第六章輸入與輸出中斷

1、第,6,章,輸入輸出與中斷,本章首先介紹輸入輸出接口基本概念、,CPU,與外,設數(shù)據(jù)傳送的方式。,然后,重點研究中斷傳送方式及相關的技術。,6.1 6.2,參見,CAI,課件,6.2,查詢方式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序,控制口（,04H,，,OUT,）,b2b0,：通道號；,b4,狀態(tài)口（,02H,，,IN,）,b0,數(shù)據(jù)口（,03H,，,IN,）,A/D,；初始化,START:,MOV DL, 0F8H,MOV AX, SEG DSTOR,MOV ES,LEA,DI, DSTOR,：,A/D,啟動信號,：,A/D,轉(zhuǎn)換結束,READY,信號,轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),;,為什么設此初值？,AX,;,發(fā)控制命令,AGA

2、IN:,MOV,AND,AL,DL,AL,0EFH,OUT,CALL,MOV,OUT,04H,AL,DELAY,AL,DL,04H,AL,;,為什么每次要發(fā),2,次控制命令？中間要加延時？,;,查詢,A/D,狀態(tài)，讀入數(shù)據(jù),POLL:,IN,AL,02H,SHR,JNC,IN,STOSB,INC,JNE,AL,1,POLL,AL,03H,DL,AGAIN,其它判別方法？,;,？,;,6.3,中斷技術,（簡介）,中斷是一種十分重要而復雜的軟硬件相結合的技術。,本節(jié)將介紹,中斷的基本概念,、,中斷的響應與處理過程,、,優(yōu)先,權的安排,等有關問題。,一、中斷概述,(,一,),中斷與中斷源,使,CPU

3、,暫停運行原來的程序而應更為急迫事件的需要轉(zhuǎn)去執(zhí),行為中斷源服務的程序,(,稱為,中斷服務程序,),，待該程序處理完后，,再返回運行原程序，此即,中斷,(,或中斷技術,),。,所謂,中斷源,，即引起中斷的事件或原因，或發(fā)出中斷申請的,來源。通常中斷源有以下幾種,：,(1),外部設備,:,一般中、慢速外設如鍵盤、打印機等，在完成,自身的操作后，向,CPU,發(fā)出中斷請求,要求,CPU,為它服務。,(2),實時時鐘,：在自動控制中，常需要定時檢測與控制。此,時，,CPU,可發(fā)出命令,啟動時鐘電路計時,待定時已到，時鐘電路,就發(fā)中斷申請，由,CPU,轉(zhuǎn)去執(zhí)行服務程序。,(3),故障源,：計算機內(nèi)設有故

4、障自動檢測裝置，如發(fā)生運算,出錯（溢出,),、存儲器讀出出錯、外部設備故障、電源掉電以及,越限報警等意外事件時，這些裝置都能使,CPU,中斷，進行相應的,中斷處理。,(4),為調(diào)試程序設置的中斷源,：這是,CPU,執(zhí)行了特殊指令,(,自,陷指令）或由硬件電路引起的中斷,主要是供用戶調(diào)試程序時而,采取的檢查手段。如斷點設置、單步調(diào)試等,.,這些都要由中斷系,統(tǒng)實現(xiàn)。一般稱這種中斷為,自愿中斷,。,以上,3,種屬于,隨機中斷源,。由隨機引起的中斷,稱為,強迫中斷,。,(,二,),中斷系統(tǒng)及其功能,中斷系統(tǒng),是指為實現(xiàn)中斷而設置的各種,硬件與,軟件,包括中斷控制邏輯及相應管理中斷的指令。,中斷系統(tǒng)應

