中斷系統(tǒng)和程序方式

北京理工大學(xué)計算機學(xué)院第9章9.1主機與外設(shè)的連接9.2程序查詢方式及其接口9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式9.4DMA方式及其接口9.5通道控制方式北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式9.3.1中斷的基本概念中斷的提出程序查詢方式存在著下列明顯的缺點。①在查詢過程中，CPU長期處于踏步等待狀態(tài)，使系統(tǒng)效率大大降低。②CPU在一段時間內(nèi)只能和一臺外設(shè)交換信息，其它設(shè)備不能同時工作。③不能發(fā)現(xiàn)和處理預(yù)先無法估計的錯誤和異常情況。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式啟動工作工作完成完成響應(yīng)響應(yīng)中斷請求中斷請求中斷返回中斷返回外部設(shè)備中斷服務(wù)程序現(xiàn)行程序CPU北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

為了提高輸入/輸出能力和CPU的效率，50年代中期，中斷傳送方式被引進計算機系統(tǒng)?，F(xiàn)代計算機，無論是巨型機、大型機、小型機還是微型機無不具有中斷能力。中斷系統(tǒng)是計算機實現(xiàn)中斷功能的軟、硬件總稱。一般在CPU中配置中斷機構(gòu)，在外設(shè)接口中配置中斷控制器，在軟件上設(shè)計相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.程序中斷與調(diào)用子程序的區(qū)別表面上看起來，計算機的中斷處理過程有點類似于調(diào)用子程序的過程，這里現(xiàn)行程序相當于主程序，中斷服務(wù)程序相當于子程序。但是，它們之間卻是有著本質(zhì)上的區(qū)別的。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(1)子程序的執(zhí)行是由程序員事先安排好的（由一條調(diào)用子程序指令轉(zhuǎn)入），而中斷服務(wù)程序的執(zhí)行則是由隨機的中斷事件引起的；

(2)子程序的執(zhí)行受到主程序或上層子程序的控制，而中斷服務(wù)程序一般與被中斷的現(xiàn)行程序毫無關(guān)系；

(3)不存在同時調(diào)用多個子程序的情況，而有可能發(fā)生多個外設(shè)同時請求CPU為自己服務(wù)的情況。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式3.中斷的基本類型(1)自愿中斷和強迫中斷自愿中斷又稱程序自中斷，它不是隨機產(chǎn)生的中斷，而是在程序中安排的有關(guān)指令，這些指令可以使機器進入中斷處理的過程，如：指令系統(tǒng)中的軟件中斷指令等。

強迫中斷是隨機產(chǎn)生的中斷，不是程序中事先安排好的。當這種中斷產(chǎn)生后，由中斷系統(tǒng)強迫計算機中止現(xiàn)行程序并轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)程序中斷和簡單中斷

程序中斷就是我們前面提到的中斷，主機在響應(yīng)中斷請求后，通過執(zhí)行一段中斷服務(wù)程序來處理更緊迫的任務(wù)。

簡單中斷就是外設(shè)與主存間直接進行信息交換的方法，即DMA方式。這種“中斷”不去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，故不破壞現(xiàn)行程序的狀態(tài)。主機發(fā)現(xiàn)有簡單中斷請求（也就是DMA請求）時，將讓出一個或幾個存取周期供外設(shè)與主存交換信息，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(3)內(nèi)中斷和外中斷內(nèi)中斷是指由于CPU內(nèi)部硬件或軟件原因引起的中斷。

外中斷是指CPU以外的部件引起的中斷。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(4)向量中斷和非向量中斷

向量中斷是指那些中斷服務(wù)程序的入口地址是由中斷事件自己提供的中斷。中斷事件在提出中斷請求的同時，通過硬件向主機提供中斷服務(wù)程序入口地址，即向量地址。非向量中斷的中斷事件不能直接提供中斷服務(wù)程序的入口地址，而由CPU查詢之后得到。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(5)單重中斷和多重中斷

單重中斷在CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過程中不能被再打斷。

多重中斷在執(zhí)行某個中斷服務(wù)程序的過程中，CPU可去響應(yīng)級別更高的中斷請求，又稱為中斷嵌套。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式9.3.2中斷請求和中斷判優(yōu)1.中斷源和中斷請求信號

中斷源是指中斷的來源，即任何引起計算機中斷的事件，一般計算機都有多個中斷源。由于每個中斷源向CPU發(fā)出中斷請求的時間是隨機的，為了記錄中斷事件并區(qū)分不同的中斷源，可采用具有存儲功能的觸發(fā)器來記錄中斷源，稱為中斷請求觸發(fā)器。當某一個中斷源有中斷請求時，其相應(yīng)的中斷請求觸發(fā)器置成“1”狀態(tài)，此時，該中斷源向CPU發(fā)出中斷請求信號。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

