計算機(jī)組成原理第七章輸入輸出系統(tǒng)[二]

1、7.3.2程序中斷方式的接口電路程序中斷方式的接口電路一、中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器一、中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器 接口電路中接口電路中, ,每臺外設(shè)都相應(yīng)配備一個中斷請求每臺外設(shè)都相應(yīng)配備一個中斷請求觸發(fā)器觸發(fā)器(INTR),(INTR),完成觸發(fā)器完成觸發(fā)器D,D,中斷屏蔽觸發(fā)器中斷屏蔽觸發(fā)器MASK;MASK; 中斷請求觸發(fā)器的作用是存放設(shè)備的中斷請求中斷請求觸發(fā)器的作用是存放設(shè)備的中斷請求; ; 中斷屏蔽觸發(fā)器中斷屏蔽觸發(fā)器MASKMASK的作用是的作用是, ,當(dāng)當(dāng)MASK=1MASK=1時時, ,封鎖其中斷源的請求封鎖其中斷源的請求; ; 中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器在接口

2、電路中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器在接口電路中成對出現(xiàn)中成對出現(xiàn);一、中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器一、中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器 當(dāng)設(shè)備本身準(zhǔn)備就緒當(dāng)設(shè)備本身準(zhǔn)備就緒, ,完成觸發(fā)器完成觸發(fā)器D =1,D =1,且該且該設(shè)備未被屏蔽設(shè)備未被屏蔽(MASK=0),CPU(MASK=0),CPU的中斷查詢信的中斷查詢信號可將中斷請求觸發(fā)器置號可將中斷請求觸發(fā)器置“1”(INTR=1).1”(INTR=1).。QQD D&1 1Q QQ QINTRINTR D D來自來自CPU的的中斷查詢信號中斷查詢信號MASKMASKQQ 圖圖7.9 7.9 接口電路中接口電路中D D、INTRIN

3、TR、MASKMASK和中斷查和中斷查 詢詢信號的關(guān)系信號的關(guān)系 各個中斷源均有對應(yīng)的中斷請求觸發(fā)器各個中斷源均有對應(yīng)的中斷請求觸發(fā)器, ,它它們可以分散在各個中斷接口電路內(nèi)們可以分散在各個中斷接口電路內(nèi)( (如圖如圖7.157.15所示所示), ),也可以集中在也可以集中在CPUCPU的中斷系統(tǒng)中的中斷系統(tǒng)中, ,構(gòu)成構(gòu)成一個中斷請求寄存器一個中斷請求寄存器, ,如圖如圖7.107.10所示所示. . 寄存器中寄存器中n n位分別對應(yīng)位分別對應(yīng)n n個中斷源的中斷請求個中斷源的中斷請求. . 中斷屏蔽觸發(fā)器的情況亦然中斷屏蔽觸發(fā)器的情況亦然. . 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5n-1

4、n-1n n過過熱熱階上溢階上溢非法除法非法除法鍵盤輸入鍵盤輸入打印機(jī)輸出打印機(jī)輸出圖圖7.107.10 中斷請求寄存器中斷請求寄存器二、中斷請求信號的傳送中斷請求信號的傳送1 1、獨立請求線：各個中斷源單獨、獨立請求線：各個中斷源單獨設(shè)置自己的中斷請求線設(shè)置自己的中斷請求線, ,每條中斷每條中斷請求線直接送往請求線直接送往CPU.CPU.特點：特點：CPUCPU接到中斷請求的接到中斷請求的同時就知道了中斷源是誰同時就知道了中斷源是誰, ,故響應(yīng)故響應(yīng)速度快速度快, ,但但CPUCPU能連接的中斷請求能連接的中斷請求線數(shù)目有限線數(shù)目有限, ,中斷源難于擴(kuò)充中斷源難于擴(kuò)充. .CPUCPU中斷中

5、斷源源1 1中斷中斷源源2 2中斷中斷源源n nINTR1INTR1INTR2INTR2INTRnINTRn2、公共請求線：各個中斷源的中公共請求線：各個中斷源的中斷請求信號通過三態(tài)門電路匯斷請求信號通過三態(tài)門電路匯集到一根公共中斷請求線上集到一根公共中斷請求線上.特特點：在負(fù)載允許的情況下中斷點：在負(fù)載允許的情況下中斷源的數(shù)目可以隨意擴(kuò)充；但源的數(shù)目可以隨意擴(kuò)充；但CPU在接到中斷請求后必須通在接到中斷請求后必須通過軟件或硬件的方法來識別中過軟件或硬件的方法來識別中斷源進(jìn)而再找到中斷服務(wù)程序斷源進(jìn)而再找到中斷服務(wù)程序的入口地址的入口地址.3、二維結(jié)構(gòu)：同一優(yōu)先級別的中二維結(jié)構(gòu)：同一優(yōu)先級別的

