微機原理ch08中斷和8259芯片

1、.8 中斷和8259芯片8.1 概述中斷是一個過程，這個過程一般由微處理器外部或內(nèi)部硬件引起的。CPU在執(zhí)行程序的過程中被內(nèi)部或外部事件所打斷，CPU暫時中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行預(yù)先安排好的程序，即中斷數(shù)服務(wù)程序（ISR），待處理完畢后又回到原先的斷點繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。中斷請求的實現(xiàn)要由軟件來實現(xiàn)，編寫軟件需要了解硬件是如何工作的。在計算機系統(tǒng)中，凡是能引起中斷的事件被稱為中斷源，即中斷的來源。通常中斷源有以下幾種：l 一般的I/O設(shè)備，如打印機l 數(shù)據(jù)通道中斷源，如磁盤l 實時時鐘l 故障源，如電源故障，存儲出錯l 軟件中斷為了滿足各種情況的要求，中斷系統(tǒng)應(yīng)具備以下的功能：l 實現(xiàn)中

2、斷響應(yīng)、中斷服務(wù)及返回l 實現(xiàn)中斷優(yōu)先權(quán)排隊l 實現(xiàn)中斷嵌套中斷一般是隨機發(fā)生的，因而中斷涉及的基本問題很多，如：l CPU何時檢測中斷請求信號l CPU如何響應(yīng)中斷請求l CPU如何識別中斷源l CPU如何轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，如何從中斷服務(wù)程序返回l 如何實現(xiàn)中斷優(yōu)先排隊，如何處理多重中斷l(xiāng) 如何管理中斷中斷優(yōu)先權(quán)（priority）是指系統(tǒng)設(shè)計者事先根據(jù)事件的輕重緩急，給每個中斷源確定的優(yōu)先服務(wù)的級別。系統(tǒng)根據(jù)中斷優(yōu)先權(quán)的高低確定優(yōu)先為哪個中斷服務(wù)。8.1.1 中斷源的識別中斷源的識別可以通過向量中斷或中斷查詢等方法來實現(xiàn)。8.1.1.1 中斷查詢或稱查詢中斷查詢中斷和查詢傳送方式是有本

3、質(zhì)區(qū)別的：查詢傳送方式需要CPU花費很多時間不斷地循環(huán)詢問接口電路，以等待設(shè)備的就序信號。查詢中斷是一種由中斷啟動而不是由微處理器啟動的查詢方法。查詢方法的接口電路xor al, al;CF = 0mov dx, 340hin al, dx;讀如中斷寄存器狀態(tài)rcr al, 1jc serv_a;若有外設(shè)A的請求，則轉(zhuǎn)A中斷服務(wù)程序rcr al, 1jc serv_b;若有外設(shè)B的請求，則轉(zhuǎn)B中斷服務(wù)程序8.1.1.2 向量中斷Vectored Interrupt該方法對中斷源的識別最快。CPU響應(yīng)中斷時，通過中斷響應(yīng)信號選通中斷接口，中斷接口將中斷向量號送至數(shù)據(jù)總線，CPU根據(jù)中斷向量號獲知

4、中斷服務(wù)程序的入口地址。8.1.2 中斷優(yōu)先級排隊硬件優(yōu)先級排隊8.1.2.1 菊花鏈優(yōu)先級排隊8.1.2.2 優(yōu)先級編碼電路由8:3優(yōu)先級編碼器、優(yōu)先級寄存器、3位數(shù)字比較器組成的一種中斷優(yōu)先級排隊電路。（編碼器、譯碼器、比較器參見數(shù)字電路的組合邏輯）優(yōu)先級寄存器的內(nèi)容可以由用戶設(shè)定，其中一位為禁止位，優(yōu)先級寄存器保留著正在進行的中斷服務(wù)的編碼。設(shè)：優(yōu)先級最低的線通過編碼器后的編碼為000B，最高的線編碼為111B如果CPU當前正在進行一個中斷服務(wù)，則優(yōu)先級寄存器輸出低電平，寄存器保留著正在服務(wù)的中斷編碼。如果CPU當前沒有進行一個中斷服務(wù)，則優(yōu)先級寄存器輸出高電平。8.1.2.3 采用專用

