6.2 IO 控制方式 (2)（课件）-《计算机原理》(电工版第五版) 同步精品课堂

计算机原理 -第26课时- 电工版第五版 I/O 控制方式（2） 教学目标 掌握 8088 系统中断向量表的特点和使用方法 理解中断源、非屏蔽中断、可屏蔽中断、中断向量的概念和作用 熟悉可编程序中断控制器 8259A 的引脚功能、内部逻辑结构和应用 教学重难点 中断源的分类和中断向量的确定 8259A 的引脚功能、内部逻辑结构和应用 解中断优先级和中断嵌套的实现机制 让我们一起开启单片机的学习之旅。 导入新课 同学们，在前面的学习中我们了解了程序控制方式和中断控制方式。但在实际的计算机系统中，还存在一些对数据传输速度要求极高的场景。 如何实现主存储器与 I/O 设备间的高速批量数据交换呢？ 让我们一起开启中断系统中的中断源、中断向量等知识的学习之旅。 新知讲授 中断——通俗理解 你在写作业，你妈叫你去倒垃圾（中断写作业），你倒完垃圾回来又继续写作业（返回原来的程序）。整个事件 中断及中断源 - 定义 是指由于某种事件的发生计算机暂停执行当前的程序 中断源——通俗理解 指引发作业暂停执行的事件来源——妈妈喊倒垃圾 新知讲授 中断——通俗理解 你在写作业，你妈叫你去倒垃圾（中断写作业），你倒完垃圾回来又继续写作业（返回原来的程序）。整个事件 中断及中断源 - 定义 是指由于某种事件的发生计算机暂停执行当前的程序 中断源——通俗理解 指引发作业暂停执行的事件来源——妈妈喊倒垃圾 新知讲授 非屏蔽中断与可屏蔽中断 - 定义 在 CPU 内部有一个 “中断允许标志位” IF，相应地将中断源分为两类。 一类不受 IF 控制，称为非屏蔽中断，只要有非屏蔽中断产生，CPU 可立即响应，与 IF 状态无关； 另一类受 IF 控制，称为可屏蔽中断。 非屏蔽中断（妈妈超凶，不能拒绝，必须去） 屏蔽中断（把倒垃圾这件事屏蔽掉） 新知讲授 8088 CPU 允许有 256 个直接中断源，它们可来自 CPU 的内部或外部，分别称为内部中断（源）和外部中断（源），还有一类特殊的软中断，属于内部中断的一种。 中断源 - 分类 新知讲授 ① 外部中断 ▷可屏蔽中断（INTR引脚，一般是指interrupt的缩写，也就是中断） ✔外设 ✔受IF控制，N=8~255 （IF标志位） ▷不可屏蔽中断（NMI引脚） ✔电源，内存错误等 ✔不受IF控制，N=2 ② 内部中断 ▷CPU内部 ▷软件中断（指令错误） ▷异常（指令执行时发生错误） 中断源 - 分类 新知讲授 非屏蔽中断与可屏蔽中断 - 状态控制 可屏蔽中断----INTR引脚上输入的中断（高电平有效）。 IF=1表示开中断，CPU响应INTR中断 IF=0表示关中断，CPU不响应INTR中断 非屏蔽中断----NMI中断（上升沿有效） 只要有NMI请求，CPU就一定会响应中断 新知讲授 中断向量：中断服务程序的入口地址 每个中断类型对应一个中断向量（4字节） 前两个字节单元存放中断服务程序入口地址的偏移量（IP），低字节在前，高字节在后 后两个字节单元存放中断服务程序入口地址的段基值（CS），低字节在前，高字节在后 中断向量 - 定义与目的 引入中断向量的目的是确定使CPU 响应中断请求后及时、准确地转入并执行中断服务程序的方法。 新知讲授 由于中断源数量多且种类杂，中断服务程序在内存中的位置不同，采用事先将所有中断服务程序的入口地址（中断向量）存于表内的方法。 中断向量 - 存储方式 新知讲授 若中断请求被响应，由中断源提供表内偏移地址（中断类型码或中断号），从该地址中将所存内容分别送入 CS:IP，CPU 进入中断处理过程。 