输入输出方式及其中断处理(精)
微机原理和汇编语言 第7章 输入输出和中断.ppt
7.1 I/O接口概述
7.1.1 I/O接口的作用
1. I/O接口
微处理器与存储器构成了微型计算机系统的 主机部分，为了使微型计算机工作，还必须配上 各种外部设备，简称外设，将外设中主要用来实 现数据的输入／输出、实现人机联系的设备称为 输入／输出设备，即I/O设备。
当要把外设与微处理器相连时，往往需 要配上相应的电路。通常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。
(1) 数据信息：它是CPU与外设之间传送的 主要信息，可分为数字量、模拟量和开关量三种 形式。
(2) 状态信息：是外设通过接口送往CPU的 信息，作为外设与CPU之间交换数据的联络信号， 反映了当前外设所处的工作状态。
(3) 控制信息：是CPU通过接口传送给外设 的信息，用来设置外设（包括接口）的工作方式、 控制外设的工作等。
数据信息
DB
状态信息
CPU
I/O接口
外设
控制信息
图7.2 CPU与外设交换的信息
7.1.3 I/O接口的基本结构(接口与端口) 接口(Interface)：介与主机和外设之间的 缓冲电路。 端口(Port)：接口中可以进行寻址读写的 寄存器，简称口。 一个接口往往含有几个端口，CPU通过输入 输出指令向这些端口取或存信息。端口主要有三 类：一类为状态口，一类为命令口（或控制口）， 一类是数据口。 CPU通过输入指令从状态口获取外设的状态 信息，通过输出指令从命令口发出控制命令，控 制外设的工作。通过输入输出指令可以从数据端 口与外设交换数据。因此说，计算机主机与外设 之间交换信息都是通过接口中的端口来实现的。
CPU
I/O 接口
外设
图7.1 主机与外设的连接
输入输出控制方式
1.3 DMA方式
• 1．DMA传送方式的提出 • 与程序查询方式相比，利用中断方式进行数据传送可以大大提高CPU的工作效率。
但在中断方式中，仍然是通过CPU执行程序来实现数据传送的，每传送一个字节 （或一个字）CPU都必须把主程序停下来，转去执行中断服务程序。而每进入一次 中断服务程序，CPU都要保护断点和转入中断服务程序，上述几方面的因素造成中 断方式下的传输效率仍然不是很高。 • 如果I/O设备的数据传输率较高，那么CPU和这样的外部设备进行数据传输时，即使 尽量压缩程序查询方式和中断方式中的非数据传输时间，也仍然不能满足要求。这 是因为在这两种方式下，还存在另外一个影响传输速度的原因，即它们都是按字节 或字来进行传输的。为了解决这个问题，实现按数据块传输，就需要改变传输方式， 为此，提出了在外设和内存之间直接传送数据的方式，这就是直接存储器传输方式， 即DMA方式。
• I/O处理机有自己的指令系统，也能独立地执行程序，能承担原来由CPU处理的全部 输入/输出操作。如对外设进行控制、对输入/输出过程进行管理，并能完成字与字 之间的装配和拆卸、码制的转换、数据块的错误检测和纠错，以及格式变换等操作。 同时它还可以向CPU报告外设和外设控制器的状态，对状态进行分析，并对输入/输 出系统出现的各种情况进行处理。上述操作都是同CPU程序并行执行的。为了使 CPU的操作与输入/输出操作并行进行，必须使外设工作所需要的各种控制命令和定 时信号与CPU无关，由I/O处理机独立形成。
3
1．无条件传送方式
4
2．查询输入传送方式7
8
1.2 程序中断方式
• 无条件传送方式和查询传送方式的缺点是CPU和外设只能串行工作，各外设之间也 只能串行工作。为了使CPU和外设以及外设和外设之间能并行工作，提高系统的工 作效率，充分发挥CPU高速运算的能力，在微机系统中引入了中断技术，利用中断 来实现CPU与外设之间的数据传送，这就是程序中断传送方式。
第九课 输入输出控制方式
第九课输入输出控制方式[课题] 输入输出控制方式[课型] 新课[授课课时][教学目标]理解输入输出控制方式的基本概念，理解中断的执行过程[教学重点]中断的执行过程[教学难点]中断的执行过程[教学过程]一、输入输出控制方式CPU控制输入输出设备工作的方式有三种：程序查询方式、中断方式和直接存储器访问方式。
二、程序查询方式程序查询方式是在程序控制下CPU与外设之间交换数据。
