微机原理之 输入输出与中断

1. I/O接口概述

1. I/O接口的作用

   把介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口(Interface)

   对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O接口记忆了主机送给外设的一切命令和数据，从而使主机与外设之间协调一致地工作。

2. CPU与外设交换的信息

   主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三类。

1.  数据信息

数据信息又分为数字量、模拟量和开关量三种形式。

1. 数字量:
     数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。例如，由键盘、显示器、打印机及磁盘等I/O外设与 CPU交换的信息，它们是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数符。

2. 模拟量：模拟量必须先经过模拟量向数字量的转换(A/D转换)后才能输入计算机

3. 开关量:
      开关量可表示两个状态，如开关的断开和闭合，机器的运转与停止，阀门的打开与关闭等。这些开关量通常要经过相应的电平转换才能与计算机连接。开关量只要用一位二进制数即可表示。

   2. 状态信息

   反映了当前外设所处的工作状态，是外设通过接口送往CPU的。CPU通过对外设状态信号的读取，可得知输入设备的数据是否准备好、输出设备是否空闲等情况

3.  控制信息

   控制信息是CPU通过接口传送给外设的，CPU通过发送控制信息设置外设(包括接口)的工作模式、控制外设的工作。如外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息 。

   虽然数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同，但在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换信息时，只能用输入指令(IN)和输出指令 (OUT)传送数据，所以状态信息、控制信息也是被作为数据信息来传送的，即把状态信息作为一种输入数据，而把控制信息作为一种输出数据，这样，状态信息和控制信息也通过数据总线来传送。但在接口中，这三种信息是在不同的寄存器中分别存放的

3. I/O接口的基本结构

   正如每个存储单元都有一个物理地址一样，每个端口也有一个地址与之相对应，该地址称为端口地址。有了端口地址，CPU对外设的输入/输出操作实际上就是对I/O接口中各端口的读/写操作。数据端口一般是双向的，数据是输入还是输出，取决于对该端口地址进行操作时CPU发往接口电路的读/写控制信号

   输入/输出操作所用到的地址总是对端口而言，而不是对接口而言的。接口和端口是两个不同的概念，若干个端口加上相应的控制电路才构成接口

4. I/O端口的编址

   微型计算机系统中I/O端口编址方式有两种：I/O端口与内存单元统一编址和 I/O端口与内存单元独立编址。

1. I/O端口与内存单元统一编址
   

说明：采用统一编址方式后，CPU对I/O端口的输入/输出操作如同对存储单元的读/写操作一样，所有访问内存的指令同样都可用于访问I/O端口，因此无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计

2. I/O端口与内存单元统一编址

   在这种编址方式中，建立了两个地址空间，一个为内存地址空间，一个为I/O地址空间。内存地址空间和I/O地址空间是相对独立的，通过控制总线来确定CPU到底要访问内存还是I/O端口

   80x86 CPU组成的微机系统都采用独立编址方式。在8086/8088系统中，共有20根地址线对内存寻址，内存的地址范围是00000H～FFFFFH；用地址总线的低16位对I/O端口寻址，所以I/O端口的地址范围是0000H～FFFFH，CPU在访问内存和外设时，使用了不同的控制信号来加以区分。

5. I/O端口的地址译码

   微机系统常用的I/O接口电路一般都被设计成通用的I/O接口芯片，一个接口芯片内部可以有若干可寻址的端口。因此，所有接口芯片都有片选信号线和用于片内端口寻址的地址线。例如，某接口芯片内有四个端口地址，则该芯片外就会有两根地址线（这是为什么呐？我也不知道，正在学习中。。。）

一个小重点：

I/O端口地址译码的方法有多种，一般的原则是把CPU用于I/O端口寻址的地址线分为高位地址线和低位地址线两部分，将低位地址线直接连到I/O接口芯片的相应地址引脚，实现片内寻址，即选中片内的端口；将高位地址线与CPU的控制信号组合，经地址译码电路产生I/O接口芯片的片选信号。

2. CPU与外设之间数据传送的方式

2.1 程序传送方式

1.无条件传送方式

CPU对外设进行输入/输出操作时无需考虑外设的状态。比如：关、继电器、数码管、发光二极管等

2.查询传送方式

先查询相应设备的状态，当输入设备处于准备好状态，输出设备处于空闲状态时，CPU才执行输入/输出指令与外设交换信息

3.中断传送方式

中断传送方式是指当外设需要与CPU进行信息交换时，由外设向CPU发出请求信号，使CPU暂停正在执行的程序，转去执行数据的输入/输出操作，数据传送结束后，CPU再继续执行被暂停的程序。

3. 中断技术

3.1 中断的基本概念

3.1.1 中断的定义

   在CPU执行程序的过程中，出现了某种紧急或异常的事件(中断请求)，CPU需暂停正在执行的程序，转去处理该事件(执行中断服务程序)，并在处理完毕后返回断点处继续执行被暂停的程序，这一过程称为中断 。

3.1.2 中断源

任何能够引发中断的事件都称为中断源，可分为硬件中断源和软件中断源两类。

硬件中断源主要包括：外设(如键盘、打印机等)、，电源掉电 等
软件中断源主要包括：(如断点、单步执行等)、中断指令(如INT 21H等)，
                (如除法运算时除数为零)等。

3.1.3 中断处理过程

   对于一个中断源的中断处理过程应包括以下几个步骤，即中断请求、中断响应、保护现场、中断处理和中断返回（执行完中断服务程序，返回到原先被中断的程序，此过程称为中断返回） 。
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3.1.4

4. 8086/8088 中断系统

5. 可编程中断控制器Intel 8259A