中断服务程序流程图

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第一讲：

第六章 I/O接口原理-接口、端口、编址

回顾：微机系统的层次结构，CPU、主机、接口电路及外部设备之间的结

构关联，输入/输出的一般概念。

重点和纲要：微机系统主机与外部设备之间的数据传送，包括I/O端口的寻址

方式，输入/输出的传送控制方式。

教学方法、实施步骤回顾讲授提问小结时间分配 5”×2 40” ×2 3” ×2 2” ×2 教学手段板书计算机投影仪多媒体课件等

讲授内容：

6. 1 输入/输出数据的传输控制方式

一、输入/输出的一般概念 1．引言

输入/输出是微机系统与外部设备进行信息交换的过程。输入/输出设备称为外部设备，与存储器相比，外部设备有其本身的特点，存储器较为标准，而外部设备则比较复杂，性能的离散性比较大，不同的外部设备，其结构方式不同，有机械式、电动式、电子式等；输入/输出的信号类型也不相同，有数字信号，也有模拟信号；有电信号，也有非电信号；输入/输出信息的速率也相差很大。因此，CPU与外部设备之间的信息交换技术比较复杂。

CPU与外设之间的信息交换，是通过它们之间接口电路中的I/O端口来进行的，由于同一个外部设备与CPU之间所要传送的信息类型不同，方向不同，作用也不一样（例如数据信息、状态信息、控制信息、输入/输出等），所以接口电路中可以设置多个端口来分别处理这些不同的信息。

2．输入/输出端口的寻址方式

微机系统采用总线结构形式，即通过一组总线来连接组成系统的各个功能部件（包括CPU、内存、I/O端口），CPU、内存、I/O端口之间的信息交换都是通过总线来进行的，如何区分不同的内存单元和I/O端口，是输入/输出寻址方式所要讨论解决的问题。

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根据微机系统的不同，输入/输出的寻址方式通常有两种形式： (1)．存储器对应的输入、输出寻址方式

这种方式又称为存储器统一编址寻址方式或存储器映象寻址方式。

方法：把外设的一个端口与存储器的一个单元作同等对待，每一个I/O端口都有一个确定的端口地址，CPU与I/O端口之间的信息交换，与存储单元的读写过程一样，内存单元与I/O端口的不同，只在于它们具有不同的的地址。优点：

①CPU对I/O端口的读/写操作可以使用全部存储器的读/写操作指令，也可以用对存储器的不同寻址方式来对I/O端口中的信息，直接进行算术、逻辑运算及循环、移位等操作。

②内存与外设地址的分配，可以用统一的分布图。 ③不需要专门的输入、输出操作指令。缺点：

① 内存与I/O端口统一编址时，在地址总线根数一定的情况下，使系统中实际可以直

接寻址的内存单元数减少。

②一般情况下，系统中I/O端口数远小于内存单元数，所以在用直接寻址方式来寻址这些端口时，要表示一个端口地址，必须用与表示内存单元地址相同的字节数，使得指令代码较长，相应地读/写执行时间也较长，这对提高系统的运行速度是不利的。

Mortorola公司的M6800CPU等均采用这种寻址I/O端口的方式。

3. CPU与外设之间所传送的信息类型

CPU与I/O端口之间所交换的信息，可以有下列几种类型：

①数据信息：包括数字量、模拟量、开关量等，可以输入、也可以输出 ② 状态信息：这是I/O端口送给CPU的有关本端口所对应的外设当前状态的信息。供CPU进行分析、判断、决策。

③控制信息：这是CPU送给I/O端口的控制命令，使相应的外部设备完成特定的操作。

数据信息、状态信息和控制信息是不同类型的信息，它们所起的作用也不一样。但在8086/8088微机系统中，这三种不同类型的信息的输入、输出过程是相同的。为了加以区分，可以使它们具有不同的端口地址，在端口地址相同的情况下，可以规定操作的顺序，或者在输入/输出的数据中设置特征位。