其工作过程首先是用程序向外设发出进行数据传送的控制信号，然后从外设读取外设状态，检查是否可以进行数据传送，若外设准备就绪，则进行数据传送；否则反复读外设状态并检查，直到外设准备就绪再进行数据传送。
程序查询方式主要用软件方式实现，它的特点是CPU工作效率低。
三、中断方式中断是主机在执行程序过程、中，遇到突发事件而中断程序的政党执行，转去对突发事件的处理，待处理完成后返回原程序继续执行。
计算机中使用中断方式由软件和硬件共同实现。
软件部分指中断处理程序。
硬件部分指中断控制电路，其作用是负责对中断请求、中断响应等进行相应的处理，保证中断过程的政党进行。
中断过程包括中断请求、中断响应、中断处理、中断返回等步骤。
（1）中断请求。
中断源向CPU中的控制器发出中断请求。
（2）中断响应。
中断响应过程中把被中断的程序的断点地址保存起来，把中断处理程序入口地址送入指令指针寄存器，开始执行中断处理程序。
（3）中断处理。
根据不同的中断原因，中断处理程序执行相应的处理，中断处理程序运行结束后转入中断返回。
（4）中断返回。
中断返回就是恢复断点。
四、直接存储器访问方式直接存储器访问方式（DMA）指高速外设与内存之间直接进行数据交换，不通过CPU，并且CPU不参加数据交换的控制。
DMA方式下高速外设和内存之间进行数据传输需要使用总线，所以DMA方式下要解决的问题主要是总线使用权的转移。
总线使用权一般情况下由CPU掌握，在DMA期间总线使用权交给DMA控制器。
DMA方式由硬件实现。
输入输出中断总结
输入输出中断总结概述输入输出中断是计算机系统中一种重要的机制，用于处理外设与计算机之间的数据传输。
本文将对输入输出中断的概念、作用、分类和处理流程进行详细的总结和讲解。
什么是输入输出中断？输入输出中断是指当外设需要与计算机进行数据传输时，外设向计算机发出中断请求，使得计算机在完成当前操作后，立即转向处理该中断请求的机制。
在计算机体系结构中，输入输出设备（I/O设备）通常与主机（CPU和内存）通过输入输出接口进行连接。
通过输入输出中断，I/O设备可以在计算机执行其他任务的同时，与主机进行数据交换。
输入输出中断的作用输入输出中断通过降低计算机与I/O设备之间的耦合，使得计算机可以更高效地处理多个外设设备。
同时，输入输出中断还可以提高系统的吞吐量和响应速度，提高计算机系统的整体性能。
主要作用如下：1.提高系统的可靠性：通过中断机制，可以实现I/O设备与主机之间的异步工作，减少了死锁和饥饿等问题。
2.简化I/O设备驱动程序：输入输出中断可以简化驱动程序的设计和开发，减少了编程的复杂性和工作量。
3.提高系统的并发性：输入输出中断可以允许多个外设同时工作，并且可以在计算机执行其他任务时进行数据传输。
4.降低计算机与I/O设备之间的耦合度：通过中断机制，可以将I/O设备和主机解耦，实现I/O设备的独立操作和管理。
输入输出中断的分类根据中断处理的方式，输入输出中断可以分为以下几类：1.外部中断：外部中断是由外部事件或设备引起的中断，例如键盘输入、鼠标点击等。
外部中断通常由外部设备向CPU发出中断请求信号，从而引起中断处理程序的执行。
2.内部中断：内部中断是由CPU内部事件或异常引起的中断，例如溢出、除零错误等。
内部中断通常由CPU自身引发，并且由CPU内部的中断控制器进行处理。
3.软件中断：软件中断是由正在执行的程序通过软件指令触发的中断。
软件中断通常用于系统调用、异常处理等。
输入输出中断的处理流程输入输出中断的处理流程通常包括以下几个步骤：1.中断请求：外设向计算机发出中断请求信号，请求处理器处理中断。
单片机的中断处理机制
单片机的中断处理机制单片机（Microcontroller）是一种集成了CPU、内存、输入输出接口及定时器等功能的微型计算机系统。
在单片机的运行过程中，中断（Interrupt）机制起到了重要作用。
本文将介绍单片机的中断处理机制及其原理。
一、中断的概念和分类中断是指在程序执行过程中，由硬件或软件发出的请求，使CPU暂时中止当前的工作，去响应新的任务。
中断可以分为硬件中断和软件中断两类。
硬件中断是由外部设备发出信号（如I/O设备、定时器、串口等）请求CPU响应的。
硬件中断的触发可能是边沿触发（上升沿或下降沿）或电平触发。
当硬件中断触发后，CPU会跳转到相应的中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR）执行，并保留现场。
