第五章中断系统

第五章中断系统 中断的基本概念 8086/8088的中断系统可编程中断控制器8259A 8259A在微机系统中的应用退出

第一节中断的基本概念 • 一 CPU与外设之间的数据传送控制方式(即I/O控制方式)，通常有以下三种： • 程序控制方式 • 中断方式 • DMA方式(Direct Memory Access) • 程序控制方式：是在CPU的控制下，通过执行程序指令进行的数据传送方式。又分为“无条件传送”和“程序查询传送”两种方式。长江大学地物学院

程序控制方式 • 无条件传送方式：是在假定外围设备(Peripheral Device)已经准备好的情况下，直接利用输入/输出指令(IN指令，OUT指令)与外围设备传送数据，而不去检测外设的工作状态。 • 优点：控制程序简单 • 缺点：数据传送不可靠 • 程序查询方式(也称“条件传送”方式) • 主要特点：CPU通过执行程序不断读取并检测外设的状态，只有在外设确实已准备就绪的情况下，才进行数据传送；否则，还要继续不断地查询外设的状态。长江大学地物学院

读取状态信息 读取状态信息准备好？忙？否是是否输入数据输出数据程序控制方式 • 查询式输入、输出程序流程图长江大学地物学院

程序控制方式 • 程序查询传送方式比无条件传送方式要准确可靠，但在此种方式下，CPU要不断查询外设的状态，占用了大量CPU时间，而真正用于数据传送的时间却很少，即CPU的工作效率很低；另外，采用这种方式，也很难满足实时系统对I/O处理的要求。因此，出现了中断控制方式。长江大学地物学院

二中断方式 • 中断定义：在程序运行中，出现了某种紧急事件，CPU必须中止现行程序，转去处理此紧急事件(执行中断服务程序)，并在处理完毕后再返回运行程序的过程。 • 中断的全过程及有关概念： • 一个完整的中断过程包括： • 中断请求； • 中断判优； • 中断响应； • 中断处理； • 中断返回. 长江大学地物学院

二中断方式 • 中断请求是指中断源(引起中断的事件或设备)向CPU发出的请求中断的要求； • 中断判优当有多个中断源发出中断请求时，需要通过适当的办法(软件的；硬件的；软、硬件结合的)决定究竟先处理哪个中断请求，这就是“中断判优”； • 中断响应是指CPU中止现行程序转至中断服务程序的过程； • 中断处理就是指CPU执行中断服务程序； • 执行完中断服务程序后，返回到原先被中断的程序称为“中断返回”。 • 为了能正确返回到原来程序被中断的地方(也称断点－即主程序中当前指令下面一条指令的地址)，在中断服务程序的最后应专门放置一条中断返回指令。 • 另外，为了使主程序在返回后仍能从断点处继续执行，还需要在中断服务程序的开头－保护现场(通过PUSH指令实现)，在中断服务程序的末尾－恢复现场(通过POP指令实现)。长江大学地物学院

三中断响应和处理过程 • 对于不同的中断类型(如可屏蔽中断、不可屏蔽中断；外部中断、内部中断…)，处理器(CPU)进行响应和处理的具体过程并不完全相同；另外，就是对同一种中断类型(如可屏蔽中断)，不同的处理器(如Z80，80X86)进行响应和处理的过程也不尽相同。长江大学地物学院

三中断响应和处理过程 • 中断一般由硬件(处理器内部)和软件(由程序设计者编写的中断服务程序)共同完成，即整个中断响应和处理过程是由CPU内部的有关硬件和中断处理软件密切配合完成的。 • 针对一个具体的系统(机型)，中断服务程序设计者应该清楚在中断响应时，“硬件”完成了哪些操作(如FR是否已被压入堆栈)，还需要“软件”(中断服务程序)完成哪些操作。长江大学地物学院

四中断优先级和中断嵌套 • 1.中断优先级(Priority)的解决方法 • 系统中多个中断请求可能同时出现，CPU只能按一定的次序(优先级策略)予以响应和处理，这个响应的次序称为中断优先级。一般的方法有： • 软件查询法(需要少量硬件) • 菊花链(daisy chain)优先级排队电路 • 可编程中断控制器(如8259) 长江大学地物学院

INT “或” 2 1 0 7 6 端口号＝XXH CRT 键盘打印磁盘磁带 (1)软件查询法 • 把各个外设的中断请求信号“相或”，产生一个总的INT信号 • 当CPU响应中断后，进入中断处理程序，在中断处理程序的开始部分安排一段带有优先级的查询程序。 • 优点：省硬件 • 缺点：中断响应慢长江大学地物学院

