《程序控制指令中斷》課件

程序控制指令中斷程序控制指令中斷是一種由程序指令觸發(fā)的中斷。當(dāng)處理器執(zhí)行到特定的指令時(shí)，會(huì)觸發(fā)中斷，并跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序執(zhí)行。這種中斷方式允許程序員在特定時(shí)刻執(zhí)行一些特殊的任務(wù)，例如處理外部事件或進(jìn)行系統(tǒng)初始化。什么是程序中斷程序執(zhí)行流程程序中斷是指程序正常執(zhí)行過程中，由于內(nèi)部或外部事件的發(fā)生，導(dǎo)致程序執(zhí)行流程被暫時(shí)打斷，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過程。中斷源中斷源可以是硬件設(shè)備的請(qǐng)求，例如鍵盤按下、鼠標(biāo)點(diǎn)擊，也可以是軟件指令，例如除零錯(cuò)誤、非法地址訪問。中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序是一個(gè)專門用于處理中斷事件的子程序，它會(huì)根據(jù)中斷源的不同，執(zhí)行相應(yīng)的操作。程序中斷的特點(diǎn)異步性程序中斷由外部事件觸發(fā)，與當(dāng)前正在執(zhí)行的程序無(wú)關(guān)。這意味著中斷的發(fā)生時(shí)間是不可預(yù)測(cè)的。突發(fā)性中斷的發(fā)生時(shí)間是不可預(yù)知的，而且會(huì)打斷正在執(zhí)行的程序，因此需要及時(shí)處理。程序中斷的功能提高效率中斷機(jī)制可以有效地處理多個(gè)任務(wù)，提高CPU的利用率，避免長(zhǎng)時(shí)間等待。實(shí)時(shí)性中斷機(jī)制可以及時(shí)響應(yīng)外部事件，確保系統(tǒng)能夠及時(shí)處理緊急情況。靈活性中斷機(jī)制允許系統(tǒng)在執(zhí)行主程序的同時(shí)，處理來(lái)自外部的各種事件，提高了系統(tǒng)的靈活性?？煽啃灾袛鄼C(jī)制可以有效地處理系統(tǒng)錯(cuò)誤，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。程序中斷的分類11.硬件中斷由外部硬件設(shè)備發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)觸發(fā)。22.軟件中斷通過執(zhí)行特定的軟件指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用于系統(tǒng)調(diào)用。33.可屏蔽中斷可以通過軟件或硬件手段控制是否響應(yīng)中斷請(qǐng)求。44.不可屏蔽中斷無(wú)法屏蔽的中斷請(qǐng)求，通常用于緊急情況處理。硬件中斷外部事件硬件中斷由外部設(shè)備觸發(fā)，例如鍵盤按下、鼠標(biāo)移動(dòng)、定時(shí)器溢出等。中斷請(qǐng)求當(dāng)外部設(shè)備發(fā)生中斷事件時(shí)，會(huì)向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)。中斷處理CPU接收中斷請(qǐng)求后，會(huì)暫停當(dāng)前程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序。軟件中斷指令執(zhí)行通過執(zhí)行特定的指令來(lái)觸發(fā)中斷，例如INT指令。程序控制由程序員主動(dòng)調(diào)用，用于實(shí)現(xiàn)特定功能，例如調(diào)試或異常處理。用戶操作用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備發(fā)送中斷請(qǐng)求?？善帘沃袛嗪筒豢善帘沃袛嗫善帘沃袛嗫善帘沃袛嗫梢酝ㄟ^程序設(shè)置屏蔽，例如，在處理重要任務(wù)時(shí)屏蔽無(wú)關(guān)中斷。不可屏蔽中斷不可屏蔽中斷無(wú)法被程序屏蔽，通常用于處理緊急事件，例如系統(tǒng)錯(cuò)誤或硬件故障。中斷向量表中斷向量表是CPU用來(lái)存儲(chǔ)中斷服務(wù)程序入口地址的表格。每個(gè)中斷源都對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷向量表中的條目。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，CPU會(huì)根據(jù)中斷源號(hào)在中斷向量表中找到相應(yīng)的條目，并跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序。