5、具有下列,功能,：,1.,能響應中斷、處理中斷與返回,2.,能實現(xiàn)優(yōu)先權排隊,3.,能實現(xiàn)中斷嵌套,高級,中斷源能,中斷,低級的中斷,處理,(,三,),中斷的應用,中斷能解決快速,CPU,與中、慢速外設速度,不匹配的矛盾，以,提高主機的工作效率,；,中斷在實現(xiàn),分時操作、實時處理、故障處,理、多機連接,以及,人機聯(lián)系,等方面均有廣泛的,應用。,二、,單個中斷源的中斷,單個中斷源的中斷過程包括：,中斷請求,、,中斷響應,、,中斷,處理,和,中斷返回,等環(huán)節(jié)。,(,一,),中斷源向,CPU,發(fā)中斷請求信號的條件,中斷源是通過其,接口電路,向,CPU,發(fā)中斷請求信號的,該信號,能否發(fā)給,CPU,，應

6、滿足下列,兩個條件,：,1.,設置中斷請求觸發(fā)器,在每個中斷源的接口電路中設置一個,中斷請求觸發(fā)器,由,它產(chǎn)生中斷請求，并一直保持到,CPU,接受并響應該中斷后,才能,清除它。如,圖,6.15,所示。,2,設置中斷屏蔽觸發(fā)器,通過,中斷屏蔽觸發(fā)器，,CPU,可控制中斷源的,中斷請求是否,允許發(fā)向,CPU,。,如,圖,6.15,所示。,(,二,) CPU,響應中斷的條件,當中斷源向,CPU,發(fā)出,INTR,信號后，,CPU,若要響應它，還,應滿足下列條件。,1,CPU,開放中斷,CPU,采樣到,INTR,信號后是否響應它,由,CPU,內(nèi)部的中斷,允許觸發(fā)器,(,如,IFF),的狀態(tài)決定,如,圖,

7、6.16,所示,.,中斷允許觸發(fā)器,IFF,的狀態(tài)可以由專門的開中斷與關,中斷指令來設置：,開中斷：,STI (IFF=1);,關中斷：,CLI (IFF=0),。,此外，當,CPU,復位或響應中斷后，也能使,CPU,關中斷。,2,CPU,在現(xiàn)行指令結束后響應中斷,在,CPU,開中斷時，若有,中斷請求信號發(fā)至,CPU,它也,并不立即響應。,只有當,現(xiàn)行指令運行到,最后一個機器周期的最后一,個,T,狀態(tài),時,CPU,才采樣,INTR,信號；若有此信號，則,把與門的允許中斷輸出端,置,1,，于是，,CPU,進入中斷響,應周期。,(,三,) CPU,響應中斷及處理過程,列幾步操作：,當滿足上述條件后

8、，,CPU,就響應中斷，轉(zhuǎn)入中斷周期，完成下,1,關中斷,CPU,響應中斷后,在發(fā)出中斷響應信號,(,INTA,),的同時,內(nèi)部自動,地,(,由硬件,),實現(xiàn),關中斷,以免在處理當前中斷時又被新的中斷源,中斷,以至破壞當前中斷服務的現(xiàn)場。,2,保護斷點,CPU,響應中斷后，立即封鎖,PC+1,(,此即,斷點地址,),且把此,PC,值,壓棧保護,，以備中斷處理完畢后，,CPU,能返回斷點處繼續(xù)運行主,程序。,3,保護現(xiàn)場,在,CPU,處理中斷服務程序時，有可能用到各寄存器,從,而改變它們原在運主程序中所暫存的中間結果，即破壞,了原主程序中的現(xiàn)場信息。,為使中斷服務程序不影響主程序的正常運行，要把

9、主,程序運行到,斷點處,時的,有關寄存器的內(nèi)容和標志位的狀態(tài),壓棧保護,起來。,4,給出中斷入口,(,地址,),，轉(zhuǎn)入中斷服務程序,8086/8088,由中斷源提供,中斷類型號,并根據(jù)中斷類,型號在,中斷向量表,中取得,中斷服務程序的入口地址,。,在,中斷服務程序完成后,，還要執(zhí)行,下述的,5,、,6,兩步操作。,5,恢復現(xiàn)場,把保存在堆棧中的各有關寄,存器的內(nèi)容和標志位的狀態(tài)彈出恢復。,該操作是在中斷服務程序中,用,POP,指令完成的。,6,開中斷與返回,在中斷服務程序的最后,要開中,斷（以便,CPU,能響應新的中斷請求,),和安排一條返回指令，將堆棧內(nèi)保,存的斷點,PC,值彈出,送回至,P