5、的中斷優(yōu)先級管理芯片采用專門的可編程芯片來完成中斷優(yōu)先級的管理，如Intel 8259A。8.1.3 中斷嵌套中斷嵌套是指在中斷過程中，CPU又收到優(yōu)先級更高的中斷請求，若條件滿足CPU將暫停當前的中斷服務(wù)，轉(zhuǎn)去為更高優(yōu)先級的中斷服務(wù)，待返回后再繼續(xù)執(zhí)行被打斷的中斷服務(wù)程序，形成嵌套的中斷。硬件中斷優(yōu)先級排隊方案在軟件的配合下都可以方便地實現(xiàn)中斷嵌套。軟件查詢中斷優(yōu)先級排隊方法只要編寫相應(yīng)的處理程序段也可以實現(xiàn)中斷嵌套，但程序相對復(fù)雜、費時，一般不采用。8.1.4 中斷處理CPU響應(yīng)了中斷就轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序中，在ISR中要做如下工作：l 保護現(xiàn)場CPU響應(yīng)中斷時自動保護了CS、IP和Flag寄

6、存器，在中斷服務(wù)程序中會用到另一些寄存器，為了保證中斷返回后主程序正確繼續(xù)執(zhí)行，必須把這些寄存器壓入堆棧保護起來，稱為保護現(xiàn)場。l 如允許中斷被嵌套需打開中斷CPU在響應(yīng)中斷時已自動關(guān)閉中斷（IF=0）不允許其他的中斷來打斷他。如果允許比他優(yōu)先級更高的中斷來打斷，則需要用STI指令打開中斷。l 中斷服務(wù)這是ISR的核心，即完成外部設(shè)備要求CPU完成的工作。l 恢復(fù)現(xiàn)場在中斷返回前要把保護現(xiàn)場壓入堆棧的寄存器的內(nèi)容恢復(fù)為先前的值。需要注意的是出棧的順序與入棧的順序相反。l 中斷返回中斷服務(wù)程序的最后一條指令是IRET。執(zhí)行IRET指令，CPU自動從堆棧中彈出Flag、IP和CS，返回主程序繼續(xù)執(zhí)

7、行。8.2 8088/86中斷系統(tǒng)Intel 8088/86具有一個簡單而靈活的中斷系統(tǒng)，采用向量中斷機制，能處理256個中斷，用中斷向量號0255來區(qū)別，可用軟件也可用硬件來啟動中斷。中斷源可來自內(nèi)部，也可來自外圍芯片。8.2.1 中斷類型8.2.1.1 內(nèi)部中斷內(nèi)部中斷是通過軟件調(diào)用的非屏蔽中斷，是CPU根據(jù)軟件中的某條指令或者軟件對標志寄存器中某些標志的設(shè)置而產(chǎn)生的。8.2.1.1.1 除法錯中斷在執(zhí)行除法指令時，若除數(shù)為0或商超過寄存器所能表示的范圍，則立即產(chǎn)生一個向量號為0的內(nèi)部中斷，稱為除法錯中斷。8.2.1.1.2 溢出中斷若上一條會使溢出標志（OF）置1，那么執(zhí)行INTO指令時

8、立即產(chǎn)生一個向量號為4的中斷。若溢出標志（OF）為0，則INTO指令不起作用。8.2.1.1.3 單步中斷若單步標志（TF）為1，則在每條指令執(zhí)行結(jié)束后，CPU自動產(chǎn)生一個向量號為1的中斷，使程序單步執(zhí)行，為用戶提供調(diào)試手段。8088/86的指令系統(tǒng)中并沒有一條設(shè)置TF的指令，那么，如何設(shè)置TF呢？pushfpop axor ax, 0100h;Bit8=1, TF=1push axpopf;TF置1, 其他標志不變8.2.1.1.4 指令中斷INT中斷指令格式：INT n操作：(SP)(SP)-2(SP)+1):(SP)FLAGS(IF)0(TF)0(SP)(SP)-2(SP)+1):(SP

9、)(CS)(CS)(n x 4 + 2)(SP)(SP)-2(SP)+1):(SP)(IP)(IP)(n x 4)8.2.1.2 外部中斷通過外部的硬件產(chǎn)生的中斷，也稱硬件中斷。8.2.1.2.1 非屏蔽中斷通過CPU的NMI（Non-Maskable Interrupt）引腳向CPU提出的中斷請求。CPU在當前指令執(zhí)行結(jié)束后予以響應(yīng)，其中斷號為2。主要用于處理系統(tǒng)的意外或故障，如：l 電源掉電l 存儲器讀寫錯誤l 協(xié)處理器異常l 非屏蔽中斷不受IF的屏蔽，整個系統(tǒng)中只能有一個該種中斷。8.2.1.2.2 可屏蔽中斷通過CPU的INTR引腳向CPU提出的中斷請求。當IF為1時，在當前指令結(jié)束后