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二、 CPU与外设之间输入/输出数据的传输控制方式

CPU与外设之间传输数据的控制方式通常有三种：程序方式、中断方式和DMA方式。 1.程序方式

指用输入/输出指令，来控制信息传输的方式，是一种软件控制方式，根据程序控制的方法不同，又可以分为无条件传送方式和条件传送方式。 ① 无条件传送方式

条件：利用程控方式与外设交换信息时，如果输入/输出的时刻，都可以保证外设总是处于“准备好”状态，则可以直接利用输入/输出指令进行信息的输入/输出操作。

图5-1

如图5-1，从硬件电路上来看：

输入：加三态缓冲器（控制端由地址译码信号和RD信号选中，CPU用IN指令）输出：加锁存器（控制端由地址译码信号和WR信号选中，CPU用OUT指令）

这种方式下的硬、软件设计都比较简单，但应用的局限性较大，因为很难保证外设在每次信息传送时都处于“准备好”状态，一般只用在诸如开关控制、七段数码管的显示控制等场合。

② 条件传送方式

又称查询方式，即通过程序查询相应设备的状态，若状态不符合，则CPU不能进行输入/输出操作，需要等待；只有当状态信号符合要求时，CPU才能进行相应的输入/输出操作。

一般外设均可以提供一些反映其状态的信号，如对输入设备来说，它能够提供“准备好”（“READY”）信号，“READY” ＝1 表示输入数据已准备好。输出设备则提供“忙”(“BUSY”)信号，“BUSY”＝1表示当前时刻不能接收CPU来的数据，只有当“BUSY”＝0时，才表明它可以接受来自于CPU的输出数据。过程：

? 输入操作的程序流程如图5-2所示：对READY的状态查询，是通过读状态端口的相应位来实现的，输出的情况亦大致相同，这种传

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送控制方式的最大优点是，能够保证输入/输出数据的正确性。

? 输入接口

以输入设备将数据送入锁存，发选通信号开始，→READY＝1→CPU查询（读READY）→读数据→清除

图5－2

READY。见图5－3

? 输出接口

CPU送数据至锁存器，发选通信号，→a。通知外设取数据；→b。BUSY→输出设备取完数据→ACK→清BUSY→CPU查询。见图5－4

图5-3

图5-4

例1 假设从某输入设备上输入一组数据送缓冲区，接口电路如图5-3，若缓冲区已满则输出一组信息“BOFFER OVERFLOW”，然后结束。设该设备的启动地址为0FCH，数据端口为0F8H，状态端口为FAH。

程序如下： DATA SEGMENT

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MESS1 DB “BUFFER OVERFLOW”，“$” BUFF DB 60 DUP(?) DATA ENDS

CODE SEGMENT

ASSUME CS：CODE，DS：DATA START：MOV AX，DATA MOV DS，AX

MOV BX，OFFSET BUFF ；送缓冲区指针 MOV CX，60 ；送计数初值 OUT WAIT：IN TEST JZ IN MOV INC

0FCH，AL ；启动设备

AL，OFAH ；查询状态，若为0，则等待 AL，01H

WAIT

AL，0F8H ；输入数据 [BX]，AL BX

LOOP WAIT ；检测缓冲区是否满，不满再输入 MOV DX，OFFSET MESS1 ；缓冲区满，输出标志字符串 MOV AH，09H INT MOV

21H

AH，4CH

INT 21H CODE ENDS

END START

? 优先级问题

当CPU需对多个设备进行查询时，就出现了所谓的优先级问题，即究竟先为哪个设备服务，一般来

讲，在这种情况下都是采用轮流查询的方式来解决，如图5-5所示

这时的优先级是很明显的，即先查图5-5

询的设备具有较高的优先级。但这种优先级管理方式，也存在着一个问题，即某设备的优先级是变化的，如当为设备B服务以后，这时即使A已准备好，它也不理睬，而是继续查询C，也就是说A的优先地位并不巩固（即不能保证随时处于优先）。为了保证A随时具有较高的优先级，可采用加标志的方法，当CPU为B服务完以后，先查询A是否准备好，若此时发现A已准备好，立即转向对A的查询服务，而不是为C设备服务。