软件中断是通过软件指令（软中断指令）触发的一种中断，由程序员自己编写的程序中的特殊指令引起。
软件中断一般用于实现程序调用和异常处理等功能。
二、中断优先级与嵌套在单片机中，不同的中断源可能会同时触发，此时中断优先级的设置非常重要，以确保高优先级中断能够被及时响应。
通常情况下，单片机的中断源分为多个级别，每个级别对应一个中断优先级。
当多个中断源同时触发时，单片机会根据中断优先级来判断哪个中断需要被优先处理。
高优先级的中断会打断低优先级的中断，直到高优先级的中断处理完成。
除了中断优先级的设置外，中断的嵌套也是单片机中断处理机制的重要概念。
当一个中断正在被处理时，如果同时有更高优先级的中断触发，CPU会暂停当前中断的处理，转而去处理更高优先级的中断。
待高优先级中断处理完毕后，CPU会回到原来的中断处理流程继续执行。
三、中断向量表和中断服务程序在单片机的中断处理机制中，中断向量表（Interrupt Vector Table）起到了关键作用。
中断向量表是一张存储了各个中断服务程序入口地址的表格，用于指示当某个中断发生时，CPU应该跳转到哪个中断服务程序执行。
中断向量表的每个表项对应一个中断源，表项中存储的是相应中断服务程序的入口地址。
输入输出和中断
DMA操作的基本方法
周期挪用（Cycle Stealing)
周期扩散
CPU停机方式
DMA（直接存储器存取）传递方式
周期挪用（Cycle Stealing ）
添加标题
利用CPU不访问存储器的那些周期来实现DMA操作，此时DMAC可以使用总线而不用通知CPU也不会妨碍CPU的工作。这种方法的关键是如何识别合适的可挪用的周期，以避免同CPU的操作发生重叠。
在8086/8088系统中，通过执行中断指令或由CPU本身启动的中断称为内部中断（也称软件中断）。除单步中断外，内部中断无法用软件禁止，即不受中断允许标志IF的影响。 0型中断——除法出错中断 1型中断——单步中断 3型中断——断点中断 4型中断——溢出中断 INT n指令中断
内部中断——软中断
05
7.1.1 数据信息
●在微型机中，数据大致为三种基本类型：
数字量
模拟量
开关量
7.1
外设接口的一般结构
状态信息
READY（准备好信号）表示输入设备已经准备好信息，CPU可执行输入指令从该外设输入数据。 BUSY（忙信号）表示输出设备正在输出信息，即在“忙”着，同时也等于指示CPU等待。
状态信息表示外设当前所处的工作状态
1.中断分类
8086/8088CPU可以处理256种类型的中断源，这些中断源可分为硬件中断和软件中断两大类。
2.中断向量表
在8086系统中，允许引入256种类型中断源（类型码为0～255），相应有256个中断服务程序首址。存放中断地址的一段内存空间称中断向量表。
7.4.1 中断结构 4
1.内部中断的类型
图7-16 ICW3的格式
图7-17 ICW4 的格式
计算机基础知识什么是输入输出(IO)操作
计算机基础知识什么是输入输出（IO）操作计算机基础知识：什么是输入输出（IO）操作计算机是一种用于处理数据的工具，而输入输出（IO）操作是计算机与外部世界进行数据交流的方式。
通过输入，我们可以将外部的数据传递给计算机进行处理，而输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境。
在本文中，我们将探讨输入输出操作的基础知识。
一、输入输出（IO）的概念输入输出是计算机与外部环境进行数据交流的方式。
输入是指将外部数据传递给计算机，供计算机进行处理和分析；输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境，供人们观察和使用。
在计算机系统中，输入输出设备起到了极为重要的作用。
例如，键盘、鼠标和触摸屏等输入设备用于接收用户的命令和数据，显示器、打印机等输出设备则用于向用户展示计算机处理的结果。
二、输入输出的分类1. 人机交互输入输出：这种输入输出方式主要是通过外部设备与人进行交互。
例如，使用键盘输入文字、鼠标点击图标进行操作、触摸屏选择菜单等。
同时，显示器将结果输出给人们观察。
2. 设备驱动程序输入输出：这种输入输出方式是通过设备驱动程序进行的。
计算机通过设备驱动程序与各类外部设备进行通信。
