计硬中断技术

中断技术1中断概述2多级中断管理3IBM-PC机的中断系统1中断概述1.1中断的基本概念当CPU与外设工作不同步时，很难确保CPU在对外设进行读写操作时，外设一定是准备好的。为保证数据的正确传送，可采用查询方式。但是在查询方式下，CPU主动地查询所有外设以确定其是否准备好，是否需要进行数据传送，会使CPU的效率降低，特别是与低速外设进行数据交换时，CPU需要等待更多的时间。另外在对多个外设进行I/O操作时，如果有些外设的实时性要求较高，CPU有可能因来不及响应而造成数据丢失。为了解决上述问题，引入了中断技术。所谓中断，是指计算机在正常执行程序的过程中，由于某事件的发生使CPU暂时停止当前程序的执行，而转去执行相关事件的处理程序，结束后又返回原程序继续执行，这样的一个过程就是中断。中断最初的目的是为了解决高速CPU与低速外设之间的速度矛盾。实际上，中断的功能远远超出了预期的设计，被广泛地应用在分时操作、实时处理、人机交互、多机系统等方面，中断技术大大地提高了CPU的工作效率。中断的优点有下面三点。1.分时操作中断技术实现了CPU和外部的并行工作，从而消除CPU的等待时间，提高了CPU的利用率。另外，CPU可同时管理多个外部设备的工作，提高了输入/输出数据的吞吐量。CPU与外部设备进行数据传输的过程如下：CPU启动外部设备工作后，执行自己的主程序，此时外部设备也开始工作。当外设需要数据传输时，发出中断请求，CPU停止它的主程序，转去执行中断服务子程序。中断处理结束以后，CPU继续执行主程序，外部设备也继续工作。如此不断重复，直到数据传送完毕。在此操作过程中，对CPU来说是分时的，即在执行正常程序时，接收并处理外部设备的中断请求，CPU与外部设备同时运行，并行工作。2.实时处理在实时控制系统中，现场定时或随机地产生各种参数、信息，要求CPU立即响应。利用中断机制，计算机就能实时地进行处理，特别是对紧急事件的处理。3．故障处理计算机运行过程中，如果出现某些故障，如电源掉电、运算溢出等，计算机可以利用中断系统自行处理。1.2中断的响应过程1．中断源所谓中断源，就是引起中断的原因或者发出中断请求的设备。中断源一般分为两类：内部中断源和外部中断源。内部中断源即中断源在微处理器内部。如计算溢出、中断指令的执行、程序调试中指令的单步运行等都是内部中断源。外部中断源，即引起中断的原因是处理机的外部设备。如外设的I/O请求、定时时间到、设备故障、电源掉电等都是外部中断源。2.中断的响应过程中断处理一般需要经历下述七个过程。1)中断请求当中断源需要CPU对它进行服务时，就会产生一个中断请求信号。对外部中断源，这个信号加至CPU的中断请求输入引脚，形成对CPU的中断请求；对内部中断源，则通过CPU内部特定事件的发生或特定指令的执行作为对CPU的中断请求。2)中断响应CPU接受中断请求就称为中断响应。当CPU执行到每条指令的最后一个时钟周期时，就去检测是否有中断请求，如果有中断请求，对内部中断源，CPU会无条件响应，而对外部中断源，只有在满足响应条件时，CPU才会响应其中断请求。3)断点保护当CPU响应某个中断时，就会转到相应中断源的服务程序上。为了使CPU在完成中断服务后能返回原程序继续执行，需要将原程序被中断处的相关信息保存到堆栈中。对8086/8088CPU，断点处的IP、CS和标志寄存器内容由硬件进行自动保护，其他信息的保护则由中断服务程序来完成。4)中断源识别在计算机系统中，往往有多个中断源，当有中断请求时，CPU就需要确定具体的中断源，以便对其进行相应的服务。在8086/8088中断系统中，由中断源自身提供其编码，供CPU进行识别。5)中断服务一般地，每一个中断源都有其相应的服务程序，即中断程序。当CPU识别中断源后，就会取得其中断程序的入口地址，并转入该中断程序，进行相应的中断服务。中断服务是整个中断处理的核心。