第6章 输入输出和中断技术(下)

第6章输入/输出和中断技术掌握有关中断和中断源、中断处理过程、中断优先级和中断嵌套等基本知识掌握可编程中断控制器8259A外部特性及其与CPU的连接方式掌握8259A的初始化编程掌握8086/8088可屏蔽中断的全过程了解8259A的结构及级联方式的运用等教学目的和要求中断及中断控制器重点中断及中断处理过程8259A的初始化编程8086/8088可屏蔽中断的全过程难点8086/8088的中断系统中断优先权的控制机理6.3.1中断、中断源及中断系统一、中断、中断源所谓“中断”是指在CPU正常运行程序时，由于内、外部事件引起CPU暂时中止正在运行的程序，转而去执行请求CPU暂时中止的内、外部事件的服务程序，待该服务程序处理完毕后又返回到被中止的程序能够向CPU发出中断请求的中断来源称为“中断源”常见的中断源一般的输入／输出设备，如打印机、RS232C串行通信设备等数据通道，如磁带、磁盘等实时时钟，如定时器芯片82C54等的定时输出作为定时中断请求信号故障信号，如电源掉电等软件中断，如为调试程序而设置的单步中断广义中断在80286以后的处理器中均将广义中断分为中断和异常两大类：由外部事件引起的中断称为外部中断，由内部事件引起的中断称为内部异常二、中断系统的功能为满足中断要求，中断系统应具有的功能可归结为中断处理和中断控制中断处理包括发现中断请求、响应中断请求、中断处理与中断返回中断控制主要是实现中断优先级的排队和中断嵌套三、中断的主要用途在微机系统中，中断的主要用途是实现输入／输出操作电源掉电或其他情况的报警控制台或人工干预多处理机系统中各处理机之间的协调控制操作系统四、可屏蔽中断与不可屏蔽中断根据微处理器内部受理中断请求的情况，中断可分为可屏蔽中断与不可屏蔽中断两种凡是微处理器内部能够“屏蔽”的中断，称为可屏蔽中断凡是微处理器内部不能“屏蔽”的中断，称为不可屏蔽中断所谓“屏蔽”是指微处理器拒绝响应中断请求信号，不允许中断微处理器所执行的主程序。这通常是由内部的中断触发器(或中断允许触发器)来控制的6.3.2中断处理过程微机系统中断处理过程的流程图如图7-1所示一、CPU响应中断的条件1.设置中断请求触发器每个中断源向CPU发出中断请求信号是随机的，而大多数CPU都是在现行周期结束时，才检测有无中断请求发出，故在现行指令执行期间，必须把随机输入的中断请求信号锁存起来，并保持到CPU响应这个中断请求后才可以清除中断请求。因此，要求每一个中断源有一个中断请求触发器，如图7-2中所示2.设置中断屏蔽触发器在存在多个中断源的情况下，为增加控制的灵活性，常要求在每一个外设的接口电路中，设置一个中断屏蔽触发器，只有当此触发器为“1”时，外设的中断请求才能被送到CPU，如图7-2中所示,可把8个外设的中断屏蔽触发器组成一个中断屏蔽寄存器端口，用输出指令来控制它们的状态3.CPU内部设置中断允许触发器的状态在CPU内部有一个中断允许触发器，只有当其为“l”时，CPU才能响应中断；若其为“0”时，即使中断请求线上有中断请求，CPU也不响应可用允许中断和禁止中断指令来设置中断允许触发器的状态当CPU复位时，中断允许触发器也复位为“0”，即关中断。当中断响应后，CPU就自动关闭中断，以禁止接受另一个新的中断，因而通常在中断服务程序结束之前，必须要执行两条指令，即允许中断指令和中断返回指令4.CPU在现行指令结束后响应中断在满足上面三个条件的情况下，CPU在执行现行指令的最后一个机器周期(总线周期)的最后一个时钟周期(T状态)时，才测试中断输入线INTR(或NMI)，若发现中断请求有效，则把内部的中断锁存器置“1”，下一总线周期进入中断响应周期二、CPU对中断的响应过程进入中断周期后，中断响应的过程如下⒈关中断CPU在响应中断后，发出中断响应信号，同时内部自动地关中断，以禁止接受其他的中断请求。