第五章 中断系统
一、输入/输出的一般概念
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1．引言
输入/输出是微机系统与外部设备进行信息交换的过程。输入/输出设备称为外部设备，与存储器相比，外部设备有其本身的特点，存储器较为标准，而外部设备则比较复杂，性能的离散性比较大，不同的外部设备，其结构方式不同，有机械式、电动式、电子式等；输入/输出的信号类型也不相同，有数字信号，也有模拟信号；有电信号，也有非电信号；输入/输出信息的速率也相差很大。因此，CPU与外部设备之间的信息交换技术比较复杂。 CPU与外设之间的信息交换，是通过它们之间接口电路中的I/O端口来进行的，由于同一个外部设备与CPU之间所要传送的信息类型不同，方向不同，作用也不一样（例如数据信息、状态信息、控制信息、输入/输出等），所以接口电路中可以设置多个端口来分别处理这些不同的信息。
2．输入/输出端口的寻址方式
微机系统采用总线结构形式，即通过一组总线来连接组成系统的各个功能部件（包括CPU、内存、I/O端口），CPU、内存、I/O端口之间的信息交换都是通过总线来进行的，如何区分不同的内存单元和I/O 端口，是输入/输出寻址方式所要讨论解决的问题。
根据微机系统的不同，输入/输出的寻址方式通常有两种形式：(1)．存储器对应的输入、输出寻址方式
这种方式又称为存储器统一编址寻址方式或存储器映象寻址方式。方法：把外设的一个端口与存储器的一个单元作同等对待，每一个I/O 端口都有一个确定的端口地址，CPU与I/O端口之间的信息交换，与存储单元的读写过程一样，内存单元与I/O端口的不同，只在于它们具有不同的的地址。
优点：
①CPU对I/O端口的读/写操作可以使用全部存储器的读/写操作指
令，也可以用对存储器的不同寻址方式来对I/O端口中的信息，直接进行算术、逻辑运算及循环、移位等操作。
②内存与外设地址的分配，可以用统一的分布图。
③不需要专门的输入、输出操作指令。
缺点：
1 内存与I/O端口统一编址时，在地址总线根数一定的情况下，使
系统中实际可以直
2 接寻址的内存单元数减少。
②一般情况下，系统中I/O端口数远小于内存单元数，所以在用直接
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寻址方式来寻址这些端口时，要表示一个端口地址，必须用与表示内存单元地址相同的字节数，使得指令代码较长，相应地读/写执行时间也较长，这对提高系统的运行速度是不利的。
3. CPU与外设之间所传送的信息类型
CPU与I/O端口之间所交换的信息，可以有下列几种类型：
①数据信息：包括数字量、模拟量、开关量等，可以输入、也可以
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输出
3 状态信息：这是I/O端口送给CPU的有关本端口所对应的外设当
前状态的信息。供CPU进行分析、判断、决策。
③控制信息：这是CPU送给I/O端口的控制命令，使相应的外部设备
完成特定的操作。
数据信息、状态信息和控制信息是不同类型的信息，它们所起的作用也不一样。但在8086/8088微机系统中，这三种不同类型的信息的输入、输出过程是相同的。为了加以区分，可以使它们具有不同的端口地址，在端口地址相同的情况下，可以规定操作的顺序，或者在输入/输出的数据中设置特征位。
二、 CPU与外设之间输入/输出数据的传输控制方式
CPU与外设之间传输数据的控制方式通常有三种：程序方式、中断方式和DMA方式。
1.程序方式
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指用输入/输出指令，来控制信息传输的方式，是一种软件控制方式。根
据程序控制的方法不同，又可以分为无条件传送方式和条件传送方式。
1 无条件传送方式
条件：利用程控方式与外设交换信息时，如果输入/输出的时刻，都可以保证外设总是处于“准备好”状态，则可以直接利用输入/输出指令进
行信息的输入/输出操作。
图5-1
如图5-1，从硬件电路上来看：
输入：加三态缓冲器（控制端由地址译码信号和信号选中，CPU用IN指令）输出：加锁存器（控制端由地址译码信号和信号选中，CPU用OUT 指令）这种方式下的硬、软件设计都比较简单，但应用的局限性较大，因为很难保证外设在每次信息传送时都处于“准备好”状态，一般只用在诸如开关控制、七段数码管的显示控制等场合。
2 条件传送方式
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又称查询方式，即通过程序查询相应设备的状态，若状态不符合，则CPU不能进行输入/输出操作，需要等待；只有当状态信号符合要求时，CPU才能进行相应的输入/输出操作。
一般外设均可以提供一些反映其状态的信号，如对输入设备来说，
它能够提供“准备好”（“READY”）信号，“READY” ＝1 表示输入数据已准备好。输出设备则提供“忙”(“BUSY”)信号，“BUSY”＝1表示当前时刻不能接收CPU来的数据，只有当“BUSY”＝0时，才表明它可以接受来自于CPU的输出数据。
过程：
叉车钢圈输入操作的程序流程如图5-2所示：
对READY的状态查询，是通过读状态端口的相应位来实现的，输出
的情况亦大致相同，这种传送控制方式的最大优点是，能够保证输入/
输出数据的正确性。
输入接口
以输入设备将数据送入锁存，发选通信号开始，→READY＝1→CPU
查询（读READY）→读数据→清除READY。见图5－3。 图5－2输入操作程序流程如图
输出接口
CPU送数据至锁存器，发选通信号，→a。通知外设取数据；→b。
BUSY→输出设备取完数据→ACK→清BUSY→CPU查询。见图5－4
图5-3
图5-4
图5-5
优先级问题
当CPU需对多个设备进行查询时，就出现了所谓的优先级问题，即究竟先为哪个设备服务，一般来讲，在这种情况下都是采用轮流查询的方式来解决，如图5-5所示，这时的优先级是很明显的，即先查询的设备具有较高的优先级。但这种优先级管理方式，也存在着一个问题，即某设备的优先级是变化
的，如当为设备B服务以后，这时即使A已准备好，它也不理睬，而是继续查询C，也就是说A的优先地位并不巩固（即不能保证随时处于优先）。为了保证A随时具有较高的优先级，可采用加标志的方法，当CPU为B服务完以后，先查询A是否准备好，若此时发现A已准备好，立即转向对A的查询服务，而不是为C设备服务。
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