第五章输入/输出与中断系统 I/O设备是计算机系统必不可少的组成部分,I/0能力的强弱 是评价计算机系统性能优劣的重要指标。计算机系统通过硬 件接口和I○控制程序对IO设备进行控制,使之协调、有效地 完成I/O操作。 汇编语言可以最直接、有效地控制计算机的硬件和各种 I/O外设接口,所以是编写高性能ⅣO程序的最有效语言之 在硬件和接口控制、数据实时采集、实时控制和处理方面, 汇编语言仍然有独到之处的优势。 本章学习计算机中断系统的有关概念、主要外设接口的 基本原理、接口的程序控制方法以及IO程序设计方法
第五章 输入/输出与中断系统 I/O设备是计算机系统必不可少的组成部分，I/O能力的强弱 是评价计算机系统性能优劣的重要指标。计算机系统通过硬 件接口和I/O控制程序对I/O设备进行控制，使之协调、有效地 完成I/O操作。 汇编语言可以最直接、有效地控制计算机的硬件和各种 I/O外设接口，所以是编写高性能I/O程序的最有效语言之一。 在硬件和接口控制、数据实时采集、实时控制和处理方面， 汇编语言仍然有独到之处的优势。 本章学习计算机中断系统的有关概念、主要外设接口的 基本原理、接口的程序控制方法以及I/O程序设计方法
5.1输入输出基础 包括:0IO接口信息数据传送方式 ②IO端口寻址e输入输出指令 51.1I/O接口信息 每种IO外部设备都通过一个硬件接口和CPU连接,计算 机系统通过接口寄存器与IO外部设备交换信息。接口中包含 了一组寄存器。 接口信息分为三类: 数据信息、状态信息、控制信息 不同性质的接口信息分别通过接口的数据寄存器、状 态寄存器和控制寄存器进行传送。 (1)数据寄存器 存放外设和主机间传送的数据信息 (2)状态寄存器 保存外设当前状态信息
5.1 输入/输出基础 包括： I/O接口信息 数据传送方式 I/O端口寻址 输入/输出指令 5.1.1 I/O接口信息 每种I/O外部设备都通过一个硬件接口和CPU连接，计算 机系统通过接口寄存器与I/O外部设备交换信息。接口中包含 了一组寄存器。 接口信息分为三类： 数据信息、状态信息、控制信息 不同性质的接口信息分别通过接口的数据寄存器、状 态寄存器和控制寄存器进行传送。 （1）数据寄存器 存放外设和主机间传送的数据信息。 （2）状态寄存器 保存外设当前状态信息
例如: READY、 EMPTY、BUSY、ACK等 利用状态信息实现主机与外设之间正确“握手”—在 数据传送中,二者能配合协调工作。 (3)控制寄存器 CPU通过控制寄存器给外设发送操作命令 51.2I/O寻址及端口地址分配 为便于访问,每个接口寄存器(端口)都分配了一个惟 的地址编码,称为Ⅰ/O端口地址,构成了一个独立于存储 器的IO地址空间。处理器用专门的IO指令通过不同的端口 与不同的IO设备交换信息 在80X86处理器系列的计算机中,可寻址64K个8位1O端口 或32K个16位端口。但实际上仅使用CPU的10位地址线AOA9 进行I/O端口寻址,因此实际最大可寻址1024个8位IO端口或 512个16位I0端口,端口地址范围为0-3FFH
例如：READY、EMPTY、BUSY、ACK等 利用状态信息实现主机与外设之间正确“握手”——在 数据传送中，二者能配合协调工作。 （3）控制寄存器 CPU通过控制寄存器给外设发送操作命令。 5.1.2 I/O寻址及端口地址分配 为便于访问，每个接口寄存器（端口）都分配了一个惟 一的地址编码，称为I/O端口地址，构成了一个独立于存储 器的I/O地址空间 。处理器用专门的I/O指令通过不同的端口 与不同的I/O设备交换信息。 在80X86处理器系列的计算机中，可寻址64K个8位I/O端口 或32K个16位端口。但实际上仅使用CPU的10位地址线A0-A9 进行I/O端口寻址，因此实际最大可寻址1024个8位I/O端口或 512个16位I/O端口，端口地址范围为0-3FFH
如果端口地址大于1024时,CPU将取该端口地址除以 1024的余数作为实际端口地址。 例:端口号1025/1024的余数=1 因此使用端口1025等效于使用端口1 各种外部设备都有固定的IO端口地址,见教材表5-1(p134)。 51.3数据传送方式 可分为三种基本的数据传送方式 (1)程序直接控制的IO方式 0条件传送方式(查询方式) 处理器传送数据前,需要先查询I/O设备的状态,当I/O设 备准备就绪时才进行数据传送,否则处理器将等待。用于高速 CPU与低速I/O设备(键盘、显示器等)之间同步协调工作 2无条件传送方式 计算机与外部设备可以完全同步操作,I/O设备状态总是 就绪的,CPU不用查询I/O设备的状态,可直接进行数据传送
