻址方式，其指令格式为：输入指令：输入指令：IN ALIN AL，n n和和IN AXIN AX，n n输出指令：输出指令：OUT nOUT n，ALAL和和OUT nOUT n，AX AX 对于采用间接寻址方式，其指令格式为：对于采用间接寻址方式，其指令格式为：输入指令：输入指令：IN ALIN AL，DXDX和和IN AXIN AX，DXDX输出指令：输出指令：0UT DX0UT DX，ALAL和和OUT DXOUT DX，AX AX 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCI
13、ENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 门电路组合法门电路组合法常见的端口地址选择方法有三种：常见的端口地址选择方法有三种：门电路组合法、译码器译码法、门电路组合法、译码器译码法、比较器比较法比较器比较法。门电路组合法门电路组合法是最简单的一种端口地址选择方法，它采用常见的是最简单的一种端口地址选择方法，它采用常见的逻辑门电路，比如与
14、门、或门、非门等作为基本的组合元件。逻辑门电路，比如与门、或门、非门等作为基本的组合元件。一般端口都是指寄存器、锁存器或缓冲器，这些器件都有一个芯一般端口都是指寄存器、锁存器或缓冲器，这些器件都有一个芯片选择信号，简称片选信号，多数是低电平有效，当然，也有一片选择信号，简称片选信号，多数是低电平有效，当然，也有一些芯片没有片选信号，而是有使能端，或脉冲控制端，总之是使些芯片没有片选信号，而是有使能端，或脉冲控制端，总之是使器件产生动作的控制端。器件产生动作的控制端。端口地址选择的目的，是当地址线上出现某种信息组合时，在电端口地址选择的目的，是当地址线上出现某种信息组合时，在电路的输出端会产生一
15、个有效信号（有效信号有四种状态，即高电路的输出端会产生一个有效信号（有效信号有四种状态，即高电平、低电平、上跳沿、下降沿，具体使用哪种状态，视所使用器平、低电平、上跳沿、下降沿，具体使用哪种状态，视所使用器件而定），该信号连到器件的控制端，使器件产生动作，从而完件而定），该信号连到器件的控制端，使器件产生动作，从而完成成I/OI/O端口的读端口的读/写操作。写操作。这种方法简单、直观，适合于单个端口，常用的基本门电路有这种方法简单、直观，适合于单个端口，常用的基本门电路有74007400（2 2输入输入4 4与非门）、与非门）、74087408（2 2输入输入4 4与门）、与门）、742074
16、20（4 4输入双与非输入双与非门）、门）、74307430（8 8输入与非门）、输入与非门）、74027402（2 2输入输入4 4或非门）、或非门）、74327432（2 2输入输入4 4或门）、或门）、74047404（六反相器）等等。（六反相器）等等。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHN
17、OLOGY吉林大学吉林大学 译码器译码法译码器译码法 这是最常用的一种方法，就是利用译码器芯片对地址进行译码。这是最常用的一种方法，就是利用译码器芯片对地址进行译码。PC/XTPC/XT微型机系统板上接口芯片的端口地址译码采样了一个微型机系统板上接口芯片的端口地址译码采样了一个74LS13874LS138译码译码电路。这些芯片也都有片选信号，电路。这些芯片也都有片选信号，74LSl3874LSl38译码器的输出与这些芯片的片译码器的输出与这些芯片的片选信号连接。各接口芯片内部有多个寄存器，因而应有多个端口地址。选信号连接。各接口芯片内部有多个寄存器，因而应有多个端口地址。译码器只直接使用译码器
18、只直接使用A A9 9A A5 5，其余的低，其余的低5 5位地址位地址A A4 4A A0 0末接，留给各接口芯片末接，留给各接口芯片自行内部译码，以便寻址多个寄存器。显然，由于自行内部译码，以便寻址多个寄存器。显然，由于A A4 4A A0 0未接到译码器，未接到译码器，所以每个译码器的输出端对应所以每个译码器的输出端对应2 25 5=32=32个端口地址，其地址范围依次是：个端口地址，其地址范围依次是：8237 000H 8237 000H 01FH 01FH8259 020H 8259 020H 03FH 03FH8253 040H 8253 040H 05FH 05FH8255 06