10、CPU予以響應(yīng)，同時輸出可屏蔽中斷響應(yīng)信號-INTA。若IF為0，則可屏蔽中斷被禁止，稱之為關(guān)中斷。要使CPU處于開中斷的狀態(tài)，需要使用開中斷指令：STI，使IF=1。要使CPU處于關(guān)中斷的狀態(tài)，需要使用關(guān)中斷指令：CLI，使IF=0。關(guān)中斷的情況有：l 系統(tǒng)復(fù)位后l 任何一個中斷（內(nèi)部的或外部的）被響應(yīng)后l 執(zhí)行關(guān)中斷指令STI后8.2.2 中斷向量和中斷向量表Interrupt Vector, Interrupt Vector Table中斷向量是中斷服務(wù)程序的入口地址，該地址是一個邏輯地址，含有段地址CS和偏移地址IP，是一個32位遠指針。中斷向量表是一種表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是中斷服務(wù)程序入口地

11、址表，占用內(nèi)存00000H003FFH的1K空間。這個表中共有256個表項，對應(yīng)于向量號0255，每個表項為兩個字，其中高字為CS，低字為IP。Intel公司規(guī)定：04是專用中斷。531為將來擴展或特殊用途而保留。32255是用戶可以使用的中斷向量。在PC機中，ROM-BIOS設(shè)置部分中斷向量，DOS啟動后也建立一些中斷向量。8.2.3 中斷響應(yīng)過程CPU在執(zhí)行程序過程中，如果出現(xiàn)：l 內(nèi)部中斷，或l 外部中斷，即中斷請求信號有效8088/86按圖中的左半部分順序查詢，并獲得中斷向量號，中斷的優(yōu)先級：l 內(nèi)部中斷（軟件中斷）l 非屏蔽中斷l(xiāng) 可屏蔽中斷l(xiāng) 單步中斷獲取中斷向量號的處理過程：1)

12、 將標志寄存器壓入堆棧，以保護各個標志位2) 使IF和TF為0，禁止可屏蔽中斷和單步中斷IF=0，是為了能夠在中斷響應(yīng)過程中暫時屏蔽外部其他中斷，以免還沒有完成當前的中斷響應(yīng)過程而又被另一個中斷請求打斷。TF=0，是為了避免CPU以單步方式執(zhí)行中斷處理程序。3) 將斷點保護在堆棧中斷點是指在響應(yīng)中斷時，主程序中當前指令下面的一條指令的地址，即CS和IP中的值。4) 從中斷向量號n乘以4的內(nèi)存地址中取中斷向量送CS:IP(n×4) (n×41)IP，(n×42) (n×43)CS5) 控制轉(zhuǎn)移到CS:IP指示的中斷服務(wù)程序入口地址，執(zhí)行處理程序。6) 中斷

13、服務(wù)程序最后的一條指令是IRET，該指令將標志寄存器和斷點地址出?；謴?fù)為中斷前的值，于是控制又回到斷點處繼續(xù)執(zhí)行。IRET中斷返回指令格式：IRET操作：(IP)(SP)+1):(SP)(SP)(SP)+2(CS)(SP)+1):(SP)(SP)(SP)+2FLAGS(SP)+1):(SP)(SP)(SP)+28.2.4 中斷響應(yīng)時序8.3 中斷控制器Intel 8259AIntel 8259A是一種可編程中斷控制器，是為管理8080/8085和8088/86微處理器的可屏蔽中斷而設(shè)計的，也可以用于80286。一片8259A可以管理8級中斷，通過多片級聯(lián)可以擴展至64級，每一級中斷都可以單獨被

14、屏蔽或允許。8259A在中斷響應(yīng)周期可提供相應(yīng)的中斷向量號。8.3.1 8259A內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳8.3.2 8259A的中斷過程1) 8259A的一條或幾條IRi信號有效（高電平），表示請求中斷，使IRR的相應(yīng)位Di置位。2) 8259A對這些請求進行分析，如果中斷允許則向CPU發(fā)出INT信號。3) CPU在允許可屏蔽中斷時對INTR作出響應(yīng)，產(chǎn)生中斷響應(yīng)周期。4) 8259A收到第一個-INTA有效信號后，使最高優(yōu)先級的ISR位置位，對應(yīng)的IRR位復(fù)位。5) 8259A收到第二個-INTA有效信號時，把中斷向量號送上數(shù)據(jù)總線，供CPU讀取。6) CPU利用中斷向量號轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序，直到IR