中斷向量表是一個(gè)固定地址的內(nèi)存區(qū)域，通常位于低地址空間。它包含了所有中斷源的入口地址，方便CPU快速找到相應(yīng)的服務(wù)程序。中斷處理過程中斷請(qǐng)求當(dāng)CPU執(zhí)行程序時(shí)，外部設(shè)備或軟件發(fā)出中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求CPU暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而去處理中斷事件。中斷響應(yīng)CPU檢測(cè)到中斷請(qǐng)求后，會(huì)暫停當(dāng)前的任務(wù)，并進(jìn)入中斷響應(yīng)階段。此時(shí)，CPU會(huì)保存當(dāng)前程序執(zhí)行狀態(tài)，包括程序計(jì)數(shù)器、狀態(tài)寄存器等信息，以便中斷處理完成后恢復(fù)到中斷前的狀態(tài)。中斷向量表CPU根據(jù)中斷類型，在中斷向量表中查找對(duì)應(yīng)中斷服務(wù)程序的地址，并跳轉(zhuǎn)到該地址，開始執(zhí)行中斷處理程序。中斷處理中斷服務(wù)程序會(huì)根據(jù)中斷類型進(jìn)行相應(yīng)的處理，例如讀寫數(shù)據(jù)、執(zhí)行任務(wù)等，并將處理結(jié)果反饋給外部設(shè)備或軟件。中斷返回中斷處理完成后，中斷服務(wù)程序會(huì)恢復(fù)CPU的中斷狀態(tài)，并執(zhí)行中斷返回指令，將CPU控制權(quán)返回給之前中斷的程序，繼續(xù)執(zhí)行中斷前的任務(wù)。中斷響應(yīng)時(shí)間中斷響應(yīng)時(shí)間是指從中斷請(qǐng)求發(fā)出到CPU開始執(zhí)行中斷處理程序所花費(fèi)的時(shí)間。中斷響應(yīng)時(shí)間是衡量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的重要指標(biāo)，它直接影響著系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)速度。100ns典型值現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常在幾十到幾百納秒之間。10us范圍可以根據(jù)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化。中斷嵌套中斷嵌套概念在處理一個(gè)中斷時(shí)，另一個(gè)中斷請(qǐng)求到來(lái)，當(dāng)前中斷被暫停，轉(zhuǎn)而處理新的中斷請(qǐng)求。嵌套級(jí)別中斷嵌套級(jí)別取決于處理器架構(gòu)和中斷控制器設(shè)計(jì)，通常有限制。中斷處理順序嵌套中斷的處理順序取決于中斷優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的中斷先被處理。中斷優(yōu)先級(jí)11.優(yōu)先級(jí)級(jí)別中斷優(yōu)先級(jí)是指中斷請(qǐng)求的先后順序，用于處理多個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)優(yōu)先處理高優(yōu)先級(jí)中斷請(qǐng)求。22.優(yōu)先級(jí)分配優(yōu)先級(jí)分配可以是固定的，也可以是動(dòng)態(tài)的，根據(jù)系統(tǒng)需求靈活分配。33.優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)可以通過硬件或軟件實(shí)現(xiàn)，例如使用中斷控制器或優(yōu)先級(jí)寄存器。中斷處理程序的編寫1中斷處理程序結(jié)構(gòu)定義中斷服務(wù)例程（ISR）2中斷向量表設(shè)置中斷向量表3中斷控制器配置中斷控制器編寫中斷處理程序的過程需要明確中斷處理程序的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實(shí)際需求配置中斷控制器和中斷向量表。中斷處理程序結(jié)構(gòu)通常包括：保存現(xiàn)場(chǎng)、處理中斷、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、返回。中斷屏蔽中斷屏蔽的意義中斷屏蔽是指禁止特定中斷的響應(yīng)。