第8章 中断系统与中断控制器8259A

第8章中断系统与中断控制器8259A
1. 中断的优先级的排列 中断优先级是中断系统把多个中断源产生的中断请求按轻 重缓急程度，从高到低的顺序处理中断源的排列，这种高低 级别的排列称之为中断优先级。在多级中断管理系统中，如 果多个中断源同时发生请求，中断管理系统对其处理的一般 原则是： （1）不同优先级中断同时发生时，按高低级别依次处理； （2）当CPU处理低优先级时又发生高优先级的中断，应暂停 低级别的而去优先处理高级别的，处理完高级别的，再返回 处理低级别的未完的服务，这种方式称之为中断嵌套；
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4. 中断响应的实际操作 中断响应是实现向中断服务程序的过渡。在中断响应周期， CPU要顺序完成以下操作： （1）发出中断响应信号INTA （Interrupt Acknowledge）； （2）关中断，即将IF位清0。以保证在响应一个中断的期间 (不是正在处理中断服务子程序期间)不再响应另一个中断；
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8.2 中断处理过程
8.2.1 CPU响应中断的条件 响应中断的条件
1．中断源如何向CPU表达中断请求 ．中断源如何向 表达中断请求 中断源向CPU表达中断请求，一般是通过设置中断请求 触发器来实现的，在需要CPU服务时，将中断请求触发器 置位，其“1”端或“0”端输出的跳变作为中断请求信号。 显然中断源可以随时提出中断请求。
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2．中断请求何种情况下才可能得到CPU响应 ．中断请求何种情况下才可能得到 响应 一个中断请求在同时具备下列3个条件时，才有可能得到 CPU响应： （1）系统中无总线请求信号； （2）该中断源未被屏蔽； （3）该中断请求在当前所有中断请求中级别最高。
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（4）中断嵌套：在中断处理过程中，发生新的中断请求， CPU应能识别中断源的优先级别，在高级的中断源申请中 断时，能终止低级中断源的服务程序，而转去响应和处理 优先级较高的中断请求，处理结束后再返回较低级的中断 服务程序，这一过程称中断嵌套或多重中断。因此，为了 在较低级的中断服务程序中能及时响应相对较高的中断请 求，必须在进入中断服务程序后尽快地设置开中断指令 STI。
8.1 中断概述
中断是用以提高计算机工作效率、增强计算机功能的 一项重要技术。最初，它只是作为CPU与外设之间交换数 据的一种方式。后来被用于CPU外部及内部紧急事件的处 理、机器故障的处理、实时控制等多个方面，并产生了用 软件方法进入中断处理的概念(软中断)。如今中断系统已 成为计算机系统的一个极其重要的组成部分。此外，中断 还是基于时间片调度的多任务操作系统的重要技术支柱之 一。
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（3）保护断点和标志寄存器(FR)。断点是相应中断位置的 下一条指令的地址，对8086来说，保护断点就是保存CS 和IP的内容(压入堆栈)。标志寄存器FR中存放着当前执行 的指令的一些重要特征，也需要保存起来，以便中断返回 时继续使用其中的内容，因此，在中断中把标志寄存器 FR也称为程序状态字PSW（Program Status Word）。 （4）查找中断源，转向相应的中断服务程序的入口。 前三个操作由硬件完成，而第四个操作可用硬件，也 可用软件来完成。
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8.1.1 中断的概念及其功能
1. 中断 • 所谓中断是一个过程，即CPU在正常执行程序的过程中， 遇到外部或内部的紧急事件需要处理，暂停当前程序的执 行，转去为紧急事件服务，待服务完毕，再返回到暂停处 (断点)继续执行原来的程序。为事件服务的程序称为中断 服务程序或中断处理程序。 2. 中断源 • 中断源是指能发出中断申请的外设或引起中断的原因。目 前，微机中的中断源一般有以下几种：
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程序。 显然，软中断是人为安排的，而硬件中断源引起的中 断是随机的。在PC系列机中，软中断是调用操作系统功能 的一种方法。 （5）软时钟。为了提供时间标志，早期的计算机在内存中 开辟了几个单元，分别作年、月、日、时、分、秒计数，并 设置了一个定时信号发生器，大约55ms输出一个脉冲，作 为中断请求。
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① 发两个中断响应信号 INTA ，第一个通知外设准备类型 码，第二个CPU取走类型码。 ② 把程序状态字（PSW）以及程序断点处的CS、IP内容入 栈，以便中断处理完后能正确地返回主程序；同时清除IF 与TF，以禁止其它可屏蔽中断请求； ③ 中断服务程序入口地址段地址送入CS，偏移地址送入IP。
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（2）实现实时处理。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。 （4）基本功能调用：在PC机中，通过软件中断可实现DOS 功能调用和基本BIOS调用。
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第8章 中断系统与中断控制器 章 中断系统与中断控制器8259A
8.1 中断概述 8.2 中断处理过程 8.3 多级中断管理 8.4 PC/XT(8088/8086CPU)的中断系统 8.5 8259A可编程中断控制器 习题与思考题
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8.3 多级中断管理
在实际的应用当中，系统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， 即中断优先级的排队问题和中断源的识别问题。