15、ET指令返回。8.3.3 8259A的工作方式8.3.4 8259A的編程編程分為：l 初始化編程l 中斷操作編程8259A能夠開始工作之前必須進行初始化編程，即給8259A寫入初始化命令字（Initialization Command Word, ICW）。在8259A工作期間，可以通過寫入操作命令字（Operation Command Word, OCW）將選定的操作傳送給8259A，使之按照新的要求工作。同時，還可以讀取8259A的信息，以便了解其工作狀態(tài)。8.3.4.1 初始化命令字ICWICW共有4個，是8259A在開始工作前必須寫入的，且必須按照ICW1ICW4的順序?qū)懭?，設(shè)置的流

16、程如下： 8.3.4.1.1 ICW1初始化命令字8.3.4.1.2 ICW2中斷向量命令字8.3.4.1.3 ICW3級連命令字8.3.4.1.4 ICW4中斷方式命令字8.3.4.2 操作命令字OCW8259A工作期間可以隨時接受操作命令字，OCW共有3個：OCW1，OCW2，OCW3，寫入時沒有順序要求。8.3.4.2.1 OCW1屏蔽命令字8.3.4.2.2 OCW2中斷結(jié)束優(yōu)先級循環(huán)命令字8.3.4.2.3 OCW3屏蔽和讀狀態(tài)命令字8.3.5 8259A在IBM PC系列機上的應(yīng)用8.3.5.1 IBM PC/XT的硬件中斷8.3.5.2 IBM PC/AT的硬件中斷主從INT n

17、IRQ008HIRQ109HIRQ20AHIRQ870HIRQ971HIRQ1072HIRQ1173HIRQ1274HIRQ1375HIRQ1476HIRQ1577HIRQ30BHIRQ40CHIRQ50DHIRQ60EHIRQ70FHIBM PC/AT機使用兩個8259A形成級連系統(tǒng)，在ROM-BIOS對它們的進行初始化。1) 利用上升沿做為中斷請求IRQ的有效信號。2) IRQ0IRQ7的中斷向量號為08H0FH，IRQ8IRQ15的中斷向量號為70H77H。3) 采用普通全嵌套優(yōu)先級方式，順序從高到低：IRQ0IRQ2，IRQ8IRQ15，IRQ3IRQ7且不能改變。;初始化主片8259

18、Amov al, 11h;寫入ICW1：設(shè)定邊緣觸發(fā)，級聯(lián)方式out 20h, al;主片I/O地址是20H和21Hjmp intr1;轉(zhuǎn)移指令起到延時作用，等待8259A操作結(jié)束intr1:mov al, 08h;寫入ICW2：設(shè)定主片IR0的中斷向量號為08Hout 21h aljmp intr2intr2:mov al, 04h;寫入ICW3：設(shè)定主片IR2級連從片out 21h, aljmp intr3intr3mov al, 01h;寫入ICW4：設(shè)定普通全嵌套方式，; 普通中斷結(jié)束方式out 21h, al;初始化從片8259Amov al, 11h;寫入ICW1：設(shè)定邊緣觸發(fā)，級

19、聯(lián)方式out 0a0h, aljmp intr5intr5:mov al, 70h;寫入ICW2：設(shè)定從片IR0的中斷向量號為70Hout 0a1h aljmp intr6intr6:mov al, 02h;寫入ICW3：設(shè)定從片級連于主片的IR2 out 0a1h, aljmp intr7intr7mov al, 01h;寫入ICW4：設(shè)定普通全嵌套方式，; 普通中斷結(jié)束方式out 0a1h, al4) 采用普通中斷結(jié)束方式，需要在中斷服務(wù)程序中發(fā)送普通EOI命令。;對主片的IRQ0IRQ7中斷，發(fā)送普通EOI命令（OCW2）mov al, 20h;out 20h, al; ;對從片的IRQ

20、8IRQ15中斷，發(fā)兩個送普通EOI命令，;一個給從片，一個給主片mov al, 20h;out 0a0h, al;寫入從片EOI命令out 20h, al;寫入主片EOI命令5) 采用普通屏蔽方式，通過寫入IMR允許中斷，但注意不要破壞原屏蔽狀態(tài)，如允許IRQ0（日時鐘中斷），IRQ1（鍵盤中斷）in al, 21h;讀出IMRand al, 0fch;只允許IRQ0，IRQ1，其余不變out 21h, al;寫入OCW1，即IMR8.4 中斷服務(wù)程序8.4.1 內(nèi)部中斷服務(wù)程序主程序（用戶的應(yīng)用程序）通過中斷指令I(lǐng)NT n執(zhí)行內(nèi)部中斷服務(wù)程序。編寫內(nèi)部中斷服務(wù)程序與編寫子程序類似，都是用偽