中断向量 - 地址表示与查表方法 新知讲授 当若干个中断源同时发出中断请求时，CPU 不会同时处理，需要确定处理的先后顺序，即中断的优先级。 中断控制器判优：根据中断向量码（中断类型码）确定中断源 中断优先级和中断嵌套 - 优先级确定 新知讲授 当 CPU 正在执行优先级较低的中断服务程序时，允许响应比它优先级高的中断请求，将正在处理的中断暂时挂起，这就是中断的嵌套。 CPU 优先为级别高的中断服务，待高优先级中断服务结束后，再返回处理较低级别的中断。 中断优先级和中断嵌套 - 中断嵌套概念 新知讲授 8259A 是一种可编程序中断控制器，能控制 8 级向量中断，通过级联方式最多可构成 64 级的向量中断系统。它能判断中断请求信号的有效性、是否被屏蔽，并进行优先级判别，还能在中断响应周期内将被响应的中断的中断类型码传送给 CPU。 可编程序中断控制器 8259A - 概述 新知讲授 CS 片选信号：有效时 CPU 可对该 8259A 进行读写操作。 WR 写信号：CS 有效且 WR 有效时，允许接收 CPU 送来的命令字。 RD 读信号：CS 有效且 RD 有效时，允许将状态信息放入数据总线供 CPU 检测。 D₀-D₇： 双向数据总线，传送控制、状态和中断类型号。 IR₀-IR₇： 外部中断请求信号。 INT中断请求信号：IR₀ - IR₇ 中任一个引脚有中断请求时，INT 有效。 INTA中断响应信号：CPU 发出中断响应脉冲。 Ao 地址输入信号：与 CS、WR 和 RD 一起选择 8259A 的内部寄存器。 CAS₂-CAS₀级联信号：双向引脚，控制多片 8259A 的级联使用。 SP/EN 从片/允许缓冲器信号：双功能引脚，不同方式下有不同作用。 8259A 的引脚功能 - 引脚介绍 新知讲授 8259A 的内部逻辑结构包括数据总线缓冲器、读 / 写控制电路、级联缓冲器 / 比较器、中断请求寄存器（IRR）、中断服务寄存器（ISR）、中断屏蔽寄存器（IMR）、优先权判别器（PR）和控制电路。 8259A 的内部逻辑结构 - 整体介绍 新知讲授 数据总线缓冲器：双向 8 位 3 态缓冲器，构成 8259A 与 CPU 之间的数据接口，是数据交换的必经之路。 读 / 写控制电路：接收来自 CPU 的读 / 写控制命令和片选控制信号，用末位地址码 Ao 选择端口，高位地址译码输出作为片选信号 CS 输入。 级联缓冲器 / 比较器：用于多片 8259A 的级联使用，一片做主片，1 - 8 片做从片，主片和从片的 CAS₂ - CAS₀ 并接。 8259A 的内部逻辑结构 - 各部分功能（一） 新知讲授 中断请求寄存器（IRR）：8 位寄存器，7 - 0 位分别对应于 IR₇ - IR₀，有中断信号传来时，将相应位置成 “1”。 中断服务寄存器（ISR）：8 位寄存器，记录当前正在处理的中断请求，CPU 处理某中断请求时，将第 i 位置 “1”，可能有多位为 1。 断屏蔽寄存器（IMR）：8 位寄存器，对 IRR 起屏蔽作用，i 位为 1 时，禁止 IR; 传来的中断请求进入系统。 8259A 的内部逻辑结构 - 各部分功能（二） 新知讲授 8259A 的内部逻辑结构 - 各部分功能（三） 优先权判别器（PR）：当多个中断请求信号同时从 IR₇ - IR₀ 输入时，判别当前优先级最高的中断请求，让系统首先响应。 控制电路：控制整个芯片内部各部件之间协调一致地工作。 新知讲授 8259A可管理 8 路中断请求 IR₇- IR₀，CPU 在初始化程序中通过数据线送入8位屏蔽字与中断类型码，送来的是中断类型码的高 5 位 T₇- T₃，为8路请求共用，8259A将被批准的请求号自动填入低3位T₂ - T₀，拼成 8 位类型码。 