1、第七章 輸入輸出系統(tǒng),輸入輸出系統(tǒng)是微機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，微機(jī)是通過輸入輸出設(shè)備與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。輸入輸出系統(tǒng)包括外部設(shè)備(輸入輸出設(shè)備和輔助存儲(chǔ)器)及其與主機(jī)(CPU和主存儲(chǔ)器)之間的控制部件。后者稱之為設(shè)備控制器，諸如磁盤控制器、打印機(jī)控制器等，有時(shí)也稱為設(shè)備適配器或接口，其作用是控制并實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。,隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，輸入輸出系統(tǒng)設(shè)備的種類也越來越多，提供的操作功能越來越強(qiáng)，而且繼續(xù)朝智能化、高可靠性、小型廉價(jià)的方向發(fā)展。他們與主機(jī)的聯(lián)絡(luò)方式和信息的交換方式也各不相同。本章介紹兩大內(nèi)容I/O設(shè)備與I/O系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹I/O接口的功能和結(jié)

2、構(gòu)、I/O設(shè)備的編址和尋址、以及在主機(jī)和外設(shè)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的各種輸入輸出控制方式等內(nèi)容。然后介紹的是一些常用的I/O設(shè)備的基本組成和運(yùn)行原理，如顯示器、打印機(jī)、鍵盤和鼠標(biāo)等。,7.1 輸入輸出系統(tǒng)概述,7.1.1 I/O接口電路 為了實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面和各種形式的輸入/輸出，人們使用了多種I/O設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。在某些場合為了讓計(jì)算機(jī)應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、參數(shù)監(jiān)測和實(shí)時(shí)控制等領(lǐng)域，還會(huì)用到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、發(fā)光二極管、按鈕開關(guān)等。這些外部設(shè)備在工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、信息格式以及工作速度方面彼此都有很大的差別，比如信息量可能是開關(guān)量、數(shù)字量，更有可能是各種不同

3、性質(zhì)的模擬量，如溫度、壓力、流量、長度和濃度等；在數(shù)據(jù)處理上，其速度也比CPU慢的多，信號(hào)時(shí)序差別很大，必須進(jìn)行緩沖和協(xié)調(diào)。所以，他們不能直接和CPU相連，必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連，這部分電路叫做I/O接口電路。如圖7.1所示。,圖7.1 微機(jī)系統(tǒng)中各類接口框圖,7.1.2 I/O接口的結(jié)構(gòu)與功能 1.I/O接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖7.2為I/O接口面向用戶的典型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部一般包括3類可尋址的寄存器： （1）數(shù)據(jù)寄存器在輸入時(shí)，它保存從外設(shè)發(fā)往CPU的數(shù)據(jù)，輸出時(shí)，它保存從CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)； （2）狀態(tài)寄存器保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài)，CPU可從狀態(tài)寄存器讀取當(dāng)前狀態(tài)； （3）控制寄存器用來保

4、存CPU寫入的控制字。CPU可以向其中寫入命令，選擇接口電路的工作方式，并控制外設(shè)進(jìn)行相關(guān)的操作 在I/O接口中，這3類可操作的寄存器分別稱為數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，或簡稱為數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口和控制口。請注意：每類端口的數(shù)量可能不止一個(gè)。,2.接口的功能 I/O接口用于實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換并控制外設(shè)，其主要功能如下： (1)接受和執(zhí)行CPU命令的功能：CPU對被控對象外部設(shè)備的控制命令是以命令代碼的形式先發(fā)送到接口中稱之為“命令口”的命令寄存器。再有接口電路對命令代碼進(jìn)行識(shí)別和分析，分解成若干個(gè)控制信號(hào)，傳送到I/O設(shè)備，使其產(chǎn)生相應(yīng)的具體操作。,圖7.2 I/O接口面向用戶的典型結(jié)

5、構(gòu),(2)返回外設(shè)狀態(tài)的功能：通過狀態(tài)口查詢現(xiàn)在外設(shè)的狀態(tài)：“忙”、“閑”、“準(zhǔn)備就緒”、“未準(zhǔn)備就緒”、“滿”、“空”、以及“溢出錯(cuò)”、“格式錯(cuò)”、“校驗(yàn)錯(cuò)”等狀態(tài)，供CPU做出判斷和處理。 (3)數(shù)據(jù)緩沖功能：解決CPU與外設(shè)的速度不匹配，避免因速度不一致而丟失數(shù)據(jù)。接口中一般設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖寄存器，簡稱數(shù)據(jù)緩存器，常稱之為“數(shù)據(jù)口”。 (4)信號(hào)轉(zhuǎn)換功能：由于外設(shè)所需要的控制信號(hào)和所提供的狀態(tài)信號(hào)往往同微機(jī)的總線信號(hào)不兼容。不兼容表現(xiàn)在兩者的信號(hào)功能定義、邏輯關(guān)系、電平高低以及工作時(shí)序的不一致。故需對信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以達(dá)到信號(hào)的邏輯關(guān)系、時(shí)序配合以及電平匹配。 (5)設(shè)備選擇功能：因微機(jī)系統(tǒng)中

6、一般有多種外設(shè)，在同一種外設(shè)中也可能有多臺(tái)，而一個(gè)CPU在同一時(shí)間只能與一臺(tái)外設(shè)交換信息，這就要在接口中設(shè)置I/O端口地址譯碼電路對外設(shè)進(jìn)行尋址。,(6)數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能： 數(shù)據(jù)寬度：CPU所處理的是并行數(shù)據(jù)(8位、16位或32位、64位)，而有的外設(shè)(如串行通信設(shè)備，磁盤驅(qū)動(dòng)器等)只能處理串行數(shù)據(jù)，因此，接口就應(yīng)有數(shù)據(jù)“并串”和“串并”的轉(zhuǎn)換能力。為此，在接口中設(shè)置移位寄存器。 數(shù)據(jù)格式：CPU與有些外設(shè)交換數(shù)據(jù)時(shí)，要求按一定的格式傳送，如串行通信中的起止式異步通信數(shù)據(jù)格式及面向字符的同步通信數(shù)據(jù)格式。此時(shí)，需在CPU與通信設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。,7.1.3 I/O端口的尋址

7、 I/O設(shè)備編址原因：為了方便CPU對I/O設(shè)備進(jìn)行尋址和選擇，必須給每一臺(tái)設(shè)備規(guī)定一些地址碼（設(shè)備號(hào)或設(shè)備代碼）。外設(shè)識(shí)別是通過地址總線和接口電路中的地址譯碼器來實(shí)現(xiàn)的。一臺(tái)外設(shè)可以對應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)識(shí)別碼，從硬件結(jié)構(gòu)來講，每個(gè)特定的地址碼指向外設(shè)接口中的一個(gè)寄存器。目前，常采用兩種不同的外設(shè)編址方式：統(tǒng)一編址方式和獨(dú)立編址方式。 （1）端口獨(dú)立編址方式是把所有I/O接口看作一個(gè)獨(dú)立于存儲(chǔ)器的I/O空間。在這個(gè)I/O空間內(nèi)，每個(gè)端口都被分配一個(gè)地址與之對應(yīng)。要訪問獨(dú)立于存儲(chǔ)空間的端口，必須用專門的I/O指令：IN和OUT指令。 獨(dú)立編址方式的優(yōu)點(diǎn)是：使用專門的I/O指令訪問外設(shè)，與訪存指令分開；

8、指令執(zhí)行快；不占內(nèi)存地址空間。 I/O端口與存儲(chǔ)器，都有自己的地址譯碼器，地址空間獨(dú)立，互不影響。,獨(dú)立編址方式的缺點(diǎn)：需專用指令、尋址方式少。 輸入指令 IN AL，i8；字節(jié)輸入，直接尋址 IN AL，DX；字節(jié)輸入，間接尋址 IN AX，i8；字輸入，直接尋址 IN AX，DX；字輸入，間接尋址 輸出指令 OUT i8，AL；字節(jié)輸出，直接尋址 OUT DX，AL；字節(jié)輸出，間接尋址 OUT i8，AL；字輸出，直接尋址 OUT DX，AL；字輸出，間接尋址,(2)端口統(tǒng)一編址方式是把每一個(gè)端口視為一個(gè)存儲(chǔ)器單元，并賦以相應(yīng)的存儲(chǔ)器地址。微處理機(jī)訪問端口，如同訪問存儲(chǔ)器（只是地址不同），