19、0H 8255 060H 07FH 07FHDMADMA页面寄存器页面寄存器 080H 080H 09FH 09FHNMINMI屏蔽寄存器屏蔽寄存器 0A0H 0A0H 0BFH 0BFH保留的保留的 0C0H 0C0H 0DFH 0DFH保留的保留的 0E0H 0E0H 0FFH 0FFH系系统统为为每每个个接接口口芯芯片片预预留留出出3232个个端端口口地地址址，至至于于每每个个接接口口芯芯片片用用多多少少，则视接口芯片内部寄存器的数目而定。则视接口芯片内部寄存器的数目而定。译码器译码法可以方便地对多个地址进行译码，适合于多个端口的电路。译码器译码法可以方便地对多个地址进行译码，适合于多个
20、端口的电路。常用的译码器有常用的译码器有74139/7415574139/74155（双（双2 2线线-4-4线译码器）、线译码器）、7413874138（3 3线线-8-8线译线译码器）、码器）、7415474154（4 4线线-16-16线译码器）。线译码器）。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TE
21、CHNOLOGY吉林大学吉林大学 比较器比较法比较器比较法这是比较灵活的一种方法，就是这是比较灵活的一种方法，就是利用数码比较器把地址线利用数码比较器把地址线上的地址同预定的地址相比较上的地址同预定的地址相比较，进而确定地址是否相符。，进而确定地址是否相符。如果比较后两个地址相等，则表示地址总线送来的端口地如果比较后两个地址相等，则表示地址总线送来的端口地址就是该端口的地址。址就是该端口的地址。用比较器比较法进行端口地址译码不仅原理直观，方法简用比较器比较法进行端口地址译码不仅原理直观，方法简便，更主要的是通过改变预设置，就能够很容易地改变接便，更主要的是通过改变预设置，就能够很容易地改变接口
22、电路中端口的地址，而不需要改变线路，使用非常灵活。口电路中端口的地址，而不需要改变线路，使用非常灵活。在一些通用接口模板中，这一方法已得到广泛的应用。在一些通用接口模板中，这一方法已得到广泛的应用。常用的比较器有常用的比较器有74857485（4 4位数字比较器）、位数字比较器）、7468874688（8 8位数字位数字比较器）。比较器）。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE
23、 AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 2.3 2.3 输入输出控制方式输入输出控制方式 I/OI/O设备与存储器区别：设备与存储器区别：1 1存存储储器器的的工工作作速速度度几几乎乎和和中中央央处处理理机机一一样样，而而大大多多数数I/OI/O设设备备工工作作较较慢慢，且且不不同同的的I/OI/O设设备备又又有有不不同同的的工工作作速度。速度。2 2存存储储器器的的字字长长一一般般是是以以字字节节为为单单位位或或等等于于机机器器字字长长，而而I/OI/O设设备备传传送送的的过过程程中中可可能能是是8 8位位数数据据，也也可
24、可能能是是1 1位位，2 2位位不等的状态或控制信息。不等的状态或控制信息。3 3存存储储器器中中的的信信号号形形式式与与CPUCPU相相同同，而而I/OI/O设设备备可可能能是是数数字字信信号号也也可可能能是是模模拟拟信信号号，可可能能是是电电压压信信号号也也可可能能是是电流信号，可能是并行的也可能是串行的等等。电流信号，可能是并行的也可能是串行的等等。4 4存存储储器器的的控控制制信信号号主主要要是是读读/写写信信号号，而而I/OI/O设设备备一一般般有有多多种种控控制制信信号号，如如设设备备工工作作，空空闲闲等等状状态态信信号号，设设备的启动，清除等控制信号。备的启动，清除等控制信号。这