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第二讲：

I/O接口原理-中断方式、DMA方式

回顾：微机系统主机与外部设备之间的数据传送，包括I/O端口的寻址方

式，输入/输出的传送控制方式。

重点和纲要：I/O接口原理（中断方式、DMA方式）。

教学方法、实施步骤回顾讲授提问小结时间分配 5”×2 40” ×2 3” ×2 2” ×2 教学手段板书计算机投影仪多媒体课件等

讲授内容：

1. 中断传送方式

（1）为什么要采用中断传送方式从查询式的传输过程可以看出，它的优点是硬件开销小，使用起来比较简单。但在此方式下，CPU要不断地查询外设的状态，当外设未准备好时，CPU就只能循环等待，不能执行其它程序，这样就浪费了CPU的大量时间，降低了主机的利用率。

为了解决这个矛盾，我们提出了中断传送方式：即当CPU进行主程序操作时，外设的数据已存入输入端口的数据寄存器；或端口的数据输出寄存器已空，由外设通过接口电路向CPU发出中断请求信号，CPU在满足一定的条件下，暂停执行当前正在执行的主程序，转入执行相应能够进行输入/输出操作的子程序，待输入/输出操作执行完毕之后CPU即返回继续执行原来被中断的主程序。这样CPU就避免了把大量时间耗费在等待、查询状态信号的操作上，使其工作效率得以大大地提高。

能够向CPU发出中断请求的设备或事件称为中断源。

微机系统引入中断机制后，使CPU与外设（甚至多个外设）处于并行工作状态，便于实现信息的实时处理和系统的故障处理。

中断方式的原理示意图如图5-6所

示。

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（2）中断方式下的接口电路图5-6

中断方式提高了CPU的工作效率，但是它同时也提高了系统的硬件开销。因为系统需增加含有中断功能接口电路，用来产生中断请求信号。以输入方式为例，接口电路如图5－7所示。

图5-7

数据输入的过程：当外设发STB→数据入锁存器，中断请求触发器置1→若没有屏蔽则产生INTR→CPU满足条件（允许中断；指令执行完）发INTA→（进入中断服务子程序）读数据，发RD，和地址→清中断请求触发器，数据送D0～D7。（输出过程请自己思考）

（3）中断优先级

问题的提出：

当系统中有多个设备提出中断请求时，就有一个该响应谁的问题，也就是一个优先级的问题，解决优先级的问题一般可有三种方法：软件查询法、简单硬件方法及专用硬件方法。下面分别介绍：

①软件查询法

只需有简单的硬件电路，如将A、B、C三台设备的中断请求信号“或”后作为系统INTR，这时，A、B、C三台设备中只要至少有一台设备提出中断请求，都可以向CPU发中断请求。进入中断服务子程序后，再用软件查询的方式分别对不同的设备的服务，查询程序的设计思想同查询式，查询的前后顺序就给

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出了设备的优先级，框图如图所示。

②简单硬件方法

以链式中断优先权排队电路为例，

基本设计思想：将所有的设备连成一条链，靠近CPU的设备优先级最高，越远的设备优先级别越低，则发出中断响应信号，若级别高的设备发出了中断请求，在它接到中断响应信号的同时，封锁其后的较低级设备使得它们的中断请求不能响应，只有等它的中断服务结束以后才开放，允许为低级的设备服务。如图所示。

③专用硬件方式

采用可编程的中断控制器芯片，如Intel8259A。

图5-11 中断控制器的系统连接

有了中断控制器以后，CPU的INTR和INTA引脚不再与接口直接相连，而是与中断控制器相连，外设的中断请求信号通过IR0～IR7进入中断控制器，经优先级管理逻辑确认为级别最高的那个请求的类型号会经过中断类型寄存器在当前中断服务寄存器的某位上置1，并向CPU发INTR请求，CPU发出INTA信号后，中断控制器将中断类型码送出。在整个过程中，优先级较低的中断请求都受到阻塞，直到较高级的中断服务完毕之后，当前服务寄存器的对应位清0，较低级的中断请求才有可能被响应。电路如图图5-11所示。

