第六章 第六讲 中断系统和程序中断方式

• 非屏蔽中断：不受CPU中的中断允许标志（IF）控制。
• 可屏蔽中断：受IF控制的中断。
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6.8.3 中断系统和程序中断方式
（5）向量中断和非向量中断 • 向量中断：发出中断请求的外设主动向CPU发出一个 识别代码（中断向量），CPU通过中断向量识别各中 断源，并产生中断服务程序入口地址。
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准备部分
处理部分
结尾部分
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六、 程序中断接口结构
具有中断能力的外设接口是由程序查询式接口加上 中断控制机构组成的，接口图见教材P308图8-18 。
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ห้องสมุดไป่ตู้
向量中断接口比程序查询方式多了一个中断控制机构， 包括以下几个部分：
• 中断请求电路：向CPU发出中断请求信号 • 中断优先电路：保证优先级高的中断源先获得服务 • 向量地址形成部件：产生向量中断时需要的向量地 址，并转到该中断源对应的中断服务程序。
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6.8.3 中断系统和程序中断方式
一、中断的基本概念 二、中断的基本类型 三、中断请求和中断判优 四、中断响应和中断处理 五、多重中断与中断屏蔽 六、中断过程
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一、中断的基本概念
中断──指CPU在执行现行程序的过程中,出现了某 些突发事件急待处理,CPU必须暂停正在执行的程序,转去 处理突发事件,处理结束后又返回到原程序被中断的位臵 继续执行。
二、 中断请求和中断判优 1、中断源和中断请求信号
中断源——指中断请求的来源，即引起计算机中断的事件
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为了记录中断事件并区分不同的中断源，可采用具有存储功 能的中断请求触发器（INTR）来记录中断请求。
2、中断请求信号的传送
• 独立请求线——每个中断源单独设臵中断请求线
• 公共请求线——多个中断源共有一根公共请求线。
输入设备的中断优于输出设备的中断
中断判优的方法可由硬件或软件实现
• 软件判优法——通过执行查询程序逐个检测中断请求寄存器的各 位状态,检测顺序按优先级大小排列
• 硬件判优电路——根据中断请求信号传送方式不同，有不同的优 先排队电路。如独立请求线、公共请求线的优先排队电路等。
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• 中断屏蔽（寄存器）通常在CPU外部，每一位对应一个中
断源，它决定某个中断源是否能真正发出中断请求。
4、中断升级
中断屏蔽字的另一个作用是改变中断优先级，将原级别 较低的中断源变成较高的级别，称为中断升级。这是一种动 态改变优先级的方法。
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中断响应次序与中断处理次序
• 二维结构——将中断请求线连成二维结构，同一优先级别 的中断源，采用一根公共的请求线；不同请求线上的中断源 优先级别不同。
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3、中断判优
同时出现几个中断请求时，将按规定的原则排优，一般：
• • 故障引起的中断优于I/O操作 非屏蔽优于可屏蔽
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•
•
高速I/O的中断优于低速I/O
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2、 中断的基本类型
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⑴ 自愿中断和强迫中断 • 自愿中断：非随机产生的中断，而是在程序中安排的有关指 令，这些指令可以使机器进入中断处理的过程。 • 强迫中断：随机产生的中断，由中断系统强迫计算机中止现 行程序并转入中断服务程序。 ⑵ 程序中断和简单中断
3、中断屏蔽
用程序方式有选择地封锁部分中断源发出中断请求，使之 不能真正送到CPU去，这就是中断屏蔽。
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3、中断屏蔽（续）
可对每个中断源设臵一个中断屏蔽触发器（MASK），来有 选择的封锁部分中断请求。
由程序 控制 INT
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≥1
0 1 0 1 0 1 0 1
（1）软件方法 由中断隐指令控制进入一个中断总服务程序，在那里判优、 寻找中断源并且转入相应的中断服务程序。
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（2）硬件向量中断法 CPU响应某一中断请求时，需要中断源将中断向量传给CPU，引 导CPU确定中断处理程序入口地址，即中断向量的呈送。