9、所有訪問存儲(chǔ)器的指令同樣適合于I/O端口。由于端口地址被映象到存儲(chǔ)空間，作為存儲(chǔ)空間的一小部分，因此，也稱為“存儲(chǔ)器映象編址”。 統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點(diǎn)是：訪存指令可訪問端口，尋址類型多。 統(tǒng)一編址方式的缺點(diǎn)是：端口占用存儲(chǔ)器空間；速度慢。 7.2 輸入/輸出信息傳送控制方式 輸入/輸出設(shè)備本身在速度上有很大差異，而它們與主機(jī)在速度上的差異更大。因此，如何保證主機(jī)與外圍設(shè)備在時(shí)間上的同步，這是必須要解決的一個(gè)問題。 我們來分析輸入/輸出設(shè)備與中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過程。,首先是輸入過程。在中央處理器進(jìn)行輸入的過程中，至少需要包括以下三個(gè)步驟： （1）中央處理器把一個(gè)地址值放在地址總線上，用于選擇

10、某一輸入設(shè)備。 （2）中央處理器等候輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)成為有效。 （3）中央處理器從數(shù)據(jù)總線讀入數(shù)據(jù)，并放在一個(gè)有關(guān)的寄存器中。 在中央處理器進(jìn)行輸出的過程中，至少也需要經(jīng)歷以下三個(gè)步驟： （1）中央處理器把一個(gè)地址放在地址總線上，選擇輸出設(shè)備。 （2）中央處理器把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上。 （3）輸出設(shè)備確認(rèn)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)有效，從而把數(shù)據(jù)取走。,在上述的輸入/輸出過程中，由于輸入/輸出設(shè)備具有不同的操作速度，因此需要有不同的定時(shí)方式，才能使輸入/輸出過程有效。中央處理器與輸入/輸出設(shè)備之間的定時(shí)有以下三種情況： （1）速度極慢的輸入/輸出設(shè)備。這類設(shè)備，包括機(jī)械開關(guān)、顯示二極管在內(nèi)，中央處理器總是能

11、夠快捷地應(yīng)對它們的動(dòng)作的響應(yīng)，而由于它們的動(dòng)作是這樣的慢，中央處理器可以認(rèn)為它們在它的一個(gè)工作周期內(nèi)的數(shù)據(jù)送是有效的（不變的）。因此，中央處理器可以隨時(shí)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)然，這時(shí)這些設(shè)備的接口也要發(fā)揮作用。 （2）慢速或中速的輸入/輸出設(shè)備。由于這些設(shè)備的速度特性，因此中央處理器與這類設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換通常是以異步定時(shí)方式進(jìn)行。這個(gè)過程大致是：如果中央處理器要從某個(gè)輸入設(shè)備接收一個(gè)字，則它首先要詢問外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)。如果該外設(shè)的狀態(tài)標(biāo)志,表明它已“準(zhǔn)備就緒”，那么中央處理器就可以通過總線從該設(shè)備接收數(shù)據(jù)。而后，如果中央處理器還需要數(shù)據(jù)，則還須等待這個(gè)輸入設(shè)備把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了才能實(shí)現(xiàn)。中央處理器發(fā)送

12、數(shù)據(jù)的情況也和上述情況類似。 （3）高速的輸入/輸出設(shè)備。這類設(shè)備是以相等的時(shí)間間隔操作的，而中央處理器也以等間隔的時(shí)間執(zhí)行指令。當(dāng)涉及兩種設(shè)備這樣的數(shù)據(jù)傳輸過程時(shí)，很自然地出現(xiàn)對于緩沖區(qū)的需要，因?yàn)楹茈y設(shè)想，如果兩種設(shè)備好像接力棒那樣，怎么能保證效率。如果有了緩沖區(qū)，那就可以使得任何一方的操作都不受另一方的制約：一方向緩沖區(qū)送入數(shù)據(jù)，而另一方則從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)。這樣，盡管兩者的速度上有差異，但仍可以“同步”地進(jìn)行。這也就是接口設(shè)備的作用。因?yàn)椋话銇碚f，緩沖區(qū)是設(shè)立在接口設(shè)備上的。,從上面可以看出，輸入/輸出信息的交換應(yīng)該在信息已經(jīng)放進(jìn)了緩沖區(qū)之后進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，主要有下列五種輸入/輸出方式

13、：程序查詢方式、程序中斷方式、直接存儲(chǔ)器存取方式、通道方式和外圍處理機(jī)方式。如圖7.3所示：,7.2.1 查詢方式 1. 程序查詢的基本思想 由CPU執(zhí)行一段輸入/輸出程序來實(shí)現(xiàn)主存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式，叫做程序直接控制方式。根據(jù)外設(shè)的不同性質(zhì)，這種傳送方式又可分為無條件傳送和程序查詢方式兩種。 在無條件傳送方式中，I/O接口總是準(zhǔn)備好接收主機(jī)的輸出數(shù)據(jù)，或總是準(zhǔn)備好向主機(jī)輸入的數(shù)據(jù)，因而CPU無需查詢外設(shè)的工作狀態(tài)，而默認(rèn)外設(shè)始終處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)。 許多外設(shè)的工作狀態(tài)是很難事先預(yù)知的，為了保證數(shù)據(jù)傳送的正確進(jìn)行，就要求CPU在程序中查詢外設(shè)的工作狀態(tài)，如果外設(shè)尚未準(zhǔn)備就緒，CPU就等待，

14、只有外設(shè)已作好準(zhǔn)備，CPU才能執(zhí)行I/O指令，這就是程序查詢方式。,2. 程序查詢方式的工作流程 (1) 預(yù)置傳送參數(shù) 在傳送數(shù)據(jù)之前，由CPU執(zhí)行一段程序，預(yù)置傳送參數(shù)。傳送參數(shù)包括存取數(shù)據(jù)的主存緩沖區(qū)首地址和傳送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。 (2) 向I/O接口發(fā)命令字 當(dāng)CPU選中某臺(tái)外設(shè)時(shí)，執(zhí)行輸出指令向I/O接口發(fā)出命令字，啟動(dòng)外設(shè)，為接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)的操作做準(zhǔn)備。 (3) 從I/O接口取回狀態(tài)字 CPU執(zhí)行輸入指令，從I/O接口中取回狀態(tài)字并進(jìn)行測試，判斷數(shù)據(jù)傳送是否可以進(jìn)行。 (4) 查詢外設(shè)標(biāo)志 CPU不斷查詢狀態(tài)標(biāo)志，如果外設(shè)沒有準(zhǔn)備就緒，CPU就踏步進(jìn)行等待，一直到這個(gè)外設(shè)準(zhǔn)備就緒，并發(fā)

15、出“準(zhǔn)備就緒”信號(hào)為止。,(5) 傳送數(shù)據(jù) 只有外設(shè)準(zhǔn)備好，才能實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)間的一次數(shù)據(jù)傳送。輸入時(shí)，CPU 執(zhí)行輸入指令，從I/O接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中接收數(shù)據(jù)；輸出時(shí)，CPU執(zhí)行輸出指令，將數(shù)據(jù)寫入I/O接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 (6) 修改傳送參數(shù) 每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，需要修改傳送參數(shù)，其中包括主存緩沖區(qū)地址加1，傳送個(gè)數(shù)減1。 (7) 判斷傳送是否結(jié)束 如果傳送個(gè)數(shù)不為0，則轉(zhuǎn)第(3)步，繼續(xù)傳送，直到傳送結(jié)束為止。在等待過程中，CPU什么也不能做，這對于寶貴的CPU資源來說無疑是極大地浪費(fèi)。因此，除單片機(jī)外，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)一般都不采用這種方式。,7.2.2 程序中斷方式,1.中斷傳送方式