這樣可以避免某些中斷的發(fā)生，從而提高系統(tǒng)效率。例如，當(dāng)需要進(jìn)行重要的操作時(shí)，可以暫時(shí)屏蔽一些不必要的外部中斷，以確保操作的順利完成。中斷屏蔽的實(shí)現(xiàn)中斷屏蔽通常通過設(shè)置中斷控制器寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。中斷控制器提供了一些寄存器，用于控制每個(gè)中斷源的屏蔽狀態(tài)。通過對(duì)這些寄存器的位進(jìn)行設(shè)置，可以屏蔽或啟用特定的中斷。中斷的入口和出口中斷入口CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，保存當(dāng)前程序狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序。中斷出口中斷處理程序執(zhí)行完畢，恢復(fù)CPU狀態(tài)，返回到被中斷程序。中斷處理程序的結(jié)構(gòu)中斷服務(wù)例程中斷服務(wù)例程是中斷處理程序的核心，它負(fù)責(zé)處理中斷事件并恢復(fù)正常程序執(zhí)行。中斷處理狀態(tài)保存保存中斷發(fā)生時(shí)的處理器狀態(tài)，包括程序計(jì)數(shù)器、寄存器等信息，以便恢復(fù)執(zhí)行。時(shí)間處理根據(jù)中斷類型執(zhí)行相應(yīng)操作，例如處理硬件中斷，更新系統(tǒng)時(shí)間，或執(zhí)行其他任務(wù)。返回恢復(fù)中斷發(fā)生前的處理器狀態(tài)并返回到被中斷的程序，繼續(xù)執(zhí)行。中斷處理程序的設(shè)計(jì)原則11.快速響應(yīng)中斷處理程序應(yīng)快速響應(yīng)中斷請(qǐng)求，以確保系統(tǒng)及時(shí)處理中斷事件。22.保持原子性中斷處理程序執(zhí)行期間，應(yīng)避免其他中斷打斷，以確保代碼邏輯的完整性。33.減少代碼長(zhǎng)度中斷處理程序應(yīng)盡可能簡(jiǎn)潔，減少代碼長(zhǎng)度，提高執(zhí)行效率。44.保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)中斷發(fā)生時(shí)，應(yīng)保存當(dāng)前程序執(zhí)行的上下文信息，以便中斷結(jié)束后恢復(fù)正常運(yùn)行。中斷控制器定義中斷控制器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中專門用于管理中斷請(qǐng)求的硬件模塊。它接收來(lái)自各種設(shè)備的外部中斷請(qǐng)求，并將它們發(fā)送給CPU進(jìn)行處理。功能中斷控制器的主要功能是接收、處理和傳遞中斷請(qǐng)求，并提供中斷優(yōu)先級(jí)管理、中斷屏蔽和中斷向量表等功能。8259A中斷控制器8259A是可編程中斷控制器，用于管理外部中斷請(qǐng)求，分配中斷優(yōu)先級(jí)，并向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。它可以管理8個(gè)外部中斷源，并通過級(jí)聯(lián)方式擴(kuò)展到更多中斷源，支持可屏蔽和不可屏蔽中斷，為中斷處理提供靈活的控制。8259A的工作過程8259A是一款可編程中斷控制器，它負(fù)責(zé)接收來(lái)自系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的中斷請(qǐng)求，并將其傳遞給CPU。它還負(fù)責(zé)管理中斷優(yōu)先級(jí)，并確保中斷處理的順序。1中斷請(qǐng)求設(shè)備發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)給8259A。2中斷識(shí)別8259A識(shí)別中斷請(qǐng)求來(lái)源。3中斷優(yōu)先級(jí)8259A根據(jù)優(yōu)先級(jí)排序中斷。4中斷傳遞8259A向CPU發(fā)送中斷信號(hào)。中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，8259A會(huì)將中斷請(qǐng)求清除，并等待下一個(gè)中斷請(qǐng)求的到來(lái)。8259A的編程接口初始化命令字ICW用于設(shè)置8259A的工作模式、中斷向量地址、級(jí)聯(lián)方式等。操作命令字OCW用于控制中斷請(qǐng)求的接收、屏蔽、優(yōu)先級(jí)等。