10、C,CPU,就恢復到斷點處繼續(xù)運行。,三、,向量中斷,所謂向量中斷,(Vectored Interrupt),，是指通過,中斷向量,來找,中斷入口地址,進而,轉(zhuǎn)向中斷服務程序,的一種方法；,中斷向量,則是用來提供中斷入口地址的一個,地址指針,。,例如,8086/8088CPU,的中斷系統(tǒng),就是采用這種向量中斷。其,詳細過程，將在下一節(jié)討論。,四、中斷優(yōu)先權,實際系統(tǒng)中，通常具有多個中斷源,而,CPU,的可屏蔽中斷請求,線往往只有一條。,如何解決,多個中斷源同時請求,中斷而,只有一根中斷請求線,的,矛盾呢,?,1,）要求,CPU,按多個中斷源的優(yōu)先權,由高至低依次響應,中斷申請。,2),當,CP

11、U,正在處理中斷時，還要,能響應更高級的中斷申請,，而屏,蔽掉同級或低級的中斷申請。,CPU,可以通過,硬件排隊電路,或,軟件查詢技術,兩種方法來實現(xiàn),按中斷優(yōu)先權對多個中斷源的管理,;,也有專門協(xié)助,CPU,按中斷優(yōu)先權處理多個中斷源的,中斷控,制芯片,，如后面第,7,章中將要介紹的,8259A,芯片,。,6.4 8086/8088,的中斷系統(tǒng)和中斷處理,本節(jié)將主要闡述,8086/8088,的中斷系統(tǒng),及其,中斷處理,的,全過程。,一、,8086/8088,的中斷系統(tǒng),8086/8088,中斷采用,中斷向量結構,，每個中斷都有一個,特定的,中斷類型碼,（共,256,種,類型的中斷）。這些中斷

12、可,以來自,外部,，即由,硬件,產(chǎn)生,也可以來自,內(nèi)部,，即由,軟件,（中斷指令）產(chǎn)生，或者滿足某些,特定條件,(,陷阱,),后引發(fā),CPU,中斷。,8086/8088,的中斷系統(tǒng)結構,(,一,),外部中斷,8086/8088 CPU,有兩條引腳供外部中斷源請求中斷,:,一條是,高,電平有效,的,可屏蔽中斷,INTR,;,另一條是,上升沿有效,的,非屏蔽中斷,NMI,。,.,可屏蔽中斷,可屏蔽中斷是由用戶定義的外部硬件中斷。,CPU,是否響應此中,斷請求，要取決于標志寄存器中,IF,的狀態(tài)。若,IF=0,，則,CPU,處于,關中斷,狀態(tài),不響應,INTR;,若,IF=1,，則,CPU,處于,開

13、中斷,狀態(tài)，,響應,INTR,，并通過,INTA,引腳向產(chǎn)生,INTR,的設備接口,(,中斷源,),發(fā)回,響應,信號,啟動中斷過程。,CPU,在發(fā),第,2,個中斷響應信號,INTA,時,將使發(fā),出中斷請求信號的接口把,1,字節(jié)的,中斷類型碼,通過,數(shù)據(jù)總線傳送給,CPU,。,中斷允許標志,IF,位的狀態(tài)可用指令,STI,使其,置位，即,開中斷,;,也可用,CLI,指令使其復位，即,關,中斷,。,系統(tǒng)復位后或任一中斷被響應后，,IF=0,所以,在執(zhí)行程序的過程中要用,STI,指令開中斷,以便,CPU,有可能響應新的可屏蔽中斷請求。,.,非屏蔽中斷,8086/8088,要求,NMI,上的請求脈沖的