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3. 中断技术的优点 （1）并行操作和分时操作。并行操作指CPU和多个外设并行 操作；分时操作指CPU可分时执行多个用户程序和多道作业。 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停止当前的主程序，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。
3．CPU何时响应中断 ． 何时响应中断 CPU在同时满足下列两个条件时，响应中断： （1）IF=1（对非屏蔽中断，没有此项要求）； （2）现行指令执行完。CPU在每一个指令周期的最后一 个总线周期的最后一个时钟周期的开始，对中断请求信号 INTR采样，若有中断请求，则下一步不进入取指令周期， 而进入中断响应周期。
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3. 中断响应 根据中断请求的中断源的类型不同，中断响应分成以下两 种情况： （1）对非屏蔽中断请求的响应：该请求信号与CPU的NMI 引脚线相连接，如果CPU检测到该请求，CPU执行完当前 指令后就自动执行相应的中断服务程序，CPU不需要发出 中断响应信号。 （2）对可屏蔽中断INTR请求的响应：要检查IF，如IF=1， CPU允许中断，就会在结束当前指令后响应该外设的中断 请求。CPU响应可屏蔽中断时要自动完成下列几步操作：
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（3）CPU在处理一个中断服务程序过程中，如果出现比它 优先级低或者同优先级的中断请求，则应当处理完当前的 中断服务后，再响应新的中断请求； （4）中断优先级相同的设备同时请求中断，则按事先规定 的次序处理。
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2. 中断源的识别 对于多中断源共享一个中断请求引脚的情况，既要判 断优先级的高低，也要将程序引导到相应的中断程序入口。 识别中断源的主要方法由软件识别法和硬件识别法两种。 （1）软件识别法。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。这种方法是用户通过 编程用程序查询或移位的办法来识别中断源的。
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8.2.2 中断的处理过程
中断处理过程，也叫中断过程。大致可分为：中断请求、 中断判优、中断响应、中断处理和返回四个步骤。 1. 中断请求 外部设备需中断服务时，经接口电路向CPU发出中断请 求信号。如8086/8088系统中高电平有效的INTR信号，该 信号应与8259A的INT相连。CPU在每条指令执行完后检 测外设是否有请求。
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2. 中断判优 • 如果有两个或两个以上中断源同时发出中断请求，要根据 中断优先权，找出最高级别的中断源，首先响应其中断请 求，处理完后再响应较低一级的中断源。 • 如果中断源发出中断请求时，CPU正在执行中断服务程序， 则应允许优先权高的中断源中断低一级的中断服务程序， 实现中断嵌套。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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（1）外设的服务请求。如键盘在用户敲了一个键后向CPU提出 中断请求，请求CPU接收该按键的编码； （2）CPU内部事件。如除法错误、运算溢出、设置单步执行方 式等； （3）硬件故障。如电源掉电、内存出错等； （4）软中断。软中断又称为软件中断，是用软件方法产生中断， 即在程序中安排特定的指令INT N（N为中断号），当程序执 行到该类指令时，进入到中断类型号所对应的中断服务
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（4）恢复现场：用弹栈指令把保护现场时入栈寄存器内容 恢复，注意应按先进后出的原则，恢复寄存器原来的内容 值。出栈后，堆栈指针也应恢复到进入中断处理时的位置。 （5）中断返回： 8086CPU必须根据中断结束方式，发中断 结束指令，并在最后用一条中断返回指令IRET。中断返 回指令IRET的作用是将断点的内容重新送入CS和IP寄存 器和标志寄存器，保证CPU从断点开始执行原来的程序。
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例如，在某一 系统中有8个中 断源，系统一般 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 8.1所示。
图8.1 软件查询的接口电路
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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，逐位检测并转到相应的服务程序的入口。 假设该接口的请求状态端口地址为20H，则程序查询可采 用两种方法，程序执行步骤如图8.2所示。
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4. 中断系统的功能 中断系统是为实现中断而设置的各种硬件与软件，包括 中断控制逻辑及相应管理中断的指令。 一个中断系统应具 有以下功能： （1）中断响应：当中断源有中断请求时，CPU能决定是否 响应该请求； （2）断点保护和中断处理：在中断响应后，CPU能保护断 点，并转去执行相应的中断服务程序； （3）中断优先权排队：当有两个或两个以上中断源同时申 请中断时，应能给出处理的优先顺序，保证先执行优先级 高的中断；
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4. 中断处理和返回 中断处理也叫中断服务，是由中断服务程序完成的。中 断服务程序一般应由以下几部分按顺序组成： （1）保护现场：用压栈指令把中断服务程序中要用到的寄存 器内容压入堆栈，以便返回原来的任务后，CPU能从原来 的现场信息运行原程序； （2）开中断：以便执行中断服务时能响应高一级的中断请求， 实现中断嵌套。用STI指令开放中断屏蔽状态，使IF=1； （3）中断服务程序：执行相应的中断服务处理程序；