⒉保护断点把断点处的标志寄存器F的内容、段寄存器CS值和指令指针IP值依次压入堆栈保存，以便中断处理完后能正确地返回到主程序的断点地址，接着执行被中断的程序INTACPU对中断的响应过程⒊识别中断源CPU要对中断请求进行处理，必须要找到相应中断服务程序(处理中断的程序)的入口地址，这就是中断源的识别CPU对中断的响应过程⒋保护现场为了不使中断服务程序的运行影响主程序的状态，必须把断点处有关寄存器(指在中断服务程序中要使用的寄存器)内容压入堆栈保护⒌执行中断服务程序⒍恢复现场即把中断服务程序压入堆栈的现场信息从堆栈中弹出来，并存入到原寄存器中，这是在中断服务程序中用POP指令来实现的CPU对中断的响应过程⒎开中断与返回开放中断在返回之前，目的是返回主程序后能继续响应新的中断请求。从中断返回到断点处，有一条专门的中断返回指令，该指令的隐操作是将堆栈栈顶处连续的三个字依次弹出给指令指针IP、段寄存器CS以及标志寄存器F识别中断源有两种方法-1查询中断当外设没有提出中断请求时，CPU照常执行主程序，只有在接收到外设的中断请求后CPU才去查询，以识别提出中断请求的设备，主要采用软件查询。软件查询是用程序查询的方法，查询中断请求寄存器的当前值，查询程序依次查询每一个外设的中断状态位，通过测试该状态位来判断对应的外设是否发出过中断请求，如果有，则转到相应的中断服务程序识别中断源有两种方法-2向量中断(VectoredInterrupt)又称矢量中断，在具有向量中断的微机系统中，每个外设都预先指定一个中断向量，当CPU识别出某个外设请求中断并予以响应时，控制逻辑就将该外设的中断向量送入CPU，以自动地提供相应的中断服务程序的入口地址，转入中断服务。用向量中断来确定中断源主要是用硬件来实现的，通常在微机系统中采用可编程中断控制器来提供中断向量6.480X86/Pentium中断系统8086／8088有一个简单而灵活的中断系统，每个中断都有一个中断类型码(TypeCode)，以供CPU进行识别，8086／8088最多能处理256种不同的中断类型。中断可以由CPU以外的硬件设备驱动，也可由软件中断指令启动。在某些情况下，也可由CPU自身启动，8086／8088的中断源如图7-3所示。从图可见8086／8088的中断源可分为两类，即外部中断和内部中断一、外部中断8086／8088有两条中断信号线—INTR和NMI，可供外设向CPU发中断请求信号可屏蔽中断INTR可屏蔽中断请求线INTR通常由中断控制器82C59A驱动，该控制器又同需要中断服务的外部设备相连。CPU通过向82C59A写命令字来控制82C59A的工作，82C59A负责管理多个外设以中断方式与CPU交换数据，例如，82C59A接收与其相连接的外部设备送来的中断请求，并判断提出中断请求的哪一个外部设备的优先级最高，如果被选中设备的优先级比现行正接受服务的设备(如果有的话)的优先级高，就启动8086／8088的INTR线可屏蔽中断INTR当INTR信号有效(为“1”)时，CPU将根据中断允许标志IF的状态而采取不同的措施。如果IF=“L”(置0)，表示INTR线上的中断屏蔽(Masked)或禁止(disabled)，CPU将不理会该中断请求而处理下一条指令，由于CPU并不锁存INTR信号，因此INTR信号必需保持有效状态，直到接收到响应信号或撤消请求为止。如果IF=“H”(置1)表示INTR线上的中断开放，CPU在完成现在正在执行的指令后，识别该中断请求，并进行中断处理。中断允许标志IF可以用STI(中断允许位置位)指令或CLI(中断允许位清零)指令来设定。也可以将命令写入82C59A，从而有选择地屏蔽82C59A所控制的中断申请输入设备可屏蔽中断INTRCPU对INTR中断请求的响应过程是执行两个(中断响应)总线周期，如图7-4所示。如果在中断响应周期内出现一个总线保持请求(HOLD—最小方式，或RQ/GT—最大方式)，那么在两个中断响应周期结束以前不会接受这个请求。