14、有效寬度,（高電平,的持續(xù)時間）大于兩個時鐘周期。一旦,此中斷請求信號產(chǎn)生，不管標志位,IF,的狀態(tài)如何，,即使在,關中斷（,IF=0,）,的情況下，,CPU,也能響應,它。,非屏蔽中斷源,有,3,種：,1,）系統(tǒng)板上,RAM,的奇偶校驗錯,2,）擴展槽中的,I/O,通道錯,3,）協(xié)處理器,8087,的中斷請求,由于,NMI,比,INTR,的中斷請求的,級別高,，因此,若在指令執(zhí)行過程中,INTR,和,NMI,引腳上同時都有,中斷請求信號,，則,CPU,將首先響應,NMI,引腳上的中,斷請求。,Intel,公司在設計,8086/8088,芯片時，已將,NMI,的中斷類型號,預先定義為,類型,2

15、,所以,CPU,響應非,屏蔽中斷時,不要求外部向,CPU,提供中斷類型,號,CPU,在總線上也不發(fā),INTA,信號。,（二）內(nèi)部中斷,.,除法出錯中斷,類型,0,（優(yōu)先級最高）,執(zhí)行除法指令時，若除數(shù)為,0,或商數(shù)超過范圍,則立即產(chǎn)生類,型為,0,的內(nèi)部中斷，,CPU,轉(zhuǎn)向除法出錯的中斷服務程序。,.,溢出中斷,類型,4,若上一條指令執(zhí)行的結果使溢出標志位置,1,（,OF=1,）,則在,執(zhí)行溢出中斷（,INTO,）,指令,時，將引起,類型,4,的內(nèi)部中斷,CPU,就可以轉(zhuǎn)入對溢出錯誤進行處理的中斷服務程序。,若,OF=0,時，則,INTO,指令執(zhí)行,空操作,。,INTO,指令常常緊跟在,算術運

16、算指令之后，以便在該指令執(zhí)行產(chǎn)生溢出時由,INTO,指令進,行特殊的處理。,.,單步中斷,類型,1,標志位,TF,被置位（,TF=1,）時，,8086/8088,處于單,步工作方式，即,CPU,每執(zhí)行完一條指令后就自動地產(chǎn)生一,個,類型,1,的內(nèi)部中斷,，程序控制將,轉(zhuǎn)入單步中斷服務程序,。,CPU,響應單步中斷后將自動把狀態(tài)標志壓入堆棧,然后,清除,TF,和,IF,標志位。,單步中斷服務程序結束時，再通過執(zhí)行,IRET,中斷返回,指令,將,CS,與,IP,的內(nèi)容出棧并恢復標志寄存器的內(nèi)容,使程序返回到斷點處。,由于在中斷時,TF,位被保護起來了，,中斷返回時,TF,位又,被重新恢復（,TF=

17、1,）,所以,CPU,在中斷返回以后仍然處于單,步工作方式。,.,斷點中斷,類型,3,8086/8088,指令系統(tǒng)中有一條設置程序斷點,的單字節(jié)中斷指令（,INT 3,),執(zhí)行該指令以后就,會產(chǎn)生一個中斷類型為,3,的內(nèi)部中斷,CPU,將轉(zhuǎn)向,執(zhí)行一個斷點中斷服務程序,以便進行一些特殊,的處理,.,斷點中斷指令主要用于,軟件調(diào)試,中,程序員,可用它在程序中設置一個程序斷點。,.,用戶定義的軟件中斷,類型,n,在,8086/8088,的內(nèi)部中斷中,有一個可由用戶定義的,雙字節(jié)的,中斷指令,INT n,，其第,1,個字節(jié)為,INT,的操作碼,第,2,個字節(jié),n,是它的,中斷類型碼,。中斷類型碼,n