21、指令proc/endp。不同的是：進入中斷服務(wù)程序后，通常要執(zhí)行指令STI開放可屏蔽中斷，最后執(zhí)行IRET指令返回調(diào)用程序。內(nèi)部中斷服務(wù)程序通常采用寄存器傳遞參數(shù)。主程序在調(diào)用內(nèi)部中斷服務(wù)程序之前，必須修改中斷向量，使其指向相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，可以利用DOS功能調(diào)用21H的功能25H來實現(xiàn)：DOS功能調(diào)用21H 設(shè)置中斷向量功能號：AH 25H入口參數(shù)：AL 中斷向量號DS:DX 中斷向量（段地址:偏移地址）主程序在結(jié)束之前要將修改的中斷向量恢復(fù)回來，可以利用DOS功能調(diào)用21H的功能35H來實現(xiàn)：DOS功能調(diào)用21H 獲取中斷向量功能號：AH 35H入口參數(shù)：AL 中斷向量號ES:BX 中斷

22、向量（段地址:偏移地址）例：編寫80H號中斷服務(wù)程序，顯示以0結(jié)尾的字符串，字符緩沖區(qū)首地址為該中斷服務(wù)程序的入口地址，利用DS:DX來傳送。主程序首先獲取80H原中斷向量并保存之，然后設(shè)置新的中斷向量，之后主程序就可以調(diào)用80H中斷服務(wù)程序了。主程序最后應(yīng)恢復(fù)原中斷，達到返回到DOS后而不改變系統(tǒng)狀態(tài)的目的。;數(shù)據(jù)段intoffdw ?intsegdw ?intmsgdb Merry Christmas, 0dh, 0ah, 0;-;代碼段mov ax, 3580h;獲取原80H中斷向量int 21hmov intoff, bx;保存中斷向量的偏移地址mov intseg, es;保存中斷向

23、量的段地址push dsmov dx, offset new80hmov ax, seg new80hmov ds, axmov ax, 2580h;設(shè)置本程序的80H中斷向量int 21hpop ds;mov dx, offset intmsg;設(shè)置ISR的入口參數(shù)DS:DXint 80h;調(diào)用80H ISR，顯示字符串;mov dx, intoff;恢復(fù)原系統(tǒng)的80H中斷向量mov ax, intseg;注意要先設(shè)置DX，后設(shè)置DS，因為mov ds, ax;先改變了DS就不能準確獲取intoff變量mov ax, 2580hint 21h;-;80H ISRnew80hprocsti;開

24、中斷push ax;保護現(xiàn)場push bxpush simov si, dx;DX為字符串的偏移地址lp1:mov al, si;取一個字符cmp al, 0;為0就結(jié)束jz lp2mov bx, 0;采用ROM-BIOS調(diào)用顯示一個字符（系統(tǒng)調(diào)用）mov ah, 0ehint 10hinc si;指向下一個字符jmp lp1lp2:pop si;恢復(fù)現(xiàn)場pop bxpop axiret;中斷結(jié)束new80hendp8.4.2 外部中斷服務(wù)程序外部中斷服務(wù)程序用于實現(xiàn)系統(tǒng)與外設(shè)交換信息。編寫外部中斷服務(wù)程序具有一定的特殊性，較編寫內(nèi)部中斷服務(wù)程序復(fù)雜。編寫外部中斷服務(wù)程序需要注意的問題：l 發(fā)

25、送中斷結(jié)束命令8259A采用普通中斷結(jié)束方式，需要發(fā)送EOI命令l 一般只能存儲器單元傳送數(shù)據(jù)中斷是隨機發(fā)生的，除CS、IP外，其他寄存器是不可預(yù)知的。l 不要使用DOS功能調(diào)用DOS內(nèi)核規(guī)定DOS功能調(diào)用是不可重入的。最好使用ROM-BIOS調(diào)用，或直接對I/O接口編程。l 中斷服務(wù)程序盡量短小，保證實時性。主程序方面l 需要修改中斷向量l 控制CPU的IF標志l 設(shè)置8259A的IMR例：8259A的IRQ0（中斷向量號為08H）來自于定時計數(shù)器8253，每隔55ms產(chǎn)生一次，實現(xiàn)日時鐘計時。本程序用新的08H號中斷服務(wù)程序暫時代替計時程序，使得每次中斷顯示一串信息，顯示10次后，恢復(fù)原中斷服務(wù)程序，返回DOS。;數(shù)據(jù)段intmsgdb A 8259A Interrupt!,