微机原理中断技术.ppt
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1、第7章 输入/输出与中断 7.3 中中 断断 技技 术术 7.3.1 中断的基本概念中断的基本概念 1中断的定义 在CPU执行程序的过程中,出现了某种紧急或异常的事件(中断请求),CPU需暂停正在执行的程序,转去处理该事件(执行中断服务程序),并在处理完毕后返回断点处继续执行被暂停的程序,这一过程称为中断。断点处是指返回主程序时执行的第一条指令的地址。中断过程如图7.10所示。为实现中断功能而设置的硬件电路和与之相应的软件,称为中断系统。第7章 输入/输出与中断 图7.10 中断过程示意图第7章 输入/输出与中断 2中中断源断源 任何能够引发中断的事件都称为中断源,可分为硬件中断源和软件中断源
2、两类。硬件中断源主要包括外设(如键盘、打印机等)、数据通道(如磁盘机、磁带机等)、时钟电路(如定时计数器8253)和故障源(如电源掉电)等;软件中断源主要包括为调试程序设置的中断(如断点、单步执行等)、中断指令(如INT 21H等)以及指令执行过程出错(如除法运算时除数为零)等。第7章 输入/输出与中断 3中断处理过程中断处理过程 对于一个中断源的中断处理过程应包括以下几个步骤,即中断请求、中断响应、保护断点、中断处理和中断返回。1)中断请求 中断请求是中断源向CPU发出的请求中断的要求。软件中断源是在CPU内部由中断指令或程序出错直接引发中断;而硬件中断源必须通过专门的电路将中断请求信号传送
3、给CPU,CPU也有专门的引脚接收中断请求信号。例如,8086/8088 CPU用INTR引脚(可屏蔽中断请求)和NMI引脚(非屏蔽中断请求)接收硬件中断请求信号。一般外设发出的都是可屏蔽中断请求。第7章 输入/输出与中断 图7.11 中断请求与屏蔽接口电路 第7章 输入/输出与中断 当外设准备好一个数据时,便发出选通信号,该信号一方面把数据存入接口的锁存器中,另一方面使中断请求触发器置1。此时,如果中断屏蔽触发器Q端的状态为1,则产生了一个发往CPU的中断请求信号INT。中断屏蔽触发器的状态决定了系统是否允许该接口发出中断请求。可见,要想产生一个中断请求信号,需满足两个条件:一是要由外设将接
4、口中的中断请求触发器置1,二是要由CPU将接口中的中断屏蔽触发器Q端置1。第7章 输入/输出与中断 2)中断响应 CPU在每条指令执行的最后一个时钟周期检测其中断请求输入端,判断有无中断请求,若CPU接收到了中断请求信号,且此时CPU内部的中断允许触发器的状态为1,则CPU在现行指令执行完后,发出INTA信号响应中断。从图7.11中可以看到,一旦进入中断处理,立即清除中断请求信号。这样可以避免一个中断请求被CPU多次响应。图7.12给出了CPU内部产生中断响应信号的逻辑电路。对于8086/8088 CPU可以用开中断(STI)或关中断(CLI)指令来改变中断允许触发器(即IF标志位)的状态。第
5、7章 输入/输出与中断 图7.12 CPU内部设置中断允许触发器 第7章 输入/输出与中断 3)保护断点 CPU一旦响应中断,需要对其正在执行程序的断点信息进行保护,以便在中断处理结束后仍能回到该断点处继续执行。对于8086/8088 CPU,保护断点的过程由硬件自动完成,主要工作是关中断、将标志寄存器内容入栈保存以及将CS和IP内容入栈保存。第7章 输入/输出与中断 4)中断处理 中断处理的过程实际就是CPU执行中断服务程序的过程。用户编写的用于CPU为中断源进行中断处理的程序称为中断服务程序。由于不同中断源在系统中的作用不同,所要完成的功能不同,因此,不同中断源的中断服务程序内容也各不相同
6、。例如,对于图7.11所示的输入设备,其中断服务程序的主要任务是用输入指令(IN)从接口中的数据端口向CPU输入数据。第7章 输入/输出与中断 另外,主程序中有些寄存器的内容在中断前后需保持一致,不能因中断而发生变化,但在中断服务程序中又用到了这些寄存器,为了保证在返回主程序后仍能从断点处继续正确执行,还需要在中断服务程序的开头对这些寄存器内容进行保护(即保护现场),在中断服务程序的末尾恢复这些寄存器的内容(即恢复现场)。保护现场和恢复现场一般用PUSH和POP指令实现,所以要特别注意寄存器内容入栈和出栈的次序。第7章 输入/输出与中断 5)中断返回 执行完中断服务程序,返回到原先被中断的程序