如果端口地址大于1024时，CPU将取该端口地址除以 1024的余数作为实际端口地址。 例： 端口号 1025/1024的余数 = 1 因此使用端口 1025等效于使用端口1 各种外部设备都有固定的I/O端口地址 ，见教材表5-1 (p134)。 5.1.3 数据传送方式 可分为三种基本的数据传送方式： （1）程序直接控制的I/O方式 条件传送方式（查询方式） 计算机与外部设备可以完全同步操作 ，I/O设备状态总是 就绪的，CPU不用查询I/O设备的状态，可直接进行数据传送。 处理器传送数据前，需要先查询I/O设备的状态，当I/O设 备准备就绪时才进行数据传送，否则处理器将等待。用于高速 CPU与低速I/O设备(键盘、显示器等)之间同步协调工作。 无条件传送方式
(2)中断传送方式 根据外设的中断请求完成I/O操作,优点 0避免查询外设状态等待I/O设备就绪而耗费CPU时间, 提高CPU的利用率和计算机的运行效率。 e解决CPU无法预测I/O设备何时需要传送数据的问题。 (3)DMA( Direct Memory Access))传送方式 当大量数据传输时,为避免CPU干预,提高输入输出 效率,I/O设备直接与内存进行数据交换。用于计算机与 高速IO设备(如磁盘、磁带机等)之间交换数据 DMA方式的传送如图51所示,整个操作由硬件实现。 在一个O应用程序中,数据传送方式往往不是单一的, 可能需要同时组合使用几种数据传送方式。 52直接控制的I/O程序设计 使用IO指令在端口级直接由程序控制与外设进行数据传送
（2）中断传送方式 （3）DMA（Direct Memory Access）传送方式 根据外设的中断请求完成I/O操作，优点： 避免查询外设状态等待I/O设备就绪而耗费CPU时间， 提高CPU的利用率和计算机的运行效率。 解决CPU无法预测I/O设备何时需要传送数据的问题。 当大量数据传输时，为避免CPU干预，提高输入/输出 效率，I/O设备直接与内存进行数据交换。用于计算机与 高速I/O设备(如磁盘、磁带机等)之间交换数据。 DMA方式的传送如图5.1所示，整个操作由硬件实现。 在一个I/O应用程序中，数据传送方式往往不是单一的， 可能需要同时组合使用几种数据传送方式。 5.2 直接控制的I/O程序设计 使用I/O指令在端口级直接由程序控制与外设进行数据传送 。 next
DMA传送操作流程DMA控制器向CPU 发出使用总线的请求 CPU发出响应信号,将 总线控制权转让给DMA 由数据总线传送一个字节 地址寄存器增1 字节计数器减1 字节计数器=0? 是 DMA控制器撤消总线请求信号 DMA传送结束 返回
DMA控制器向CPU 发出使用总线的请求 CPU发出响应信号，将 总线控制权转让给DMA 由数据总线传送一个字节 地址寄存器增1 字节计数器减1 DMA控制器撤消总线请求信号 DMA传送结束 字节计数器=0？ 是 否 DMA传送操作流程 返回
52.1输入/输出指令 两条I/O的指令:IN、OUT 可传送字节或字数据,并且可以对端口直接寻址或间接寻址。 (1)输入指令 指令格式: IN ACC,PORT (ACC)←(PORT) IN ACC. DX (ACC)←((DX)) ACC代表AL或AX寄存器,PORT是端口地址。 例:从n端口读一个字节数据,从n+1和n端口读一个字数据 IN AL.n (AL)←(n) IN AX. n ;(Ax)←(n+1,n) 例:从DX所指的379H端口读一个字节数据(间接端口寻址): MOV DX. 379H AL. dX 2)输出指令 指令格式: OUT PORT,ACC;(PORT)←(ACC) oUT DX. ACC ((DX))←(ACC)