25、些差异都使得这些差异都使得I/OI/O数据传送过程较为复杂，随之而来的就数据传送过程较为复杂，随之而来的就是根据不同设备需采用不同的传送方式，相应的也就要采是根据不同设备需采用不同的传送方式，相应的也就要采用不同的控制方式。用不同的控制方式。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学
26、吉林大学 I/OI/O控制方式控制方式 CPUCPU对对I/OI/O控制方式，就微机系统而言有控制方式，就微机系统而言有四种基本方式四种基本方式，即，即无条件传送控制方式，程序查询传送控制方式，中断传送无条件传送控制方式，程序查询传送控制方式，中断传送控制方式和控制方式和DMADMA控制方式。控制方式。无条件传送方式，无条件传送方式，CPUCPU可在任何时刻与可在任何时刻与I/OI/O设备交换数据，设备交换数据，对对CPUCPU而言，而言，I/OI/O设备总是处于准备就绪状态。设备总是处于准备就绪状态。程序查询方式，程序查询方式，CPUCPU通过查询通过查询I/OI/O设备的状态，断定哪个设设
27、备的状态，断定哪个设备需要服务，然后转入相应的服务程序。备需要服务，然后转入相应的服务程序。中断方式，中断方式，当当I/OI/O设备需要设备需要CPUCPU为其服务时，可以发生中断为其服务时，可以发生中断请求信号请求信号INTRINTR，CPUCPU接到请求信号后，中断正在执行的程序，接到请求信号后，中断正在执行的程序，转去为该设备服务，服务完毕，返回原来被中断的程序并转去为该设备服务，服务完毕，返回原来被中断的程序并继续执行。继续执行。直接存储器存取（直接存储器存取（DMADMA）方式，）方式，采用这种方式时，在采用这种方式时，在DMADMA控控制器的管理下，制器的管理下，I/OI/O设备和
28、存储器直接交换信息，而不需要设备和存储器直接交换信息，而不需要CPUCPU介入。介入。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 无条件传送控制方式无条件传送控制方式 无条件传送方式又称同步方式，是最简单的一种无条件传送方式又称同步方式，是最简单的一种I/OI/O控制方控制方
29、式，多用于式，多用于CPUCPU与低速接口之间的信息交换。如开关、继电与低速接口之间的信息交换。如开关、继电器、器、LEDLED显示器，它们总是被认为处于显示器，它们总是被认为处于“待命待命”状态（即总状态（即总是处于准备就绪或闲置状态），是处于准备就绪或闲置状态），CPUCPU可在任何时候执行可在任何时候执行I/OI/O指令，无条件地与外部设备进行信息交换，而不必考虑外指令，无条件地与外部设备进行信息交换，而不必考虑外部设备的状态。部设备的状态。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TE
30、CHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 程序查询传送控制方式程序查询传送控制方式 程序查询方式是有条件的传送控制方式，在这种方式中，程序查询方式是有条件的传送控制方式，在这种方式中，CPUCPU对对I/OI/O设备的控制（调度）全部由程序来实现，所有的设备的控制（调度）全部由程序来实现，所有的输入输出操作都处于正在被执行的程序的控制下，输入输出操作都处于正在被执行的程序的控制下，I/OI/O设备设备完全处于被动地位。
31、完全处于被动地位。所谓查询，就是询问外部设备的工作状态，通过这一状态所谓查询，就是询问外部设备的工作状态，通过这一状态来判定外设是否已具备了与来判定外设是否已具备了与CPUCPU交换数据的条件，即外设是交换数据的条件，即外设是否已准备好与否已准备好与CPUCPU交换数据。交换数据。对输入设备而言，这个状态指示输入设备的数据是否已经对输入设备而言，这个状态指示输入设备的数据是否已经准备就绪，准备就绪，CPUCPU是否可以随时来读取这个数据。对输出设备是否可以随时来读取这个数据。对输出设备而言，这个状态指示输出设备的数据接收寄存器是否已空，而言，这个状态指示输出设备的数据接收寄存器是否已空，是否可
