第9章

輸入輸出與中斷9.1輸入輸出的基本概念輸入輸出是一個完整應(yīng)用程序的重要組成部分，也是交互式應(yīng)用程序不可缺少的組成部分。任何一種輸入/輸出設(shè)備都要通過一個硬件接口或控制器與CPU相連。例如，軟磁盤通過軟盤控制器與CPU相連，終端顯示器通過數(shù)據(jù)接口與CPU相連。這些接口和控制器都能支持輸入/輸出指令與外部設(shè)備交換信息。這些信息包括控制、狀態(tài)和數(shù)據(jù)3種不同性質(zhì)的信息，它們必須按不同的端口地址分別傳送，如圖所示。9.1輸入輸出的基本概念9.1.1I/O端口地址和I/O指令1.I/O端口地址I/O端口（PORT）是CPU與I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)的場所。通過I/O端口，處理機可以接受從輸入設(shè)備輸入的信息，也可向輸出設(shè)備發(fā)送信息。在計算機系統(tǒng)中，用不同的數(shù)字給各類I/O端口進行編號，這種I/O端口的編號就稱為I/O端口地址。2.I/O指令I(lǐng)/O指令應(yīng)屬于數(shù)據(jù)傳送指令。（1）輸入指令I(lǐng)N格式：IN累加器，端口地址9.1輸入輸出的基本概念9.1.1I/O端口地址和I/O指令（2）輸出指令OUT格式：OUT端口地址，累加器功能：把寄存器AL或AX的內(nèi)容輸出到指定端口。如果某輸出設(shè)備的端口地址在0~255范圍之內(nèi)，那么可在指令OUT中直接給出；否則，要把端口地址先存入寄存器DX中，然后在指令中由DX來給出其端口地址。因此，輸出指令OUT也有如下4種格式：OUTPORT，AL ；（AL）→PORTOUTPORT，AX ；（AX）→PORT+1，PORT9.1輸入輸出的基本概念9.1.1I/O端口地址和I/O指令OUTDX，AL ；（AL）→DXOUTDX，AX ；（AX）→DX+1，DX這些指令只能起到傳送數(shù)據(jù)的作用。如果要對狀態(tài)寄存器進行測試、設(shè)置等操作，還要取回I/O狀態(tài)數(shù)據(jù)到AL或AX，然后對AL或AX進行測試、設(shè)置等操作，結(jié)果再寫入I/O狀態(tài)寄存器。對I/O端口的操作除了可以利用AL/AX輸入/輸出一個字節(jié)或字外，在32位的系統(tǒng)中還支持通過EAX的雙字?jǐn)?shù)據(jù)操作。9.1輸入輸出的基本概念9.1.2數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)傳送方式一般分為無條件傳送、程序查詢傳送、中斷傳送、DMA傳送和數(shù)據(jù)通道傳送等5種方式。1.無條件傳送方式無條件傳送方式適用于CPU與外設(shè)同步的情況。這種方式不需要查詢外設(shè)的狀態(tài)，而直接用IN或OUT指令實現(xiàn)CPU與指定的外設(shè)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送。采用這種方式時，必須確保外設(shè)與CPU在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，具有相同的速度，否則不能準(zhǔn)確地傳送信息。9.1輸入輸出的基本概念9.1.2數(shù)據(jù)傳送方式3.中斷傳送方式在中斷傳送方式中，某一外設(shè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，它“主動”向CPU發(fā)請求中斷的信號，請求CPU暫時中斷目前的工作而進行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)CPU響應(yīng)這個中斷時，便暫停運行主程序，并自動轉(zhuǎn)移到該設(shè)備的中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)程序結(jié)束以后，CPU又回到原來的主程序。