第八章 中斷系統(tǒng)

第8章中斷系統(tǒng)

當(dāng)CPU與外設(shè)用查詢方式傳送數(shù)據(jù)時，CPU將大量時間花在等待上，降低了工作效率。因此在計算機技術(shù)中引入了中斷的概念。中斷是現(xiàn)代計算機必須具備的重要功能，也是計算機發(fā)展史上的一個重要里程碑，它的出現(xiàn)給計算機結(jié)構(gòu)與應(yīng)用帶來了新的突破。本章介紹微機中斷系統(tǒng)的功能、中斷過程、中斷管理，8086的中斷系統(tǒng)，可編程中斷控制器8259A的工作原理及應(yīng)用

1．中斷

所謂“中斷”是指CPU執(zhí)行程序過程中，由于某種事件發(fā)生，迫使CPU暫時中止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行該事件的處理程序，待處理完畢后，又返回到原程序的斷點處，繼續(xù)往下執(zhí)行的過程。

2．中斷源

引起中斷的原因或發(fā)出中斷請求的來源稱為中斷源。8.1中斷概述

8.1.1中斷的基本概念中斷過程8.1.1中斷的基本概念8.1.1中斷的基本概念中斷系統(tǒng)的功能：1）實現(xiàn)中斷及返回包括發(fā)現(xiàn)中斷請求，相應(yīng)中斷請求，中斷處理與中斷返回。2）實現(xiàn)優(yōu)先權(quán)排隊通常，在系統(tǒng)中有多個中斷源，會出現(xiàn)兩個或多個中斷源同時提出中斷請求的情況。3）高級中斷源能中斷低級的中斷處理當(dāng)CPU響應(yīng)某一個中斷源的請求，在中斷處理時，若有優(yōu)先級別更高的中斷源發(fā)出中斷申請。

(3)能實現(xiàn)中斷的嵌套中斷的嵌套是指高級別的中斷能中斷較低級別的中斷處理，它類似于子程序嵌套。8.1.1中斷的基本概念中斷最初的目的是為了解決高速CPU與低速外設(shè)之間的速度矛盾。實際上，中斷的功能遠遠超出預(yù)期的設(shè)計，被廣泛地應(yīng)用于多方面，大大提高了CPU的工作效率。中斷的優(yōu)點有下面三點。

（1）分時操作中斷技術(shù)實現(xiàn)了CPU和外部的并行工作，從而消除CPU的等待時間，提高了CPU的利用率。另外，CPU可同時管理多個外部設(shè)備的工作，提高了輸入/輸出數(shù)據(jù)的吞吐量。

8.1.1中斷的基本概念

（2）實時處理在實時控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場定時或隨機地產(chǎn)生各種參數(shù)、信息，要求CPU立即響應(yīng)。利用中斷機制，計算機就能實時地進行處理，特別是對緊急事件的處理。

（3）故障處理計算機運行過程中，如果出現(xiàn)某些故障，如電源掉電、運算溢出等，計算機可以利用中斷系統(tǒng)自行處理。8.1.1中斷的基本概念

2．中斷源所謂中斷源，就是引起中斷的原因或者發(fā)出中斷請求的設(shè)備。中斷源一般分為兩類：內(nèi)部中斷源和外部中斷源。

內(nèi)部中斷源即中斷源在微處理器內(nèi)部。如計算溢出、中斷指令的執(zhí)行、程序調(diào)試中指令的單步運行等都是內(nèi)部中斷源。

外部中斷源即引起中斷的原因是處理機的外部設(shè)備。如外設(shè)的I/O請求、定時時間到、設(shè)備故障、電源掉電等都是外部中斷源。8.1.1中斷的基本概念（1）外部設(shè)備請求中斷

（2）故障強迫中斷（3）實時時鐘請求中斷。（4）數(shù)據(jù)通道中斷。（5）程序中斷。8.1.1中斷的基本概念

3.中斷控制的功能(1)中斷請求中斷請求就是中斷源向CPU發(fā)出的請求中斷的要求。這個中斷請求信號通常加到CPU的中斷請求輸入端。

(2)能實現(xiàn)中斷判優(yōu)功能中斷判優(yōu)，即根據(jù)中斷源的優(yōu)先級進行排隊。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)多個中斷源同時提出中斷請求的情況時，中斷控制電路能根據(jù)各中斷源的優(yōu)先級進行響應(yīng)，優(yōu)先級最高的中斷請求先響應(yīng)。8.1.2中斷處理過程

