现代微型计算机与接口教程 电子教案-第4章

2． 不可屏蔽中断 NMI接收上升沿触发的中断请求信号，只要输入脉冲有 效宽度（高电平有效时间）大于两个时钟周期就能被 8086锁存。CPU对NMI中断请求的响应，不受中断允 许标志位IF控制。不管IF的状态如何，只要NMI信号 有效，8086现行指令执行结束，没有DMA请求，都 会立即响应NMI中断请求。NMI中断类型码固定为2。 3． 内部中断 内部中断是由于执行INT n、INTO等指令，或是由于除 法 出 错，或 是 进行单步操作而引起的中 断 。8086 CPU的内部中断有5种类型： （1）除法错中断 在执行DIV（无符号数除法）或IDIV （有符号数除法）指令时，若发现除数为零或商超过 寄存器所能表达的范围，8086 CPU立即执行中断类 型码为0的内部中断。
4． 多道程序或多重任务的运行 在操作系统的调度下，使CPU运行多道程序或多重任务。 一个程序需要等待外设I/O操作结果时，就暂时“挂 起”,同时启动另一道程序运行。I/O操作完成后，挂 起的程序再排队等待运行。这样，多个程序交替运行。 从大的时间范围来看，多道程序在“同时”运行。也 可以给每道程序分配一个固定的时间间隔，利用时钟 定时中断进行多道程序的切换。由于CPU速度快， I/O设备速度慢，各道程序感觉不到CPU在做其他的 服务，好像专为自己服务一样。 4.1.3 中断管理 中断系统需要实现对中断全过程的控制，解决中断源识 别、中断优先权和中断嵌套等一系列问题。 1. 对中断全过程的控制
中断服务程序不同于一般的子程序。子程序由某个程序 调用，它的调用是由程序设定的，因此是确定的。中 断服务程序由某个事件引发，它的发生往往是随机的， 不确定的。 6． 中断系统 为实现计算机的中断功能而配置的相关硬件、软件的集 合称为中断系统。 4.1.2 中断工作方式的特点 具备了中断功能后，计算机的整体性能可以得到很大的 提高。具体表现为： 1. 并行处理能力 有了中断功能，可以实现CPU和多个外设同时工作，仅仅 在它们相互需要交换信息时，才进行“中断”。这样 CPU可以控制多个外设并行工作，提高了CPU的使用效 率。
（3）中断处理 执行输入输出或非常事件的处理，执行 过程中允许CPU响应较高级别设备的中断请求。 （4）关中断 保证在恢复现场时不被新的中断打扰。 （5）恢复现场 中断服务程序执行结束前，应将堆栈中 保存的内容按入栈相反的顺序弹出，送回到原来的 CPU寄存器，从而保证被中断的程序能够正常地继续 执行。 （6）返回 在中断服务程序的最后，需要安排一条中断 返回指令，用于将堆栈中保存的IP，CS，FLAGS的 值弹出，使程序回到被中断的地址，并恢复被中断前 的状态。 保护和恢复现场的操作在8086 CPU中由软件完成。有的 微处理机如MC68000，保护现场操作在中断响应周 期由硬件完成，恢复现场、中断返回用一条返回指令 来完成。
图4-4
1. 可屏蔽中断 INTR上引入的可屏蔽中断，受标志寄存器中的中断允许 标志位IF控制。IF= 0时，CPU不响应INTR的中断请 求，IF= 1时，CPU响应INTR的中断请求。可以用 STI指令使IF=1，称为开中断；用CLI指令使IF=0， 称为关中断。 系统复位后，或CPU响应了任何的一种中断（内部中断、 NMI、INTR）后，都会使IF=0。因此，一般情况下 应使用STI指令使IF=1，确保中断开放。 8086的可屏蔽中断源由8259A统一管理，每片8259A可以 接受8个外部设备的中断请求。外部设备将中断请求 信号送到8259A的输入端，8259A根据屏蔽状态决定 是否给8086的INTR端发出信号。8086响应中断请求 以后给8259A发出信号，8259A利用此信号，将中断 优先级别最高的中断类型码送给8086。INTR中断的 类型码可以是8~255。
CPU在处理级别低的中断过程中，如果出现了级别高的 中断请求，CPU停止执行低级中断的处理程序而去优 先处理高级中断，等高级中断处理完毕后，再接着执 行低级的未处理完的程序，这种中断处理方式称为多 重（级）中断或中断嵌套。图4-2所示为二级中断过 程示意图，图中外设2的中断优先级高于外设1。 需要注意的是，由于CPU在响应中断时已将IF清零，所 以一定要在中断处理程序中加入开中断指令，才有可 能进行中断嵌套。 4.1.4 中断过程 对于不同类型的中断源，CPU响应及处理过程不完全一 样，下面叙述一个大致过程： 1． 中断源请求中断 （1）外部中断源 由外部硬件产生可屏蔽或不可屏蔽中 断的请）； 没有不可屏蔽中断请求和总线请求; 当前指令执行结束。 （2） 响应不可屏蔽中断必须同时满足以下条件： 没有总线请求； 当前指令执行结束。 （3） 响应内部中断的条件： 当前指令执行结束。 CPU接受中断请求后转入中断响应周期（图4-3）。在中 断响应周期： （1）识别中断源，取得中断源的中断类型； （2）将标志寄存器FLAGS和CS、IP（断点）先后压入 堆栈保存；
4.2 8086 CPU中断系统