6、中斷源，采用一根公共的請求線；斷源，采用一根公共的請求線；不同請求線上的中斷源優(yōu)先級不同請求線上的中斷源優(yōu)先級別不同別不同. .CPUCPU 中斷中斷源源n n中斷中斷源源1 1INTRINTRCPU中斷中斷源源1 1中斷中斷源源2 2INTR2INTR2INTR1INTR1中斷中斷源源n n中斷中斷源源3 3INTR3INTR3三、中斷判優(yōu)邏輯三、中斷判優(yōu)邏輯 中斷系統(tǒng)在任一時刻中斷系統(tǒng)在任一時刻, ,只能響應(yīng)一個中斷源只能響應(yīng)一個中斷源的請求的請求; ; CPUCPU必須給予不同的中斷源不同等級的優(yōu)必須給予不同的中斷源不同等級的優(yōu)先級別先級別. .當(dāng)多個中斷源同時向當(dāng)多個中斷源同時向CPU

7、CPU提出請求提出請求時時, CPU, CPU按照優(yōu)先級別的高低按照優(yōu)先級別的高低( (中斷判優(yōu)中斷判優(yōu)) ) 予予以響應(yīng)以響應(yīng); ; 中斷判優(yōu)可以采用硬件和軟件兩種方法中斷判優(yōu)可以采用硬件和軟件兩種方法. . 1 1、軟件判優(yōu)、軟件判優(yōu) 通過編寫查詢程序?qū)崿F(xiàn)通過編寫查詢程序?qū)崿F(xiàn), ,即查詢各中斷請求即查詢各中斷請求觸發(fā)器的狀態(tài)觸發(fā)器的狀態(tài); ; 程序查詢的次序程序查詢的次序, ,即為即為CPUCPU響應(yīng)的優(yōu)先級別響應(yīng)的優(yōu)先級別. .是否是否A A請求請求?是否是否B B請求請求?是否是否C請求請求?Y Y YNNN 圖圖 7.11 7.11 按照按照ABCABC優(yōu)先級別的軟件排隊優(yōu)先級別的軟

8、件排隊轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)A A的服務(wù)程序入的服務(wù)程序入口地址口地址轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)B B的服務(wù)程序入的服務(wù)程序入口地址口地址轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)C C的服務(wù)程序入的服務(wù)程序入口地址口地址 優(yōu)點：軟件判優(yōu)方法簡單優(yōu)點：軟件判優(yōu)方法簡單, ,可以靈活地修改中斷源可以靈活地修改中斷源的優(yōu)先級別的優(yōu)先級別; ; 缺點：不管外設(shè)是否有中斷請求都需按次序逐一缺點：不管外設(shè)是否有中斷請求都需按次序逐一詢問詢問, ,效率低效率低, ,適用于中低速外設(shè)適用于中低速外設(shè). .是否是否A A請求請求?是否是否B B請求請求?是否是否C請求請求?Y Y YNNN 圖圖 7.11 7.11 按照按照ABCABC優(yōu)先級別的軟件排隊優(yōu)先級別的軟件排隊轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)A A的服

9、務(wù)程序入的服務(wù)程序入口地址口地址轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)B B的服務(wù)程序入的服務(wù)程序入口地址口地址轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)C C的服務(wù)程序入的服務(wù)程序入口地址口地址 2 2、硬件判優(yōu)、硬件判優(yōu) 采用硬件判優(yōu)電路實現(xiàn)中斷優(yōu)先級的判采用硬件判優(yōu)電路實現(xiàn)中斷優(yōu)先級的判定可以節(jié)省定可以節(jié)省CPUCPU時間時間, ,速度快但成本高速度快但成本高. . 根據(jù)中斷請求信號的傳送方式不同有根據(jù)中斷請求信號的傳送方式不同有不同的優(yōu)先排隊電路不同的優(yōu)先排隊電路, ,常見的方案有常見的方案有: :獨獨立請求線的優(yōu)先排隊電路、公共請求線立請求線的優(yōu)先排隊電路、公共請求線的優(yōu)先排隊電路等的優(yōu)先排隊電路等. . 共同特點共同特點: :優(yōu)先級別高的中斷請求將自優(yōu)