(3)中斷響應(yīng)CPU接收到中斷申請后，從中止現(xiàn)行程序到轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序入口的過程，稱為中斷響應(yīng)。必須滿足兩個條件：1.中斷是開發(fā)的。2.CPU在現(xiàn)行指令結(jié)束后響應(yīng)中斷。中斷響應(yīng)過程中，CPU自動執(zhí)行以下操作：關(guān)中斷。保護斷點和標(biāo)志。轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。

8.1.2中斷處理過程8.1.2中斷處理過程(4)中斷處理

中斷處理就是執(zhí)行中斷服務(wù)程序。通常，在中斷服務(wù)程序中都可根據(jù)需要完成以下工作：保護現(xiàn)場開中斷中斷服務(wù)關(guān)中斷恢復(fù)現(xiàn)場

8.28086中斷系統(tǒng)

8086CPU可以處理256種不同類型的中斷，每一種中斷都給定一個編號(0255)，稱為中斷類型號，CPU根據(jù)中斷類型號來識別不同的中斷源。中斷源可分為兩大類：一類來自CPU的外部，由外設(shè)的請求引起，稱為硬件中斷(又稱外部中斷)；另一類來自CPU的內(nèi)部，由執(zhí)行指令時引起，稱為軟件中斷(又稱內(nèi)部中斷)。

1.非屏蔽中斷NMI(中斷類型號為2)整個系統(tǒng)只有一個非屏蔽中斷，它不受IF標(biāo)志位的屏蔽。出現(xiàn)在NMI上的請求信號是上升沿觸發(fā)的，一旦出現(xiàn)，CPU將予以響應(yīng)。非屏蔽中斷一般用于緊急故障處理。

8.2.1外部中斷

2.可屏蔽中斷INTR可屏蔽中斷請求信號從INTR引腳送往CPU，高電平有效，受IF標(biāo)志位屏蔽，IF＝0時，對于所有從INTR引腳進入的中斷請求，CPU均不予響應(yīng)；另外，也可以在CPU外部的中斷控制器(8259A)中以及各個I/O接口電路中對某一級中斷或某個中斷源單獨進行屏蔽。

8.2.1外部中斷

1.內(nèi)部中斷(軟件中斷)CPU內(nèi)部請求信號引起的中斷均為內(nèi)部中斷，內(nèi)部中斷根據(jù)引起中斷的原因不同可分為以下幾種：

（1）除法錯中斷（類型號為00H）當(dāng)CPU執(zhí)行除法指令(DIV/IDIV)時，若除數(shù)為0或所得的商超過了寄存器所能表示的最大值，則立即產(chǎn)生一個除法錯中斷。CPU響應(yīng)中斷后轉(zhuǎn)去執(zhí)行除法錯中斷處理程序。8.2.2內(nèi)部中斷

（2）單步執(zhí)行中斷（類型號為01H）當(dāng)TF=1時，每執(zhí)行一條指令，CPU會自動產(chǎn)生一個單步中斷。單步中斷處理子程序顯示各個寄存器及使用的存儲單元內(nèi)容，以便分析單條指令執(zhí)行的結(jié)果。單步中斷又稱為陷阱中斷，主要用于程序調(diào)試。

（3）斷點中斷（類型號為03H）提供給用戶一個調(diào)試手段，通常在DEBUG調(diào)試程序時，可通過命令在程序中任意指定斷點地址，當(dāng)CPU執(zhí)行到斷點時便產(chǎn)生中斷，同時顯示當(dāng)前各寄存器的內(nèi)容和標(biāo)志位的值以及下一條要執(zhí)行的指令，供用戶檢查在斷點以前的程序運行是否正常。8.2.2內(nèi)部中斷