32、以随时接受是否可以随时接受CPUCPU送来的数据。送来的数据。程序查询是最常用的程序查询是最常用的I/OI/O控制方式，其控制方式，其特点是特点是I/OI/O操作由操作由CPUCPU启动，即启动，即CPUCPU是主动的而是主动的而I/OI/O是被动的，所有的传送都是与是被动的，所有的传送都是与程序的执行同步的。它的优点是能较好地协调外设与程序的执行同步的。它的优点是能较好地协调外设与CPUCPU之之间定时的差别，并且用于接口的硬件较少，也不需要专门间定时的差别，并且用于接口的硬件较少，也不需要专门的硬件。的硬件。它的它的主要缺点主要缺点有两个：一个是因它需踏步检测某设备状态有两个：一个是因它需
33、踏步检测某设备状态或周期性检查所有设备状态，所以影响微机系统的效率。或周期性检查所有设备状态，所以影响微机系统的效率。二是系统所接入的设备越多，查询的周期就越长，因此对二是系统所接入的设备越多，查询的周期就越长，因此对工作速度较快的工作速度较快的I/OI/O设备会因服务不及时而丢失数据。设备会因服务不及时而丢失数据。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOL
34、OGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 中断传送控制方式中断传送控制方式 程序查询方式独占程序查询方式独占CPUCPU，而通常外设的输入输出速度很慢，而通常外设的输入输出速度很慢，浪费了大量的浪费了大量的CPUCPU时间，它使得时间，它使得CPUCPU在查询过程中除了检测在查询过程中除了检测外设状态以外，不能做任何其他事情。外设状态以外，不能做任何其他事情。在中断传送控制方式中，在中断传送控制方式中，CPUCPU执行功能程序与外部设备工作，执行功能程序与外部设备工作，二者是并行进行的，它改变了二者是并行进行的，它改变了CPUCPU主动查询外设状态的
35、情况，主动查询外设状态的情况，而是当外设一切准备就绪后，主动向而是当外设一切准备就绪后，主动向CPUCPU提出进行数据传输提出进行数据传输的请求。的请求。中断过程就是中断过程就是CPUCPU对一个随机的请求进行处理的过程，它一对一个随机的请求进行处理的过程，它一般般包括五个方面包括五个方面，即，即中断申请、中断排队、中断响应、中中断申请、中断排队、中断响应、中断服务和中断返回断服务和中断返回。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND
36、 TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 中断申请中断申请 中断源中断源就是指能够发出中断请求信号的来源。就是指能够发出中断请求信号的来源。中断源能够产生中断申请信号有两个条件：中断源能够产生中断申请信号有两个条件：（l l）中断源自身工作已经）中断源自身工作已经“准备就绪准备就绪”。比如对于输入设比如对于输入设备，备，“准备就绪准备就绪”就是指它已经准备好数据，就是指它已经准备好数据，CPUCPU可以随时可以随时来读取这个数据；对于输出设备，来读取这个数据；对于输出设备，
37、“准备就绪准备就绪”就是指它就是指它已经准备好随时接收已经准备好随时接收CPUCPU送来的数据。送来的数据。（2 2）CPUCPU允许该中断源申请中断。允许该中断源申请中断。一般来说，一般来说，CPUCPU本身有一本身有一个中断允许触发器，而每一个中断源也有一个中断允许触个中断允许触发器，而每一个中断源也有一个中断允许触发器（或称之为中断屏蔽寄存器），如果发器（或称之为中断屏蔽寄存器），如果CPUCPU本身禁止中断本身禁止中断（即其中断允许触发器处于禁止状态），那么即使外部有（即其中断允许触发器处于禁止状态），那么即使外部有中断请求信号，中断请求信号，CPUCPU也不会响应。如果也不会响应。如