4.2.1 8086的中断类型 8086用8位二进制表示一个中断类型，因此可以有256 个不同的中断。这些中断可以划分为内部中断、不 可屏蔽中断、可屏蔽中断三类，如图4-4所示。 8086有两根外部中断请求输入引脚，不可屏蔽中断请 求信号通过NMI引脚输入，可屏蔽中断请求信号通 过INTR引脚输入。所有的可屏蔽中断源由可编程的 Intel 8259A中断控制器统一管理。 8086 CPU规定了各类中断的优先级，最高级为除法错 误中断INT 0，溢出中断INTO及INT n指令；次为不 可屏蔽中断NMI，再者为可屏蔽中断INTR；单步中 断的优先级最低。
可屏蔽中断申请引脚（INTR）：普通的中断申请信号通 过这个引脚输入CPU。CPU的内部有一个“中断允许 寄存器”（IF），它的状态可以由程序设定。IF=1时， CPU在一条指令执行完成后可以响应来自INTR的中 断申请；IF=0时，CPU不响应来自INTR引脚的中断 请求。 不可屏蔽中断申请引脚（NMI）：紧急的中断申请信号 通过这个引脚输入CPU。除了CPU响应DMA的请求 之外，在一条指令执行完成后CPU总是响应来自NMI 的中断申请。 显然，连接到NMI引脚的中断请求有较高的优先级。 （3）链式优先权排队——菊花链法
菊花链是在CPU外部产生中断优先级的一个简单硬件方法。 在每个中断源的接口电路中设置一个逻辑电路，这些逻辑 电路组成一个链，叫菊花链，由它来控制中断响应信号的 传递通道。图4-1(a)是一个菊花链的线路图，(b)是链上具 体的逻辑电路。由图可以看出，当链上任何一个接口有中 断请求时，都会产生中断请求信号送往CPU的INTR引脚。 如果CPU允许中断，则发出中断响应信号。该信号在菊 花链中传递，如果某接口中无中断请求信号，则INITA信 号可以通过该接口的菊花链逻辑电路，原封不动地向后传 递；如果该接口中有中断请求信号，则该接口中的逻辑电 路就使得INITA信号不再向后传递。这样，CPU发出的 INITA信号可以从最靠近CPU的接口开始沿着菊花链逐级 向后传递，直至被一个有中断请求信号的接口封锁为止。 显然，在有多个中断请求同时发生时，最靠近CPU的接 口最先得到中断响应，所以它的优先权最高，离CPU越 远的接口，其优先权就越低。
2. 实时处理能力 计算机应用于实时控制时，现场的许多事件需 要CPU能迅速响应、及时处理，而提出请 求的时间往往又是随机的。有了中断系统， 才能实现实时处理。 3. 故障处理能力 在CPU运行过程中，有时会出现一些故障，例 如，电源掉电(指电源电压快速下降，可能 即将停电)、存储器读写检验错、运算出错 等。可以利用中断系统，通过执行故障处 理程序进行处理，不影响其他程序的运行。
大多数的中断源在CPU的外部，称为外部中断。如：外部 故障（电源故障，存储器读写校验错），外部事件 （定时时间到，外部特殊信号），IO事件（外部设备 完成一次IO操作，请求数据传输）等。 3． 中断类型 用若干位二进制表示的中断源的编号，称为中断类型。 4． 中断断点 由于中断的发生，某个程序被暂停执行。该程序中即将执 行，由于中断没有被执行的那条指令的地址称为中断 断点，简称断点。 5． 中断服务程序 处理中断事件的程序段称为中断服务程序。如：故障中断 服务程序，输入输出中断服务程序。 不同类型的中断需要不同的中断服务程序。
第4章
微型计算机的中断系统
4.1 中断原理
4.2 8086 CPU中断系统
4.3 可编程中断控制器8259A
4.4 中断方式输入输出
习题4
4.1 中断原理
4.1.1 中断的基本概念 1． 中断 由于某个事件的发生，CPU暂停当前正在执行的程序， 转而执行处理该事件的一个程序。该程序执行完成 后，CPU接着执行被暂停的程序。这个过程称为中 断。 2． 中断源 引发中断的事件称为中断源。 有的中断源在CPU的内部，称为内部中断。如：程序 异常（运算溢出等），陷阱中断（例如，单步运行 程序等），软件中断（执行特殊指令）等。
3． 中断的优先权 对于系统中的所有中断源，必须根据中断的性质及处理 的轻重缓急对中断源进行排队，并给与优先权。所谓 优先权，是指有多个中断源同时提出中断请求时， CPU响应中断的优先次序。 确定中断优先权有多种可选的方法。 （1）软件查询法 采用程序查询的方法确定中断服务的 顺序。CPU响应中断后，用软件查询的办法确定哪个 中断源提出了中断申请。同时有多个中断申请时，首 先被查询的中断首先被处理，因而拥有较高的优先权。 （2）分类申请法 CPU分设二个中断申请信号的输入引 脚。
中断源发出中断请求时，CPU能决定是否响应这一中断。 若允许响应这个中断请求，CPU能在保护断点后，将 控制转移到相应的中断服务程序去，中断处理完， CPU能返回到断点处继续执行被中断的程序。 2. 中断源的识别 如上所述，计算机内有多个不同的中断源。CPU收到中 断请求之后，需要识别是哪一个中断源发出了中断请 求信号，以便执行相应的中断服务程序。 中断源的识别有软件和硬件二种方法。 软件识别方法：不论发生了哪一种中断，CPU响应中断 后，进入同一个中断处理程序。在这个程序里，CPU 逐个查询各中断源的状态，从而确定是哪一个设备申 请了中断。 硬件识别方法：CPU响应中断后，进入一个“中断响应 周期”。在这个周期里，申请中断的设备向CPU发送 它的中断类型。