8259A 的应用 - 单芯片管理 新知讲授 当中断源超过 8 个时，可将多片 8259A 级联使用，最多可扩展为 64 级中断。CAS₂ - CAS₀和 SP 信号用于级联控制，如一个主片带两个从片的 22 路中断控制器，两个从片的 INT 输出送往主片的IR₀和IR₇上。 8259A 的应用 - 级联使用 新知讲授 8259A 的应用 - 初始化要求 01 建立中断向量表 将相应的中断服务程序装入内存，确保中断发生时能够正确跳转执行。 02 初始化8259A芯片 对所有8259A中断控制器进行初始化配置，设置工作模式及优先级规则。 03 验证中断系统 检查中断向量表与8259A配置是否匹配，确保中断响应流程正常运作。 随堂检测1 简述 DMA 方式的硬件结构。 【答案】DMA 方式实现的前提是 CPU 暂停与外部设备间的工作，交出总线控制权，以便 DMA 控制器使用总线完成存储器与 I/O 设备间的数据传送。DMA 控制器是必需的，它的作用是提供存储器地址、读 / 写控制信号等，也为外部设备提供必要的控制信号。 将二进制数 (10011.101)₂ 转换为十进制数 答案：(10011.101)₂ = 1×2⁴ + 0×2³ + 0×2² + 1×2¹ + 1×2⁰ + 1×2⁻¹ + 0×2⁻² + 1×2⁻³ = (19.625)₁₀ 练一练 随堂检测2 所有中断源都受 CPU 内部 “中断允许标志位” IF 控制。（ ） 【答案】× 【解析】在 CPU 内部有 “中断允许标志位” IF，将中断源分为两类，一类不受 IF 控制，称为非屏蔽中断；另一类受 IF 控制，称为可屏蔽中断，所以并非所有中断源都受 IF 控制，该说法错误。 8259A 只能单独使用，不能级联使用。（ ） 【答案】× 【解析】一片 8259A 只能接收分别从 IR₇~IR₀输入的 8 级中断，当需要引入的中断超过 8 级时，可用多片 8259A 级联使用，所以该说法错误。 练一练 随堂检测3 8088 系统的中断向量表位置固定在（ ） A. 00000H 至 001FFH B. 00000H 至 003FFH C. 00100H 至 003FFH D. 00100H 至 005FFH 【答案】B 【解析】对于 8088 系统，中断向量表的位置固定在 00000H 至 003FFH 的地址中，共计 1024 个存储单元，所以选 B。 练一练 随堂检测4 8259A 的中断服务寄存器（ISR）的作用是（ ） A. 记录当前正在处理的中断请求 B. 对中断请求起屏蔽作用 C. 判别当前优先级最高的中断请求 D. 当某一个或几个 IRi 输入端有中断信号传来时，将相应的位置成 “1” 【答案】A 【解析】中断服务寄存器（ISR）是 8 位寄存器，用来记录当前正在处理的中断请求，当 CPU 当前正在处理从 IRi 传来的中断请求时，ISR 就将第 i 位置 “1”，所以选 A。 练一练 师生互动 1 请同学们分组讨论，在一个实时性要求极高且数据传输量很大的工业控制系统中，应该选择中断方式还是 DMA 方式进行数据传输？并说明理由。 课题小结 1. 中断相关概念 I/O 控制方式（2） 2. 可编程序中断控制器 8259A 8259A 的引脚功能 8259A 的内部逻辑结构 8259A 的应用 中断源 非屏蔽中断与可屏蔽中断 中断向量 中断优先级和中断嵌套 DMA 方式的基本概念 硬件结构 简单的工作流程 3. 直接存储器存取方式 谢谢观看 THANKS $