(23)--7.1 中断概述计算机硬件技术.ppt

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1、中断与中断中断与中断管理管理第7章 中断与中断管理主要内容：主要内容：n中断概念中断概念n80868086的中断系统的中断系统n可编程中断控制器可编程中断控制器8259A8259An中断程序设计中断程序设计中中断断概概念念7.1.1 中断与中断源n在CPU正常执行程序的过程中，如果发生内部/外部事件或是程序预先安排的事件急需CPU处理时，CPU会暂时中断正在执行的程序，转去执行相应的事件处理程序。待事件处理完毕后，CPU再返回到被暂时中断的程序继续执行。这个过程就称为中断。n中断是微处理器CPU与外部设备交换信息的一种方式，是CPU处理随机事件和外部请求的主要手段。1、中断7.1.1 中断与中

2、断源n最初，中断技术引入计算机系统，只是为了解决快速的CPU与慢速的外部设备之间传送数据的矛盾。n例如：打印输出时，CPU传送数据的速度高，而打印机打印的速度低。如果不采用中断技术，CPU将经常处于等待状态，效率极低。采用中断技术后，CPU可以正常进行其它的工作，只在打印机缓冲区中的当前内容打印完毕发出中断请求之后，才予以响应。这时，CPU暂时停止执行当前程序而转去执行向缓冲区传送数据的程序，传送完成后又返回原来的程序执行。这样就大大地提高了CPU的效率。1、中断7.1.1 中断与中断源n随着计算机技术的发展，中断技术不断被赋予新的功能，它可以使计算机系统完成如下功能：CPU与外部设备并行工作

3、实时信息处理故障检测和自动处理分时处理1、中断7.1.1 中断与中断源n产生中断请求的设备或事件称为“中断源”。n根据中断源不同，中断可分为三类：由计算机硬件异常或故障引起的中断，也称为内部异常中断；程序中执行了中断指令引起的中断，也称为软件中断或软中断；外部设备（如输入、输出设备）请求引起的中断，也称为硬件中断或外部中断。2、中断源7.1.2 中断系统的功能中断过程中断过程B BE EC CDDA A中断请求中断判优中断响应中断返回中断服务7.1.2 中断统的功能n中断过程需要由计算机的软、硬件共同完成，能完成中断过程的所有硬件和软件构成中断系统。n中断系统应具备如下功能：接收中断请求中断源

4、识别中断源判优中断嵌套 中断处理与返回7.1.3 简单的中断处理过程n对于不同的微机系统和不同的中断方式（如软件、硬件中断），CPU进行中断处理的具体过程不完全一样。n但都要经过：请求中断、中断判优、中断响应、中断处理和中断返回等阶段。7.1.3 简单的中断处理过程1 1）中断请求触发器置位）中断请求触发器置位nCPU只有在当前指令执行结束后才会检测有无中断请求发生，因此对于外部中断，中断源要向CPU发出中断请求，就必须把自己的中断请求信号保持到CPU响应，才可以清除。n故要求每一个中断源都有一个中断请求触发器，用于记录中断请求标志。当提出中断请求时，该触发器被置位，如下图所示。1、CPU响应

5、中断的条件7.1.3 简单的中断处理过程2 2）中断屏蔽触发器置位）中断屏蔽触发器置位n在通常情况下，往往有多个中断源。n在外设接口中，为每一个中断源设置了一个中断屏蔽触发器，用来开放或关闭中断源的请求。n只有中断屏蔽触发器设置为“1”时，外设的中断请求信号才能被送到CPU，如下图所示。1、CPU响应中断的条件7.1.3 简单的中断处理过程3 3）中断是开放的）中断是开放的n外部中断是否响应，还取决于CPU是允许中断还是禁止中断。CPU通过内部设置的一个中断允许触发器（标志寄存器FR的IF位），来开放或关闭可屏蔽中断INTR。执行STI指令后，IF置“1”，称为开中断，允许CPU响应INTR请

6、求；执行CLI指令后，IF清“0”时，称为关中断，禁止CPU响应INTR请求。1、CPU响应中断的条件7.1.3 简单的中断处理过程4 4）CPUCPU在执行当前指令的最后一个时钟周期在执行当前指令的最后一个时钟周期nCPU在执行当前指令的最后一个时钟周期才去查询INTR引脚。n若查询到该引脚信号为高电平，则表示收到有效中断请求信号。n在开中断（即IF1）的情况下，CPU在下一个总线周期不进入取指周期，而是进入中断响应周期处理中断。1、CPU响应中断的条件中断响应、服务及返回流程图 7.1.3 简单的中断处理过程CPU进入中断响应周期后，自动完成如下操作：（1 1）关闭中断）关闭中断 FR中的