6)断点恢复当CPU完成相应的中断服务后，利用中断服务程序，将原来在中断程序中用软件保存的断点信息从堆栈弹出，恢复为中断前的内容。7)中断返回在中断程序的最后，通过执行一条中断返回指令，将IP、CS及标志寄存器的内容从堆栈中弹出，使CPU返回到中断前的程序，并从断点处继续执行。1.3中断控制的功能为了满足微机系统的要求，中断控制系统应具有如下三个功能。1)能实现中断并返回当某一中断源发出中断请求时，CPU能决定响应或是屏蔽它。当响应中断请求时，CPU在执行完当前指令后，把现场信息压入堆栈，然后自动转到中断源的服务程序。当中断处理完成后，能自动返回，并恢复中断前的状态继续原程序的执行。2)能实现中断判优功能中断判优，即根据中断源的优先级进行排队。当系统中出现多个中断源同时提出中断请求的情况时，中断控制电路能根据各中断源的优先级进行响应，优先级最高的中断请求先响应。3)能实现中断的嵌套中断的嵌套是指高级别的中断能中断较低级别的中断处理，它类似于子程序嵌套。当CPU响应某一中断源的请求时，在进行中断处理的过程中，若有优先权级别更高的中断源发出中断请求，则CPU要能暂时中止正在进行的中断服务程序。此时，它先保存当前程序的断点和现场，然后响应高级别的中断。在高级别的中断处理完成以后，再返回继续执行被中断的中断服务程序。而当发出新的中断请求的中断源的优先权级别与正在处理的中断源同级或更低时，则CPU不会响应这个中断请求，直至正在处理的中断服务程序执行完以后才去处理新的中断请求。1.4最简单的中断情况为了便于理解中断系统的工作情况，我们从只有一个中断源这种最简单的情况入手，来分析中断的情况。1.CPU响应中断的条件1)中断请求当外设需要CPU提供服务时，便通过自身的中断请求触发器发出中断请求信号，将它加至CPU的中断请求输入引脚(INTR)，形成对CPU的中断请求。这个信号一直保持到CPU响应中断后才被清除，如图1所示。图1最简单的中断情况译码数据端口控制端口AB15～0DB7～0INTRWRRD&数据DQDQR中断屏蔽中断请求CPUREADY外设＋5V2)中断屏蔽在外设的接口电路中，设有一个中断屏蔽触发器，用它来控制该中断源发出的中断请求信号是否被允许送往CPU，中断屏蔽触发器的状态可以用输出指令来控制。而实际的应用系统中往往有多个中断源，这样就可以将8个外设的中断源组成一个端口，用输出指令的置位操作来灵活地对某一中断实现屏蔽控制。如图1所示，当触发器为“1”时，外设的中断请求才能被送出至CPU。3)中断的开放在CPU内部有一个中断允许触发器，用来决定是否响应CPU中断请求引脚(INTR)送来的中断请求。当中断开放时(触发器为“1”)，CPU才能响应中断；当关闭中断时(触发器为“0”)，CPU不响应中断请求。这个中断允许触发器的状态可以用STI和CLI指令来改变。在CPU复位或是当中断响应后，CPU就处于中断关闭状态，这样就必须在中断服务程序中用STI指令来让中断开放。4)中断请求的检测CPU在每条指令执行的最后一个时钟周期，检测其中断请求引脚(INTR)有无中断请求信号。如果有中断请求信号，就把内部的中断锁存器置“1”，在下一个总线周期到来时，进入中断响应状态。2.CPU对中断的响应当CPU响应外设的中断后，还要具体完成一些工作。1)关中断当响应中断后，首先要进行关中断操作。对8086微处理器，CPU在发出中断响应信号的同时，在内部自动完成关中断操作。2)断点保护当CPU响应中断源的中断请求后，将停止下一条指令的执行，把当前相关寄存器的内容压入堆栈，为中断返回作好准备。3)给出中断入口地址，转入相应的中断服务程序对8086/8088CPU，由中断源给出的中断向量，形成中断服务程序的起始地址，转入中断服务程序，进行相应的中断服务。4)恢复现场当CPU完成相应的中断服务后，利用中断服务程序，将原来保存的现场信息从堆栈弹出，恢复CPU内部各寄存器的内容。5)开中断与返回在中断服务程序的最后，为使CPU能再次响应新的中断请求，执行开中断操作，同时安排一条中断返回指令，从堆栈中弹出IP、CS，恢复原程序的执行。