第五章中断 5.1 输入输出概述

第五章中断 • 5.1 输入输出概述 • 输入/输出设备是计算机系统的重要组成部分，计算机通过它们与外设进行数据交换。微机系统中，各种输入/输出设备通过接口与系统相连，并在接口的支持下实现各种方式的数据传送。微型计算机系统中常用的外围设备有：键盘、显示器、磁带机、硬盘驱动器、软盘驱动器、模数转换器、数模转换器、调制解调器以及一些专用设备等。把外围设备同微型计算机连接起来的电路称为外设接口电路，简称外设接口。德能日新

5.1.1 I/O端口及其寻址方式 • CPU对外设的访问实质上是对外设接口电路 • 中相应端口的访问。I/O端口的寻址方式有两种， • 即I/O指令寻址和存储器映像I/O寻址。 • 1.I/O指令寻址 • I/O指令寻址方式又称“专用的I/O端口寻址” • 方式。其硬件结构及地址空间分配如图5-1所示。 • 这种寻址方式的特点是：存储器和I/O端口在两个 • 独立的地址空间中，I/O端口的读、写命令由IOR • 和IOW来控制，访问I/O端口用专用的IN指令和 • OUT指令。德能日新

I/O指令寻址方式的优点是：I/O端口的地址码一般比同系统中存储单元的地址码短，译码电路较简单；存储器同I/O端口的操作指令不同，程序比较清晰；存储器和I/O端口的控制电路结构相互独立，可以分别设计。它的缺点是：需要专门的I/O指令，这些I/O指令I/O指令寻址方式的优点是：I/O端口的地址码一般比同系统中存储单元的地址码短，译码电路较简单；存储器同I/O端口的操作指令不同，程序比较清晰；存储器和I/O端口的控制电路结构相互独立，可以分别设计。它的缺点是：需要专门的I/O指令，这些I/O指令 • 一般没有存储器访问指令丰富，所以程序设计的灵活性较差。德能日新

图5-1 I/O指令寻址 德能日新

2、存储器映像的I/O端口寻址 • 存储器映像的I/O端口寻址的硬件结构及地址空间分配如图5-2所示。这种寻址方式的特点是：存储器和I/O端口共用一个地址空间；I/O端口读、写命令通过MEMR和MEMW来实现，所有访问存储器的指令都可用于I/O端口，包括存储器的算术逻辑运算指令。德能日新

存储器映像的I/O端口寻址方式的优点是：任何对存储器数据进行操作的指令都可用于I/O端口的数据操作，不需要专门的I/O指令，系统编程比较灵活；I/O端口的地址空间是一部分内存空间，使可大可小，外设的数目几乎不受限制。它的缺点是：I/O端口占用了一部分内存空间，使内存空间减少；访问I/O端口同访问内存一样，由于访问内存的地址长，指令的机器码也长，执行时间显然增加。简单外设接口框图如图5-2所示。存储器映像的I/O端口寻址方式的优点是：任何对存储器数据进行操作的指令都可用于I/O端口的数据操作，不需要专门的I/O指令，系统编程比较灵活；I/O端口的地址空间是一部分内存空间，使可大可小，外设的数目几乎不受限制。它的缺点是：I/O端口占用了一部分内存空间，使内存空间减少；访问I/O端口同访问内存一样，由于访问内存的地址长，指令的机器码也长，执行时间显然增加。简单外设接口框图如图5-2所示。德能日新

图5-2存储器映像的I/O端口寻址 德能日新

5.1.2 CPU与外设间的数据传送方式 • 数据传送过程中的关键问题：数据传送的 • 控制方式。 • 控制方式有：程序控制方式、DMA（直接存储 • 器存取）方式和I/O处理机方式。 • 1、程序控制的输入/输出方式 • 特点：是以CPU为中心，由CPU控制，通过预 • 先编制好的输入或输出程序实现数据的传送。 • 这种传送方式的数据传送速度较低，传送时要 • 经过CPU内部的寄存器，同时数据的输入/输出 • 的响应也较慢。德能日新

（1）无条件传送方式 • 前提条件：假设输入接口数据已经准备好， • 或者输出设备是空闲的，此时CPU无需查询 • 状态，可直接用IN和OUT指令完成与接口之 • 间的数据传送。 • 采用无条件传送方式的接口电路如图5-3 • 所示。 • 优点：无条件传送是最简便的传送方式，它 • 所需的硬件和软件都较少。德能日新