中斷服務(wù)程序ISRs中斷處理程序，在中斷發(fā)生時(shí)被調(diào)用，處理中斷事件。中斷向量表IVT存儲(chǔ)中斷向量地址，指向中斷處理程序的入口地址。實(shí)例分析：LED閃爍程序1程序初始化初始化LED端口，設(shè)定LED初始狀態(tài)為熄滅。2中斷處理定時(shí)器中斷觸發(fā)時(shí)，改變LED端口狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)LED的亮滅交替。3循環(huán)執(zhí)行循環(huán)執(zhí)行中斷處理程序，確保LED持續(xù)閃爍。實(shí)例分析：按鍵中斷程序按鍵中斷程序是單片機(jī)應(yīng)用中常見的程序，它允許用戶通過按鍵來(lái)觸發(fā)特定的操作。該程序通常包括按鍵檢測(cè)、中斷處理和響應(yīng)三個(gè)部分。1按鍵檢測(cè)通過檢測(cè)按鍵的狀態(tài)變化，識(shí)別按鍵按下或釋放的事件。2中斷處理當(dāng)按鍵事件觸發(fā)中斷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行相應(yīng)的操作。3響應(yīng)根據(jù)按鍵事件執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，例如點(diǎn)亮LED燈、控制電機(jī)或播放聲音。按鍵中斷程序的設(shè)計(jì)需要考慮按鍵的類型、連接方式以及中斷處理的邏輯。通常會(huì)使用外部中斷引腳來(lái)連接按鍵，并編寫中斷服務(wù)程序來(lái)響應(yīng)按鍵事件。實(shí)例分析：定時(shí)器中斷程序定時(shí)器中斷配置設(shè)置定時(shí)器工作模式、計(jì)數(shù)初值、中斷優(yōu)先級(jí)等參數(shù)。使用8253/8254或其他定時(shí)器芯片。中斷服務(wù)程序在定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的程序邏輯，例如更新計(jì)數(shù)器、控制LED閃爍或其他任務(wù)。硬件中斷定時(shí)器達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間，觸發(fā)中斷信號(hào)，中斷控制器識(shí)別中斷請(qǐng)求，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序執(zhí)行。實(shí)例分析：外部中斷程序外部中斷程序是程序控制指令中斷的一個(gè)重要應(yīng)用，在嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常被用于響應(yīng)外部事件，例如按鍵按下、傳感器觸發(fā)等。1中斷源配置首先要配置外部中斷源，例如選擇中斷引腳、觸發(fā)方式等。2中斷處理程序編寫中斷處理程序，處理外部事件，例如讀取傳感器數(shù)據(jù)、控制LED等。3中斷服務(wù)函數(shù)在中斷服務(wù)函數(shù)中，調(diào)用中斷處理程序，完成相應(yīng)操作。4中斷返回中斷處理完成后，返回到主程序繼續(xù)執(zhí)行。外部中斷程序的設(shè)計(jì)需要考慮中斷響應(yīng)時(shí)間、中斷嵌套等因素，以確保程序能夠正常工作。中斷性能分析響應(yīng)時(shí)間（微秒）處理時(shí)間（微秒）中斷性能分析可以幫助我們了解不同類型中斷的響應(yīng)時(shí)間和處理時(shí)間，有助于優(yōu)化中斷服務(wù)程序。中斷響應(yīng)時(shí)間指從中斷信號(hào)發(fā)出到中斷服務(wù)程序開始執(zhí)行的時(shí)間，而中斷處理時(shí)間指中斷服務(wù)程序執(zhí)行完成所花費(fèi)的時(shí)間。中斷服務(wù)程序的優(yōu)化提高效率優(yōu)化中斷服務(wù)程序可以減少響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的效率。減少代碼量?jī)?yōu)化代碼結(jié)構(gòu)，減少不必要的代碼，提高程序的可讀性和可維護(hù)性。節(jié)省資源優(yōu)化內(nèi)存分配，減少內(nèi)存占用，提高程序的穩(wěn)定性。中斷管理策略11.中斷優(yōu)先級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)用于確定多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，哪個(gè)中斷應(yīng)該優(yōu)先處理。22.中斷