• 中断响应次序是由硬件排优线路确定的固定次序。中断处 理次序可通过修改屏蔽字来灵活调整，可把屏蔽字看作软 排队器。 • 当同时出现几个中断请求时，由中断响应次序决定先响应 哪个中断请求，一般按优先级高低来响应。但当执行到中 断处理程序时，可以由屏蔽字来决定为哪个中断请求服务 的次序，实际上就是中断嵌套的概念。 • 中断处理次序可以不同于中断响应次序
叠处理中断的现象称为中断嵌套。
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要使计算机具有中断嵌套的能力，有两个关键点： • • 要能保护多个断点，依靠堆栈的“先进后出”特点保证
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中断的逐级返回。
在CPU进入中断处理程序后，系统必须处于开中断状态
2、开中断和关中断
开中断和关中断是由CPU中的中断允许触发器（EINT）控制 的，当EINT＝1，开中断；EINT=0，关中断。
• 非向量中断：中断事件不能直接提供中断服务程序的 入口地址。
（6）单重中断和多重中断
• 单重中断： CPU在执行中断服务程序的过程中不能再 响应其他中断请求，但不可屏蔽中断除外。
• 多重中断：CPU在执行中断服务程序的过程中可以响 应优先级更高的中断请求，又称为中断嵌套。
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小结：
本节课主要讲解了以下内容：
一、中断的基本概念 二、中断的基本类型 三、中断请求和中断判优 四、中断响应和中断处理 五、多重中断与中断屏蔽
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六、中断过程
重点掌握：中断请求和中断判优、中断响应和中断处理、
多重中断与中断屏蔽、中断过程。
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中断源给出的向量地址是中断服务程序入口地址的 地址。中断向量连续编排为一个中断向量表；灵活，但 需要两次访存才能取得中断处理程序的第一条指令。
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5、中断现场的保护和恢复
• 中断现场：指发生中断时CPU的主要状态，包括断点和一 些通用寄存器的状态。
中断的特征 (2)随机性
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（1）程序切换；
中断方式的引入，不仅使CPU可与多台外设并行工作， 而且使CPU具有了处理突发事件的能力。
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一、 中断的基本概念（续）
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中断系统是计算机实现中断功能的软、硬件总称。一般在CPU 中配臵中断机构，在外设接口中配臵中断控制器，在软件上设计 相应的中断服务程序。
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CPU的运动轨迹如下图所示
中断服务 ① 程序 ② ③ ④ 现行程序 ① ② ④ ③① ②
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思考：如果要使中断处理次序改为1→4→3→2，中断 屏蔽码应如何设臵？CPU的运动轨迹如何变化？
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五、中断全过程
保护现场
• 程序中断：一般意义上的中断，主机响应中断请求后，通过 执行中断服务程序来处理更紧迫的任务 • 简单中断：是早期对DMA方式的一种叫法，是外设与主存间 直接进行信息交换的方法。
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（3）内中断和外中断
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• 内中断：指由于CPU内部硬件或软件原因引起的中断， 如单步中断、溢出中断等。 • 外中断：指CPU以外的部件引起的中断。 （4）非屏蔽中断和可屏蔽中断
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3、中断周期
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位于原程序与中断处理程序之间，是CPU响应中断后进入的 一个过渡周期。 中断周期里完成以下操作：
• CPU发/INTA（中断应答信号），等待中断向量的输入。
• 保护断点，将PC和PSW的值压入堆栈 • 关中断
4、进入中断服务程序
中断源 工作完成 允许中断 发中断请求 CPU 中断优先级 判定选优 中断响应
INTR
识别中断源 向量地址 形成
IN
TA
向量地址
现场处理 启动中断 服务程序
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向量地址与中断处理程序之间的关系有以下两种：