设备1 设备2 设备3 接口接口接口中断回答中断请求 INT1 INT2 INT3 菊花链逻辑电路 CPU INTR +5V 集电极开路门(OC门) INT1+INT2+INT3 (2)菊花链优先级排队电路 * 长江大学地物学院

中断请求 INTA INTR (2)菊花链优先级排队电路 • INTR=INT1+INT2+INT3 • 当INTA信号沿菊花链行进时，最靠近CPU并发出INT请求的接口将首先拦截住INTA信号，并送出中断类型码，进入相应的中断处理程序；在服务完成后撤销其请求(解除对下一级的阻塞和封锁)。 (3)可编程中断控制器(如8259) INTA 长江大学地物学院

STI 可实现 “多重嵌套” STI ……. …….. IRET IRET 五中断嵌套 • 通常，正在执行较低级的中断服务程序时，可以响应较高级的中断请求，而将正在处理的中断暂时挂起，称为中断嵌套。长江大学地物学院

第二节 8086/8088的中断系统 一.中断的分类：在8086/8088系统中，可将中断分为两大类(如表5.1表5.2所示)： • 第一类：硬件中断：是由外部的中断请求信号启动的中断，也称为外部中断。又可分为： • 非屏蔽中断NMI:整个系统只有一个，不受IF屏蔽 • 可屏蔽中断INTR:受IF屏蔽，在中断控制器8259的统一管理下，可屏蔽中断有几个至几十个。长江大学地物学院

中断的分类 (注意，这里的IF是CPU内部的标志寄存器的IF位，IF＝0，则对所有从INTR引脚进入的中断请求均不予响应(“总开关”)；另外，也可以在CPU外部的中断控制器(8259)中以及各个I/O接口电路(如8255)中对某一级中断或某个中断源单独进行屏蔽)。 • 第二类：软件中断：是由CPU内部的标志状态(如TF、OF)或执行一条中断指令(INT n)，以及除数为0引起的中断，也称为内部中断。长江大学地物学院

二中断向量和中断向量表 • 中断向量即中断服务程序的入口地址。 • 中断向量表是存放中断向量(中断服务程序入口地址)的一个特定的内存区域(最低地址区). • 一个中断向量占4个字节单元，其中： • 低地址的两个字节单元存放中断服务程序入口地址的偏移量(IP)－低字节在前(低地址)，高字节在后(高地址); • 高地址的两个字节单元存放中断服务程序入口地址的段地址(CS)－低字节在前(低地址)，高字节在后(高地址)。长江大学地物学院

中断向量和中断向量表 • 8086/8088的中断向量表如书P80图5.1所示。 • 解释： • 8086/8088可以处理256种中断，对每种中断都指定一个中断类型号(也称中断向量号)，每个中断类型号与一个中断服务程序的入口地址相对应。 • 256个中断向量要占256*4＝1024个字节单元，地址编号从00000H~003FFH • 5个专用中断(类型0～类型4)，它们有固定的定义和处理功能； • 27个保留的中断(类型5～类型31)。占0000:0014H～0000:007FH，共108个字节单元。这个区域供系统使用，不允许用户自行定义。 • 224个用户可定义的中断(类型32～类型255)。占0000:0080H~0000:03FFH单元；使用时，要由用户自行填写相应的中断入口地址。（其中有些中断类型已经有了固定用途，例如，类型21H的中断已用作MS-DOS的系统功能调用)。长江大学地物学院

中断向量和中断向量表 • 由于中断向量在中断向量表是按中断类型号顺序存放的，所以每个中断向量的地址可由中断类型号×4计算出来。CPU响应中断时，需把中断类型号N乘以4，得到中断向量的对应地址4N(该中断向量所占4个字节单元的第一个字节单元的地址)，然后把由此地址开始的两个低字节单元的内容装入IP寄存器：IP (4N,4N+1),再把两个高字节单元的内容装入CS寄存器：CS (4N+2,4N+3)，这就是转入中断类型号为N的中断服务程序的控制过程。[N的来源，对于不同的中断类型(内部，外部:NMI、INTR)情况有所不同，详见后述] 长江大学地物学院

内存 00000H 低地址 00001H 0000CH (0000:000CH) 1E00 0 H + 0A0 0 H 1EA0 0 H 1EA00H (1E00:0A00H) 高地址 FFFFFH 中断向量和中断向量表 • 例1：若中断类型号为3，则由中断类型号取得中断服务入口地址的过程如下图所示：中断类型号3×4 ＝000CH 长江大学地物学院