7、,此过程称为中断返回。为了能正确返回到原来程序的断点处,在中断服务程序的最后应专门放置一条中断返回指令(如8086/8088的IRET指令)。中断返回指令的作用实际上是恢复断点,也就是保护断点的逆过程。第7章 输入/输出与中断 7.3.2 中断优先级和中断的嵌套中断优先级和中断的嵌套 1中断优先级 中断请求是随机发生的,当系统具有多个中断源时,有时会同时出现多个中断请求,CPU只能按一定的次序予以响应和处理,这个响应的次序称为中断优先级。对于不同级别的中断请求,一般的处理原则是:(1)不同优先级的多个中断源同时发出中断请求,按优先级由高到低依次处理。第7章 输入/输出与中断 (2)低优先级中断
8、正在处理,出现高优先级请求,应转去处理高优先级请求,服务结束后再返回原优先级较低的中断服务程序继续执行。(3)高优先级中断正在处理,出现低优先级请求,可暂不响应。(4)中断处理时,出现同级别请求,应在当前中断处理结束以后再处理新的请求。第7章 输入/输出与中断 2中断优先级的确定 在微机系统中通常用三种方法来确定中断源的优先级别,即软件查询法、硬件排队电路法和专用中断控制芯片法。本节简要介绍前两种方法,第三种方法将在本章的最后一节作详细介绍。1)软件查询法 软件查询法需要简单的硬件电路支持。以8个中断源为例,其硬件电路如图7.13所示,将8个外设的中断请求组合起来作为一个端口(中断寄存器),并
9、将各个外设的中断请求信号相或,产生一个总的INT信号。第7章 输入/输出与中断 任一个外设有中断请求,该电路都可向CPU发中断请求信号(INT),CPU响应后进入中断处理程序,在中断处理程序的开始先把中断寄存器的内容读入CPU,再对寄存器内容进行逐位查询,查到某位状态为1,表示与该位相连的外设有中断请求,于是转到与其相应的中断服务程序,同时该外设撤消其中断请求信号。软件查询方式的流程图如图7.14所示。第7章 输入/输出与中断 图7.13 软件查询法的硬件电路 第7章 输入/输出与中断 图7.14 软件查询方式的流程图 第7章 输入/输出与中断 对于图7.13所示电路,设中断寄存器端口号为n,
10、则软件查询的程序段如下:IN AL,n TEST AL,80H ;1号外设有请求?JNZ II1;有,转1号中断服务程序 TEST AL,40H ;2号外设有请求?JNZ II2 ;有,转2号中断服务程序第7章 输入/输出与中断 可以看出,采用软件查询方式,各中断源的优先级是由查询顺序决定的,最先查询的设备,其优先级最高,最后查询的设备,其优先级最低。采用软件查询方式的优点是节省硬件。但是,由于CPU每次响应中断时都要对各中断源进行逐一查询,所以其响应速度较慢。对于优先级较低的中断源来说,该缺点更为明显。第7章 输入/输出与中断 2)硬件排队电路硬件排队电路 采用硬件排队电路法,各个外设的优先
11、级与其接口在排队电路中的位置有关。常用的硬件优先权排队电路有链式优先权排队电路、硬件优先级编码加比较器的排队电路等。图7.15给出了一个链式优先级排队电路。第7章 输入/输出与中断 图7.15中,当响应信号沿链式电路进行传递时,最靠近CPU并发出中断请求的接口将首先拦截住响应信号,CPU进入相应外设的中断处理程序,在服务完成后,该外设撤消其中断请求,解除对下一级外设的封锁。例如,当CPU收到中断请求信号并响应中断时,若1号外设有中断请求(高电平),则立即向1号外设接口发出应答信号,同时封锁2号、3号等外设的中断请求,转去对1号外设服务;若1号外设没有中断请求,而2号外设有中断请求时,响应信号便
12、传递给2号外设,向2号外设接口发出应答信号,同时封锁3号外设的中断请求;若CPU在为2号外设进行中断服务时1号外设发出了中断请求,CPU会挂起对2号外设的服务转去对1号外设服务,1号外设处理结束后,再继续为2号外设服务。第7章 输入/输出与中断 图7.15 链式中断优先级电路 第7章 输入/输出与中断 上述两种方法虽然可以解决中断优先级控制问题,但实现起来在硬件和软件上都要做大量的工作,十分麻烦。目前,最方便的办法就是利用厂家提供的可编程中断控制器,这样的器件在各种微机中得到普遍应用。本章后面将介绍广泛应用于80 x86微机系统中的专用可编程中断控制芯片8259A。第7章 输入/输出与中断 3
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