（4）溢出中斷INTO（類型號為04H）CPU進行帶符號數(shù)的算術(shù)運算時，若發(fā)生了溢出，則標(biāo)志位OF=1，如果此時執(zhí)行INTO指令，會產(chǎn)生溢出中斷。若OF=0，則INTO不產(chǎn)生中斷，CPU繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。INTO指令通常安排在算術(shù)指令之后，以便在溢出時能及時處理。

（5）指令中斷CPU執(zhí)行INTn指令后，會立即產(chǎn)生一個類型碼為n的中斷，中斷指令的操作數(shù)n就是中斷類型碼，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序。

8.2.2內(nèi)部中斷

2.內(nèi)部中斷的特點（1）除單步中斷外，所有內(nèi)部中斷的優(yōu)先權(quán)都比外部中斷的優(yōu)先權(quán)高。8086的中斷優(yōu)先級由高到低的順序排列如下：①除法出錯中斷、INTO、INTn②非屏蔽中斷NMI③可屏蔽中斷INTR④單步中斷（2）除單步中斷外其它內(nèi)部中斷均無法禁止。（3）由于中斷類型碼已確定，所以不用執(zhí)行中斷響應(yīng)周期取中斷類型碼。（4）由于內(nèi)部中斷均處于程序的固定位置處，所以無隨機性。8.2.2內(nèi)部中斷8086/8088中斷源

8.28086中斷8086/8088最多可以處理256個中斷，將這些中斷處理子程序的入口地址統(tǒng)一存放在內(nèi)存的一個固定區(qū)域。每個中斷處理子程序的入口地址占用4字節(jié)存儲單元：低地址的兩字節(jié)存放中斷處理子程序入口地址的偏移量(IP)；高地址的兩字節(jié)存放段地址(CS)。這些中斷處理子程序的入口地址，稱為中斷向量。256個中斷向量要使用1024個字節(jié)的內(nèi)存區(qū)域，稱中斷向量表。8086/8088系統(tǒng)的中斷向量表位于內(nèi)存的前1024字節(jié)，地址范圍為00000H～003FFH。每個中斷源分配一個中斷類型碼。

12_內(nèi)部中斷過程標(biāo)清.flv17_int9寫鍵盤緩沖區(qū)標(biāo)清.flv8.2.3中斷向量表8086/8088的中斷向量表

8.2.3中斷向量表

中斷服務(wù)程序入口地址在中斷向量表中是按中斷類型碼順序存放的，位置可由“中斷類型碼×4”計算出來。CPU響應(yīng)中斷時，把中斷類型碼n乘以4，得到對應(yīng)地址4n(該中斷服務(wù)程序入口地址所占4個字節(jié)的第一個字節(jié)的地址)，然后把由此地址開始的兩個低字節(jié)單元的內(nèi)容裝入IP寄存器，再把兩個高字節(jié)單元的內(nèi)容裝入CS寄存器，CPU即轉(zhuǎn)向中斷類型碼為n的中斷服務(wù)程序。8.2.3中斷向量表

中斷向量表中有5個專用中斷(中斷類型碼為0～4)，它們的用途已經(jīng)確定；27個系統(tǒng)保留的中斷(中斷類型碼為5～31)供系統(tǒng)使用，不允許用戶自行定義；224個用戶自定義中斷(中斷類型碼為32～255)，這些中斷類型碼可供軟中斷INTn或可屏蔽中斷INTR使用(中斷類型碼21H的中斷已用作DOS的系統(tǒng)功能調(diào)用)。由用戶確定了中斷類型碼后，還應(yīng)先將相應(yīng)的中斷處理子程序入口地址填入中斷向量表，以便CPU根據(jù)提供的中斷類型碼找到相應(yīng)的中斷向量。8.2.3中斷向量表8.4可編程中斷控制器8259A

8259A具有如下功能:①以接收多個外部中斷源的中斷請求，并進行優(yōu)先級別判斷，選中當(dāng)前優(yōu)先級別最高的中斷請求，再將此請求送到微處理器的中斷輸入端。②具有提供中斷向量、屏蔽中斷輸入等功能。③可用于管理8級優(yōu)先權(quán)中斷，最多構(gòu)成64級優(yōu)先權(quán)中斷管理系統(tǒng)。中斷服務(wù)程序入口地址構(gòu)成的中斷向量表存放在內(nèi)存固定區(qū)域。④有多種工作方式，自動提供中斷服務(wù)程序入口地址8.4.28259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳

1．8259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)總線緩沖器8位雙向三態(tài)緩沖器，是8259A與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的接口。8259A通過數(shù)據(jù)總線緩沖器接收微處理器發(fā)來的各種命令控制字、有關(guān)寄存器狀態(tài)的讀取，8259A也通過數(shù)據(jù)總線緩沖器向微處理器送出中斷類型碼等。

（2）讀/寫控制邏輯該部件接收來自CPU的讀/寫命令，配合片選信號、讀信號、寫信號和地址線A0共同實現(xiàn)控制，完成規(guī)定的操作。8.4.28259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳

（3）級聯(lián)緩沖器/比較器8259A既可工作于單片方式，也可工作于多片級聯(lián)方式。這個部件在級聯(lián)方式下用于標(biāo)識主從設(shè)備，在緩沖方式下控制收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳送方向。

（4）中斷請求寄存器IRR8位寄存器，用來鎖存外部設(shè)備送來的IR7～IR0中斷請求信號。每位對應(yīng)著8259A的8個外部中斷請求輸入端中的一位，當(dāng)某引腳上有中斷請求信號時，IRR對應(yīng)位置1，當(dāng)該中斷請求被響應(yīng)時，該位復(fù)位。8.4.28259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳

（5）中斷屏蔽寄存器IMR8位寄存器，用于設(shè)置中斷請求的屏蔽信號。每位對應(yīng)著輸入端IR7～IR0中的一位。如用軟件將IMR的某位置“1”，則其對應(yīng)引腳上的中斷請求將被8259A屏蔽，即使對應(yīng)IRi引腳上有中斷請求信號也不會產(chǎn)生中斷請求輸出

（6）中斷服務(wù)狀態(tài)寄存器ISR8位寄存器，記錄當(dāng)前正在被服務(wù)的所有中斷級，包括尚未服務(wù)完而中途被更高優(yōu)先級打斷的中斷級。每位對應(yīng)輸入端IR7～IR0中的一位。若某個引腳上的中斷請求被響應(yīng)，則ISR中對應(yīng)位被置1。ISR的置位也允許嵌套。8.4.28259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳

（7）優(yōu)先權(quán)分析器PR用于識別和管理各中斷請求信號的優(yōu)先級別。當(dāng)在IR輸入端中斷請求信號通過IRR送到PR。PR檢查ISR的狀態(tài)，判別有無優(yōu)先級更高的中斷正在被服務(wù)，若無，則將IRR中優(yōu)先級最高的中斷請求送入ISR，并通過控制邏輯向CPU發(fā)出中斷請求信號INT，并且將ISR中的相應(yīng)位置“1”

（8）控制邏輯8259A全部功能的控制核心。它包括一組初始化命令字寄存器ICW1～ICW4和一組操作命令字寄存器OCW1～OCW3，以及有關(guān)的控制電路。8.4.28259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳2．8259A的外部引腳8.4.28259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳

1．中斷優(yōu)先級管理方式(1)全嵌套方式全嵌套方式也稱固定優(yōu)先級方式。在這種方式下，由IR端引入的中斷請求具有固定的優(yōu)先級，IR0最高，IR7最低。在對8259A初始化后若沒有設(shè)置其他優(yōu)先級方式，則默認為全嵌套方式。

8.4.38259A的工作方式

(2)特殊全嵌套方式在主從結(jié)構(gòu)的8259A系統(tǒng)中，將主片設(shè)置為特殊全嵌套方式，可以在處理某一級中斷時，不但允許優(yōu)先級更高的中斷請求進入，也允許同級的中斷請求進入。

8.4.38259A的工作方式

(3)優(yōu)先級自動循環(huán)方式各中斷源優(yōu)先級是循環(huán)變化的，主要用在系統(tǒng)中各中斷源優(yōu)先級相同的情況下。一個設(shè)備的中斷服務(wù)完成后，其優(yōu)先級自動降為最低，而將最高優(yōu)先級賦給原來比它低一級的中斷請求。8.4.38259A的工作方式