16、的引入 為何將中斷技術(shù)應(yīng)用于CPU與IO設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送呢?這需從查詢方式的缺點(diǎn)說起。外設(shè)的速度相對CPU而言一般慢得多。例如，串行通信時(shí)，若取傳輸速率為9600bps(bitpersecond)，則傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)約需1ms(以字節(jié)為單位的串行通信，在數(shù)據(jù)位的前面要加一位起始位，數(shù)據(jù)位后要有12位停止位，還可以選用1位奇偶檢驗(yàn)位。因此傳送一個(gè)字節(jié)的信息量，約需依次傳送101l位)。采用查詢方式，每傳送一個(gè)字節(jié)，CPU約需等待1ms，而1ms內(nèi)CPU可以執(zhí)行幾萬條、幾十萬條乃至更多的指令，可見資源的浪費(fèi)是驚人的。采用這種方式，CPU和外設(shè)的工作是串行的。外設(shè)工作時(shí)CPU處于等待狀態(tài)。中斷傳送方

17、式就是讓CPU和外設(shè)并行工作。仍以串行通信為例，當(dāng)CPU送一個(gè)數(shù)據(jù)至串行通信接口后繼續(xù)進(jìn)行自己的工作；當(dāng)接口電路完成具體的發(fā)送后提出一個(gè)中斷請求；CPU在條件許可時(shí)響應(yīng)這個(gè)請求，進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序；在中斷服務(wù)程序中給接口電路再送下一個(gè)數(shù)據(jù)，然后返回去接著做原來的工作。可見，在外設(shè)工作期間，CPU不需等待，機(jī)器最重要的資源得到充分利用。,將中斷技術(shù)用于處理計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中遇到的緊急事件很容易理解。所謂中斷，是指CPU在正常運(yùn)行時(shí)由于程序的預(yù)先安排或內(nèi)外部事件引起CPU暫行正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)到為預(yù)先安排的事件或內(nèi)外部事件服務(wù)的程序中去，服務(wù)程序執(zhí)行結(jié)束后再返回到暫行的程序繼續(xù)執(zhí)行。引起中斷的事

18、件稱為中斷源。預(yù)先安排的事件是指PC的中斷指令。內(nèi)部事件是指系統(tǒng)中出現(xiàn)的一些事件信號(hào)，中斷指令也可看作內(nèi)部事件。外部事件是指某些接口設(shè)備所發(fā)出的請求中斷程序執(zhí)行的信號(hào)，這些信號(hào)稱為中斷請求信號(hào)，中斷請求信號(hào)是不能預(yù)知的，然而它們一旦請求中斷，則會(huì)向CPU發(fā)出信號(hào)，這樣CPU就無需花大量時(shí)間去查詢這些信號(hào)是否產(chǎn)生。中斷請求信號(hào)一旦產(chǎn)生，CPU得知這個(gè)信號(hào)后，便立即去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完成后CPU恢復(fù)被中斷的程序。有時(shí)中斷源有幾個(gè)，因此CPU響應(yīng)這些中斷就得有先后次序，這稱為中斷優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)高的中斷首先響應(yīng)，優(yōu)先級(jí)低的中斷暫不響應(yīng)。CPU響應(yīng)中斷由中斷源提供地址信息，引導(dǎo)程序轉(zhuǎn)移到中斷

19、服務(wù)程序中去，這個(gè)地址信息稱為中斷向量，它一般是和中斷源相對應(yīng)的，PC機(jī)采用類型碼來識(shí)別中斷源。,2.中斷傳送方式接口電路 如圖7.4所示為使用中斷傳送方式進(jìn)行輸入的接口電路。該電路由數(shù)據(jù)輸入端口、寫屏蔽輸出端口、中斷請求觸發(fā)器和中斷向量提供邏輯等組成。該接口電路的工作原理可分4個(gè)階段來說明。,（1）發(fā)出中斷請求 當(dāng)輸入設(shè)備準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生一個(gè)選通信號(hào)STB，該信號(hào)將設(shè)備的數(shù)據(jù)送入輸入緩沖寄存器(供CPU讀取)，同時(shí)把中斷請求觸發(fā)器置1。若這時(shí)該中斷源沒有被屏蔽，即屏蔽觸發(fā)器為l，則中斷請求觸發(fā)器1端的輸出通過與門，向CPU提出中斷請求INTR。與此同時(shí)，請求觸發(fā)器1端的輸出送到輸入設(shè)備

20、的IBF(輸入緩沖器滿)端，表示CPU還未將輸入緩沖器中的數(shù)據(jù)取走，輸入設(shè)備不要送新的數(shù)據(jù)來。 （2）中斷響應(yīng) 如果該輸入設(shè)備提出請求時(shí)沒有更高優(yōu)先級(jí)的中斷源提出請求，則CPU在當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)響應(yīng)該中斷請求，進(jìn)人中斷響應(yīng)周期。在中斷響應(yīng)周期內(nèi)中斷響應(yīng)信號(hào)INTA有效，該信號(hào)把事先準(zhǔn)備好的中斷標(biāo)識(shí)碼(或稱中斷向量)送上數(shù)據(jù)總線，于是CPU得到中斷服務(wù)程序入口地址(或形成中斷服務(wù)程序入口地址的有關(guān)信息)，從而進(jìn)入中斷服務(wù)程序。,(3)在中斷服務(wù)程序中讀取輸入緩沖器中的數(shù)據(jù) 在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行一條輸入指令可將已存放在輸入緩沖器中的數(shù)據(jù)讀入到CPU指定的寄存器。同時(shí)，將中斷請求觸發(fā)器復(fù)位。復(fù)位中

21、斷請求觸發(fā)器，一方面為下一次中斷請求作準(zhǔn)備；另一方面通知輸入設(shè)備，CPU已將輸入緩沖器中的數(shù)據(jù)取走，可以送新的數(shù)據(jù)了。 (4)中斷返回 中斷服務(wù)程序中的最后一條指令是中斷返回指令。執(zhí)行該指令，CPU返回去繼續(xù)執(zhí)行被中斷了的主程序。如圖7.5所示為用中斷傳送方式進(jìn)行輸出的接口電路。請讀者自行分析它的組成和工作原理。分析時(shí)可從在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行一條輸出指令說起。提示兩點(diǎn)：第一，設(shè)備輸出一個(gè)數(shù)據(jù)后在ACK端會(huì)發(fā)出一個(gè)回答信號(hào)；第二，圖中的引腳符號(hào)OBF英文全稱是Output_BufferFull，即輸出緩沖器滿。,7.2.3 DMA方式,DMA是Direct Memory Access的縮寫，其意

22、思是“存儲(chǔ)器直接訪問”。它是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作，允許在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器之間直接讀寫數(shù)據(jù)，即不通過CPU，也不需要CPU干預(yù)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸操作在一個(gè)稱為“DMA控制器”的控制下進(jìn)行的。CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時(shí)作一點(diǎn)處理外，在傳輸過程中CPU可以進(jìn)行其它的工作。這樣，在大部分時(shí)間里，CPU和輸入輸出都處在并行操作。因此，使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率大大提高。 DMA技術(shù)剛發(fā)明的時(shí)候， CPU和主存之間的速度差異問題還沒有現(xiàn)在這么突出，那時(shí)候也沒有什么南北橋局部總線的概念， CPU、DMA模塊、I/O設(shè)備、內(nèi)存一般就是掛在單條總線上，CPU是非常緊張的資源，在不流水的情況下，可能每隔好幾個(gè)總