其原理和調(diào)用子程序相仿，不過，這里要求轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)子程序的請求是由外部設(shè)備發(fā)出的。中斷傳送方式是CPU和外部設(shè)備進行輸入輸出的有效方法。它可以避免因反復(fù)查詢外部設(shè)備的狀態(tài)而浪費時間，從而提高CPU的效率。9.1輸入輸出的基本概念9.1.2數(shù)據(jù)傳送方式4.DMA方式DMA方式即直接存儲器存?。―irectMemoryAccess）方式，也稱為成組數(shù)據(jù)傳送方式。DMA方式主要用于一些高速的I/O設(shè)備，如磁帶、磁盤、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等設(shè)備。對這類高速I/O設(shè)備，用執(zhí)行輸入/輸出指令的方法或完成一次次中斷序列的方法來傳輸字節(jié)，將會造成數(shù)據(jù)的丟失，而DMA方式I/O設(shè)備直接和存儲器進行成批數(shù)據(jù)的快速傳送，傳送數(shù)據(jù)時不需要CPU干預(yù)。在DMA方式下，外設(shè)通過DMA的一種專門接口電路——DMA控制器（DMAC），向CPU提出接管總線控制權(quán)的總線9.1輸入輸出的基本概念9.1.2數(shù)據(jù)傳送方式請求，CPU在當(dāng)前的總線周期結(jié)束后，響應(yīng)DMA請求，把對總線的控制權(quán)交給DMA控制器。5.通道控制傳送方式通道進一步提高了CPU的效率，這是因為通道是一個具有特殊功能的處理器，它有自己的指令和程序?qū)ｉT負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸控制，而CPU將“傳輸控制”的功能下放給通道后只負(fù)責(zé)“數(shù)據(jù)處理”功能。這樣，通道與CPU分時使用內(nèi)存，實現(xiàn)了CPU內(nèi)部運算與I/O設(shè)備的并行工作。通道的基本功能是執(zhí)行通道指令、組織外部設(shè)備和內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸，按I/O指令要求啟動外部設(shè)備，向CPU報告中斷等。9.2中斷9.2.1中斷的基本概念（1）外部中斷外部中斷又稱為硬中斷，由外設(shè)控制器或協(xié)處理器引起，以完全隨機的方式中斷現(xiàn)行程序而轉(zhuǎn)向中斷處理程序。外部中斷有兩個來源：非屏蔽中斷NMI和可屏蔽中斷INTR。（2）內(nèi)部中斷內(nèi)部中斷又稱為軟中斷，中斷請求來自CPU內(nèi)部，不受中斷允許標(biāo)志控制，主要由以下幾種情況引起：由中斷指令I(lǐng)NT引起的中斷、除法錯中斷、溢出中斷、程序員為調(diào)試程序設(shè)置的中斷，以及單步中斷和斷點中斷。在上述內(nèi)部中斷中，除單步中斷及斷點中斷外，均為非屏蔽中斷。9.2中斷9.2.1中斷的基本概念3.中斷向量表每個中斷源都對應(yīng)著一個中斷處理程序，中斷處理程序的起始地址稱為中斷入口地址，系統(tǒng)將各種中斷處理程序的入口地址放在一起形成一個地址表，稱為中斷向量表，如圖所示。在中斷向量表中，每4個單元的內(nèi)容構(gòu)成一個中斷處理程序的入口地址（中斷向量），其中，前兩個單元存放中斷處理程序的偏移地址IP的值，后兩個單元存放中斷處理程序的段地址CS值。9.2中斷9.2.1中斷的基本概念4.中斷系統(tǒng)的功能實現(xiàn)中斷過程的硬件和軟件稱為中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：（1）實現(xiàn)中斷與返回（2）能實現(xiàn)優(yōu)先級排隊（3）能實現(xiàn)中斷嵌套9.2中斷9.2.1中斷的基本概念執(zhí)行操作：FLAGS送堆棧，清除IF、TF；CS送堆棧，（4×n+2）→CS；IP送堆棧，（4×n）→IP。中斷返回指令格式為：IRET執(zhí)行操作：當(dāng)前棧頂出棧送IP，SP+2→SP；當(dāng)前棧頂出棧送CS，SP+2→SP；當(dāng)前棧頂出棧送FLAGS，SP+2→SP。