7、中断标志位IF清零；（2 2）保护断点）保护断点将当前CS和IP的内容压入堆栈保存，以便中断处理完毕后能返回被中断的原程序继续执行；（3 3）送中断类型号）送中断类型号在中断响应周期的第二个总线周期中，由中断控制器给出中断类型号，CPU根据中断类型号获取中断服务子程序的入口地址，并装入CS与IP；一旦装入完毕，中断服务程序就开始执行。2、CPU对中断的响应7.1.3 简单的中断处理过程n中断服务程序，就是为实现中断源所期望达到的功能而编写的程序。n步骤：（1 1）保护现场）保护现场 为使中断处理程序不破坏主程序中寄存器的内容，应先将断点处各寄存器的内容压入堆栈保护起来；（2 2）中断服务）中断

8、服务不同的中断请求，有各自不同的中断服务内容；需要根据中断源所要完成的功能，事先编写相应的中断服务程序存入内存；（3 3）恢复现场）恢复现场中断处理完后，恢复主程序断点处各寄存器的内容。3、CPU对中断的处理7.1.3 简单的中断处理过程n在中断服务子程序的最后，要开中断（CPU能响应新的中断请求）并安排一条中断返回指令IRET。n执行指令IRET后，之前压入堆栈的断点值及程序状态字弹回到CS、IP及FLAGS中，CPU继续执行主程序。4、中断的返回7.1.4 中断源识别及优先权判断1、中断源识别n原因：原因：当系统中有多个中断源时，一旦发生中断，CPU需确定是哪一个中断源提出了中断请求。n任

9、务：任务：确定该响应的是哪个中断源；找到该中断服务程序的入口地址。7.1.4 中断源识别及优先权判断（1 1）软件查询法）软件查询法 n任一中断请求，都可向CPU发出INTR信号；n将中断请求信号相“或”后，作为INTR信号。1、中断源识别的方法7.1.4 中断源识别及优先权判断（1 1）软件查询法）软件查询法 n优点优点硬件电路简单，无需优先权的硬件排队电路，可随时修改优先级（改变查询的先后顺序）；n缺点缺点软件查询由询问转至相应中断服务程序入口时间长，尤其在中断源较多的情况下，中断响应的实时性受到影响。1、中断源识别的方法7.1.4 中断源识别及优先权判断（2 2）中断向量法）中断向量法

10、n通过硬件控制电路形成一个供CPU识别中断源的中断向量号，并由此中断向量号实现中断响应。1、中断源识别的方法7.1.4 中断源识别及优先权判断n优点优点CPU可直接通过中断向量表转向相应的处理程序，不需要CPU去逐个检测和确定中断源，因此大大加快了中断响应的速度。1、中断源识别的方法7.1.4 中断源识别及优先权判断n系统按任务的轻重缓急，为每个中断源进行排队，并给出顺序编号，称为中断优先级。n可事先给各中断源安排一个中断优先级次序，当多个中断源同时申请时，按优先级从高到低的次序来处理，选中当前优先级最高的中断进行处理，这个过程称为中断优先级判优。n在一般情况下，系统的内部中断优先于外部中断，

11、不可屏蔽中断优先于可屏蔽中断。n中断源的优先级判优可以通过软件查询方式和硬件排队电路两种方法实现。2、中断优先权7.1.4 中断源识别及优先权判断（1 1）软件查询方式）软件查询方式n基本原理基本原理当CPU接收到中断请求信号后，执行优先级判优的查询程序，逐个检测外设中断请求标志位的状态；检测的顺序：优先级的高低；最先检测到的中断源具有最高的优先级；最后检测到的中断源具有最低的优先级。2、中断优先权7.1.4 中断源识别及优先权判断（1 1）软件查询方式）软件查询方式n优点优点硬件电路简单，无需优先权硬件排队电路，可以通过修改程序的方法随时修改优先级；n缺点缺点软件查询影响中断响应的实时性。2