10、先級別高的中斷請求將自動封鎖優(yōu)先級別低的中斷請求的處理動封鎖優(yōu)先級別低的中斷請求的處理. . 公共請求線的優(yōu)先排隊電路公共請求線的優(yōu)先排隊電路 如果中斷請求信號的傳遞模式采用公共請求如果中斷請求信號的傳遞模式采用公共請求線方式線方式, ,相應(yīng)可采用鏈?zhǔn)絻?yōu)先級排隊相應(yīng)可采用鏈?zhǔn)絻?yōu)先級排隊(daisy-chain (daisy-chain method)method)邏輯邏輯. .該邏輯具有該邏輯具有鏈?zhǔn)脚抨犳準(zhǔn)脚抨牶秃吞峁┲袛喑烫峁┲袛喑绦蛉肟诘刂沸蛉肟诘刂返墓δ艿墓δ? ,亦稱亦稱“串行排隊鏈法串行排隊鏈法”或或“菊花鏈方式菊花鏈方式”. . 中斷的排隊判優(yōu)及向量編碼線路如圖中斷的排隊判優(yōu)及向

11、量編碼線路如圖7.127.12所示所示. . CPU CPU只有一根中斷響應(yīng)輸入線只有一根中斷響應(yīng)輸入線INTRINTR和一根中斷和一根中斷響應(yīng)輸出線響應(yīng)輸出線INTA(INTA(單線中斷單線中斷), ),三臺設(shè)備的中斷響應(yīng)三臺設(shè)備的中斷響應(yīng)次序為次序為12 3,12 3,排隊優(yōu)先可以用串行優(yōu)先鏈來完排隊優(yōu)先可以用串行優(yōu)先鏈來完成成, ,響應(yīng)中斷后響應(yīng)中斷后, ,通過數(shù)據(jù)總線的通過數(shù)據(jù)總線的D0-D7D0-D7來送出來送出向量向量地址地址. . 或或與與與與與與與與與與與與向量地址形成部件向量地址形成部件( (編碼器編碼器) )CPUCPUINTAINTAINTRINTRINTR1INTR1I

12、NTR2INTR2INTR3INTR3數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線向量向量地址地址形成形成向向量量中中斷斷優(yōu)優(yōu)先先權(quán)權(quán)編編碼碼器器INTR1INTR1INTR2INTR2INTR3INTR3中斷請求寄存器中斷請求寄存器 1 23圖圖7.127.12串行排隊優(yōu)先及向量編碼線路串行排隊優(yōu)先及向量編碼線路(1)(1)優(yōu)先權(quán)優(yōu)先權(quán)排隊電路排隊電路中斷的串行排隊優(yōu)先識別的工作原理如下中斷的串行排隊優(yōu)先識別的工作原理如下： 所有中斷源的中斷請求所有中斷源的中斷請求INTR1INTR1，INTR2INTR2，通過一條中斷請求線通過一條中斷請求線INTRINTR送送CPUCPU； 在開中斷在開中斷(CPU(CPU內(nèi)部的中斷允

13、許觸發(fā)器內(nèi)部的中斷允許觸發(fā)器EINT=1)EINT=1)的情況下的情況下,CPU,CPU在當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束在當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束時時, ,響應(yīng)中斷請求響應(yīng)中斷請求, ,發(fā)出發(fā)出INTAINTA信號；信號； INTAINTA信號串行的一次連接所有的中斷源；信號串行的一次連接所有的中斷源； 若某設(shè)備沒有中斷請求若某設(shè)備沒有中斷請求, ,該設(shè)備將中斷響應(yīng)信該設(shè)備將中斷響應(yīng)信號號INTAINTA傳送給下一設(shè)備傳送給下一設(shè)備; ; 若某設(shè)備有中斷請求若某設(shè)備有中斷請求, ,該設(shè)備就封鎖該設(shè)備就封鎖INTAINTA信號信號, ,不再往下傳送不再往下傳送, , 同時產(chǎn)生該設(shè)備的中斷允許信同時產(chǎn)生該設(shè)備的中斷允許