多個中斷請求觸發(fā)器構(gòu)成一個中斷請求寄存器，其中每一位對應(yīng)一個中斷源，中斷請求寄存器的內(nèi)容稱為中斷字或中斷碼，中斷字中為“1”的位就表示對應(yīng)的中斷源有中斷請求。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.中斷請求信號的傳送(1)獨立請求線每個中斷源單獨設(shè)置中斷請求線，將中斷請求信號直接送往CPU，這種方式的特點是CPU在接到中斷請求的同時也就知道了中斷源是誰，其中斷服務(wù)程序的入口地址在哪里。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)公共請求線多個中斷源共有一根公共請求線，這種方式的特點是在負載允許的情況下，中斷源的數(shù)目可隨意擴充，但CPU在接到中斷請求后，必須通過軟件或硬件的方法來識別中斷源，然后再找出中斷服務(wù)程序的入口地址。(3)二維結(jié)構(gòu)將中斷請求線連成二維結(jié)構(gòu)，同一優(yōu)先級別的中斷源，采用一根公共的請求線，不同請求線上的中斷源優(yōu)先級別不同，這種方式綜合了前兩種方式的優(yōu)點，在中斷源較多的系統(tǒng)中常采用這種方式。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式3.中斷優(yōu)先級與判優(yōu)方法當多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，CPU在任何瞬間只能接受一個中斷源的請求。通常，把全部中斷源按中斷的性質(zhì)和處理的輕重緩急安排優(yōu)先級，并進行排隊。確定中斷優(yōu)先級的原則是：對那些提出中斷請求后需要立刻處理，否則就會造成嚴重后果的中斷源規(guī)定最高的優(yōu)先級；而對那些可以延遲響應(yīng)和處理的中斷源規(guī)定較低的優(yōu)先級。如故障中斷一般優(yōu)先級較高，接著才是I/O設(shè)備中斷。而在I/O設(shè)備中又可以根據(jù)各個設(shè)備的速度來決定優(yōu)先級。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

每個中斷源均有一個為其服務(wù)的中斷服務(wù)程序，每個中斷服務(wù)程序都有與之對應(yīng)的優(yōu)先級別。另外，CPU正在執(zhí)行的程序也有優(yōu)先級。只有當某個中斷源的優(yōu)先級別高于CPU現(xiàn)在的優(yōu)先級時，才能中止CPU執(zhí)行現(xiàn)在的程序。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(1)軟件判優(yōu)法軟件判優(yōu)法，就是用程序來判別優(yōu)先級，這是最簡單的中斷判優(yōu)方法。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

當CPU接到中斷請求信號后，就執(zhí)行查詢程序，逐個檢測中斷請求寄存器的各位狀態(tài)，檢測順序是按優(yōu)先級的大小排列的，最先檢測的中斷源具有最高的優(yōu)先級，其次檢測的中斷源具有次高優(yōu)先級，如此下去，最后檢測的中斷源具有最低的優(yōu)先級。顯然，軟件判優(yōu)是與識別中斷源結(jié)合在一起的，當查詢到中斷請求信號的發(fā)出者，也就是找到了中斷源，程序立即可以轉(zhuǎn)入對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中去。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)硬件判優(yōu)電路采用硬件實現(xiàn)中斷優(yōu)先級判定可節(jié)省CPU時間，而且速度快，但是成本較高。根據(jù)中斷請求信號的傳送方式不同，有不同的優(yōu)先排隊電路，常見的有以下幾種方案。獨立請求線的優(yōu)先排隊電路公共請求線的優(yōu)先排隊電路北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式9.3.3中斷響應(yīng)和中斷處理1.CPU響應(yīng)中斷的條件(1)CPU接收到中斷請求信號首先中斷源要發(fā)出中斷請求，同時CPU還要接收到這個中斷請求信號。(2)CPU允許中斷

CPU允許中斷即開中斷。CPU內(nèi)部有一個中斷允許觸發(fā)器，只有當其被置位時，CPU才可能響應(yīng)中斷源的中斷請求（中斷開放）。如其被復(fù)位，CPU處于不可中斷狀態(tài)，即使中斷源有中斷請求，CPU也不響應(yīng)（中斷關(guān)閉）。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(3)一條指令執(zhí)行完畢一般情況下，CPU在一條指令執(zhí)行完畢，且沒有更緊迫的任務(wù)時才能響應(yīng)中斷請求。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.中斷隱指令

