文章目錄
接口
接口解決的問題
接口要解決的問題
速度匹配(Buffer)
信號的驅動能力(電平轉換器、驅動器)
信號形式和電平的匹配(A/D、D/A)
信息格式(字節流、塊、數據包、幀)
時序匹配(定時關係)
總線隔離(三態門)
接口的功能
數據的緩衝與暫存
信號電平與類型的轉換
增加信號的驅動能力
對外設進行監測、控制與管理，中斷處理
端口與內存的統一編制與獨立編制
統一編址：指令及控制信號統一；內存地址資源減少
獨立編址：內存地址資源充分利用能夠應用於端口的指令較少
8086的I/O端口編址
採用I/O獨立編址方式(但地址線與存儲器共用)
地址線上的地址信號用IO/M來區分
I/O操作只使用20根地址線中的16根：A15～A0
可尋址的I/O端口數爲64K(65536)個
I/O地址範圍爲0000H～FFFFH
IBM PC只使用了1024個I/O地址(0～3FFH)
I/O地址的譯碼
目的：
確定端口的地址
參加譯碼的信號：
IOR，IOW，高位地址信號
OUT指令將使總線的IOW信號有效
IN指令將使總線的IOR信號有效
當接口只有一個端口時，16位地址線一般應全部參與譯碼，譯碼輸出直接選擇該端口；
當接口具有多個端口時，則16位地址線的高位參與譯碼（決定接口的基地址），而低位則用於確定要訪問哪一個端口。
實例：
簡單接口電路
接口的基本構成
數據輸入/輸出寄存器
暫存輸入/輸出的數據
命令寄存器
存放控制命令
設定接口功能、工作參數和工作方式。
狀態寄存器
保存外設當前狀態，以供CPU讀取。
接口的類型和特點
類型——
按傳輸信息的方向分類：
輸入接口
輸出接口
按傳輸信息的類型分類：
數字接口
模擬接口
按傳輸信息的方式分類：
並行接口
串行接口
特點——
輸入接口：
要求對數據具有控制能力
常用三態門實現
輸出接口：
要求對數據具有鎖存能力
常用鎖存器實現
三態門接口
74LS244
含8個三態門的集成電路芯片
在外設具有數據保持能力時用來輸入接口
74LS244應用例
教材p238
鎖存器接口
通常由D觸發器構成；
特點：
具有對數據的鎖存能力；
不具備對數據的控制能力
常用鎖存器芯片：
74LS273
8D觸發器，不具備數據的控制能力
74LS373
含三態的8D觸發器，具有對數據的控制能力。
既可以做輸入接口，也可以做輸出接口。
基本輸入/輸出方法
無條件傳送
要求外設總是處於準備好狀態
優點：
軟件及接口硬件簡單
缺點：
只適用於簡單外設，適應範圍較窄
查詢工作方式
僅當條件滿足時才能進行數據傳送；
每滿足一次條件只能進行一次數據傳送。
適用場合：
外設並不總是準備好
對傳送速率和效率要求不高
工作條件：
外設應提供設備狀態信息
接口應具備狀態端口
查詢工作方式例
優點：
軟硬件比較簡單
缺點：
CPU效率低，數據傳送的實時性差，速度較慢
中斷控制方式
特點：
外設在需要時向CPU提出請求，CPU再去爲它
服務。服務結束後或在外設不需要時，CPU可
執行自己的程序。
優點：
CPU效率高，實時性好，速度快。
缺點：
程序編制相對較爲複雜。
以上三種I/O方式的共性
信息的傳送均需通過CPU
軟件：
外設與內存之間的數據傳送是通過CPU執行程序來完成的（PIO方式）；
硬件：
I/O接口和存儲器的讀寫控制信號、地址信號都是由CPU發出的。
缺點：
程序的執行速度限定了傳送的最大速度
DMA控制方式
特點：
外設直接與存儲器進行數據交換 ，CPU不再擔當數據傳輸的中介者；
總線由DMA控制器（DMAC）進行控制（CPU要放棄總線控制權），內存/外設的地址和讀寫控制信號均由DMAC提供。
過程：
外設向DMA控制器發出“DMA傳送請求”信號DRQ；
DMA控制器收到請求後，向CPU發出“總線請求”信號HOLD；