14、信號號INTRiINTRi, ,并將其送往向量地址編碼器并將其送往向量地址編碼器; ; 編碼器可產(chǎn)生對應(yīng)中斷源的向量地址編碼器可產(chǎn)生對應(yīng)中斷源的向量地址. . 串行排隊鏈法串行排隊鏈法的特點的特點 硬件實現(xiàn)簡單硬件實現(xiàn)簡單; ; 硬件連接固定后硬件連接固定后, ,中斷源的優(yōu)先次中斷源的優(yōu)先次序就固定不變；序就固定不變； 故障敏感；故障敏感； 響應(yīng)速度慢響應(yīng)速度慢一條一條響應(yīng)線上響應(yīng)線上串串行行確定中斷源確定中斷源. .向量地址形成部件向量地址形成部件( (編碼器編碼器) )與與與與與與INTRINTR1 1INTRINTR2 2 INTRINTR3 3INTRINTR4 4INTRINTR1

15、1INTRINTR2 2INTRINTR3 3INTRINTR4 4排排隊隊器器向量地址向量地址 獨立請求方式獨立請求方式的優(yōu)先級排隊的優(yōu)先級排隊邏輯邏輯獨立請求線的優(yōu)先排隊電路獨立請求線的優(yōu)先排隊電路 1 2 3 4中斷請求中斷請求寄存器寄存器圖圖7.13 7.13 獨立請求方式的優(yōu)先級排隊邏輯獨立請求方式的優(yōu)先級排隊邏輯 獨立請求方式的特點：速度快；硬件代價高獨立請求方式的特點：速度快；硬件代價高.獨立請求方式的排隊優(yōu)先識別及向量編碼獨立請求方式的排隊優(yōu)先識別及向量編碼線路的工作原理如下：線路的工作原理如下： 每個中斷源的中斷請求信號保存在每個中斷源的中斷請求信號保存在“中斷請中斷請求觸發(fā)

16、器求觸發(fā)器”中中, ,可能有若干中斷請求信號可能有若干中斷請求信號INTRiINTRi進(jìn)入排隊電路進(jìn)入排隊電路; ; 排隊電路優(yōu)先級別最高的中斷源會封鎖級別排隊電路優(yōu)先級別最高的中斷源會封鎖級別低的中斷源的中斷請求低的中斷源的中斷請求, ,只有其對應(yīng)的輸出線只有其對應(yīng)的輸出線IRNTIRNTi i上給出上給出“1”1”信號信號, ,并將其送往向量地并將其送往向量地址編碼器址編碼器, , 而其他各線為而其他各線為“0”0”信號信號; ; 編碼器可產(chǎn)生對應(yīng)中斷源的向量地址編碼器可產(chǎn)生對應(yīng)中斷源的向量地址. .四、中斷服務(wù)程序入口地址的獲取方四、中斷服務(wù)程序入口地址的獲取方法法 不同的中斷源不同的中

17、斷源, ,對應(yīng)不同中斷服務(wù)程序；對應(yīng)不同中斷服務(wù)程序； 獲取該中斷服務(wù)程序的入口地址獲取該中斷服務(wù)程序的入口地址, ,是中是中斷處理的核心斷處理的核心; ; 入口地址的獲取方法有兩種：硬件向入口地址的獲取方法有兩種：硬件向量法和軟件查詢法量法和軟件查詢法. .1 1、軟件查詢法、軟件查詢法 原理：用軟件尋找中斷服務(wù)程序入口地址原理：用軟件尋找中斷服務(wù)程序入口地址; 由程序員實現(xiàn)確定各中斷源對應(yīng)的中斷服由程序員實現(xiàn)確定各中斷源對應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口地址務(wù)程序入口地址; 查詢流程見查詢流程見圖圖7.117.11; ; 當(dāng)查到某一中斷源有中斷請求時當(dāng)查到某一中斷源有中斷請求時, , 接著安接著安排一

18、條轉(zhuǎn)移指令排一條轉(zhuǎn)移指令, ,直接指向該中斷源的中斷直接指向該中斷源的中斷服務(wù)程序入口地址服務(wù)程序入口地址. . 特點：靈活特點：靈活, ,但查詢時間較長但查詢時間較長. .2 2、硬件向量法、硬件向量法 原理：利用硬件產(chǎn)生向量地址原理：利用硬件產(chǎn)生向量地址,再由向量地再由向量地址找到中斷服務(wù)程序的入口地址址找到中斷服務(wù)程序的入口地址; 向量地址由向量地址形成部件產(chǎn)生向量地址由向量地址形成部件產(chǎn)生; 由向量地址尋找中斷服務(wù)程序入口地址由向量地址尋找中斷服務(wù)程序入口地址,通通常采用兩種方法；常采用兩種方法； 一種如一種如7.87.8所示所示, ,在內(nèi)存中設(shè)置向量地址表在內(nèi)存中設(shè)置向量地址表, ,