12、、中断优先权7.1.4 中断源识别及优先权判断（2 2）硬件优先权排队电路硬件优先权排队电路n优点优点节省CPU的时间，而且中断响应较快；n缺点缺点成本比较高。2、中断优先权7.1.4 中断源识别及优先权判断（2 2）硬件优先权排队电路硬件优先权排队电路n菊花链（或称链式）优先权排队电路菊花链（或称链式）优先权排队电路在每个中断源的电路中设置一个菊花链逻辑电路当某设备有中断请求时，会向CPU发送中断请求信号若CPU允许中断，则CPU发出中断响应信号信号在菊花链中传递如果某设备没有中断请求，则信号通过菊花链逻辑电路继续往下一级传递。2、中断优先权菊花链逻辑电路菊花链优先权排队电路010111假设

13、设备2和设备3均有中断请求80868086的的中断系统中断系统7.2 8086的中断系统nIntel 80X86系列微机有一个灵活的中断系统，可以处理256种中断源，每个中断源都有对应的中断类型号（0255D）供CPU识别。7.2.1 8086的中断类型n外部中断是指由外部设备通过硬件请求的方式产生的中断；n外部中断也称为硬件中断。n外部中断可分为：非屏蔽中断可屏蔽中断1、外部中断7.2.1 8086的中断类型（1 1）非屏蔽中断）非屏蔽中断NMINMIn当外设向CPU提出中断请求时，CPU在当前指令执行结束后，就立即无条件的予以响应，这样的中断就是非屏蔽中断。n由CPU的NMI引脚引入，NM

14、I上升沿时触发，维持2个T高电平。n不受中断允许标志IF的影响；n中断类型号固定为2；n在外部中断源中优先级最高；n主要用于处理系统的意外或故障，如：电源掉电、存储器读/写错误等。1、外部中断7.2.1 8086的中断类型（2 2）可屏蔽中断）可屏蔽中断INTRINTRn受CPU中断允许标志位IF的控制：IF=1时，CPU响应中断请求；IF=0时，CPU屏蔽中断请求，不予响应；n由CPU的INTR引脚引入，高电平有效。n中断类型号由中断请求的设备提供。1、外部中断7.2.1 8086的中断类型n内部中断是由CPU运行程序异常或执行内部程序调用引起的一种中断；n内部中断也称为软件中断。n不受IF

15、影响。n中断类型号由指令提供。2、内部中断7.2.1 8086的中断类型内部中断有：n除法错中断除法错中断执行除法指令时，若除数为0或商超过寄存器所能表达的范围，则CPU立即产生一个0型中断。n溢出中断溢出中断如果上一条指令使溢出标志位OF为1，则执行INTO指令产生4型中断。nINT nINT n指令中断指令中断8086的指令系统中有一条INT n指令，执行这条指令就会立即产生中断。2、内部中断7.2.1 8086的中断类型n单步中断单步中断当单步标志（陷阱标志）TF置“1”时，80 x86处于单步工作方式。在单步工作时，每执行完一条指令，CPU自动产生中断类型号为1的中断。n断点中断断点中

16、断断点中断是80 x86提供的一种调试程序的手段。用于设置程序中的断点，中断类型号为3。2、内部中断7.2.1 8086的中断类型n由高到低分别为：除法错、INT n指令、溢出、断点中断 非屏蔽中断NMI 可屏蔽中断INTR 单步中断中断优先级7.2.2 中断向量和中断向量表（1 1）中断类型号）中断类型号在8086系统中，共设有256类中断，每类中断分配到一个8位的编号，这个编号就叫做中断类型号。中断类型号的范围：00FFH（0255D）1、中断向量表的概念7.2.2 中断向量和中断向量表（2 2）中断向量）中断向量n需要响应的每一类中断都编写有相应的中断服务程序，并预先装入内存，中断服务程

17、序在内存中的入口地址叫中断向量。n每个中断类型对应一个中断向量。n中断向量的字长是4个字节2个字节的段地址2个字节的偏移地址1、中断向量表的概念7.2.2 中断向量和中断向量表（3 3）中断向量表）中断向量表n把系统中所有的中断向量集中起来放到存储器的某一区域内，这个存放中断向量的存储区就叫中断向量表或中断服务程序入口地址表。n8086系统把中断向量表安排在内存地址00000H003FFH区域（1K）。n每四个连续字节存放一个中断向量，高地址2个字节单元放段地址（CS）低地址2个字节单元中放偏移地址(IP)。1、中断向量表的概念7.2.2 中断向量和中断向量表（4 4）中断向量表地址指针）中断

