计算机组成原理第八章 第3讲 程序中断方式

8.3.1中断的概念、功能
中断源：能够向CPU发出中断请求的事件。 常见中断源有：
输入、输出设备中断。如键盘、打印机等工作过程中已做好 接收或发送准备。
数据通道中断。如磁盘、磁带等要同主机进行数据交换等。 实时时钟中断。 故障中断。例如电源掉电、设备故障等要求CPU进行紧急处
8.3.4多级中断
8.3.4多级中断
• 多级中断源的识别
中断优先排队电路 中断向量产生电路
举例
例1、参见图8.9所示的二维中断系统。请 问： (1)在中断情况下，CPU和设备的优先 级如何考虑?请按降序排列各设备的中断优 先级。
答：在中断情况下，CPU的优先级最低。 各设备的优先次序是： A→B→C→D→E→F→G→H→I→CPU。
答：不能，因为共用IM。 通过设置允许中断触发器为0，禁止该设备发
出中断，对其屏蔽。
(4)假如设备C一提出中断请求，CPU立即 进行响应，如何调整才能满足此要求?
答：增加更高一级（第3级）的中断请求逻 辑，将C单独放置于第3级中。
例2（略）：参见例1所示的系统，只考虑A，B， C三个设备组成的单级中断结构，它要求CPU在 执行完当前指令时对中断请求进行服务。假设： (1)CPU“中断批准”机构在响应一个新的中断之 前，先要让被中断的程序的一条指令一定要执行 完毕；(2)TDC为查询链中每个设备的延迟时间； (3)TA，TB，TC分别为设备A，B，C的服务程序 所需的执行时间； (4)TS,TR为保存现场和恢复 现场所需的时间；(5)主存工作周期为TM。 试问： 就这个中断请求环境来说，系统在什么情况下达 到中断饱和?
• ②特殊屏蔽方式，允许CPU让来自低优先级的外设中 断请求去中断高优先级的服务程序。当8位屏蔽位的某 位置“0”时，例如屏蔽字为11001111，说明IR 4和 IR 5线上的中断请求可中断任何高级别的中断服务程 序。
8259中断控制器的不同工作方式是通过编程来实 现的。CPU送出一系列的初始化控制字和操作控 制字来执行选定的操作。
(2)若CPU现执行设备B的中断服务程序， IM2，IM1，IM0的状态是什么?如果CPU 执行设 备D的中断服务程序，IM2，IM1， IM0的状态又是什么?
答：当前执行B的中断： IM2，IM1，IM0为111 当前执行D的中断： IM2，IM1，IM0为011
(3)每一级的IM能否对某个优先级的个别设 备单独进行屏蔽?如果不能，采取什么办法 可达到目的?
中断处理流程，并假访设问存执储行器T一m 条指令 的时间也为TM。如果三个设备同时发出中断
请求，那么依次分别处理设访备问存A储、器T设m 备B、设
备C的时间如下：
0、指令周期 1、链式查询Tdc
tA = 2TM + TDC + TS + TA + TR
2、保护现场Ts 3、恢复现场Tr
tB = 2TM + 2TDC + TS + TB + TR
• 数据缓冲器用于保存CPU内部总线与系统数据总线之 间进行传送的数据。
• 读/写逻辑决定数据传送的方向，其中IOR为读控制， IOW为写控制，CS为设备选择，A0为I/O端口识别。
8.3.5中断控制器（略）
多个8259进行级联以处理多达64个中断请求。在这种情 况下允许有一个主中断控制器和多个从中断控制器，称为 主从系统。
• ③轮换优先级方式B：要求CPU可在任何时间规定最优优先 级，然后顺序地规定其他IR线上的优先级。
• ④查询方式：由CPU访问8259的中断状态寄存器，一个状 态字能表示出正在请求中断的最高优先级IR线，并能表示出 中断请求是否有效。
8.3.5中断控制器
8259提供了两种屏蔽方式：
• ①简单屏蔽方式，提供8位屏蔽字，每位对应着各自的 IR线。被置位的任一位则禁止了对应IR线上的中断。
• IR1，IR2，IR3为中断请求信号 • IS1，IS2，IS3为中断选中信号 • INTI为中断排队输入 • INTO为中断排队输出
中断源识别之后获取中断向量
• 当CPU响应中断时，由硬件直接产生一个固定的地 址(即向量地址)
• 由向量地址指出每个中断源设备的中断服务程序入口， 这种方法通常称为向量中断。
程序中断方式
8.3 程序中断方式
8.3.1中断的概念、功能 8.3.2程序中断方式的基本接口 8.3.3单级中断 8.3.4多级中断 8.3.5Pentium中断机制
8.3.1中断的概念、功能
中断（Interrupt）是指CPU暂时中止现 行程序，转去处理随机发生的紧急事件， 处理完后自动返回原程序的功能和技术。
8.3.5Pentium中断机制（略）
Pentium中断机 制
• 中断类型 • 中断服务子程序
进入过程 • 中断处理过程