例如，打印机通过打印机驱动程序与计算机通信，将计算机处理的文档输出。
3. 文件输入输出：文件是计算机中存储数据的一种形式，也是计算机与外部世界交流的一种方式。
我们可以将数据存储在文件中，进行读取和写入操作。
三、输入输出的基本操作在计算机基础中，我们了解到输入输出操作的基本函数包括读取和写入。
读取是指从外部获取数据并传递给计算机进行处理；写入则是将计算机处理的结果传递给外部。
读取函数的基本形式如下：input(data)：从外部读取数据，存储在变量data中。
写入函数的基本形式如下：output(data)：将变量data中的数据写入外部设备，供外部环境使用。
四、输入输出的应用输入输出操作在计算机中得到了广泛的应用。
以下是一些常见的输入输出操作应用场景：1. 数据采集：许多科学实验、气象观测等需要收集大量外部数据，通过输入输出操作，这些数据可以传递给计算机进行进一步的分析和处理。
第9章_输入输出方法及常用的接口电路
DB
CPU
CB
MEMR MEMW 控制逻辑
可以对端口进行算术运算，逻辑运算以及移位操作等。 可以对端口进行算术运算，逻辑运算以及移位操作等。 I/O端口空间不受限制 I/O端口空间不受限制 缺点：是I/O端口占用了内存空间，减少了内存容量 缺点： I/O端口占用了内存空间， 端口占用了内存空间
二、专门的I/O编址方式 专门的 编址方式
9.1.4 I/O端口的编址方式 端口的编址方式
端口是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地 端口是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地 CPU 由于有的寄存器寄存的二进制信息专门用来被CPU 址。由于有的寄存器寄存的二进制信息专门用来被CPU 读取，有的寄存器用于专门接收CPU发出来的数据， CPU发出来的数据 读取，有的寄存器用于专门接收CPU发出来的数据，因 CPU访问的寄存器的地址分为输入端口和输出端 此，被CPU访问的寄存器的地址分为输入端口和输出端 故称为I/O I/O端口 口，故称为I/O端口 CPU同外设之间的信息传送实质上是对这些寄存器 CPU同外设之间的信息传送实质上是对这些寄存器 进行“ 操作。 进行“读”或“写”操作。
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• 由开关可选的地址译码
A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 “2－6”： 1 0 1 1 1 1 1 × × × —— 2F8H – 2FFH “4－8”： 1 1 1 1 1 1 1 × × × —— 3F8H – 3FFH
2018/10/5
AEN A3 A4 A5 A6 A7 A9 A8
中断请求 INTR
中断源
中断服务程序1
IRET
断点 使用堆栈 保护断点
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中断请求 INTR
中断服务程序2
IRET
6
3. DMA方式(直接存储器存取方式)
• 当外设的速度相对很高，且一次传送的数据量 很大时，中断方式的效率就很低。例如，对磁 盘的读写操作，一般的文件都有几十K，几百K， 甚至几兆，通过 DMA 方式利用专门的接口控制 电路，在存储器与高速的外设之间进行大量的 数据交换，而不需要CPU的参与。 • DMA控制器－DMAC，除了具有一般接口的特点 外，CPU可以通过对DMAC相应端口的读/写操作 来控制DMA的工作方式；DMAC在得到总线控制 权后，能够像CPU一样提供相应的控制信号来 控制系统总线，从而实现外设与内存之间高速 大量的数据传输。一般接口电路不具备控制总 线的能力。
2018/10/5 8
1、I/O接口电路的基本结构
从编程角度看，接口内部主要包括一个或多个
CPU可以进行读/写操作的寄存器，又称为I/O端口。
各I/O端口由端口地址区分。
AB
C P U
DB
地址 译码 数据 缓冲 控制 电路
பைடு நூலகம்
I/O端口1
外
I/O端口2
CB
I/O端口3
设
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2、I/O接口电路编址方式