18、向量表地址指针n为了便于在中断向量表中找到中断向量，通常设置一种指针，来指出中断向量存放在中断向量表的具体位置；n存放中断向量的4个存储单元的最低地址称为向量表地址指针。n计算方法：中断类型号41、中断向量表的概念7.2.2 中断向量和中断向量表（4 4）中断向量表地址指针）中断向量表地址指针n如果已知一个中断类型号，则通过两次地址转换（中断类型号到中断向量表地址；中断向量表地址到中断处理程序入口地址）后，可到达中断服务程序。1、中断向量表的概念（5 5）80868086中断向量表中断向量表7.2.2 中断向量和中断向量表n中断向量并非常驻内存，而是开机上电时，由程序装入指定的存储区内。nBI

19、OS程序只负责中断类型号00H1FH共32种中断的中断向量的装入。n用户在应用系统中使用中断时，需要在初始化程序中将中断服务子程序的入口地址装入中断向量表指定的存储单元中，以便在CPU响应中断请求后，由中断向量自动引导到中断服务子程序。2、中断类型的设置（1 1）用传送指令直接装入）用传送指令直接装入n将中断向量通过数据传送指令直接送入中断向量表指定的单元中。n例如，设某中断源的中断类型号n为40H，中断服务子程序为INT_P，则设置中断向量的程序段如下：CLI；IF0,关中断 MOVAX，0 ；ES指向0段 MOVES,AX MOVBX,40H4；向量表地址送BX MOVAX,OFFSET

20、INT_P ；中断服务子程序的偏移地址送AX MOVES:WORD PTRBX,AX ；中断服务子程序的偏移地址写入向量表（1 1）用传送指令直接装入）用传送指令直接装入MOV AX,SEG INT_P ；中断服务子程序的段基址送AXMOV ES:WORD PTRBX+2,AX ；中断服务子程序的段基址写入向量表STI；IF=1，开中断INT_P PROC；中断服务子程序IRET；中断返回INT_P ENDP7.2.2 中断向量和中断向量表（2 2）用）用DOSDOS系统功能调用装入法系统功能调用装入法25H号DOS功能调用n入口参数是：AH=25H。AL=中断类型号。DS=中断服务子程序入口

21、地址的段地址。DX=中断服务子程序入口地址的偏移地址。2、中断类型的设置7.2.2 中断向量和中断向量表前面的例题用DOS调用，程序段：CLI；IF=0，关中断 MOV AL,40H；中断类型号40H送AL MOV DX,SEG INT_P；中断服务子程序的段基址送DS MOV DS,DX MOV DX,OFFSETINT_P；中断服务子程序的偏移地址送DX MOV AH,25H；25H功能调用 INT 21H STI；IF=1，开中断2、中断类型的设置7.2.2 中断向量和中断向量表（2 2）用）用DOSDOS系统功能调用装入法系统功能调用装入法35H号DOS功能调用n在实际应用中，为了不破

22、坏向量表中的原始设置，通常在装入新的中断向量之前，先将原有的中断向量取出保存，待中断处理完毕，再将原中断向量恢复。n入口参数是：AH=25H。AL=中断类型号。n出口参数是：ES=中断服务子程序入口地址的段地址。BX=中断服务子程序入口地址的偏移地址。2、中断类型的设置7.2.2 中断向量和中断向量表（2 2）用）用DOSDOS系统功能调用装入法系统功能调用装入法n例如，若从中断类型号为40H对应的向量表中取出中断向量，程序段如下:MOVAH,35H MOVAL,40H INT21Hn该程序段执行之后，从中断向量表中获取的中断向量存放在ES和BX中，ES中存放段基址，BX中存放偏移地址。2、中

23、断类型的设置7.2.3 8086中的中断响应和处理过程n在8086系统中各种中断的响应和处理过程是不完全相同的，主要区别还在于如何获取相应的中断类型号。1 1、顺序查询、顺序查询（1 1）中断源识别）中断源识别nCPU在当前指令执行完后，按内部中断（除法出错、INT n、断点中断、溢出中断）、NMI、INTR、单步中断的顺序来逐个查询是否有中断请求，对于INTR还要判断CPU是否允许中断（IF=1）。（2 2）80868086的中断优先级的中断优先级nCPU检测的顺序是按优先级的高低来进行的，最先检测到的中断源具有最高的优先级，最后检测到的中断源具有最低的优先级。7.2.3 8086中的中断响