图5-3 无条件传送方式接口电路 德能日新

（2）查询传送方式 • 引入：当CPU与外设工作不同步时，很难确保CPU在执行输入操作时，外设一定是“准备好”的；而在执行输出操作时，外设一定是“空闲”的。为保证数据传送的正确进行，可采用查询传送方式。 • 前提：输入数据之前，CPU要查询输入数据是否准备好；输出数据之前，CPU要查询输出设备是否空闲。只有确认外设已经具备了传送条件后，才能用IN和OUT指令完成数据传送。 • 与无条件传送方式相比，采用查询方式的接口电路要复杂些，因为它要提供CPU查询的电路。德能日新

① 查询方式输入。图5-4所示为查询式输入的接口电路，该电路有两个端口寄存器，即状态口寄存器和数据口寄存器。 • 图5-5所示为查询式输入数据的程序流程图。 • 查询输入的程序段如下： • SCAN：IN AL，状态口地址 • TEST AL，80H • JZ SCAN • IN AL，数据口地址德能日新

图5-4 查询式输入的接口电路 德能日新

图5-5为查询式输入数据的程序流程图 德能日新

② 查询式输出。图5-6所示为查询式输出接口 • 电路，它的状态口和数据口合用一地址。 • 查询输出的程序段如下：（如图：5-7所 • 示：） • SCAN：IN AL，状态口地址；取状态信息 • TEST AL，01H ；测忙闲标志 • JNZ SCAN ；忙，转移 • MOV AL，某数 • OUT 数据口地址，AL ；空闲，输出数据德能日新

图5-6为查询式输出接口电路 德能日新

图5-7为查询式输出数据的程序流程图 德能日新

2、中断控制的输入/输出方式 • 特点：也称中断传送方式，即当外设的输入数据 • 准备好或接收数据的锁存器为空时，主动向 • CPU发出中断请求，使CPU中断原来执行的程 • 序（主程序），转去执行为外设服务的输入或输 • 出操作，服务完毕，CPU再继续执行原来的程 • 序。 • 优点：中断传送方式中，CPU和外设（甚至多个外 • 设）可同时工作，从而大大提高了CPU的效率和控制 • 程序执行的实时性。 • 中断传送时的接口电路如图5-8所示。它有两个端 • 口，即数据口和中断控制口，它们合用一个地址。德能日新

图5-8 中断传送时的接口电路 德能日新

3、直接存储器存取传送方式 • 引入：在中断传送方式中，是通过CPU执行程序 • 来实现数据传送的，故实际传送一个字节仍需要 • 几十到几百微秒。这对于高速I/O设备以及成组交 • 换数据的情况例如磁盘与内存之间的信息交）， • 速度就显得太慢了。为此，设想采用硬件实现在 • 外设与内存之间直接的数据传送，而不通过 • CPU，这样，数据传送速度的上限就取决于存储 • 器的工作速度。这种方式称为直接存储器存取 • （Direct Memory Access，简称DMA）。德能日新

5.2 中断的基本概念 • 当CPU与外设交换信息时，若用查询的方式，则CPU就要浪费很多时间去等待外设。这样就存在一个快速的CPU与慢速的外设之间的矛盾，这也是计算机在发展过程中遇到的严重问题之。为解决这个问题，一方面要提高外设的工作速度；另一方面发展了中断的概念。德能日新

实现了中断的好处： • （1）同步操作 • （2）实现实时处理 • （3）故障处理 • 5.2.1 中断过程 • 中断技术是计算机的一种重要技术，中断技术源泉于输入、输出，它是计算机内部管理的一种重要手段。它的作用之一是使异步于主机的外部设备与主机并行工作，从而提高整个系统的工作效率。德能日新

当某个事件发生时，为了对该事件进行处理，CPU中止现行程序的执行，转去执行处理该事件的程序（俗称中断处理程序或中断服务程序），待中断服务程序执行完毕，再返回断点继续执行原来的程序，这个过程称为中断。其过程如图5-9所示。当某个事件发生时，为了对该事件进行处理，CPU中止现行程序的执行，转去执行处理该事件的程序（俗称中断处理程序或中断服务程序），待中断服务程序执行完毕，再返回断点继续执行原来的程序，这个过程称为中断。其过程如图5-9所示。德能日新

图5-9中断执行过程 德能日新

当CPU转入中断处理程序时，首先应保留中断时的断点地址K+1和CPU寄存器状态（即保护现场）。一旦数据交换完毕，必须恢复现场，再返回到断点地址K+1，继续执行原程序。中断处理程序的大致流程如图5-10所示。当CPU转入中断处理程序时，首先应保留中断时的断点地址K+1和CPU寄存器状态（即保护现场）。一旦数据交换完毕，必须恢复现场，再返回到断点地址K+1，继续执行原程序。中断处理程序的大致流程如图5-10所示。德能日新