23、線周期才訪問一次內(nèi)存，這時(shí)候DMA模塊就模擬CPU的功能，通過周期竊取（cycle-stealing）技術(shù)在CPU不訪存、總線空閑的時(shí)候來進(jìn)行DMA傳輸，最大限度的節(jié)省CPU。另外一種DMA技術(shù)叫CPU暫停，就是總線被占、CPU空閑的情況。在現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)體系中DMA的作用更多的體現(xiàn)在最大限度利用內(nèi)存帶寬和提高I/O速度上。,為什么要采用DMA技術(shù)? 為了說明這個(gè)問題我們先來看一看程序控制輸入輸出方式的特點(diǎn)。在這種方式下進(jìn)行輸入輸出操作，要由CPU本身執(zhí)行一段輸入輸出程序，在這段程序中要檢查輸入輸出設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)（忙閑），向設(shè)備發(fā)送讀寫命令，傳送數(shù)據(jù)等。由于輸入輸出設(shè)備都是外部設(shè)備，它們的操作大

24、多是一些機(jī)械動(dòng)作（如磁盤、打印機(jī)），所以其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU。CPU傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，外部設(shè)備卻需要很長時(shí)間才能完成操作。這樣，CPU必須在傳送下一個(gè)字節(jié)之前，反復(fù)測試外部設(shè)備的狀態(tài)，直到外部設(shè)備完成操作（由“忙”態(tài)轉(zhuǎn)為“閑”態(tài)），才能傳送下一個(gè)數(shù)據(jù)。因此CPU的大量時(shí)間處于檢查和等待狀態(tài)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率十分低下，在現(xiàn)在的微機(jī)系統(tǒng)中，程序控制輸入輸出方式已經(jīng)不再使用。,在中斷控制輸入輸出方式（簡稱為中斷方式）中，CPU在向輸入輸出設(shè)備發(fā)出讀寫一個(gè)數(shù)據(jù)字的命令之后就可以轉(zhuǎn)入其它的工作，而由輸入輸出部件獨(dú)立地控制輸入輸出操作，直到操作完成才向CPU發(fā)出中斷請求。這時(shí)CPU才暫停當(dāng)前的工作

25、來響應(yīng)中斷，再次向輸入輸出設(shè)備發(fā)出讀寫命令。以后將重復(fù)上述過程，直到全部數(shù)據(jù)字傳送完畢。在中斷方式過程中去完成其它的工作，這就大大提高了CPU的工作效率。 但是，中斷方式仍然占用了CPU相當(dāng)多的時(shí)間。這里因?yàn)檩斎胼敵鲈O(shè)備每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)字都要向CPU發(fā)出一次中斷請求，也就要中斷一次CPU的當(dāng)前工作。而且CPU在每次響應(yīng)中斷之后還要作保護(hù)現(xiàn)場操作（把當(dāng)前各個(gè)寄存器中的內(nèi)容送入內(nèi)存保存起來），再輸入中斷處理程序，執(zhí)行完畢中斷處理程序之后，還要恢復(fù)現(xiàn)場（把剛才送入內(nèi)存保存的內(nèi)容再重新裝入各個(gè)寄存器中），以便繼續(xù)執(zhí)行被,中斷之前的工作。這樣，在連續(xù)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊的過程中，CPU要反復(fù)多次被中斷，并且花費(fèi)

26、很多時(shí)間去處理中斷，使得CPU的效率仍然不能得到很好地發(fā)揮。整個(gè)系統(tǒng)效率的提高仍然受到限制。所以，在傳送的數(shù)據(jù)量較大時(shí)，中斷方式也不能滿足要求。 在DMA技術(shù)中，數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器（簡稱DMAC）下進(jìn)行的，DMAC是一種能獨(dú)立于微處理器進(jìn)行操作的專用芯片或電路。在DMA數(shù)據(jù)傳送過程中，DMA控制器接管了微處理器的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。在當(dāng)前總線周期結(jié)束之前，有一條外部控制線終止了微處理器的操作。在DMA開始傳送數(shù)據(jù)時(shí)，微處理器的內(nèi)存控制信號(hào)禁止使用；當(dāng)DMA傳送結(jié)束后，DMA控制器將終止信號(hào)復(fù)位，這樣微處理器就恢復(fù)了它的一切權(quán)力并開始執(zhí)行自己的操作。 由此可見，DMA必須具有控

27、制系統(tǒng)總線的能力，即DMA能夠像微處理器一樣輸出地址信號(hào)，接收或發(fā)出控制信號(hào)，輸入或輸出數(shù)據(jù)信號(hào)。,7.2.4 通道和外圍處理機(jī)方式,通道 通道是一個(gè)專用的控制器，通過執(zhí)行通道程序?qū)/O操作進(jìn)行管理，為主機(jī)和I/O設(shè)備提供一條數(shù)據(jù)傳輸通道，所以該傳輸方式被稱為通道方式。 從邏輯上看，通道也是一種接口，但與普通的接口不同，它有更強(qiáng)大的功能，可通過執(zhí)行通道程序替CPU管理和控制外設(shè)。因此，通道可以看作是一種能執(zhí)行有限I/O指令集合通道命令的I/O處理機(jī)。 I/O通道控制方式，是使用從屬于CPU的、專用于處理I/O操作的處理器（ 通道）協(xié)助 CPU 完成輸入輸出操作的運(yùn)行方式。該處理器（通道）有自

28、己的通道命令，在CPU的I/O指令的驅(qū)動(dòng)下，可以執(zhí)行用通道命令編寫控制輸入輸出的程序（通道程序），把它產(chǎn)生的各種控制信號(hào)送到設(shè)備控制器，從而控制相應(yīng)設(shè)備完成輸入輸出操作。,在通道控制方式下，一個(gè)主機(jī)可以連接幾個(gè)通道。每個(gè)通道又可連接多臺(tái)I/O設(shè)備，這些設(shè)備可具有不同速度，可以是不同種類。這種輸入輸出系統(tǒng)增強(qiáng)了主機(jī)與通道操作的并行能力以及各通道之間、同一通道的各設(shè)備之間的并行操作能力。同時(shí)也為用戶提供了增減外圍設(shè)備的靈活性。 采用通道方式組織輸入輸出系統(tǒng)，多使用主機(jī)通道設(shè)備控制器I/O設(shè)備四級(jí)連接方式。通道通過執(zhí)行通道程序?qū)嵤/O系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和控制，因此，它是完成輸入輸出操作的主要部件。在

29、CPU啟動(dòng)通道后，通道自動(dòng)地去內(nèi)存取出通道指令并執(zhí)行指令。直到數(shù)據(jù)交換過程結(jié)束向CPU發(fā)出中斷請求，進(jìn)行通道結(jié)束處理工作。,通道的任務(wù)： (1) 接受CPU的I/O指令，按指令要求與指定的外圍設(shè)備進(jìn)行通信。 (2) 從內(nèi)存選取屬于該通道程序的通道指令，經(jīng)譯碼后向設(shè)備控制器和設(shè)備發(fā)送各種命令。 (3) 組織外圍設(shè)備和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并根據(jù)需要提供數(shù)據(jù)緩存的空間，以及提供數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的地址和傳送的數(shù)據(jù)量。 (4) 從外圍設(shè)備得到設(shè)備的狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存的指定單元，供CPU使用。 將外圍設(shè)備的中斷請求和通道本身的中斷請求，按次序及時(shí)報(bào)告CPU

30、。,采用通道結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7.6所示。,由于I/O設(shè)備的特性各異，通道可分為三類：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道 （1）字節(jié)多路通道 字節(jié)多路通道(Multiplexor Channel)是一種簡單的共享通道，在時(shí)間分割的基礎(chǔ)上，服務(wù)于多臺(tái)低速和中速面向字符的外圍設(shè)備。 （2）選擇通道 選擇通道每次只能從所連接的設(shè)備中選擇一臺(tái)I/O設(shè)備的通道程序。 （3）數(shù)組多路通道 數(shù)組多路通道把字節(jié)多路通道和選擇通道的特點(diǎn)結(jié)合起來。它有多個(gè)子通道，既可以執(zhí)行多路通道程序，像字節(jié)多路通道那樣，所有子通道分時(shí)共享總通道；又可以用選擇通道那樣的方式傳送數(shù)據(jù)。,通道在很大程度上將CPU從繁重的I/