38、果CPUCPU本身允许中断，本身允许中断，它就可以接受（响应）中断源发出的中断请求信号。此时，它就可以接受（响应）中断源发出的中断请求信号。此时，哪一个中断源可能发出中断请求信号，就要看哪一个中断源可能发出中断请求信号，就要看CPUCPU使哪一个使哪一个中断源的中断允许触发器处于允许状态（即该中断源所属中断源的中断允许触发器处于允许状态（即该中断源所属的中断屏蔽寄存器处于非屏蔽状态）。如果的中断屏蔽寄存器处于非屏蔽状态）。如果CPUCPU禁止某个中禁止某个中断源申请中断，那么即使这个中断源自身工作已经准备就断源申请中断，那么即使这个中断源自身工作已经准备就绪，它也不可能向绪，它也不可能向CPU
39、CPU提出中断请求。提出中断请求。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 中断排队中断排队 解决中断优先权排队一般有两种方法，即软件查询法和硬解决中断优先权排队一般有两种方法，即软件查询法和硬件排队法。件排队法。（l l）软件查询法）软件查询法 基本思想：基本思想：用软件
40、查询中断源，根据查询的顺序先后来确用软件查询中断源，根据查询的顺序先后来确定中断源的优先级。先查询的优先级就高，后查询的优先定中断源的优先级。先查询的优先级就高，后查询的优先级就低，只要改变查询次序，就可以改变中断源的中断优级就低，只要改变查询次序，就可以改变中断源的中断优先级。先级。软件查询法的主要软件查询法的主要优点优点是节省硬件，电路简单，程序设计是节省硬件，电路简单，程序设计灵活，优先级调整方便，灵活，优先级调整方便，缺点缺点是每次响应中断后，都要从是每次响应中断后，都要从优先权最高的中断开始询问，外设中断源越多，查询的时优先权最高的中断开始询问，外设中断源越多，查询的时间就越长，而且
41、各个中断源的服务响应时间也是不同的，间就越长，而且各个中断源的服务响应时间也是不同的，造成优先级别低的中断源实时处理性差。造成优先级别低的中断源实时处理性差。（2 2）硬件排队法）硬件排队法基本思想：基本思想：用硬件判优逻辑电路来确定申请中断中的最高用硬件判优逻辑电路来确定申请中断中的最高优先级，系统中各中断源的优先级别是由它们在判优电路优先级，系统中各中断源的优先级别是由它们在判优电路中的位置决定的。中的位置决定的。硬件排队法的硬件排队法的优点优点在于中断响应速度炔，并且各不同设备，在于中断响应速度炔，并且各不同设备，无论它排在链头还是链尾，它的响应时间是相同的。无论它排在链头还是链尾，它的
42、响应时间是相同的。缺点缺点是增加了硬设备，电路设计复杂。是增加了硬设备，电路设计复杂。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 中断响应中断响应 响应中断条件：响应中断条件：（l l）外部设备有中断请求。）外部设备有中断请求。（2 2）CPUCPU自身允许中断。自身允许中断
43、。（3 3）没没有有更更高高级级的的中中断断正正在在被被服服务务。CPUCPU对对有有些些事事情情的的处处理理是是禁止被打扰的，比如禁止被打扰的，比如DMADMA操作等。操作等。（4 4）CPUCPU在在每每条条指指令令结结束束后后响响应应中中断断。CPUCPU不不能能在在指指令令执执行行的的中中间间响响应应中中断断，而而是是在在每每条条指指令令的的最最后后一一个个T T状状态态采采样样中中断断请请求求线线，如果有中断请求并且满足响应条件的话，将发出中断响应信号。如果有中断请求并且满足响应条件的话，将发出中断响应信号。CPUCPU一一旦旦响响应应中中断断，将将在在中中断断响响应应周周期期中中完