图5-10 中断处理流程 德能日新

5.2.2 中断识别及优先级管理 • 当CPU响应外部设备的中断请求后，必须识别出是哪一台外设请求中断，然后再转入对应于该设备的中断服务程序。CPU识别请求中断设备的过程称为中断源识别。利用程序来查询设备的请求中断状态，从而确认出应该服务的设备号，并转入相应设备号的中断服务程序，这种方法称为软件查询技术识别中断源。实际的系统中，是有多个中断源的，但是，由于CPU引脚的限制，往往就只有一条中断请求线。于是，当有多个中断源同时请求时，CPU就要识别出是哪些中断源有中断请求，辨别和比较它们的优先权（Priority），先响应优先权级别最高的中断申请。另外，当CPU正在处理中断时，也要能响应更高级的中断申请，而屏蔽掉同级或较低级的中断申请。德能日新

5.3 中断系统 • 1.中断系统的功能 • 为了满足上述各种情况下的中断要求， • 中断系统应具有如下功能： • （1）实现中断及返回 • （2）能实现优先权排队 • （3）高级中断源能中断低级的中断处理德能日新

2.CPU响应中断的条件 • （1）设置中断请求触发器 • （2）设置中断屏蔽触发器 • （3）中断是开放的 • （4）必须在现行指令结束后 • 如图5－11所示。德能日新

3.CPU对中断的响应 • 当满足上述条件后，CPU就响应中断，转 • 入中断周期，CPU做以下几种事： • （1）关中断 • （2）保留断点 • （3）保护现场 • （4）给出中断入口，转入相应的中断服务程序 • （5）恢复现场 • （6）开中断与返回 • 上述过程可用图5-12的流程图表示德能日新

执行一条指令 机器周期的最后一个T状态？取下一条指令指令结束？有中断请求指令结束取下一条指令禁止中断有INTR？保留现场开中断处理中断置INTR F/F 撤销中断请求处理中断恢复现场开中断返回图5-12 中断响应、服务及返回流程图图5-11 中断时序流程图德能日新

5.3.1 中断源的分类 • 引起中断的原因，或能发出中断申请的来源，称为中断源。通常中断源有以下几种： • （1）一般的输入、输出设备 • （2）数据通道中断源 • （3）实时时钟 • （4）故障源 • （5）为调试程序而设置的中断源德能日新

5.3.2 中断向量及中断向量表 • 8088有一个简便的而又多功能的中断系统。上述的任何一种中断，CPU响应以后，都是要保护现场（主要是标志位）和保护断点（现行的码段寄存器CS和指令指针IP），然后转入各自的中断服务程序。在8088中各种中断如何转入各自的中断服务程序呢？德能日新

8088在内存的前1K字节（地址00000H~003FFH）建立了一个中断向量表，可以容纳256个中断向量（或256个中断类型），每个中断向量占用4个字节。在这四个字节中，包含着这个中断向量（或这种中断类型）的服务程序的入口地址——前两个字节为服务程序的IP，后两个字节为服务程序的CS。如图5-13所示。德能日新

图5-13 中断向量表 德能日新

其中前5个中断向量（或中断类型）由Intel专用，系统又保留了若干个中断向量，余下的就可以由用户用，可作为外部中断源的向量。其中前5个中断向量（或中断类型）由Intel专用，系统又保留了若干个中断向量，余下的就可以由用户用，可作为外部中断源的向量。 • 外部中断源，只要在第二个中断响应周期，向数据总线送出一个字节的中断类型号，即可转至相应的中断向量。德能日新

5.3.3 中断优先权 • 1.用软件确定中断优先权 • 要判别和确定各个中断源的中断优先权可以用软件和硬件两种方法。 • 软件采用查询技术。当CPU响应中断后，就用软件查询以确定是哪些外设申请中为，并判断它们的优先权。德能日新

把8个外设的中断请求触发器组合起来，作为一个端口，并赋以设备号，如图5-14所示。把各个外设的中断请求信号相“或”后，作为INTR信号，故任一外设有中断请求，都可向CPU送出INTR信号。当CPU响应中断后，把中断寄存器的状态，作为一个外设读入CPU，逐位检测它们的状态，若有中断请求就转到相应的服务程序的入口，其流程如图5-15所示。把8个外设的中断请求触发器组合起来，作为一个端口，并赋以设备号，如图5-14所示。把各个外设的中断请求信号相“或”后，作为INTR信号，故任一外设有中断请求，都可向CPU送出INTR信号。当CPU响应中断后，把中断寄存器的状态，作为一个外设读入CPU，逐位检测它们的状态，若有中断请求就转到相应的服务程序的入口，其流程如图5-15所示。德能日新