利用中断控制器可以通过编程来设置或改变其工作方式，使用起来方便灵活。

（4）.中断响应

中断源向CPU发出中断请求，若优先级别最高，CPU在满足一定的条件下，可以中断当前程序的运行，保护好被中断的主程序的断点及现场信息。然后，根据中断源提供的信息，找到中断服务子程序的入口地址，转去执行新的程序段，这就是中断响应。

注意：CPU响应中断是有条件的，如内部允许中断、中断未被屏蔽、当前指令执行完等。

（5）中断服务子程序

CPU响应中断以后，就会中止当前的程序，转去执行一个中断服务子程序，以完成为相应设备的服务。中

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断服务子程序的一般结构如图5-12所示。

①保护现场（由一系列的PUSH指令完成）。目的是为了保护那些与主程序中有冲突的寄存器，(如AX，BX，CX等)，如果中断服务子程序中所使用的寄存器与主程序中所使用的寄存器等没有冲突的话，这一步骤可以省略。 ③ 开中断（由STI指令实现）。目的是为了能实现中断的嵌套。

④ 中断服务图5-12中断服务子程序的流程 ⑤ 恢复现场（由一系列的POP指令完成）。是与保护现场对应的，但要注意数据恢复的次序，以免混乱。

⑥ 返回（使用中断返回指令IRET）。不能使用一般的子程序返回指令RET，因为IRET指令除了能恢复断点地址外，还能恢复中断响应时的标志寄存器的值，而这后一个动作是RET指令不能完成的。

中断的工作过程可分为五大步骤：

即中断请求、中断判优、中断响应、中断服务和中断返回。

2. DMA传送方式

利用中断进行信息传送，可以大大提高CPU的利用率，但是其传送过程必须由CPU进行监控。每次中断，CPU都必须进行断点及现场信息的保护和恢复操作，这些都是一些额外的操作，会占用一定的CPU时间。如果需要在内存的不同区域之间，或者在内存与外设端口之间进行大量信息快速传送的话，用查询或中断方式均不能满足速度上的要求，这时应采用直接数据通道传送，即DMA数据传送方式。

DMA（Direct Memory Access）意为直接数据传送，它是在内存的不同区域之间，或者在内存与外设端口之间直接进行数据传送，而不经过CPU中转的一种数据传送方式，可以大大提高信息的传送速度。 DMA方式传送的主要步骤（见图5-13的流程图）

①外设准备就绪时，向DMA控制器发DMA请求，DMA控制器接到此信号后，向CPU发DMA请求；

②CPU接到HOLD请求后，如果条件允许（一个总线操作结束），则发出HLDA信号作为响应，同时，放弃对总线的控制； ③DMA控制器取得总线控制权后，往地址总线发送地址信号，每传送1个字节，就会自动修改地址寄存器的内容，以指向下一个要传送的字节；

④每传送一个字节，字节计数器的值减1，

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当减到0时，DMA过程结束；图5-13DMA的工作流程图

⑤DMA控制器向CPU发结束信号，将总线控制权交回CPU。

DMA传送控制方式，解决了在内存的不同区域之间，或者内存与外设之间大量数据的快速传送问题，代价是需要增加专门的硬件控制电路，称为DMA控制器，其复杂程度与CPU相当。

习题与思考：

1．CPU与外设之间的数据传输控制方式有哪几种？何谓程序控制方式？它有哪两种基本方式？请分别用流程图的形式描述出来。

2．试从程序转移的角度比较中断控制与子程序调用这两种处理过程，它们有哪些根本区别？又有哪些相似之处？

3．用查询式将DATA开始的存贮区的100个字节数据在FCH端口输出，完成程序，状态端口地址为：FFH。