44、完成成一一些些必必要要的的操操作作，这些工作是由硬件自动完成的，无需人工介入。这些工作是由硬件自动完成的，无需人工介入。（1 1）关关中中断断。内内部部自自动动实实现现关关中中断断，禁禁止止在在中中断断响响应应期期间间受受到到外部干扰。外部干扰。（2 2）保保护护断断点点。是是指指保保护护断断点点的的地地址址，也也就就是是中中断断发发生生时时在在程程序序计计数数器器中中保保存存的的下下一一条条指指令令的的地地址址。保保护护断断点点的的目目的的是是执执行行完完中断服务程序后能返回到该地址继续运行原程序。中断服务程序后能返回到该地址继续运行原程序。（3 3）将中断服务程序的入口地址送入程序计数器，
45、从而实现转）将中断服务程序的入口地址送入程序计数器，从而实现转入相应的中断服务程序。入相应的中断服务程序。不同的不同的CPUCPU有不同的转入方法。有不同的转入方法。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 中断服务中断服务 中断服务就是指执行中断服务程序，包括三个部分：中
46、断服务就是指执行中断服务程序，包括三个部分：保护保护现场、中断处理和恢复现场现场、中断处理和恢复现场。保护现场保护现场是进入中断服务程序后首先要做的工作。主程序是进入中断服务程序后首先要做的工作。主程序中要用到寄存器，中断服务程序中也要用到寄存器，而中要用到寄存器，中断服务程序中也要用到寄存器，而CPUCPU中的寄存器又是有限的，所以保护现场的目的就是将有关中的寄存器又是有限的，所以保护现场的目的就是将有关的寄存器内容压入堆栈保存起来。所谓有关的寄存器是指的寄存器内容压入堆栈保存起来。所谓有关的寄存器是指中断服务程序中使用的那些寄存器，将这些寄存器的内容中断服务程序中使用的那些寄存器，将这些寄
47、存器的内容保存起来，也就保存了主程序断点处的工作环境，以后即保存起来，也就保存了主程序断点处的工作环境，以后即使改变了这些寄存器的内容也没关系，因为断点处的工作使改变了这些寄存器的内容也没关系，因为断点处的工作环境已经被保存下来，随时都可以恢复。保护现场一般使环境已经被保存下来，随时都可以恢复。保护现场一般使用用PUSHPUSH指令。指令。中断处理中断处理是中断服务程序中的核心工作。它实质性地完成是中断服务程序中的核心工作。它实质性地完成CPUCPU与外设之间的输入或输出操作，有时也包括内存地址的与外设之间的输入或输出操作，有时也包括内存地址的修改，计数值的修改等等。修改，计数值的修改等等。恢
48、复现场恢复现场的目的就是恢复主程序断点处的工作环境，这个的目的就是恢复主程序断点处的工作环境，这个环境是在保护现场工作中保存起来的，一般使用环境是在保护现场工作中保存起来的，一般使用POPPOP指令来指令来完成。完成。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 中断返回中断返
49、回 中断返回中断返回是中断过程的最后一个环节，它是由中断返回指是中断过程的最后一个环节，它是由中断返回指令（令（IRETIRET）来实现的，其目的在于将断点地址返回到程序）来实现的，其目的在于将断点地址返回到程序计数器，由于计算机总是按照程序计数器的地址取指令执计数器，由于计算机总是按照程序计数器的地址取指令执行程序，所以行程序，所以CPUCPU自然从断点地址开始继续执行原程序。自然从断点地址开始继续执行原程序。需要需要说明说明的一点是，的一点是，CPUCPU在响应中断时已经在其内部自动实在响应中断时已经在其内部自动实现了关中断（禁止中断），其目的是在中断响应过程中，现了关中断（禁止中断），其
50、目的是在中断响应过程中，保护断点，转入中断服务程序等工作不受其它中断源的干保护断点，转入中断服务程序等工作不受其它中断源的干扰，但由于关了中断，使得在整个中断服务过程中不能再扰，但由于关了中断，使得在整个中断服务过程中不能再响应其他的中断，也就是不能实现中断嵌套。而如果不在响应其他的中断，也就是不能实现中断嵌套。而如果不在中断服务程序返回之前，或在主程序循环体中重新开中断中断服务程序返回之前，或在主程序循环体中重新开中断的话，那么系统就不可能再响应任何可屏蔽的中断请求。的话，那么系统就不可能再响应任何可屏蔽的中断请求。显然，为了实现中断嵌套，一定要在中断服务程序中开始显然，为了实现中断嵌套，一