向量地址是中断处理程序的入口地址 CPU不需要再经过处理就可以进入相应的中断服务 程序。减少了访存次数，但缺乏灵活性，可能出现内存 空间分配的冲突。 向量地址是中断向量表的指针
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指从中断源发出中断请求开始， CPU响应这个请求，现行程序被中 断，转至中断服务程序，直到中 断服务程序执行完毕，CPU返回原 来程序继续执行的整个过程。 中断全过程分为5个阶段：① 中断请求，②中断判优，③中 断响应，④中断处理，⑤中断 返回
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判断中断源 开中断 执行中断 服务程序 关中断 恢复现场 开中断
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下列情况应开中断(即EINT=1) • • 在多重中断的情况下，保护中断现场之后
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在中断服务程序执行完毕，并恢复完现场即将返回被中断 的程序之前，为能再次响应中断请求做准备。
下列情况应关中断(即EINT=0) • 当响应某一级中断请求，不允许被其他中断请求打断。 • 在中断服务程序的保护现场和恢复现场之前。
三、中断响应和中断处理
1、 CPU响应中断的条件 • CPU接收到中断请求信号 • CPU允许中断（即开中断）。 • 一条指令执行完毕，且没有DMA请求。
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2、 中断隐指令
CPU响应中断之后，经过某些操作转去执行中断服务程序。这 些操作是由硬件直接实现的，称为中断隐指令。 注意：中断隐指令不是指令系统中真正的指令，它没有操作 码，是不允许、也不可能为用户使用的特殊指令。 中断隐指令完成的主要操作：保存断点、关中断、引出中断服务程序
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• 原因：为保证中断返回后原来的程序能正确地继续运行。 一般采用软、硬件结合的方法来保护和恢复现场。
四、多重中断与中断屏蔽
1、中断嵌套的概念
当CPU正在执行一个优先级较低的中断处理程序时，优先级较 高的事件可以中断其处理程序。处理完优先级较高的事件后，再返 回到刚才被暂停的优先级较低的中断处理程序，继续执行。这种重
中断源的优先级
1 2 3 … 15 16
屏蔽字（16位）
111…111 011…111 001…111 … 000…011 000…001
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开/关中断与中断屏蔽的区别
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• 开/关中断是由CPU内部的中断允许触发器控制，当EINT=1
时CPU才能响应中断；否则即使有中断请求信号，CPU也 不响应。
工作 外部设备 完成 工作 完成
中断请求
中断请求
中断返回
中断返回
中断服务程序 CPU 现行程序 启动
响应
响应
程序中断方式示意图
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1、 程序中断与调用子程序的区别
相同点：执行过程类似 区别：
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• 中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序无逻辑关系，相互 独立；子程序调用时转入的子程序与正在执行的程序段一般有 逻辑联系。 • 中断一般由硬件的信号产生（软中断除外）；子程序调用是由 转移指令引起的。 • 子程序调用是主程序安排在特定位臵上的；中断请求是随机发 生的，需进行现场保护。 • CPU获得中断服务程序起始地址的方法与子程序起始地址方式 不同。
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6.8.3 中断系统和程序中断方式
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【例】某计算机的中断系统有4个中断源，每个中断源对应一个 屏蔽码，如下表所示。
屏 程序级别 第1级 第2级 第3级 第4级 1级 1 0 0 0 2级 1 1 0 0 蔽 码 3级 1 1 1 0 4级 1 1 1 1
从表中可以看出，中断响应的优先次序为1→2→3→4，中 断的处理次序和中断的响应次序是一致的。
中断屏蔽 寄存器
＆
向 量 地 址 排 队 逻 辑
……
编 码 器
＆ ＆ ＆
0 1 0 1 0 1 0 1
中断请求 寄存器
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6.8.3 中断系统和程序中断方式
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【例】一个中断系统有16个中断源，每一个中断源按其优先级 别赋予一个屏蔽字。屏蔽字与中断源的优先级别是一一对应的， “0”表示开放，“1”表示屏蔽。第1级中断源优先级最高，第 16级中断源优先级最低，则各中断源的屏蔽字如下表所示：