31、O管理工作中解脫出來，從而提高了系統(tǒng)的整體效率。 與中斷方式相比，二者都是以程序方式來完成輸入/輸出操作，不同的是通道不需要CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序，幾乎可完全代替CPU完成輸入/輸出的控制操作。 與DMA方式相比，二者在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)都可以直接訪問主存儲(chǔ)器，不需要CPU干預(yù)，不同的是DMA完全借助于硬件完成數(shù)據(jù)傳送，而通道則是通過一組通道命令或一個(gè)通道程序與硬件一起完成數(shù)據(jù)傳送。通道除了承擔(dān)DMA的全部功能外，還承擔(dān)了設(shè)備控制器的初始化工作，并包括了低速外設(shè)單個(gè)字符傳送的程序中斷功能，因此它分擔(dān)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中全部或大部分I/O功能，提高了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能分散化程度。,通道型I/O處理機(jī)(IOP)

32、和外圍處理機(jī) IOP是通道向著更強(qiáng)、更通用、更獨(dú)立的方向發(fā)展產(chǎn)物。IOP不是一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，而是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)部件。IOP可以和CPU并行工作，提供高速的DMA處理能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送。此外，有些IOP還提供數(shù)據(jù)的變換、搜索和字裝配/分拆能力。IOP接近于CPU的結(jié)構(gòu)，但是專用，更適合I/O操作的管理，有的計(jì)算機(jī)中，IOP由通用的CPU來充當(dāng)。 外圍處理機(jī)結(jié)構(gòu)更接近于一般處理機(jī)，或者就是選用已有的通用機(jī)充當(dāng)整個(gè)計(jì)算機(jī)的I/O處理機(jī)。外圍處理機(jī)基本上是獨(dú)立于主CPU工作的，主要用于大型高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，是使用微小型通用計(jì)算機(jī)協(xié)助主處理機(jī)完成輸入輸出操作。它不但可以完成前面講的I/O

33、通道的I/O控制功能，還可以完成更加復(fù)雜多樣的附加操作功能。例如碼制轉(zhuǎn)換、格式處理、數(shù)據(jù)塊的檢錯(cuò)糾錯(cuò)處理，承擔(dān)I/O系統(tǒng)與設(shè)備的診斷維護(hù)、人機(jī)交互處理等處理功能。外圍處理機(jī)可以看作為主CPU的伙伴和助手，促成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從完全的功能集中型向功能分布型發(fā)展。,7.3 程序中斷方式,7.3.1 中斷的基本概念 所謂程序中斷，是指在程序的正常運(yùn)作過程中，輸入/輸出設(shè)備由于要插進(jìn)來完成交付給它們的任務(wù)，當(dāng)它們已經(jīng)準(zhǔn)備就緒時(shí)，就向中央處理器發(fā)出請求中斷的信號(hào)，請求中央處理器暫時(shí)中斷目前正在執(zhí)行的程序而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這也就是執(zhí)行中斷處理程序，確定提出請求程序中斷的設(shè)備，接著執(zhí)行實(shí)現(xiàn)輸入/輸出的程序。當(dāng)輸入/

34、輸出任務(wù)完成后，設(shè)備發(fā)出中斷完成信號(hào)并且從子程序（中斷處理程序）返回到原來的中央處理器程序，繼續(xù)它原來的執(zhí)行。中斷方式節(jié)省了中央處理器的時(shí)間，但它是以硬件結(jié)構(gòu)增加復(fù)雜性為代價(jià)的。和程序查詢方式相比，它的服務(wù)開銷時(shí)間也加大。它一般適用于處理隨機(jī)出現(xiàn)的事件。 1中斷的作用 中斷有下列一些作用：,（1）CPU與I/O設(shè)備并行工作 圖7.9給出了CPU和I/O設(shè)備(如打印機(jī))并行工作的時(shí)間安排。大部分時(shí)間CPU和打印機(jī)都是并行工作的。當(dāng)打印機(jī)完成一行打印后，向CPU發(fā)出中斷請求信號(hào)，如果CPU響應(yīng)中斷，則停止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去處理打印機(jī)的中斷服務(wù)程序，把要打印的一行字送到打印機(jī)的控制器并啟動(dòng)打印

35、機(jī)打印。然后CPU回到原來被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行程序。,（2）硬件故障處理 計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，如硬件出現(xiàn)某些故障，機(jī)器中斷系統(tǒng)發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)中斷后自動(dòng)進(jìn)行處理。 （3）實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系 在計(jì)算機(jī)工作過程中，如果用戶要干預(yù)機(jī)器，如抽查計(jì)算中間結(jié)果，了解機(jī)器的工作狀態(tài)，給機(jī)器下達(dá)臨時(shí)性的命令等。在沒有中斷系統(tǒng)的機(jī)器里這些功能幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的。利用中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信是很方便、很有效的。 （4）實(shí)現(xiàn)多道程序和分時(shí)操作 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多道程序運(yùn)行是提高機(jī)器效率的有效手段。多道程序的切換運(yùn)行需借助于中斷系統(tǒng)。在一道程序的運(yùn)行中，由I/O中斷系統(tǒng)切換到另外一道程序運(yùn)行。也可以通過分配每道程序一個(gè)固定時(shí)間片，利

36、用時(shí)鐘定時(shí)發(fā)中斷進(jìn)行程序切換。,（5）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理 所謂實(shí)時(shí)處理，是指在某個(gè)事件或現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)能及時(shí)地進(jìn)行處理，而不是集中起來再進(jìn)行批處理。這些事件出現(xiàn)的時(shí)刻是隨機(jī)的，而不是程序本身所能預(yù)見的，因此，要求計(jì)算機(jī)中斷正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 （6）實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)(管態(tài)程序)的聯(lián)系 可以在用戶程序中安排一條“Trap”指令進(jìn)入操作系統(tǒng)，稱之為“軟中斷”。其中斷處理過程與其他中斷類似。 （7）多處理機(jī)系統(tǒng)各處理機(jī)間的聯(lián)系 在多處理機(jī)系統(tǒng)中，處理機(jī)和處理機(jī)之間的信息交流和任務(wù)切換可以通過中斷來實(shí)現(xiàn)。,2中斷源及其種類 凡是能引起中斷的設(shè)備或事件均稱為中斷源。目前，微機(jī)中的

37、中斷源一般有以下幾種： （1）外設(shè)的服務(wù)請求：如鍵盤在用戶按了一個(gè)鍵后向CPU提出中斷請求，請求CPU接收該按鍵的編碼。又如打印機(jī)在打印完一個(gè)字符后向CPIJ提出中斷請求，請求CPU輸出下一個(gè)要打印的字符(有的打印機(jī)設(shè)有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)都打印完后，才提出中斷請求)。 （2）CPU內(nèi)部事件：如除法錯(cuò)，運(yùn)算溢出、非法數(shù)據(jù)格式、設(shè)置了單步執(zhí)行方式等。 （3）硬件故障：如電源掉電、內(nèi)存出錯(cuò)等。 （4）由存儲(chǔ)器引起的中斷：如非法地址，主存頁面失效，數(shù)據(jù)校驗(yàn)出錯(cuò)等。,（5）由總線產(chǎn)生的中斷：包括I/O總線出錯(cuò)，存儲(chǔ)器總線出錯(cuò)等。 （6）軟中斷：軟中斷又稱為軟件中斷，是用軟件方法產(chǎn)生中斷，即在程序

38、中安排特定的指令：INT，當(dāng)程序執(zhí)行到該類指令時(shí)，進(jìn)入到中斷類型號(hào)所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序。顯然，軟中斷是人為安排的，而上面介紹硬件中斷源引起的中斷是隨機(jī)的。在PC系列機(jī)中，軟中斷是調(diào)用操作系統(tǒng)功能的一種方法。 （7）軟時(shí)鐘：為了提供時(shí)間標(biāo)志，早期的計(jì)算機(jī)在內(nèi)存中開辟了幾個(gè)單元，分別作年、月、日、時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器，并設(shè)置了一個(gè)定時(shí)信號(hào)發(fā)生器，大約55ms輸出一個(gè)脈沖，作為中斷請求。,當(dāng)中斷源發(fā)生引起中斷的事件時(shí)，先將它保存在設(shè)備控制器的“中斷觸發(fā)器”中，即將“中斷觸發(fā)器”置“1”。當(dāng)中斷觸發(fā)器為“1”時(shí)，向CPU發(fā)出“中斷請求”信號(hào)。每個(gè)中斷源有一個(gè)中斷觸發(fā)器。全機(jī)的多個(gè)中斷觸發(fā)器構(gòu)成中斷寄存器。