CPU響應(yīng)中斷之后，經(jīng)過某些操作，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。這些操作是由硬件直接實現(xiàn)的，我們把它稱為中斷隱指令。中斷隱指令并不是指令系統(tǒng)中的一條真正的指令，它沒有操作碼，所以中斷隱指令是一種不允許、也不可能為用戶使用的特殊指令。其所完成的操作主要有：北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(1)保存斷點將原來程序的斷點（即程序計數(shù)器PC的內(nèi)容）保存起來。(2)暫不允許中斷為了在用軟件保護中斷現(xiàn)場（即CPU的主要寄存器狀態(tài)）時，不被新的中斷所打斷，從而保證被中斷的程序在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢之后能接著正確地執(zhí)行下去。(3)引出中斷服務(wù)程序引出中斷服務(wù)程序的實質(zhì)就是取出中斷服務(wù)程序的入口地址送程序計數(shù)器。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式3.中斷周期中斷周期需完成如下操作：(1)將特定地址“0”送至存儲器地址寄存器，記作0→MAR；(2)將PC的內(nèi)容（斷點）送至MDR，記作(PC)→MDR；

(3)向主存發(fā)寫命令，啟動存儲器做寫操作，記作Write；(4)將MDR的內(nèi)容通過數(shù)據(jù)總線寫入到MAR所指示的主存單元（0號）中，記作MDR→M(MAR)；北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(5)向量地址形成部件的輸出送至PC，為進入中斷服務(wù)程序作準備，記作向量地址→PC；(6)關(guān)中斷，將中斷允許觸發(fā)器清0，記作0→EINT。如果斷點存入堆棧，只需將上述(1)改為堆棧指針SP→MAR。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式4.進入中斷服務(wù)程序識別中斷源在于轉(zhuǎn)入為該中斷源專門設(shè)置的中斷服務(wù)程序。向量中斷時，中斷源向CPU發(fā)出中斷請求信號之后，CPU經(jīng)過一定的判優(yōu)處理，若決定響應(yīng)這個中斷請求，則向中斷源發(fā)出中斷響應(yīng)信號。中斷源接到中斷響應(yīng)信號后就通過自己的向量地址發(fā)生器向CPU發(fā)送向量地址。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式工作完成允許中斷發(fā)中斷請求中斷優(yōu)先級判定選優(yōu)中斷響應(yīng)識別中斷源向量地址形成現(xiàn)場處理啟動中斷服務(wù)程序向量地址_____INTRINTA中斷源CPU工作完成允許中斷發(fā)中斷請求中斷優(yōu)先級判定選優(yōu)中斷響應(yīng)識別中斷源向量地址形成現(xiàn)場處理啟動中斷服務(wù)程序北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式向量地址通常有兩種情況：(1)向量地址是中斷服務(wù)程序的入口地址如果向量地址就是中斷服務(wù)程序的入口地址，則CPU不需要再經(jīng)過處理就可以進入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。

PC←8×NNN轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序入口地址由此可見，中斷服務(wù)程序的入口地址依次是00H、08H、10H、……、38H。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)向量地址是中斷向量表的指針如果向量地址是中斷向量表的指針，則向量地址指向一個中斷向量表，從中斷向量表的相應(yīng)單元中再取出中斷服務(wù)程序的入口地址，此時中斷源給出的向量地址是中斷服務(wù)程序入口地址的地址。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式5.中斷現(xiàn)場的保護和恢復(fù)中斷現(xiàn)場指的是發(fā)生中斷時CPU的主要狀態(tài)，其中最重要的是斷點，另外還有一些通用寄存器的狀態(tài)。之所以需要保護和恢復(fù)現(xiàn)場的原因是因為CPU要先后執(zhí)行兩個完全不同的程序（現(xiàn)行程序和中斷服務(wù)程序），必須進行兩種程序運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。一般來說，在中斷隱指令中，CPU硬件將自動保存斷點，有些計算機還自動保存程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。但是，在許多應(yīng)用中，要保證中斷返回后原來的程序能正確地繼續(xù)運行，僅保存這一、二個寄存器的內(nèi)容是不夠的。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

為此，在中斷服務(wù)程序開始時，應(yīng)由軟件去保存那些硬件沒有保存，而在中斷服務(wù)程序中又可能用到的寄存器（如某些通用寄存器）的內(nèi)容，在中斷返回之前，這些內(nèi)容還應(yīng)該被恢復(fù)。現(xiàn)代計算機一般都先采用硬件方法來自動快速的保護和恢復(fù)部分重要的現(xiàn)場，其余寄存器的內(nèi)容再由軟件完成保護和恢復(fù)，這種方法的硬件支持是堆棧。