18、,由程序員,編程時給定。,(,三,),內(nèi)部中斷的特點,(1),內(nèi)部中斷由一條,INT n,指令直接產(chǎn)生，其中斷,類型號,n,或者包括在指令中，或者已由系統(tǒng)預先定,義。,(2),除單步中斷,以外，,所有內(nèi)部中斷都不能被屏,蔽,。,(3),所有內(nèi)部中斷都,沒有中斷響應總線周期,，這,是因為內(nèi)部中斷不必通過查詢外部來獲得中斷類型,號。,(4),硬、軟中斷的,優(yōu)先級排隊,如表,6.2,所示。,8086/8088,中斷系統(tǒng)規(guī)定，除了單步中斷以外,所有,內(nèi)部中斷的優(yōu)先權,都比外部中斷的優(yōu)先權高,。,如果在執(zhí)行一個能引起內(nèi)部中斷指令的同時,在,NMI,或,INTR,引腳端也產(chǎn)生了外部中斷請求,則,CPU,將

19、首先處理內(nèi)部中,斷。,三、,中斷向量表,中斷向量表,也稱,中斷入口地址表,。,中斷向量表放在存儲在,00000H,到,003FFH,之間，占,1K,字節(jié),。,中斷向量表分成,256,組，每組由,兩個字,（即,4,個字節(jié)）組成一,個雙字長的指針。,雙字長指針的,高地址,存放的字是中斷服務程序入口地址所在,的代碼段的,16,位段地址（,CS,）；,低地址,字是中斷服務程序入口地址相對于段起始地址的,偏移,值（,IP,）,。,CPU,通過,CS,和,IP,的值得到一個,20,位的地址（,16,位的,CS,段地址,左移,4,位，然后加上,IP,值）,它就是,中斷服務程序的實際入口地址,。,256,級中

20、斷的,中斷向量表,如圖,6.20,所示。,圖,6.20,的中斷向量表分為,3,部分。,第,1,部分,類型,0,類型,4,專用中斷,這,5,種中斷的入口已由系統(tǒng)定義，不允許用戶修改。,第,2,部分,類型,5,類型,31,系統(tǒng)備用中斷,這是,Intel,公司為軟、硬件開發(fā)保留的中斷類型,一般不允許用戶作其他用途,其中許多中斷已被系統(tǒng)開發(fā),使用，例如類型,21,已用作系統(tǒng)功能調(diào)用的軟中斷。,第,3,部分,類型,32,類型,255,可供用戶使用,這些中斷可由用戶定義為,軟中斷,由,INT n,指令引入，,也可以是通過,INTR,端直接引入,硬件可屏蔽中斷,使用時用,戶要自行設置相應的中斷入口地址。,每

21、個中斷向量具有一個相應的中斷類型號。,中斷類型號乘,4,，將給出中斷向量表中的中斷向量入口第,1,字節(jié)的物理地址。,例如,，若中斷類型號為,8,則這個向量的第,1,字節(jié)的地址為：,類型號,8,4,32=00100000B,20H,若類型,8,中，安排的,CS=,1000H,，,IP=0200H,，則它們,形成的服務程序的入口地址,為,10200,。,CPU,一旦響應中斷類型,8,則將轉(zhuǎn)去執(zhí)行從地址,10200H,開始的中斷服務程序。,如圖,6.24,所示。,二、,8086/8088,的中斷處理過程,(,一,) 8086/8088 CPU,中斷處理的基本過程,8086/8088CPU,中斷處理的

22、基本過程如,圖,6.22,所示,對該圖作如下幾點說明,:,(1),中斷的基本過程可分為：,中斷請求,中斷響應,中斷處理,和,中斷返回,。,(2),按,預先設計安排的,中斷優(yōu)先權,來,響應中斷,。,(3),在,一般情況,下，都要待,當前指令執(zhí)行完,后方可,響應中斷,申請。,但有,少數(shù)情況,是在,下一條指令完成之后,才,響,例如，,REP,（重復前綴），,LOCK,（封鎖前綴,),應中斷請求,。,和,段超越前綴,等指令都應當將前綴看作指令的一,部分,在執(zhí)行前綴和指令間不允許中斷。段寄存,器的傳送指令,MOV,和段寄存器的彈出指令,POP,也是,一樣，在執(zhí)行下條指令之前都不能響應中斷。,(4),在,