8.3.4多级中断
概念：多级中断系统是指计算机系统中有相当多 的中断源，根据各中断事件的轻重缓急程度不 同而分成若干级别，每一中断级分配给一个优 先权。
多级指的是优先权级别有多个 每级有一个中断优先权 优先权高的中断级别级可以打断低的级别
• 如图8.9示
8.3.4多级中断
-多级中断可分为一维多级中断和二维多级中断 一维多级中断：每一级中断中有一个中断源。 二维多级中断：每一级中断中有多个中断源
理等。 系统中断。如运算过程出现溢出、数据格式非法，数据传送
过程出现校验错，控制器遇到非法指令等等。 为了调试程序而设置的中断。
8.3.1中断的概念、功能
不再接 中断
硬件Leabharlann Baidu实现
软件 实现
可再接 中断
8.3.1中断的概念、功能
中断处理过程注意几个问题：
响应中断时机：外界中断请求是随机的，但 CPU只有在当前指令执行完毕后，才转至公操 作
• 8位中断请求寄存器(IR)接受8个外部设备送来的中断 请求，每一位对应一个设备。
• 中断请求寄存器的各位送入优先权判断器，根据中断 屏蔽寄存器(IM)各位的状态来决定最高优先级的中断 请求，并将各位的状态送入中断状态寄存器IS。IS保 存着判优结果。由控制逻辑向CPU发出中断请求信号 INT，并接受CPU的中断响应信号INTA。
中断系统是计算机实现中断功能的软硬件 总称。一般在CPU中设置中断机构，在外 设接口中设置中断控制器，在软件上设置 相应的中断服务程序。
8.3.1中断的概念、功能
中断适合于处理随机出现的事务 主程序只在设备就绪时才与之交互数据
8.3.1中断的概念、功能
中断系统的功能包括：
1)实现主机和外设的并行工作； 2)处理故障； 3)实现多道程序的分时操作； 4)实时控制； 5)实现人机联系； 6)实现多机通信。
8.3.3单级中断
所有中断源属于同一级，离CPU越近，优 先级越高。
要点：在执行某个中断请求的过程中，不 允许其他中断源再打断中断服务程序。即 使其优先级别更高。
单级中断示意图8.7类似于第六章的链式查 询方式。
8.3.3单级中断
中断响应：
8.3.3单级中断
中断源的识别：串行排队链法（菊花链查询方式）
优先级选择方式有四种：
• ①完全嵌套方式：是一种固定优先级方式，连至IR 0的设 备优先级最高，IR 7的优先级最低。这种固定优先级方式 对级别低的中断不利，在有些情况下最低级别的中断请求可 能一直不能被处理。
• ②轮换优先级方式A：每个级别的中断保证有机会被处理， 将给定的中断级别处理完后，立即把它放到最低级别的位置 上去。
tC = 2TM + 3TDC + TS + TC + TR
处理三个设备所需的总时间为：T=tA+tB+tC
T是达到中断饱和的最小时间，即中断极限频 率为：f=1/T
8.3.5中断控制器
8259中断控制器是一个集成电路芯片，它将中断 接口与优先级判断等功能汇集于一身，常用于微 型机系统。其内部结构如图8.11所示。
器 IM（Interrupt Mask）中断屏蔽触发器
8.3.2程序中断方式的基本接口
⑨表①示表中示断④⑤⑦由服⑥表表表程务表示示示序程（示当允如启②③序1在设许果0动表表通）一备中“外示示过表条动断⑧中设接数输示指作标表断，口据入C令结志示屏将P向由指执束E转U蔽该I外外令行为或发向”外设设把末“缓出该标设发传接尾1冲控设志接”出送口C时寄制备I口MP启到中，存信的U的为动接数接器号检中“信口据口数C查断忙0将号的缓”向据中服”时接；缓冲C填断务标，P口冲寄满请程U志C中寄存时求发P序B的存器U，线出S入在B器的置设，中口S一；数“备断和；条据1向请R”指读D，接求标令至“口信志执C准送号P复行备出；U位结就中一。束绪的”寄标存志器R；D 控后将制受中信理断号外请，设求将的线数中的据断请“请求准求信备，号就向接绪外收”设到标发“志出中R响D断应置请中“求断1””信；标号志并IR关；闭中断；
断点保护问题（PC，寄存器内容和状态的保 存）
中断屏蔽：开中断和关中断问题。 中断是由软硬件结合起来实现的
8.3.2程序中断方式的基本I/O接口
数据缓冲寄存器 BS外设接口忙（BuSy）标志 RD外设准备就绪（ReaDy）标志 EI（Enable Interrupt中断允许触发器） IR（Interrupt Request）中断请求触发
-说明：
• 中断响应时，确定哪一级中断和中断源采用硬件实现。采 用了独立请求方式和链式查询方式相结合的方式。多级中 断可以嵌套，但同一级的中断不允许嵌套
• 使用多级堆栈保存现场（包括IM） • 一个系统有n级中断，则CPU中有n个IR，n个IM，某级中
断被响应后，则关闭本级和低于本级的IM，开放更高级的 IM。