39、其內(nèi)容稱為中斷字或中斷碼。CPU進(jìn)行中斷處理時(shí)，根據(jù)中斷字確定中斷源，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)程序。 3中斷判優(yōu) 一臺(tái)計(jì)算機(jī)一般有若干個(gè)中斷源，往往會(huì)出現(xiàn)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的中斷源同時(shí)提出中斷請求的情況，而CPU在一個(gè)時(shí)刻只能響應(yīng)一個(gè)請求。解決這個(gè)問題的方法是：將所有的中斷源按照需要服務(wù)的輕重緩急程度分成若干個(gè)級(jí)別，把最迫切需要服務(wù)的中斷源安排在最高級(jí)別，然后依次降低級(jí)別。這樣，當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)中斷源同時(shí)提出中斷請求時(shí)，CPU響應(yīng)其中級(jí)別最高的。中斷判優(yōu)是指在同時(shí)出現(xiàn)的若干個(gè)中斷請求中找出級(jí)別最高的，以便進(jìn)行相應(yīng)的中斷服務(wù)。中斷判優(yōu)可用軟件方法，也可用硬件方法。,（1）軟件判優(yōu) 當(dāng)采用查詢法識(shí)別中斷源時(shí)，已將判

40、優(yōu)機(jī)制納入到其中。最先被查尋到的中斷源是級(jí)別最高的，然后優(yōu)先級(jí)依次降低。如圖7.10。當(dāng)中斷源較多時(shí)，軟件判優(yōu)要占用CPU較多的時(shí)間。,（2）硬件判優(yōu) 并行判優(yōu)采用圖7.11所示的優(yōu)先權(quán)中斷控制器PIC(Priority Interrupt Controller)。PIC能從當(dāng)前的所有中斷請求中找出級(jí)別最高的，產(chǎn)生它所對應(yīng)的中斷標(biāo)識(shí)碼。PIC的核心部分是中斷判優(yōu)電路，如圖7.11所示是實(shí)現(xiàn)8級(jí)判優(yōu)的PIC的判優(yōu)電路。它由8線一3線優(yōu)先權(quán)編碼器、優(yōu)先權(quán)寄存器、3位二進(jìn)制數(shù)比較器和門電路組成。8個(gè)中斷請求信號(hào)(序號(hào)小的級(jí)別高)接在編碼器的輸入端。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)請求信號(hào)有效時(shí)，該電路將選出優(yōu)先權(quán)最高的

41、中斷源，產(chǎn)生相應(yīng)的編碼。,例如，設(shè)中斷請求l和中斷請求2同時(shí)有效，因中斷請求1級(jí)別高，所以編碼器將輸出中斷請求l所對應(yīng)的編碼001。接下來進(jìn)行的有兩種可能： 果當(dāng)前沒有正在服務(wù)的中斷，則優(yōu)先權(quán)寄存器的“比較失效”輸出將有效(為高電平)，它打開與門，使中斷請求信號(hào)可通過，從而向CPU提出中斷請求。 如果當(dāng)前有正在服務(wù)的中斷，則優(yōu)先權(quán)寄存器的“比較失效”輸出將無效(為低電平)，與門2被封鎖。此時(shí)比較器的輸出將起作用。參加比較的一個(gè)數(shù)是編碼器的輸出，即當(dāng)前提出請求且級(jí)別最高的中斷編碼；另一個(gè)數(shù)是優(yōu)先權(quán)寄存器的輸出，它是當(dāng)前正在服務(wù)的中斷的編碼。二者比較有兩種可能，仍接著上面的假設(shè)說明：如果當(dāng)前正在服

42、務(wù)是中斷請求0，則優(yōu)先權(quán)寄存器的輸出為000，比較器的“A000)，封鎖與門1。這樣，向CPU傳送中斷請求的通道全部被封死。如果當(dāng)前正在服務(wù)是中斷請求3，則優(yōu)先權(quán)寄存器的輸出為011，比較器的“AB”端輸出高電平有效信號(hào)(因?yàn)?01011)，它打開與門1，使中斷請求信號(hào)得以通過，從而向CPU提出中斷請求。,下面，對該電路的功能做一個(gè)小結(jié)： 該電路能從多個(gè)中斷請求中找出級(jí)別最高的，并產(chǎn)生相應(yīng)的編碼。 如果當(dāng)前沒有正在服務(wù)的中斷或者雖有正在服務(wù)的中斷，但新的請求比它的級(jí)別高，則該電路向CPU提出中斷請求。CPU在中斷響應(yīng)時(shí)，可獲取該電路產(chǎn)生的中斷編碼，從而直接轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。 如果新的中斷

43、請求比正在服務(wù)的中斷級(jí)別低，則不向CPU提中斷請求。 為了增加對中斷的管理功能，優(yōu)先權(quán)中斷控制器PIC中除了上述的并行判優(yōu)電路外，一般還設(shè)有中斷請求寄存器(寄存或表達(dá)外部的中斷請求)、中斷屏蔽寄存器和中斷屏蔽邏輯。PIC早已集成化，典型的PIC芯片是：Intel 8259 AB端輸出高電平有效信號(hào)(因?yàn)?01011)，它打開與門1，使中斷請求信號(hào)得以通過，從而向CPU提出中斷請求。,4中斷屏蔽與嵌套 為了更靈活地運(yùn)用中斷，計(jì)算機(jī)中采用中斷屏蔽技術(shù)。屏蔽的基本意思是讓某種中斷不起作用。說的確切些，對每一個(gè)外部硬件中斷源設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽位，約定該位為0，為開屏蔽狀態(tài)，為l表示處于屏蔽狀態(tài)，當(dāng)然也可

44、以反過來約定。一個(gè)中斷源在對應(yīng)的中斷屏蔽位為屏蔽狀態(tài)的情況下，它的中斷請求不能得到CPU的響應(yīng)，或者干脆就不能向CPU提出中斷請求。 一般機(jī)器是將中斷屏蔽位集中在一起，構(gòu)成中斷屏蔽寄存器。按照是否可以被屏蔽，可將中斷分為兩大類：不可屏蔽中斷(又叫非屏蔽中斷)和可屏蔽中斷。不可屏蔽中斷源一旦提出請求，CPU必須無條件響應(yīng)，而對可屏蔽中斷源的請求，CPU可以響應(yīng)，也可以不響應(yīng)。CPU一般設(shè)置兩根中斷請求輸入線：可屏蔽中斷請求INTR(Interrupt Require)和不可屏蔽中斷請求NMI(NonMaskable Interrupt)。對于可屏蔽中斷，除了受本身的屏蔽位控制外，還都要,受一個(gè)總

45、的控制，即CPU標(biāo)志寄存器中的中斷允許標(biāo)志位IF(Iinterrupt Flag)的控制，IF位為1，可以得到CPU的響應(yīng)，否則，得不到響應(yīng)。IF位可以由用戶控制，指令STI或Turboc的Enable()函數(shù)，將IF位置1(開中斷)，指令CLI或Turbo_c 的Disable()函數(shù)，將IF位清0(關(guān)中斷)。典型的非屏蔽中斷源的例子是電源掉電，一旦出現(xiàn)，必須立即無條件地響應(yīng)，否則進(jìn)行其他任何工作都是沒有意義的。典型的可屏蔽中斷源的例子是打印機(jī)中斷，CPU對打印機(jī)中斷請求的響應(yīng)可以快一些，也可以慢一些，因?yàn)樽尨蛴C(jī)等待兒是完全可以的。對于軟中斷，它不受IF位的影響，所以屬于非屏蔽中斷范疇。還