则：中断服务程序的入口地址为 CS=4030;IP=2010 入口地址为:43210 中断向量和中断向量表 • 例2.中断类型号为20H，中断服务程序的入口地址存放在0000:0080H开始的4个单元中。若： • (0080H)=10H • (0081H)=20H • (0082H)=30H • (0083H)=40H 长江大学地物学院

0001 0111 B 左移2位: 0101 1100 B 5 C H 中断向量和中断向量表 • 例3.中断类型号为23(17H)，中断服务程序的入口地址为:2340:7890H，由于中断类型号17H对应的中断向量存放在0段的0000:005CH(17H×4=5CH)处，所以有： • (005CH)= • (005DH)= • (005EH)= • (005FH)= 90 78 40 23 长江大学地物学院

三 8086/8088中断处理流程图 长江大学地物学院

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8086/8088中断处理流程图 • *8086中断优先级(Priority) • 说明： • (1)~(5)步是CPU的内部处理(由硬件自动完成) • 所有内部中断(除法错、INT n、INT0、单步)以及NMI中断不需要从数据总线上读取中断类型码，而INTR中断需读取中断类型码，中断类型码由发出INTR信号的接口提供。长江大学地物学院

单步运行方式时发生中断的处理过程 长江大学地物学院

低地址 IP CS TF=0 IP CS 高地址 TF=1 单步运行方式时发生中断的处理过程 • 堆栈的情形：长江大学地物学院

可屏蔽中断过程 • 见图5.3 长江大学地物学院

四软件中断(内部中断) • 除法错中断(也称除数为0中断)－类型0 • 在执行DIV(无符号除法)或IDIV(带符号除法)指令时，若发现除数为0，则立即产生一个类型号为0的内部中断，CPU转向除法错中断处理程序。 • 溢出中断－类型4 • 若上一条指令执行的结果使溢出标识位OF被置1，则接着执行INTO指令时，将引起类型为4的内部中断，CPU转入对溢出错误处理程序，若OF=0时，INTO指令执行空操作，即INTO指令不起作用。INTO指令通常安排在算术指令之后，以便在溢出时能及时处理。如下举例：长江大学地物学院

溢出中断服务程序： 主程序： . . . ADD AX,BX; 若OF=1 INT O … IRET 软件中断 • 软件(指令)中断(执行INT n指令引起的中断) • 双字节指令，第一个字节为操作码；第二个字节为中断类型号，该指令控制CPU转向相应的中断服务程序。长江大学地物学院

TF=1 单步执行 ….. 软件中断 • 断点中断－类型3 • INT3或简写为INT，是单字节指令。调试程序时可以在一些关键性的地方设置断点，使CPU在此断点处执行中断服务程序。 • 单步中断－类型1 长江大学地物学院

软件中断(内部中断)的特点 • 中断类型号由CPU内部自动提供(包括由中断指令第二字节提供的中断类型号)，不需去执行中断响应总线周期读取中断类型号。 • 除单步中断外，所有内部中断(除法错，INTO，INT n)均不可以用软件来屏蔽。 • 除单步中断外，所有内部中断都比外部中断优先级高。长江大学地物学院

例如： PUSH AX PUSH BX PUSH CX … POP CX POP BX POP AX 保护现场(将需要保护的寄存器压入堆栈) STI(可选); 中断处理恢复现场 IRET 五中断服务程序的一般结构 …… 长江大学地物学院

PUSH FR POP AX AND AX, PUSH AX; POPF PUSH FR; FR的内容压入堆栈 POP AX; FR的内容弹出到AX OR AX,0100H; 使AX中对应TF的位置为“1”，其他位不变 PUSH AX; 修改后的AX内容压入栈 POPF 弹回到FR(TF=1) 0->TF 1->TF • 指令系统中没有单独置“1”或清“0”TF的指令，可实现如下：长江大学地物学院

第三节可编程中断控制器8259A(8259A Programmable Interrupt Controller-PIC) • Intel 8259A用于管理和控制80x86的外部中断请求，实现优先级判决，提供中断矢量码，屏蔽中断输入等功能。 • 使用单片8259A可以管理8级中断，采用级联方式，可扩充到64级（用9片8259A）。长江大学地物学院

8259A IR0 IR0 . . . INT INTA • 8259A CPU • CPU 从 • 8259A IR0 . . . . . 中断请求主 . . . INTR IR7 INTR INTA INTA 8259A IR0 . . . IR7 从 IR7 IR7 单片级联可编程中断控制器8259A • . 长江大学地物学院