CPU在完成當前總線週期後會立即發出HLDA信號，對HOLD信號進行響應；
DMA控制器收到HLDA信號後，就開始控制總線，並向外設發出DMA響應信號DACK。
例：從外設向內存傳送若干字節數據
DMAC向I/O接口發出讀信號；
向地址總線上發出存儲器的地址；
發出存儲器寫信號和AEN信號；
傳送數據並自動修改地址和字節計數器
判斷是否需要重複傳送操作;
若數據傳送完，DMA控制器撤銷發往CPU的HOLD信號；
CPU檢測到HOLD失效後，則撤銷HLDA信號，並在下一時鐘週期重新開始控制總線。
DMA工作方式
週期竊取：
每個DMA週期只傳送一個字節或一個字就立即釋放總線。
數據塊傳送：
DMAC在申請到總線後，將一塊數據傳送完後才釋放總線，而不管中間DREQ是否有效。
直接存取方式：
DMA的數據傳送請求直接發到主存儲器，在得到響應後，整個工作過程在DMA控制器中由硬件完成。
特點：
數據傳輸由DMA硬件來控制，數據直接在內存和外設之間交換，可以達到很高的傳輸速率。
控制複雜，硬件成本相對較高。
中斷技術
中斷：
CPU執行程序時，由於發生了某種隨機的事件(外部或內部)，引起CPU暫時中斷正在運行的程序，轉去執行一段特殊的服務程序(稱爲中斷服務程序或中斷處理程序)，以處理該事件，該事件處理完後又返回被中斷的程序繼續執行，這一過程稱爲中斷。
引入中斷的原因
避免了CPU不斷檢測外設狀態的過程，提高了CPU的利用率。
提高數據傳輸率；
實現對特殊事件的實時響應。
外部中斷響應的一般過程
中斷請求
中斷源識別及中斷判優
中斷響應
中斷處理（服務）
中斷返回
低優先級的中斷程序允許被高優先級的中斷源所中斷
CPU響應INTR的中斷請求需要滿足4個條件：
- 一條指令執行結束；CPU在每條指令執行的最後一個時鐘週期，對INTR信號進行檢測。
- CPU處於開中斷狀態，即IF=1;
- 當前沒有發生復位(RESET)、保持 (HOLD)狀態和NMI中斷請求;
- 若當前執行的指令是開中斷指令STI或中斷返回指令IRET，則它們執行完後再執行一條指令，CPU才能響應INTR請求；
保護現場，CPU執行中斷服務程序時，首先將各寄存器和標誌寄存器的內容入棧保護，這稱爲保護現場；
開中斷(STI)：CPU在響應中斷時自動關閉中斷，所以在進入中斷服務程序後，如果允許中斷嵌套，需要用指令開中斷；
執行中斷處理程序主體；
關中斷(CLI) ；
恢復現場，將壓棧的各寄存器內容彈出送回相應的寄存器；
(IRET)指令將堆棧內保存的斷點信息彈出到IP、CS、FLAG；
中斷向量表
存放各類中斷的中斷服務程序的入口地址；
每個入口占用4 Bytes，低字爲段內偏移，高
字爲段基址；
表的地址位於內存的00000H～003FFH，大
小爲1KB，共256個入口。
將用戶自定義的中斷服務程序入口地址放入向量表
注意點：
向量表所在的段地址=0
存放子程序入口的單元的偏移地址=n×4
例：
將中斷向量碼爲48H的服務程序入口地址放入向量表
中斷控制器Intel 8259A
中斷請求寄存器IRR
保存從IR0～IR7來的中斷請求信號，某位=1表示對應的IRi有中斷請求
中斷服務寄存器ISR
保存所有正在服務的中斷源，某位=1表示對應的IRi中斷正在被服務
中斷屏蔽寄存器IMR
存放中斷屏蔽字，某位=1表示對應的IRi輸入被屏蔽
中斷優先權判別電路
確定是否向CPU發出中斷請求，中斷響應時確定ISR的哪位應置位及把相應中斷的類型碼放到數據總線上
8259工作過程
1 一條或若干條中斷請求有效，IRR相應位置1
2 若未被屏蔽，8259由INT發出中斷申請
3 CPU開中斷狀態，用INTA響應