(4)優(yōu)先級特殊循環(huán)方式該方式與優(yōu)先級自動循環(huán)方式相比，只有一點不同，即可以設(shè)置開始的最低優(yōu)先級。例如，最初設(shè)定IR4為最低優(yōu)先級，那么IR5就是最高優(yōu)先級，而優(yōu)先級自動循環(huán)方式中，最初的最高優(yōu)先級一定是IR0。

8.4.38259A的工作方式

2．中斷屏蔽方式(1)普通屏蔽方式通過對中斷屏蔽寄存器(IMR)的設(shè)定，實現(xiàn)對中斷請求的屏蔽。中斷屏蔽寄存器的每一位對應(yīng)了一個級別的中斷請求，當(dāng)某一位為1時，與之相應(yīng)的某一級別的中斷請求被屏蔽。(2)特殊屏蔽方式當(dāng)一個優(yōu)先級較高的中斷請求正在被處理時，若設(shè)置了特殊屏蔽方式，則允許優(yōu)先級較低的中斷進入正在處理的高級別中斷。8.4.38259A的工作方式

3．中斷觸發(fā)方式(1)電平觸發(fā)方式該方式以IR端上出現(xiàn)的高電平作為中斷請求信號。請求一旦被響應(yīng)，該高電平信號應(yīng)及時撤除。

(2)邊沿觸發(fā)方式該方式以IR端上出現(xiàn)由低電平向高電平的跳變作為中斷請求信號，跳變后高電平一直保持，直到被響應(yīng)。

8.4.38259A的工作方式

4．中斷結(jié)束方式(1)自動結(jié)束方式(AEOI)自動結(jié)束方式在第二個負脈沖的后沿將對應(yīng)的ISR位清0。該方式是在中斷響應(yīng)后，而不是在中斷處理結(jié)束時將ISR位清0。在中斷處理過程中，就沒有“正在處理”的標(biāo)識。此時若有中斷請求出現(xiàn)，沒有屏蔽且IF＝1，則無論其優(yōu)先級如何，都將得到響應(yīng)。所以，中斷自動結(jié)束方式是一種最簡單的結(jié)束方式，只適合于中斷請求信號的持續(xù)時間有一定限制、系統(tǒng)中只有1片8259A且不會出現(xiàn)中斷嵌套的場合。8.4.38259A的工作方式

(2)非自動結(jié)束方式(EOI)從中斷程序返回前，需通過程序向8259A輸出一個中斷結(jié)束命令(EOI)，將ISR中的相應(yīng)位清0。具體方法有以下兩種：①一般結(jié)束方式。此方式由8259A自動選擇ISR中優(yōu)先權(quán)最高位清0。此方式常用于完全嵌套方式下的中斷結(jié)束。在級聯(lián)系統(tǒng)中均采用一般結(jié)束方式或特殊結(jié)束方式。在中斷處理程序結(jié)束時，必須發(fā)兩次中斷結(jié)束命令，一次發(fā)給主片，另一次發(fā)給從片。②特殊結(jié)束方式。此方式需由用戶指明將ISR中的哪一位清0，常用于特殊全嵌套方式。8.4.38259A的工作方式

5.與系統(tǒng)總線的連接方式(1)緩沖方式在緩沖方式下，8259A通過總線收發(fā)器和數(shù)據(jù)總線相連。8259A的SP/EN作為輸出端，EN有效，使總線收發(fā)器使能。