46、有一點(diǎn)，細(xì)心的讀者會(huì)想到：CPU只有兩根中斷請求輸入線，有多個(gè)中斷源怎么辦？一般借助于外部電路，如中斷控制器。這將在以后介紹。,當(dāng)CPU正在為某一個(gè)中斷源服務(wù)的過程中，又出現(xiàn)了其他中斷請求，如何處理?一般的做法是，如果新提出的中斷請求比當(dāng)前正在服務(wù)的中斷級(jí)別高，說明它更緊急、更迫切需要服務(wù)，CPU應(yīng)暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的中斷服務(wù)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行更高級(jí)的中斷服務(wù)程序。于是，出現(xiàn)了多重中斷，或稱中斷嵌套；如果新提出的中斷請求比當(dāng)前正在服務(wù)的中斷級(jí)別低，則不予理睬，待當(dāng)前服務(wù)執(zhí)行完后，再去根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況決定是否響應(yīng)。中斷過程中要占用堆?？臻g來存放斷點(diǎn)地址和現(xiàn)場信息。堆棧還用來存放子程序的返回地址。只要堆棧空間

47、足夠，中斷嵌套的層數(shù)一般沒有限制。,5各類中斷的響應(yīng)過程 中斷響應(yīng)是實(shí)現(xiàn)向中斷服務(wù)程序的過渡。在中斷響應(yīng)周期，CPU要順序完成以下操作： 發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)INTA(Interrrupt Acknowledge)； 關(guān)中斷，即將IF位清0。這是因?yàn)樵陧憫?yīng)一個(gè)中斷的期間不能響應(yīng)另一個(gè)中斷； 保護(hù)斷點(diǎn)和標(biāo)志寄存器(FR)； 斷點(diǎn)是按正常順序(即沒有中斷)應(yīng)執(zhí)行的下一條指令的地址。對8086來說，保護(hù)斷點(diǎn)就是保存CS和IP的內(nèi)容(壓入堆棧)。標(biāo)志寄存器FR中存放著剛執(zhí)行的指令的一些重要特征，也需要保存起來，以便中斷返回時(shí)繼續(xù)使用其中的內(nèi)容。 查找中斷源，轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口； 前三個(gè)操作由硬件

48、完成，而第四步可用硬件，也可用軟件來完成。,CPU對各類中斷的響應(yīng)不完全相同，主要區(qū)別在于如何獲得中斷類型碼。 （1）可屏蔽中斷的響應(yīng)過程 外設(shè)向8259A發(fā)中斷請求信號(hào)，經(jīng)8259A處理；形成相應(yīng)中斷類型碼，并向CPU申請中斷（INTR1）。 CPU在當(dāng)前指令結(jié)束后，當(dāng)IF1，且沒有內(nèi)部中斷，NMI0，HOLD0時(shí)，發(fā)生中斷響應(yīng)信號(hào) 8259A連續(xù)兩個(gè)總線周期接收到兩個(gè) 的負(fù)脈沖的中斷響應(yīng)信號(hào)，則通過數(shù)據(jù)總線將中斷類型碼送往CPU，CPU把其乘以4作為中斷向量表的地址指針。 CPU保護(hù)斷點(diǎn)，將PSW及當(dāng)前CS和IP壓棧。 清IF和TF標(biāo)志。,查中斷向量表，取出中斷向量（中斷處理程序首址），將

49、其分別置入IP和CS中，程序轉(zhuǎn)入中斷處理程序。 （2）非屏蔽中斷的響應(yīng)過程。 中斷請求在NMI端加入，等待當(dāng)前指令結(jié)束后，CPU優(yōu)先響應(yīng)NMI，其類型碼由硬件決定，其他與可屏蔽中斷相同。 非屏蔽中斷的特點(diǎn)是： 中斷類型碼由指令給定或由硬件決定。 沒有 響應(yīng)周期。 不受IF影響。 除單步中斷外，其他內(nèi)部中斷優(yōu)先于外部中斷，響應(yīng)過程與非屏蔽中斷類似。,7.3.2 中斷控制器8259A,8259是一種可編程的中斷控制器。每塊芯片可管理8級(jí)向量中斷，同時(shí)，可通過多片級(jí)連實(shí)現(xiàn)多達(dá)64級(jí)的中斷管理。PC/AT中使用兩片8259，對15級(jí)向量中斷進(jìn)行管理。 中斷控制器支持8級(jí)中斷請求，可通過編程設(shè)定優(yōu)先級(jí)，

50、8位的中斷請求寄存器（IRR）將8個(gè)中斷請求信號(hào)鎖存其中（有請求相應(yīng)位置“1”），IRR可以編程為邊沿或電平觸發(fā)。同時(shí)支持級(jí)連工作方式，允許把附加的控制器加到系統(tǒng)內(nèi)，這樣就可以擴(kuò)充外部中斷請求信號(hào)的數(shù)目，比如PC/AT系統(tǒng)就支持這種級(jí)連工作方式。 中斷控制器8259有四種主要工作方式，即全嵌套、循環(huán)優(yōu)先級(jí)、特定屏蔽和程序查詢方式。同時(shí)，它還有一4種從屬工作方式，即結(jié)束中斷、讀狀態(tài)、中斷請求觸發(fā)和數(shù)據(jù)緩沖方式。此外它分單片系統(tǒng)和多片級(jí)連系統(tǒng)兩大類，在多片級(jí)連系統(tǒng)中還允許主片選擇特殊全嵌套方式。這些工作方式都可以通過編程選擇。,中斷方法是解決外部設(shè)備和系統(tǒng)連接的很好途徑，它有效地實(shí)現(xiàn)了外部設(shè)備與C

51、PU的并行工作。在實(shí)際應(yīng)用中，除了要考慮如何對中斷控制器進(jìn)行編程的問題，還要對采用中斷方式進(jìn)行I/O控制的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1.8259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳信號(hào) 8259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖7.13所示。它有8根中斷請求輸入線IR7IR0，內(nèi)部有8個(gè)主要的功能塊。其中3個(gè)寄存器是可編程的，即用戶可用程序訪問它們，這3個(gè)寄存器都是8位的。,(1)中斷請求寄存器IRR(Interrupt Request Register) IRR用來存放中斷請求。某位為l表示相應(yīng)的中斷請求線IR有請求，為0表示該引腳無請求。將IRR某位置1的方式稱為觸發(fā)方式。有兩種觸發(fā)方式：邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)，前者是利用IR線由低

52、到高的跳變，后者要求IR線為高電平并保持到第一個(gè)中斷響應(yīng)信號(hào)INTA結(jié)束之前。在電平觸發(fā)方式下，要求中斷請求得到響應(yīng)之后請求輸入端必須及時(shí)撤除高電平。如果在CPU進(jìn)入中斷處理過程并且開放中斷前未去掉高電平信號(hào)，則可能引起不應(yīng)該發(fā)生的第二次中斷。相比之下，邊沿觸發(fā)方式用起來要方便一些。觸發(fā)方式由初始化命令字ICWl來設(shè)置。 (2)中斷屏蔽寄存器IMR(Interrupt Mask Register) IMR存放著8個(gè)屏蔽位信息，某位為0表示對應(yīng)的中斷源未被屏蔽，為1表示對應(yīng)的中斷源被屏蔽。被屏蔽的中斷源的請求不能參與中斷判優(yōu)，也就不可能向CPU提出中斷請求。,(3)正在服務(wù)寄存器ISR(In-S

53、ervice Register) ISR存放著當(dāng)前正在服務(wù)的所有中斷級(jí)。某位為1表示相應(yīng)的中斷正在服務(wù)中。ISR中可能有多位為l，這表明當(dāng)前出現(xiàn)了中斷嵌套。 (4)控制邏輯 控制邏輯含一組初始化命令寄存器和一組操作命令寄存器，按預(yù)置的工作方式(初始化命令字)或程序員的干預(yù)(操作命令字)來管理8259A的全部工作。 (5)優(yōu)先權(quán)判決電路 優(yōu)先權(quán)判決電路對保存在IRR中的各種中斷請求以及IMR的內(nèi)容進(jìn)行判斷，確定出最高優(yōu)先級(jí)，如果當(dāng)前沒有正在服務(wù)的中斷或者它比當(dāng)前正在服務(wù)的級(jí)別高，則在CPU中斷響應(yīng)期間把它選通至ISR。簡言之，在中斷響應(yīng)期間，優(yōu)先權(quán)判決電路找出應(yīng)該服務(wù)。,8259A是一種可編程的