23、WAIT,指令,和,重復數(shù)據(jù)串操作指令,執(zhí)行的過程中,間可以響應中斷請求，但必須要等一個基本操作或一個等,待檢測周期完成后才能響應中斷。,(5),因為,NMI,引腳上的中斷請求是需要立即處理的,所,以在,進入執(zhí)行任何中斷（包括內(nèi)部中斷）服務程序之前,都要安排,測試,NMI,引腳上是否有中斷請求,，以保證它,實際,上有最高的優(yōu)先權,。這時要為轉(zhuǎn)入執(zhí)行,NMI,中斷服務程序,而再次保護現(xiàn)場、斷點，并在執(zhí)行完,NMI,中斷服務程序后,返回到所中斷的服務程序,例如內(nèi)部中斷或,INTR,中斷的中,斷服務程序。,(6),若,TEMP=1,，則在中斷前,CPU,已處于單步工,作方式，就和,NMI,一樣重新保

24、護現(xiàn)場和斷點，,轉(zhuǎn)入單步中,斷服務程序,。若,TEMP=0,，也就是在中斷前,CPU,處于非單步,工作方式，則這時,CPU,將轉(zhuǎn)去執(zhí)行最先引起中斷的中斷服,務程序。,(7),中斷處理程序結束,時,由中斷返回指令將堆棧中,存放的,IP,、,CS,以及,FLAG,值還原給指令指針,IP,、代碼段寄存,器,CS,以及標志寄存器,。,(,二,),同時發(fā)生多個中斷的處理過程,當,多個中斷請求同時產(chǎn)生,時，,8086 CPU,將根據(jù)各中斷源優(yōu)先權的高低來處理，,首先,響應優(yōu)先權較高的中斷請求,，等具有較高優(yōu),先權的中斷請求,處理完以后,，再去,依次響應,和處理其他中斷申請,。,四、,可屏蔽中斷的過程,(,

25、一,) INTR,中斷的全過程,首先，中斷請求信號,INTR,由外部設備產(chǎn)生并送至,8086,的,INTR,引腳上。,CPU,是否響應取決于,CPU,內(nèi)部的,IF,標志。,如果,IF,標志為,0,則,CPU,不會識別中斷；,當,IF=1,并出現(xiàn),INTR,請求信號時,CPU,在完成正在執(zhí)行的,指令后，便開始響應中斷。,步驟如下：,(1) CPU,讀取,中斷類型號,n,。,CPU,發(fā)出,INTA,信號，外部中斷接口電路把,中斷,類型號通過數(shù)據(jù)總線送給,CPU,；,(2),按先后順序把,FLAG,、,CS,和,IP,的當前內(nèi)容,壓入堆棧,;,(3),清除,IF,和,TF,標志；,(4),查中斷向量

26、表,，把,4,n,2,的字存儲單元,中的內(nèi)容讀入,CS,中，把,4,n,的字存儲單元中內(nèi)容,讀入,IP,中。,(,二,),中斷類型號的獲得,(1),除法錯誤、單步中斷、非屏蔽中斷、斷點,中斷和溢出中斷,分別由,CPU,芯片內(nèi),的硬件自提供類,型號,0,4,。,(2),軟件中斷,則是從,指令流,中,即在第,2,個字節(jié),中讀得中斷類型號。,(3),外部中斷,INTR,可以用不同的方法獲得中,斷類型號。例如，在,PC,系列微機中,可以由,Intel,8259A,芯片或集成了,8259A,的超大規(guī)模集成外圍芯,片來提供中斷類型號（參見第,7,章）。,五、,中斷響應時序,下面以,8086 CPU,的最小方式以及用戶定義的硬件中,斷為例來討論中斷響應的時序,如圖,6.26,所示。,中斷向量表中,40H,7FH,中斷向量是留給用戶增加中斷服,務程序時使用的。,可以將某些通用性強的子程序功能,用中斷子程序來實現(xiàn)。,其他應用程序中就可以調(diào)用這