4 8259接收到後第一個INTA後，最高優先權的ISR位置1，使相應IRR位復位
5 第二個INTA，中斷向量碼送數據總線
6 ISR相應位復位
8259A的功能
可管理8級外部中斷，多片級聯可擴至64級；
對每級中斷通過編程可以屏蔽或允許；
在CPU中斷響應週期提供中斷類型碼；
可通過編程選擇多種工作方式；
固定優先級方式、優先級循環方式；
普通全嵌套方式、特殊全嵌套方式；
自動中斷結束方式、正常中斷結束方式、特殊中斷結束方式；
普通屏蔽方式、特殊屏蔽方式；
邊沿觸發、電平觸發；
結束中斷的處理方式
自動中斷結束方式—— 中斷響應後自動送結束字，清0 ISR中當前優先級最高的中斷服務標誌。
非自動中斷結束方式——中斷結束時用戶必須用指令送結束字，分特殊和非特殊兩種。
非特殊配合全嵌套優先權方式使用，清ISR中相應位
當CPU用輸出指令往8259A發出普通中斷結束EOI命令時，8259A就會對ISR中當前優先級最高的中斷服務標誌清0
特殊中斷結束配合特殊全嵌套（循環優先權）方式
中斷結束時用戶用指令送特定的結束字，指明要清除ISR中的哪一位。
屏蔽中斷源方式
普通屏蔽方式
將 IMR的 Di 位置1，對應的中斷 IRi 將被屏蔽，該中斷請求將不能從8259A送到CPU
如果將 IMR 的 Di位置0，則允許對應的中斷產生
特殊屏蔽方式——允許發生低級的中斷嵌套，用於級連時的主片。
將IMR的 Di 位置1，中斷IRi被屏蔽；同時，ISR的Di位將置0，允許發生低級的中斷。
中斷觸發方式
邊沿觸發方式
中斷請求輸入端出現上升沿爲有效的中斷請求信號
電平觸發方式
中斷請求端出現高電平爲有效的中斷請求信號
8259初始化編程
初始化編程
8259A開始工作前寫入，共有ICW1–ICW4 。
用戶必須對8259A進行初始化編程。通過寫入初始化命令字ICW對8259A進行初始化。
操作編程
在8259A工作期間寫入，共有OCW1—OCW3。
可以隨時向8259A寫入操作命令字OCW，使之按用戶設置的新的工作方式進行工作
用戶還可以通過寫操作命令字OCW通知8259A，下面的操作要讀取8259A中的狀態信息，以便了解其工作情況
8259A的端口
初始化命令字ICW
8259A在開始工作前必須寫入初始化命令字
初始化命令字ICW最多可以有4個：
ICW1～ICW4
必須按照以上順序依次寫入
其中 ICW1 和 ICW2 是必須的
ICW3和ICW4是否需要，由具體的工作方式決定
ICW1 初始化字
ICW2 中斷向量碼
ICW3 級聯控制字
ICW4 中斷結束方式字
操作命令字OCW
8259A工作期間，可以隨時接受操作命令字OCW
OCW共有3個：OCW1～OCW3
寫入時沒有順序要求，需要哪個OCW就寫入那個OCW
OCW1 中斷屏蔽字
OCW2 中斷結束和優先級循環
OCW3 屏蔽方式和狀態讀出控制字
R SL EOI
001 一般EOI命令，全嵌套方式
011 特殊EOI命令，全嵌套方式，按L2-0復位
101 一般EOI命令，優先級自動循環
100 在自動EOI時設置優先級自動循環
000 在自動EOI時取消優先級自動循環
111 一般EOI命令，按循環L2-0編碼優先級
110 按循環L2-0編碼優先級
D6 D5
1 0 清除特設屏蔽
1 1 設置特殊屏蔽
P 0 非查詢方式
1 查詢方式
D1 D0
1 0 隨後讀IRR
1 1 隨後讀ISR
讀取狀態字
CPU可隨時讀出IRR、ISR、IMR和查詢字
A0爲低（偶地址）時
由OCW3中RR和RIS位編碼決定讀取的是IRR或ISR，
由OCW3中P位決定讀取的是查詢字，查詢字可反映8259A是否有中斷請求，及哪個引腳上有中斷請求
A0爲高（奇地址）時，讀取的是IMR