54、中斷控制器，用于實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先管理，中斷屏蔽。單片可處理8級(jí)優(yōu)先級(jí)中斷，級(jí)聯(lián)最多可處理64級(jí)中斷。編程時(shí)有4個(gè)初始化命令字ICW1ICW4和三個(gè)操作命令字OCW1OCW3.在使用8259A時(shí)，首先要對其編程。一般情況下，初始化命令字一旦設(shè)定，工作過程中就不再改變，操作命令字則是由應(yīng)用程序設(shè)定的，用于對中斷處理過程動(dòng)態(tài)控制。 2.8259A的工作方式 （1）設(shè)置優(yōu)先級(jí)方式 按優(yōu)先級(jí)設(shè)置方法可有如下四種方式： 全嵌套方式 這是8259A的默認(rèn)方式。在此方式下，中斷請求按07優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理。當(dāng)一個(gè)中斷被響應(yīng)，即把相應(yīng)的中斷類型碼置于DB上，同時(shí)ISR對應(yīng)位置1,并保持至CPU發(fā)出EOI命令。,特殊全嵌

55、套方式 此種方式多用于多片級(jí)聯(lián)且必須將響應(yīng)的中斷優(yōu)先級(jí)保存在各從片的大系統(tǒng)中。此時(shí)特殊全嵌套方式僅設(shè)置在主片中。它和全嵌套方式基本相同，所不同的是在特殊全嵌套方式下，當(dāng)處理某一級(jí)中斷時(shí)，可響應(yīng)同級(jí)的中斷請求，從而實(shí)現(xiàn)對同級(jí)中斷請求的特殊嵌套。 優(yōu)先級(jí)自動(dòng)循環(huán)方式 這種方式一般用在系統(tǒng)中多個(gè)中斷源優(yōu)先級(jí)相等的場合。這種方式下，優(yōu)先級(jí)隊(duì)列不是固定不變的，一個(gè)設(shè)備得到中斷服務(wù)后，其優(yōu)先級(jí)自動(dòng)譯為最低。而初始優(yōu)先級(jí)從高到底隊(duì)列規(guī)定為IR0、IR1、IR7。 優(yōu)先級(jí)特殊循環(huán)方式 這種方式與的區(qū)別是初始優(yōu)先級(jí)可通過編程指定最低優(yōu)先級(jí)。,（2）屏蔽中斷源的方式 普通屏蔽方式：通過OCW1使IMR中的一位或若

56、干位置1來相應(yīng)地屏蔽掉對應(yīng)為的中斷級(jí)。 特殊屏蔽方式：提供OCW2的D6D511來設(shè)定，此時(shí)除OCW1中置1為對應(yīng)的中斷級(jí)被屏蔽外，置0的這些的中斷級(jí)，無論其中斷級(jí)別如何都可被響應(yīng)。由此可見，這種方式總是在中斷服務(wù)程序中使用，此時(shí)盡管CPU仍在處理一個(gè)高優(yōu)先級(jí)中斷，但低優(yōu)先級(jí)的中斷請求仍可以得到響應(yīng)。 （3）結(jié)束中斷的處理方式 在8259A中，當(dāng)一個(gè)中斷得到響應(yīng)時(shí)，會(huì)使其相應(yīng)的ISR位置1，而當(dāng)中斷服務(wù)結(jié)束時(shí)，應(yīng)使相應(yīng)復(fù)位，這稱為中斷結(jié)束處理。 8259A有兩種中斷結(jié)束方式：,自動(dòng)中斷結(jié)束方式，僅用在多個(gè)中斷不會(huì)嵌套的單片系統(tǒng)，只要使ICW4的D11，即處于這種方式下，當(dāng)CPU進(jìn)入中斷過程，8

57、259A就自動(dòng)將ISR中相應(yīng)位清0。 當(dāng)ICW4的D10，8259A即處于非自動(dòng)中斷方式，此時(shí)必須在中斷服務(wù)程序之前發(fā)EOI命令以便把ISR中相應(yīng)位清0。EOI命令由操作命令字OCW2發(fā)送。EOI命令有兩種方式： A） 若為全嵌套方式，發(fā)普通EOI命令（OCW220H）。 B） 若為特殊全嵌套方式或優(yōu)先級(jí)循環(huán)方式，由于ISR無法確定響應(yīng)的是哪一級(jí)中斷，必須發(fā)特殊的EOI命令指定其復(fù)位ISR中的對應(yīng)位。若8359A工作在級(jí)聯(lián)方式，有可能需要送兩個(gè)EOI命令，一個(gè)送從片，一個(gè)送主片。,（4）連接系統(tǒng)總線方式 ：在多片級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)中，要求數(shù)據(jù)總線有總線緩沖器。此時(shí)用sp*/cn* =0啟動(dòng)緩沖器工作，

58、由ICW2中D3來對主片及從片同時(shí)設(shè)定。若系統(tǒng)中只有單片8259A，一般不需要總線緩沖器，此時(shí) sp*/cn* =1。 （5） 中斷請求方式 邊沿觸發(fā)方式：以正跳轉(zhuǎn)沿向8259A請求中斷，上跳沿后可一直維持電平平。 電平觸發(fā)方式：以高電平申請中斷。注意在響應(yīng)中斷后必須及時(shí)把申請中斷線變?yōu)榈碗娖剑苑乐股洗沃袛唷?中斷查詢方式：這是一種用軟件查詢中斷請求位狀態(tài)，從而確定中斷源的方式。這種方式的特點(diǎn)是外設(shè)仍通過8259A申請中斷，但8259A卻不使用INT信號(hào)向CPU申請中斷。CPU中IF0，CPU執(zhí)行IN指令得到查詢字，查詢字說明當(dāng)前有否中斷請求，若有可得到申請申請中斷優(yōu)先級(jí)最高的中斷源。,7.

59、4 DMA方式,DMA（Driect Memory Access）技術(shù)是一種代替微處理器完成存儲(chǔ)器與外部設(shè)備或存儲(chǔ)器之間大量數(shù)據(jù)傳送的方法，也稱直接存儲(chǔ)器存取方法。 在微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，外設(shè)與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳送通常是通過CPU執(zhí)行一段程序來實(shí)現(xiàn)的，但利用DMA技術(shù)則可不用CPU介入就能實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)的直接傳送。DMA的主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)需要把一個(gè)外設(shè)的大量數(shù)據(jù)送到指定內(nèi)存時(shí)，它可以自動(dòng)完成傳送任務(wù)，也就是說外設(shè)發(fā)出一個(gè)DMA請求，則DMA電路暫停CPU的操作，并控制外設(shè)與內(nèi)存之間進(jìn)行一次傳輸，然后再讓CPU繼續(xù)執(zhí)行程序，這樣就使CPU節(jié)省了大量對外設(shè)的查詢時(shí)間，從而提高了系統(tǒng)的整體性能。 在DMA技術(shù)中，數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器（簡稱DMAC）下進(jìn)行的，DMAC是一種能獨(dú)立于微處理器進(jìn)行操作的專用芯片或電路。在DMA數(shù)據(jù)傳送過程中，DMA控制器接管了微處理器的地址,總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。在當(dāng)前總線周期結(jié)束之前，有一條外部控制線終止了微處理器的操作。在DMA開始傳送數(shù)據(jù)時(shí)，微處理器的內(nèi)存控制信號(hào)禁止使用；當(dāng)DMA傳送結(jié)束后，DMA控制器將終止信號(hào)復(fù)位，這樣微處理器就恢復(fù)了它的一切權(quán)力并開始執(zhí)行自己的操作。由此可見，DMA必須具有控制系統(tǒng)總線的能力，即DMA能