9.2中斷9.2.1中斷的基本概念7.中斷和子程序調(diào)用的比較中斷和子程序調(diào)用兩者有相似和不同之處。它們的工作過程非常相似，即暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一程序段，該程序段執(zhí)行完時，CPU都自動恢復(fù)原程序的執(zhí)行。中斷和子程序調(diào)用在實現(xiàn)方面的主要差異如下：子程序調(diào)用一定是程序員在編寫源程序時事先安排好的，是可知的，而中斷是由中斷源根據(jù)自身的需要產(chǎn)生的，是不可預(yù)見的（用指令I(lǐng)NT引起的中斷除外）。子程序調(diào)用是用CALL指令來實現(xiàn)的，而中斷是由中斷請求產(chǎn)生的。子程序的返回指令是RET，而中斷服務(wù)程序的返回指令是IRET。 9.2中斷9.2.2BIOS中斷調(diào)用1.BIOS概述BIOS（BasicInput/OutputSystem）是系統(tǒng)提供的基本輸入輸出例行程序，它們一般以中斷處理程序的形式存在。BIOS例行程序一般裝載在從地址0FE000H開始的8KBROM中。駐留在ROM中的BIOS提供了系統(tǒng)加電自檢、引導(dǎo)裝入、主要I/O設(shè)備的處理程序以及接口控制等功能模塊來處理所有的系統(tǒng)中斷。下列情況下可考慮使用BIOS中斷：有些功能DOS沒有提供，但BIOS提供了；有些場合無法使用DOS功能調(diào)用；其他原因。9.2中斷9.2.2BIOS中斷調(diào)用（2）打印機I/O中斷調(diào)用（17H中斷調(diào)用）17H中斷調(diào)用有3個功能，功能號為0~2。（3）時鐘中斷調(diào)用（1AH中斷調(diào)用）1AH中斷調(diào)用有兩個功能，功能號為0和1。4.顯示器I/O中斷調(diào)用（1）設(shè)置顯示方式（功能號0）入口參數(shù)：（AH）=0，AL為方式編碼。出口參數(shù)：無。9.2中斷9.2.2BIOS中斷調(diào)用（2）設(shè)置光標(biāo)大?。üδ芴?）入口參數(shù)：（AH）=1，CH為光標(biāo)頂值，取值范圍為0~11，CL為光標(biāo)底值，取值范圍為1~12。出口參數(shù)：無。正規(guī)的光標(biāo)符號類似于下劃線，根據(jù)需要，用戶可在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整光標(biāo)的大小。（3）設(shè)置光標(biāo)位置（功能號2）入口參數(shù)：（AH）=2，BH為頁號，DH為行號，DL為列號。出口參數(shù)：無。9.2中斷9.2.2BIOS中斷調(diào)用（4）上滾當(dāng)前頁（功能號6）入口參數(shù)：（AH）=6，AL為上滾行數(shù)（如果AL=0，則清屏），CH和CL分別為滾動區(qū)左上角的行號和列號，DH和DL分別為滾動區(qū)右下角的行號和列號，BH為從底部進入滾動區(qū)的空白行屬性。出口參數(shù)：無。（5）下滾當(dāng)前頁（功能號7）入口參數(shù)：（AH）=7，AL為下滾行數(shù)（如果AL=0，則清屏），CH和CL分別為滾動區(qū)左上角的行號和列號，DH和DL分別為滾動區(qū)右下角的行號和列號，BH為從底部進入滾動區(qū)的空白行屬性。出口參數(shù)：無。9.2中斷9.2.2BIOS中斷調(diào)用（8）設(shè)置彩色組或背景色（功能號11）入口參數(shù)：（AH）=11，BH=0表示設(shè)置背景顏色，BH=1表示設(shè)置彩色組，BL為背景色（0~15）或彩色組（0~1）。其中，彩色組0顏色為綠（1）/紅（2）/棕（3），彩色組1顏色為青（1）/品紅（2）/白（3）。出口參數(shù)：無。（9）寫點（功能號12）寫點必須在圖形方式下。入口參數(shù)：（AH）=12，DX和CX分別為行號和列號，AL為點的顏色。出口參數(shù)：無。9.2中斷9.2.