1. 微机系统与外部设备进行数据交换常用的I/O方法√ ——程序直接传送/中断控制/DMA
2. I/O接口基本结构以及与内存编址方法√
3. 中断的基本概念√ ——中断源/向量中断/中断优先级/中断嵌套 ——中断请求与中断响应 4. 8086微机系统的中断结构√
——内部与外部中断/中断类型码/软件中断INT
取状态信息
取状态信息
满足条件否？
N
满足条件否？
N
AL,80H ;若最高位＝1,为满足条件 DONE ；不满足条件，则退出
Y
输入信息
Y
输入信息
AL,D_PORT;满足条件输入信息
(a) (b)
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5
2. 中断方式
• 中断的概念 －中断请求(Interrupt Request) －中断响应(Interrupt Acknowledge) 主程序
在80386/486CPU中，内部中断及异常软件中断优 先级高，硬件中断优先级低。
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比较：中断控制与子程序调用 中断控制
程序进入方式 程序进入时刻 保护/恢复现场 保护/恢复断点 返回主程序指令 参数传递 外部随机请求
当前指令执行后
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图6-14
中断 类型码 0 1 2 3 4 5 …… n …… 255
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8086中断类型与中断向量(p.264)
RAM 类型0 CS:IP 类型1 CS:IP 类型2 CS:IP 类型3 CS:IP 类型4 CS:IP 类型5 CS:IP …… 类型n CS:IP …… 类型255 CS:IP 中断向量 存储地址(H) 00000 00004 00008 0000C 00010 00014 …… n×4 …… 003FC
图6－12
2 6
4 8 11
6.3 80X86的中断系统
1. 80X86系统中断类别 • 中断——由外部事件(通过硬件产生)通 过CPU的NMI、INTR提出中断请求。 NMI： 非屏蔽中断，用于紧急处理。 INTR：可屏蔽中断，用于一般用户程序。 • 异常——386/486CPU在指令执行的内 部过程中，检测到不正常或非法的情况， 并由此要求进行相应的处理。
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3）中断的控制功能 • CPU响应INTR中断的条件
– 外部有中断请求,且该中断请求没有被屏蔽 – CPU开中断，在当前指令结束后响应中断
• 中断响应、转向中断处理程序和中断返回
– 按矢量中断方式进行
• 中断优先级排队
– 对具有不同优先级中断源，发生同时请求中断的处 理方式，即，高优先级的先处理。
第6章 输入输出方式及其中断处理
1. 2. 3. 4. I/O方式概论√ I/O接口基本结构及编址方式√ 80x86中断系统√ 可编程中断控制器8259A
存 储 器
地址总线 AB
CPU
I/O 接 口
输 入 设 备
I/O 接 口
输 出 设 备
数据总线 DB 控制总线 CB
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1
第6章知识点及教学要求
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• 8086中断
1) 外 部 中 断 ： 由 外 部 硬 件 引 起 的 中 断 。 8086 的中断系统，外部中断请求由非屏蔽 中断NMI和可屏蔽中断INTR两个引脚引入。 2) 内部中断： ①内部硬件中断：硬件出错，除数为 0 ，溢 出错误，单步中断，断点中断。 ②内部软件中断：以指令 INT n 调用的中断， n为中断类型码。实际上调用的是系统软件 （主要是操作系统）中的子程序。
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N
取得下一条指令
p.263 是当前指令最图6-13
后一个T ?