北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式9.3.4多重中斷與中斷屏蔽1.中斷嵌套中斷嵌套的層次可以有多層，越在里層的中斷越急迫，優(yōu)先級越高，因此優(yōu)先得到CPU的服務(wù)。要使計算機具有多重中斷的能力，首先要能保護多個斷點，先發(fā)生的中斷請求的斷點，先保護后恢復(fù)；后發(fā)生的中斷請求的斷點，后保護先恢復(fù)，堆棧的先進后出特點正好滿足多重中斷這一先后次序的需要。在CPU進入某一中斷服務(wù)程序之后，系統(tǒng)必須處于開中斷狀態(tài)，否則中斷嵌套是不可能實現(xiàn)的。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院現(xiàn)行程序中斷服務(wù)程序1中斷服務(wù)程序2

第一次中斷請求

優(yōu)先級別更高的中斷請求9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.允許和禁止中斷允許中斷還是禁止中斷是用CPU中的中斷允許觸發(fā)器控制的，當中斷允許觸發(fā)器被置“1”，則允許中斷，當中斷允許觸發(fā)器被置“0”，則禁止中斷。

允許中斷即開中斷，下列情況時應(yīng)開中斷：

(1)在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，恢復(fù)中斷現(xiàn)場之后；

(2)在多重中斷的情況下，保護中斷現(xiàn)場之后。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院

禁止中斷即關(guān)中斷，下列情況時應(yīng)關(guān)中斷：

(1)當響應(yīng)某一級中斷請求，不再允許被其他中斷請求打斷時；

(2)在中斷服務(wù)程序的保護和恢復(fù)現(xiàn)場之前。9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式北京理工大學(xué)計算機學(xué)院3.中斷屏蔽中斷源發(fā)出中斷請求之后，這個中斷請求并不一定能真正送到CPU去，在有些情況下，可以用程序方式有選擇地封鎖部分中斷，這就是中斷屏蔽。9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

如果給每個中斷源都相應(yīng)地配備一個中斷屏蔽觸發(fā)器MASK，則每個中斷請求信號在送往判優(yōu)電路之前，還要受到屏蔽觸發(fā)器的控制。當MASK=1，表示對應(yīng)中斷源的請求被屏蔽（封鎖其中斷源的請求），可見中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器是成對出現(xiàn)的，只有當INTRi=1（中斷源有中斷請求），MASKi=0（該級中斷未被屏蔽），才允許對應(yīng)的中斷請求送往CPU。

＆北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

在中斷接口電路中，多個屏蔽觸發(fā)器組成一個屏蔽寄存器，其內(nèi)容稱為屏蔽字或屏蔽碼，由程序來設(shè)置。屏蔽字某一位的狀態(tài)將成為本中斷源能否真正發(fā)出中斷請求信號的必要條件之一。這樣，就可實現(xiàn)CPU對中斷處理的控制，使中斷能在系統(tǒng)中合理協(xié)調(diào)地進行。中斷屏蔽寄存器的作用：用程序設(shè)置的方法將屏蔽寄存器中的某一位置“1”，則對應(yīng)的中斷請求被封鎖，無法去參加排隊判優(yōu)；若屏蔽寄存器中的某一位置“0”，才允許對應(yīng)的中斷請求送往CPU。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式＆

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≥1北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

如一個中斷系統(tǒng)有16個中斷源，每一個中斷源按其優(yōu)先級別賦予一個屏蔽字?！?”表示開放，“1”表示屏蔽。

第1級中斷源的優(yōu)先級別最高，它禁止本級和更低級的中斷請求；第16級中斷源的優(yōu)先級別最低，它僅禁止本級的中斷請求，而對其他高級的中斷請求全部開放。

中斷源的優(yōu)先級屏蔽字（16位）123

1516111…111011…111001…111

000…011000…001……北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式4.中斷升級中斷屏蔽字的另一個作用是可以改變中斷優(yōu)先級，將原級別較低的中斷源變成較高的級別，我們稱之為中斷升級。這實際上是一種動態(tài)改變優(yōu)先級的方法。這里所說的改變優(yōu)先次序是指改變中斷的處理次序。中斷處理次序和中斷響應(yīng)次序是兩個不同的概念，中斷響應(yīng)次序是由硬件排隊電路決定的，無法改變。但是，中斷處理次序是可以由屏蔽碼來改變的，故把屏蔽碼看成軟排隊器。中斷處理次序可以不同于中斷響應(yīng)次序。北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

例如，某計算機的中斷系統(tǒng)有4個中斷源，每個中斷源對應(yīng)一個屏蔽碼。中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序為1→2→3→4。中斷的處理次序和中斷的響應(yīng)次序是一致的。程序級別

屏蔽碼1級2級3級4級第1級第2級第3級第4級1000110011101111北京理工大學(xué)計算機學(xué)院9.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式