在8086／8088的最大方式下，在这两个中断响应周期内输出信号，以通知其他处理器不能再试图控制总线INTALOCK可屏蔽中断INTR在第一个中断响应周期内信号通知82C59A，中断请求已被接受；在第二个中断响应周期内信号有效时，82C59A必须把请求服务的那个设备的中断类型码(0～255)送到数据总线，该中断类型码是82C59A的初始化过程中由8086／8088写入的。CPU读入该中断类型码后，由此调用相应的中断服务程序。INTAINTA可屏蔽中断INTR不可屏蔽中断NMI⒉不可屏蔽中断NMI不可屏蔽中断请求信号NMI用来通知CPU发生了“灾难性”的事件，如电源掉电、存储器读写出错、总线奇偶位出错等。NMI线上中断请求是不可屏蔽的(即无法禁止的)，而且立即被CPU锁存，因此NMI是边沿触发的，不需要电平触发。NMI的优先级比INTR高。由于不可屏蔽中断的类型号预定为2，在CPU响应NMI时，不必由中断源提供中断类型码，因此，NMI响应也不需要执行中断响应总线周期不可屏蔽中断NMICPU识别一个外部中断请求所需的时间称为“中断等待时间”，这取决于执行完现行指令还需要多少个时钟周期。一般而言，在执行乘法、除法、移位或循环指令时，如果接到外部中断请求，其等待时间最长二、内部中断内部中断是通过软件调用的不可屏蔽中断，包括溢出中断、除法出错中断、单步中断、INTn指令中断以及单字节INT3指令中断⒈溢出中断如果上一条指令使溢出标志OF置“1”，那么在执行溢出中断指令(INTO)时，立即产生一个4型中断(中断类型码为4)⒉除法出错中断在执行除法指令DIV或IDIV后，如果商大于规定的目标操作数(即目标寄存器所能表达的范围)，则CPU立即产生一个0型中断⒊INTn指令中断8086／8088的指令系统中有一条INT指令，当执行完这条指令就立即产生中断。CPU根据该指令中的中断类型码n，确定调用哪个服务程序来处理这个中断⒋断点中断(BreakpointInterrupt)断点中断即单字节INT3指令中断，中断类型码为3，该中断是专供调试程序设置断点所使用的，断点一般可以处于程序中任何位置。在断点处，停止当前程序的执行，CPU按中断类型码为3来响应中断。通常，在调试时把断点插入程序中的关键之处，以便检查并显示当前寄存器以及存储单元的内容，便于调试程序⒌单步(陷阱)中断当陷阱标志TF置“1”时，8086／8088处于单步工作方式。在单步工作时，每执行完一条指令，CPU就自动产生一个类型号为1的中断，作为中断处理过程的一部分，CPU将自动地把标志寄存器和断点值（CS：IP）压入堆栈，然后清除TF和IF，CPU进入单步中断处理过程，它就不会以单步工作方式来执行程序，而以正常的方式执行单步处理的中断服务程序。当单步中断过程结束时，从堆栈中弹出原来的断点值（CS：IP）及标志寄存器F的内容，使CPU返回单步方式单步方式是一种有用的调试工具，它使单步过程成为能逐条指令地观察系统操作的一个“窗口”。例如，单步中断过程可以在每执行一条指令后打印或显示寄存器内容、指令指针的值，以及关键的存储器变量等。这样就能详细地跟踪一个程序的具体执行过程，确定问题的所在上述所有内部中断的特点是•中断类型码或者包含在指令中，或者是预先规定的•不执行响应外部中断的中断响应周期•除单步中断外，任何内部中断都无法禁止•除单步中断外，任何内部中断的优先级都比任何外部中断的优先级高中断优先级8086／8088的中断优先级见表7-1表7-1中断优先级中断优先级除法出错，INTn，INTO最高NMI…INTR…单步最低三、中断向量表中断向量表又称中断指针表，是存放中断服务程序入口地址(即“中断向量”)的表格。它存放在存储器的最低端（0000H：0000H～0000H：03FFH），共1024个字节，每4个字节存放一个中断服务程序的入口地址，一共可以存放256个中断服务程序的入口地址。较高地址的两个字节存放中断服务程序入口的段基值；较低地址的两个字节