Y N
INTR=1?
Y N
IF=1?
Flags入栈 清除IF、TF CS、IP入栈
取得中断向量并转向执 行用户中断处理程序
Y
CS、IP出栈 Flags出栈
17
（3）中断响应
• NMI中断——CPU无法屏蔽，自动转向中断类型2处 理过程。 • INTR中断——CPU将产生两个中断响应的总线周期 (p.123)，自动保护断点(Flags入栈;IF和TF清 零;CS、IP入栈)，进行向量中断处理。 • 向量中断——在中断响应的总线周期中，中断源 的相应接口把中断类型码n放到CPU的DB上，n×4 即为中断向量在中断向量表中的存储地址。CPU转 向从中断向量表取得的中断向量(即，中断服务程 序首地址)，并进入相应的中断服务子程序执行过 程。
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（4）中断的优先权（Priority）
优先权的管理原则 所谓优先权就是当有多个中断申请 时，根据轻重缓急，规定一个中断响应的次序。优先 权管理原则主要处理下面几个问题： 8086中断优先级 ①不同优先级级中断源同时 优先级 中断/异常 申请中断； ②较低级的正在执行中断服务 内部中断及异常 高 软件中断 程序中，又有较高级的申请； ③较高级的正在执行中断服 NMI中断 低 INTR中断 务程序中,又有较低级的申请； ④ 同级中断的同时申请处理
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向量中断，又称矢量中断。由中断源负责提供中 断服务程序入口地址的有关信息，即中断源通过 接口电路直接提供入口地址或中断源的标识码。 （3）中断向量表 在8086系统中，内存最低端的1K字节地址范 围内（从00000－003FFH），放置256个中断的中 断向量（入口地址），即称为中断向量表。每个 中断矢量在表中占据4个字节，地址较高的两个 字节放入口地址的段地址，地址较低的两个字节 放偏移地址。 中断向量表中的存储地址＝中断类型码n×4
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用途 除法错误(保留) 调试异常(保留) NMI中断(保留) 单字节中断(保留) 溢出中断(保留) 数组边界检查
*:以上为部分已定义的中断类型，其余为操作系统或用户定义的中断类型。
• INTR中断响应过程
CPU接受请求后，进入中断响应总线周期： 1)在中断响应的总线周期中，CPU自动完成保护断 点、关中断 保护断点：(SP)←(SP)-2,((SS):(SP))←(FR) (SP)←(SP)-2,((SS):(SP))←(CS) (SP)←(SP)-2,((SS):(SP))←(IP) 关中断： (IF)←0 (TF)←0
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3、I/O接口地址译码方法
• 直接地址译码——用译码器及部分逻辑器件组成
图6－11
A5
A6 A7 A8 74LS138
A
B C G2B G2A G1
A9
AEN IOW
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 × × × ××
——中断向量及其在中断向量表中的存储地址 5. 中断控制器8259A组成原理与编程应用
2018/10/5 2
6.1 I/O方式概论
• (p.168) I/O指令： – 输入指令: IN AL,PORT IN AL,DX – 输出指令： OUT PORT,AL OUT DX,AL • PORT: 端口地址
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例：有条件地从输入口取数
；设S_PORT为已定义的状态口地址 ；设D_PORT为已定义的数据口地址 (a) WAIT：IN AL,S_PORT ；取状态信息 TEST AL,80H ；若最高位＝1,为满足条件 JZ WAIT ；不满足条件，则循环等待 IN AL,D_PORT ；满足条件输入信息 (b) CHECK: IN TEST JZ IN DONE:RET AL,S_PORT ；取状态信息 WAIT CHECK
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p.420 附录中关于中断的指令 ; (IF)←0，关中断，禁止INTR中断 ; (IF)←1，开中断，允许INTR中断 ; 中断返回(IP) ←((SS):(SP)), (CS)←((SS):(SP+2)), ; (FR)←((SS):(SP+4)), (SP)←((SP)+6) INT n ；软件中断指令 INTO ；溢出中断(＝ INT 4) INT ；单字节中断,也称断点中断(INT 3) …………………… CLI STI IRET