5.2.1 输入/输出指令 两条I/O的指令：IN、OUT 可传送字节或字数据，并且可以对端口直接寻址或间接寻址。 （1）输入指令 指令格式：IN ACC，PORT ;(ACC) ←（PORT） IN ACC，DX ;(ACC) ←(（DX）) ACC代表AL或AX寄存器，PORT是端口地址。 例: 从n端口读一个字节数据，从n+1和n端口读一个字数据： IN AL，n ; (AL) ← (n) IN AX，n ; (AX ) ← ( n+1，n） 例: 从DX所指的379H端口读一个字节数据(间接端口寻址)： MOV DX，379H IN AL，DX （2）输出指令 指令格式： OUT PORT，ACC ;(PORT）←（ACC） OUT DX，ACC ;( (DX) )←（ACC）
例:将AL寄存器的字节数据传送到DX所指的378H端口 MOV DX. 378H OUT DX AL ;((DⅩ))←(AL) 如果端口地址≤255,可用直接端口寻址或间接端口寻址; 如果端口地址>25,用间接端口寻址(端口地址存放DⅩ中)。 判断下面指令的合法性: in AL. 378H x MOV DX. 378H IN AL. DX IN BL: 60H out 378H. CH X 例:检测设备是否出错。 IN AL. 27H 设某设备的状态端口为27H TEST AL. 00000100B 错误状态位:D2=0,设备无错 JNZ ERR D2=1,设备出错 ERR
例: 将AL寄存器的字节数据传送到DX所指的378H端口： MOV DX，378H OUT DX，AL ; (（DX）)←（AL） 如果端口地址 255, 可用直接端口寻址或间接端口寻址； 如果端口地址 >255, 用间接端口寻址(端口地址存放DX中）。 判断下面指令的合法性： IN AL，378H IN BL，60H OUT 378H，CH 例：检测设备是否出错。 设某设备的状态端口为27H 错误状态位：D2=0，设备无错 D2=1，设备出错 IN AL， 27H TEST AL，00000100B JNZ ERR ERR： MOV DX，378H IN AL，DX
52.2直接控制的IO程序设计 设计方法包括:0条件传送(查询传送) 2无条件传送 522.1条件传送IO程序设计 CPU需要不断地访问、查询外设状态,直到确认外设准 备就绪后,才能进行输入/输出。 例5-(p137)打印机查询输出子程序。 5222无条件传送IO程序设计 CPU不需要查询外设状态,直接与外设进行数据传输。 声音是一种有效的人机通讯方式,以PC机发声程序设计为例, 介绍无条件传送I/O程序设计方法。 (1)BMPC机发声系统工作原理 系统的定时器计数器8253或8254提供音频信号,通过可编 程并行接口芯片8255的6H端口控制驱动电路,使扬声器发声。 发声系统工作原理如教材(pl37)图52所示
例5-1(p137) 打印机查询输出子程序。 5.2.2.2 无条件传送I/O程序设计 CPU不需要查询外设状态，直接与外设进行数据传输。 声音是一种有效的人机通讯方式，以PC机发声程序设计为例， 介绍无条件传送I/O程序设计方法。 （1）IBM PC机发声系统工作原理 系统的定时器/计数器8253或8254提供音频信号，通过可编 程并行接口芯片8255的61H端口控制驱动电路，使扬声器发声。 发声系统工作原理如教材 (p137) 图5.2所示。 5.2.2.1 条件传送I/O程序设计 CPU需要不断地访问、查询外设状态，直到确认外设准 备就绪后，才能进行输入/输出。 5.2.2 直接控制的I/O程序设计 设计方法包括: 条件传送（查询传送） 无条件传送
ROM BIOS:基本输入/输出系统( Basic Input/ Output System) 驻留在系统主板的ROM中,提供了系统加电、引导装入、 主要的IO接口控制以及最基本的硬件和软件接口 调用BIOS功能—称为BIOS中断调用,调用方法与DOS系 统功能类似。例如,键盘输入一个字符: MOV AH,0 INT 16H 输入/输出接口 用户程序 DOS系统 功能调用 BIOS中断调用 硬件/外部设备 返回
用户程序 DOS系统 功能调用 BIOS中断调用 硬件/外部设备 输入/输出接口 ROM BIOS： 基本输入/输出系统（Basic Input /Output System） 驻留在系统主板的ROM中，提供了系统加电、引导装入、 主要的I/O接口控制以及最基本的硬件和软件接口。 调用BIOS功能——称为BIOS 中断调用，调用方法与DOS系 统功能类似。 例如，键盘输入一个字符： MOV AH，0 INT 16H 返回