2多级中断管理在实际的应用当中，一般有多个中断源。如果同一时间有多个中断源向CPU提出中断请求，CPU该如何处理，这就涉及到多级中断的管理问题，其关键是中断优先级的控制问题。中断优先级是指每个中断源在接受CPU服务时的优先等级，对中断优先级的控制要解决以下两个方面的问题：(1)CPU应首先响应最高优先级的中断请求。由于不同的中断源在系统中的功能不同，因而它们在重要性方面也存在级别的差异。当它们同时向CPU提出中断请求时，系统应根据各中断源的级别首先响应级别最高的中断请求。(2)中断嵌套，即高优先级的中断请求可以中断低优先级的中断服务。当CPU正在处理某一中断时，如果还有更高级别的中断源有中断请求时，CPU也要能够响应。要保证多级嵌套的顺利进行，在中断处理程序中要有开中断指令，即在中断服务的同时，允许被中断响应。另外，要设置足够大的堆栈。2.1用软件查询确定中断优先权软件查询的方法是：当CPU响应中断后，利用软件查询有哪些外设申请中断，判断哪个中断源的级别更高，并首先为它进行中断服务。在实际应用中，一般将8个外设的中断请求触发器组合起来，作为一个端口，并赋以端口号，如图2所示。把8个外设的中断请求信号相“或”后，作为INTR信号，这样只要有一个外设有中断请求，就可向CPU发出INTR信号。当CPU响应中断后，把中断寄存器组成的这个端口的状态读入CPU，逐位检测，若有中断请求就转到相应的服务程序的入口。图2实现软件查询的接口电路≥101234567设备0设备1设备2设备3设备4设备5设备6设备7INTR如果设定该接口的端口号为20H，程序查询可采用两种方法。1)屏蔽法INAL，20H；读取中断请求触发器的状态TESTAL，80H；检查“设备7”是否有请求JNEPROG7；是，则转至“设备7”的处理程序PROG7TESTAL，40H；否，检查“设备6”是否有请求JNEPROG6；是，则转至“设备6”的处理程序PROG6TESTAL，20H；否，检查“设备5”是否有请求JNEPROG5；是，转至“设备5”的处理程序PROG52)移位法XORAL，ALINAL，[20H]RCLAL，lJCPROG7RCLAL，1JCPROG6软件查询法的优缺点：(1)优点：利用软件完成中断优先权的检测，不需要硬件判优电路。另外，优先权由查询的次序来决定，首先查询的即为优先级最高的。(2)缺点：不管外设是否有中断请求都需要按次序逐一询问，因而效率较低。特别是在中断源较多的情况下，转至中断服务程序的时间较长。2.2硬件优先权排队电路1．中断优先权编码电路中断优先权编码电路是用硬件编码器和比较器组成的优先权排队电路，如图3所示。在图中，当8个中断源中某一个有中断请求时，便在其中断请求线上产生“1”，并在“或”门的输出端形成一个中断请求信号，但它能否送至CPU的中断请求线INTR，还受到比较器的控制。8条中断输入线的任一条，经过编码器可以产生三位二进制优先权编码A2A1A0，编码范围为000～111，其中111优先权最高，000优先权最低。而且，当有多个中断源同时产生中断请求时，编码器只输出优先权最高的编码。图3中断优先权编码电路≥1≥1&&优先权编码器优先权寄存器八级中断输入CPUA2A1A0B2B1B0比较器优先权无效与门1与门2INTR优先权寄存器中存放的是CPU正在服务的中断编码，将其输出至比较器即B2B1B0。A2A1A0与B2B1B0在比较器中进行比较，如果A2A1A0级别较低或与B2B1B0相同，则比较器输出为“0”，与门1被封锁；如果A2A1A0级别较高，比较器输出为“1”，则与门1打开，中断请求就被送至CPU的INTR输入端。此时，CPU将中断正在进行的中断服务程序，转去响应更高级别的中断。如果CPU正在进行中断服务，则“优先权无效”信号为“0”；反之，则为“1”。因此，与门2保证当CPU没有进行中断服务时，只要有中断请求，则中断请求信号都能被