(2)非緩沖方式非緩沖方式主要用于單片8259A或片數(shù)不多的8259A級聯(lián)的系統(tǒng)中。在該方式下，8259A直接與數(shù)據(jù)總線相連，8259A的SP/EN為輸入(SP有效)。只有單片8259A時，接高電平；有多片8259A時，該引腳用于區(qū)分主從芯片。接高電平則表示該8259A為主片；接低電平，則表示該8259A為從片。8.4.38259A的工作方式8259A的工作方式在對其進行初始化編程或操作編程中設(shè)置。8259A有兩類命令字:初始化命令字ICW1～ICW4和操作命令字OCW1～OCW3。相應(yīng)地,在8259A內(nèi)部有兩組命令字寄存器組,分別用來接收這7個命令字。系統(tǒng)開機時,由初始化程序?qū)CW1～ICW4分別寫入4個初始化命令字寄存器,稱為8259A的初始化編程。初始化命令字一經(jīng)寫入,系統(tǒng)在整個中斷工作過程中就不再改變。如果希望選擇或改變初始化設(shè)定的8259A的工作方式,則可在應(yīng)用程序中將OCW1～OCW3分別寫入3個操作命令字寄存器中。所以操作命令字可以被多次設(shè)置,以便對中斷處理方式進行動態(tài)控制。8.4.48259A的編程設(shè)置

1．初始化命令字初始化主要完成以下功能：①設(shè)定中斷請求信號觸發(fā)方式，即邊沿或電平觸發(fā)方式；②設(shè)定8259A工作方式，即緩沖與非緩沖方式；③設(shè)定8259A中斷類型號基值，對應(yīng)IR0的類型號；④設(shè)定優(yōu)先級方式，即完全嵌套或特殊全嵌套方式；⑤設(shè)定中斷處理結(jié)束方式，即自動AEOI或非自動EOI方式。8.4.48259A的編程設(shè)置

初始化命令字共預(yù)置4個命令字：

ICW1-ICW4，但并不是任何情況下都要預(yù)置這4個命令字，用戶可根據(jù)具體情況而定。由于ICW1必須寫入低地址端口A0=0(偶端口)，因而ICW2、ICW3、ICW4必須寫入高地址端口A0=1(奇端口)，為此8259A在進行初始化時，利用寫入的順序來區(qū)分不同的寄存器，即必須嚴(yán)格地按規(guī)定的初始化順序依次寫入。8.4.48259A的編程設(shè)置

（1）芯片初始化命令字ICW1ICW1命令字的格式如圖所示，D4=1為ICW1的特征位(標(biāo)志位)，用來與寫入同一地址的OCW2、OCW3區(qū)別。其他命令字的含義如圖所示。8.4.48259A的編程設(shè)置

（2）中斷類型號初始化命令字ICW2ICW2命令字的格式如圖所示，T7～T3為決定中斷類型號的高5位，D2～D0不需編程通常為全0，表示中斷請求輸入端IR0的中斷類型號，在中斷響應(yīng)時由中斷源的序號000～111自動填入相應(yīng)值，因此用一個初始化命令字ICW2就可決定8個中斷源的中斷類型號，ICW2也可以稱為中斷類型號基值寄存器。8.4.48259A的編程設(shè)置

（3）標(biāo)識主/從片初始化命令字ICW3ICW3命令字的格式如圖所示，對主片、從片分別寫入ICW3，對主片寫入是為確定哪個中斷請求輸入端接的是從片，由于一片8259A有8個中斷請求輸入端，因此最多可接8個從片；對從片寫入是為確定該從片的中斷請求輸出端接入主片的哪個輸入端。8.4.48259A的編程設(shè)置

（4）方式控制初始化命令字ICW4ICW4命令字的格式如圖所示，在ICW1中，若D0＝1才寫入ICW4，用來指定中斷嵌套方式及緩沖方式，對80X86(包括8086/8088)系統(tǒng)必須預(yù)置ICW4。8.4.48259A的編程設(shè)置

【例】8259A采用兩片級聯(lián)方式，主片設(shè)定為：上升沿觸發(fā)、在IR2引腳連接從片、需寫入ICW4、非AEOI方式、中斷類型碼應(yīng)設(shè)為08H～0FH、采用一般的中斷嵌套方式、主片8259A端口地址是20H、21H；從片定義為：上升沿觸發(fā)、級聯(lián)到主片的IR2引腳、需設(shè)置ICW4、非AEOI方式、中斷類型碼為70H～78H、采用一般的中斷嵌套方式、從片8259A端口地址是A0H、A1H。初始化過程如下：8.4.48259A的編程設(shè)置初始化主片：MOV