图5-14 用软件查询方式的接口电路 德能日新

图5-15 软件查询程序流程图 德能日新

询问程序有两种安排方式： • （1）屏蔽法 • IN AL，[20H] ；输入中断请求触发器的状态 • TEST AL，80H ；检查最高位（电源故障）是否有请 • ；求 • JNE PWF ；有，则转至电源故障处理程序 • TEST AL 40H ；否，检查磁盘是否有请求 • JNE DISS ；有，转至磁盘服务程序 • TEST AL 20H ；否，检查磁带是否有请求 • JNE MT ；有；转至磁带服务程序 • ┇ 德能日新

（2）移位法 • XOR AL，AL • IN AL，[20H] • RCL AL，1 • JC PWF • RCL AL，1 • JC DISS • ┇ 德能日新

查询方法的优点是： • 1>询问的次序，即是优先权的次序。显然， • 最先询问的，优先权的组别最高。 • 2>省硬件。不需要有判断与确定优先权的硬 • 件排队电路。 • 但随之而来的缺点是：由询问转至相应 • 的服务程序的入口的时间长，尤其是在中断 • 源较多的情况下。德能日新

2.硬件优先权排队电路 • （1）中断优先权编码电路 • 用硬件编码器和比较器的优先权排队电路，如图5-16所示。 • 若有8个中断源，当任一个有中断请求时，通过“或”门，即可有一个中断请求信号产生，但它能否送至CPU的中断请求线，还要受比较器的控制（若优先权失效信号为低电平，则与门2关闭）。 • 8条中断输入线的任一条，经过编码器可以产生三位二进制优先权编码A2A1A0，优先权最低的线的编码为000。而且若有多个输入线同时输入，则编码器只输出优先权最高的编码。德能日新

正在进行中断处理的外设的优先权编码，通过CPU的数据总线，送至优先权寄存器，然后输出编码B2B1B0至比较器，以上过程是由软件实现的。正在进行中断处理的外设的优先权编码，通过CPU的数据总线，送至优先权寄存器，然后输出编码B2B1B0至比较器，以上过程是由软件实现的。 • 比较器比较编码A2A1A0与B2B1B0的大小，若A<B，则“A>B”端输出低电平，封锁与门1，就不向CPU发出新的中断申请（即当CPU正在处理中断时，当有同组或低组的中断源申请中断时，优先权排队线路就屏蔽它们的请求）；只有当A>B时，比较器输出端才为高电平，打开与门1，将中断请求信号送至CPU的INTR输入端，CPU就中断正在进行的中断处理程序，转去响应更高级的中断。德能日新

若CPU不在进行中断处理时（即在执行主程序），则优先权失效信号为高电平，当有任一中断源请求中断时，都能通过与门2，发出INTR信号。这样的优先权电路，如何能做到转入优先权最高的外设的服务程序的入口呢？当外设的个数<8时，则它们公用一个产生中断矢量的电路，它有三位由比较器的编码A2A1A0供给，就能做到不同的编码转入不同的入口地址。若CPU不在进行中断处理时（即在执行主程序），则优先权失效信号为高电平，当有任一中断源请求中断时，都能通过与门2，发出INTR信号。这样的优先权电路，如何能做到转入优先权最高的外设的服务程序的入口呢？当外设的个数<8时，则它们公用一个产生中断矢量的电路，它有三位由比较器的编码A2A1A0供给，就能做到不同的编码转入不同的入口地址。德能日新

图5-16 编码器和比较器的优先权排队电路 德能日新

（2）雏菊花环式（链式）优先权排队电路 • 另一种常用的硬件排队电路，如图5-17所示。图5-17链式优先权排队电路德能日新

5.3.4 软件中断（内部中断） • 8088有两类中断：软件中断——由指令 • 的执行所引起的；硬件中断——由外部（主 • 要是外设）的请求所引起的。 • 8088可以有几种产生内部中断的情况： • （1）DIV或IDIV指令 • （2）INT指令 • （3）INTO指令 • （4）单步执行德能日新

5.3.5 硬件中断（外部中断） • 8088有两条外部中断请求线：NMI-Nor • Maskable Interrupt（非屏蔽中断）和INTR • （可屏蔽中断）。 • （1）可屏蔽中断 • （2）非屏蔽中断德能日新

第五章 中断 5.1 输入输出概述