可编程中断控制器8259A • 一、8259A的引脚功能 • 封装形式　28脚双列直插（28－pin DIP),DIP:Dual-In-Line Package , 如图所示。长江大学地物学院

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 VCC A0 D7 IR7 D6 IR6 INTA D5 IR5 8259A D4 IR4 D3 IR3 D2 IR2 D1 IR1 D0 IR0 INT RD CAS0 CAS1 GND CAS2 SP/EN WR CS 可编程中断控制器8259A 长江大学地物学院

CS CS CS CS WR WR WR RD RD RD 可编程中断控制器8259A • －－片选信号（Chip Select)低电平有效，来自地址译码器的输出只有　有效时，CPU才能对8259A进行读写操作。 • －－写信号，低电平有效，来自CPU的　输出；当　有效且　有效时，使8259A接受CPU送来的命令字。 • －－读信号，低电平有效，来自CPU的　输出；且　有效且有效时，使8259A将状态信息放到数据总路线上，供CPU检测。长江大学地物学院

INTA 可编程中断控制器8259A • D7~ D0 :双向数据总线，接到系统数据总线的D7~ D0上，用来传送控制字、状态字和中断类型号。 • IR7~IR0 :中断请求信号，输入，来自外部接口电路。（单片时） • INT：向CPU发出的中断请求信号。（单片时）。 • 　　：中断响应信号，由此接收CPU发来的中断响应脉冲。长江大学地物学院

SP/ EN SP/ EN SP/ EN 可编程中断控制器8259A • A0：地址输入信号，用于对8259A内部寄存器的寻址。 • CAS2~ CAS0:级联线（CASCADELINES），传送3位标识码，用于区分特定的从控制器。双向：对于主片为输出，对于从片为输入。 • :从片/允许缓冲器信号。双功能引脚： • 作为输入时，8259A作为主片（　　　＝1）　8259A作为从片（　　　＝0）见P99图5.8 • 作为输出时，用来启动（允许）数据总线收发器（如8286）。 *究竟是作为输入还是输出，取决于8259A是否工作于“缓冲方式”（即8259A是否通过一个“数据总线收发器”与系统总线相连）。详见后面ICW4的格式。长江大学地物学院

CPU CAS0 INTA INTA CAS1 AD7~AD0 D7~D0 CAS2 PR IRR ISR . . . ICW1 OCW1 (IMR) A0 SP/EN ICW2 OCW2 地址译码 ICW3 OCW3 . . . ICW4 INT CS RD WR 二、8259A的内部结构 IR0 IR7 INTR 长江大学地物学院

8259A的内部结构 • IRR—Interrupt Request Register • PR---Priority Resolver • ISR---In-Service Register • IMR---Interrupt Mask Register • ICWs---Initialization Command Words • OCWs---Operation Command Words • 7个CPU可访问的寄存器，分两组： • 初始化命令字ICW1 ~ICW4---系统初启时设定。 • 操作命令字OCW1~OCW3—系统运行时，由应用程序设定(实现对中断处理的动态管理和控制). The OCWs can be written into the 8259A anytime after initialization。长江大学地物学院

ICW1:用偶地址写入，且D4=1 ICW2 紧接着ICW1，用奇地址写入 ICW3 ICW4 OCW1:也用奇地址写入，但不紧跟ICW1 OCW2 也用偶地址写入，但D4=0 OCW3 即： • 采用了专门的“标识位，以节省输入地址的引脚数(仅用了A0) 0 0 0 8259A的内部结构 • 7个寄存器的寻址问题: 规定：A0 长江大学地物学院

8259A的内部结构 • 8259A的处理部件： • 中断请求寄存器IRR－8位寄存器＋控制逻辑作用：接受并锁存来自IR0～IR7的中断请求信号 • 中断服务寄存器ISR 作用：保存当前正在处理的中断请求 • 优先级裁决器PR 作用：把新进入的中断请求和当前正在处理的中断进行比较，以决定哪一个优先级更高(见P90图5.7) 长江大学地物学院

INTA 8259A的内部结构 • 处理过程： • IR0～IR7上出现某一中断请求信号->IRR对应位被置“1”->由IMR的相应位决定是否将其屏蔽(屏蔽位=1，不通过；屏蔽位=0，通过)->中断请求进PR->PR把新进入的中断请求和当前正在处理的中断进行优先级比较->若新进入的中断优先级高，该中断请求被送到CPU。 • 若CPU的IF=1，CPU完成当前指令后，响应中断，在引脚上发出两个负脉冲(执行两个中断响应总线周期，参见P90图5.4)：长江大学地物学院

第五章 中断系统