24、应和处理过程n当内部中断发生时，是按预定方式得到中断类型号（专用中断：0、1、3、4）n在用软件中断指令INT n时，中断指令本身就为CPU提供了中断类型号n。n非屏蔽中断类型号固定是2。n可屏蔽的中断由请求中断的设备提供中断类型号。2、形成中断类型号7.2.3 8086中的中断响应和处理过程可屏蔽中断响应周期可屏蔽中断响应示意图7.2.3 8086中的中断响应和处理过程n断点保护。将标志寄存器（PSW）、当前段寄存器（CS）及指令指针（IP）内容压入堆栈。n关闭中断，并清除IF及TF位（IF0，TF0），以便禁止响应可屏蔽中断或单步中断。n将取得的中断类型号乘4，到中断向量表中取中断向量（中

25、断处理程序的入口地址），其中高2字节段地址送到CS中，低2字节偏移地址送入IP中。一旦中断处理程序的入口地址置入IP及CS中，程序就被转入并开始执行中断处理程序。n中断服务程序一般包括：保护现场、中断服务、恢复现场等部分。同时，为了能够处理多重中断，还可在中断处理程序的适当地方加入开中断指令（STI）。3、中断处理7.2.3 8086中的中断响应和处理过程n中断服务程序执行完毕，最后执行一条中断返回指令IRET，将压入堆栈的原标志寄存器内容及断点地址弹出，继续执行原程序。4、中断返回7.2.3 8086中的中断响应和处理过程n设某输入设备数据准备就绪后向CPU申请可屏蔽中断，中断类型号为80H

26、，中断响应后执行的服务子程序名为INTPROC。中断程序执行过程如图所示。5、中断过程举例7.2.3 8086中的中断响应和处理过程n设某输入设备数据准备就绪后向CPU申请可屏蔽中断，中断类型号为80H，中断响应后执行的服务子程序名为INTPROC。n中断程序执行过程：n从图10-14中看出：nCPU在没接到中断请求信号时，一直执行原来的程序；n内部中断由指令在程序中的位置决定；n外部中断申请随机发生，若为非屏蔽中断申请，则CPU执行完正在执行的指令后即可响应；若为可屏蔽中断申请，CPU只能在IF为“1”条件下，执行完正在执行的指令后才能响应。5、中断过程举例10-1410-14可编程中可编程

27、中断控制器断控制器8259A8259A7.3 可编程中断控制器8259AnIntel 8259A是一种可编程序中断控制器PIC，又称“优先权中断控制器”，具有强大的中断管理功能。n8259A的主要功能有：可管理具有8级优先权的中断源，通过级联可扩充至管理64级优先权的中断源。通过编程对每一级中断源都可实现屏蔽或允许。能向CPU提供相应的中断向量，从而能迅速地转至中断服务程序。8259A有多种工作方式，可通过编程来进行选择。7.3.1 8259A的结构8位接受并锁存来自IR0IR7的中断请求信号第i位=1：IRi有请求第i位=0：IRi没有请求当中断请求响应后，IRR相应位复位 7.3.1 82

28、59A的结构7.3.1 8259A的结构8位存放CPU送来的屏蔽信号第i位=1：屏蔽IRi的中断请求第i位=0：开放IRi的中断请求7.3.1 8259A的结构10.3.1 8259A的结构8位记录正在处理中的所有中断请求第i位=1：IRi正在处理在多重中断时，ISR中可能有多位同时被置“1”7.3.1 8259A的结构8位管理和识别IRR中各个中断源的优先级别 7.3.1 8259A的结构10.3.1 8259A的结构接受和发出控制信号INT和INTA7.3.1 8259A的结构10.3.1 8259A的结构8位，双向，三态8259A和系统数据总线的接口，传输信号：CPU对8259A的控制字

29、8259A送给CPU的状态信息8259A送给CPU的中断向量 7.3.1 8259A的结构10.3.1 8259A的结构接收CPU送来的读/写信号和地址信息片内地址的选择 7.3.1 8259A的结构10.3.1 8259A的结构用于控制多片级联 7.3.1 8259A的结构10.3.1 8259A的结构编程角度看，8259A有7个8位的寄存器：4个初始化命令字寄存器（ICW1 ICW4）系统初启时设定3个操作命令字寄存器（OCW1 OCW3）系统运行时，由应用程序设定7.3.1 8259A的结构10.3.2 8259A的引脚D0D7数据线三态、双向与DB的D0D7相连传递控制信号、状态信号、中断向量7.3.2 8259A的引脚10.3.2 8259A的引脚IR0IR7中断请求输入信号外设或者从片送入触发方式：边沿触发电平触发7.3.2 8259A的引脚