19、存儲單元的地址為向量地址存儲單元的地址為向量地址, ,其內(nèi)容為入口其內(nèi)容為入口地址地址( (中斷向量中斷向量) )； 另一種方法另一種方法, ,如圖如圖7.147.14所示：所示： 在向量地址內(nèi)存放一條在向量地址內(nèi)存放一條 無條件轉(zhuǎn)移指令；無條件轉(zhuǎn)移指令； CPUCPU響應(yīng)中斷時響應(yīng)中斷時, , 只要將向量地址只要將向量地址 ( (如如12H)12H)送入送入PC,PC, 即可無條件轉(zhuǎn)向即可無條件轉(zhuǎn)向 打印機(jī)服務(wù)程序打印機(jī)服務(wù)程序 的入口地址的入口地址200.200. 硬件向量法的硬件向量法的 特點特點: :尋找入口地址尋找入口地址 速度快速度快. .JMP 200JMP 200JMP 300

20、JMP 300JMP 400JMP 400顯示器服務(wù)程序顯示器服務(wù)程序12H12H13H13H14H14H. . .200200. . .300300. . . 圖圖7.14 7.14 通過向量地址尋通過向量地址尋找入口地址找入口地址向量地址向量地址入口地址入口地址入口地址入口地址主存主存打印機(jī)服務(wù)程序打印機(jī)服務(wù)程序具體用硬件向量法產(chǎn)生向量地址的例子具體用硬件向量法產(chǎn)生向量地址的例子 或或與與與與與與與與與與與與向量地址形成部件向量地址形成部件( (編碼器編碼器) )CPUCPUINTAINTAINTRINTRINTR1INTR1INTR2INTR2INTR3INTR3數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線向量向量地址

21、地址形成形成向向量量中中斷斷優(yōu)優(yōu)先先權(quán)權(quán)編編碼碼器器INTR1INTR1INTR2INTR2INTR3INTR3中斷請求寄存器中斷請求寄存器 1 23圖圖7.127.12串行排隊優(yōu)先及向量編碼線路串行排隊優(yōu)先及向量編碼線路(1)(1)優(yōu)先權(quán)優(yōu)先權(quán)排隊電路排隊電路 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線001010001010001011001011001000001000INTAINTA編碼器編碼器( (硬件直硬件直接產(chǎn)生向接產(chǎn)生向量地址量地址) )圖圖7.127.12串行排隊優(yōu)先及向量編碼線路串行排隊優(yōu)先及向量編碼線路(2)(2) 優(yōu)先權(quán)優(yōu)先權(quán)排隊電路排隊電路IR1IR1IR2IR2IR3IR3IR1IR1IR2

22、IR2IR3 五、五、 程序中斷方式接口電路的結(jié)構(gòu)程序中斷方式接口電路的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路&。命令譯碼命令譯碼一、程序中斷方式接口電路一、程序中斷方式接口電路排隊器排隊器設(shè)備編碼器設(shè)備編碼器。 。SELSEL數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)啟動命令啟動命令QQD DQQB B設(shè)備工作結(jié)束設(shè)備工作結(jié)束&1 1Q QQ QINTRINTR D D啟動設(shè)備啟動設(shè)備中斷查詢中斷查詢來自高一級來自高一級的排隊器的排隊器至低一級的至低一級的排隊器排隊器中斷請求中斷請求中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)INTAINTA向量地址向量地址圖圖7.15 7.15 程序中斷方式接口電路的基本組成程序中斷方式接口電路的基本組成MASKMASKQQ 以輸入設(shè)備為例以輸入設(shè)備為例, ,說明說明I/OI/O中斷處理的過程中斷處理的過程: : 由由CPUCPU發(fā)啟動發(fā)啟動I/OI/O設(shè)備命令設(shè)備命令, ,將接口中的將接口中的B B置置“1”,D1”,D置置“0”0”； 接口電路啟動輸入設(shè)備開始工作接口電路啟動輸入設(shè)備開始工作; 輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)端口輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)端口; ; 輸入設(shè)備向接口發(fā)出輸入設(shè)備向接口發(fā)出“設(shè)備工作結(jié)束設(shè)備工作結(jié)束”信號信號, ,將將D D置置“1”1”，B B置置“0”.0”.標(biāo)志設(shè)備準(zhǔn)備就緒標(biāo)志設(shè)備準(zhǔn)備就緒;