《中斷控制器》課件

中斷控制器歡迎來(lái)到中斷控制器課程。本課程將深入探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，幫助您理解其工作原理和應(yīng)用。課程導(dǎo)引1基礎(chǔ)概念了解中斷的基本原理和特點(diǎn)2控制器結(jié)構(gòu)探索中斷控制器的內(nèi)部構(gòu)造和功能3編程與應(yīng)用學(xué)習(xí)中斷控制器的編程技巧和實(shí)際應(yīng)用4優(yōu)化與調(diào)試掌握中斷系統(tǒng)的性能優(yōu)化和調(diào)試方法中斷的基本概念定義中斷是一種機(jī)制，允許外部事件暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而處理緊急任務(wù)。目的提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力和資源利用率。類型包括硬件中斷、軟件中斷和異常。中斷的特點(diǎn)異步性中斷可以在任何時(shí)刻發(fā)生，不受程序控制?？焖夙憫?yīng)系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)外部事件，提高效率。可屏蔽性某些中斷可以被暫時(shí)禁用，以確保關(guān)鍵代碼的執(zhí)行。中斷的處理過(guò)程中斷發(fā)生外部設(shè)備或內(nèi)部事件觸發(fā)中斷信號(hào)。保存現(xiàn)場(chǎng)保存當(dāng)前程序的執(zhí)行狀態(tài)。識(shí)別中斷源確定引發(fā)中斷的具體原因。執(zhí)行中斷服務(wù)程序處理中斷事件?；謴?fù)現(xiàn)場(chǎng)返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷響應(yīng)的步驟1檢測(cè)中斷CPU周期性檢查是否有中斷請(qǐng)求。2中斷確認(rèn)CPU向中斷控制器發(fā)送確認(rèn)信號(hào)。3獲取中斷向量獲取對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序地址。4跳轉(zhuǎn)執(zhí)行CPU跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序并開始執(zhí)行。中斷處理的優(yōu)先級(jí)1最高優(yōu)先級(jí)中斷如電源故障、系統(tǒng)錯(cuò)誤等。2高優(yōu)先級(jí)中斷如磁盤I/O、網(wǎng)絡(luò)通信等。3中等優(yōu)先級(jí)中斷如鍵盤輸入、打印機(jī)輸出等。4低優(yōu)先級(jí)中斷如定時(shí)器、后臺(tái)任務(wù)等。中斷屏蔽技術(shù)全局中斷禁用禁止所有中斷，用于執(zhí)行關(guān)鍵代碼段。選擇性屏蔽只禁用特定類型的中斷，保留關(guān)鍵中斷。中斷嵌套允許高優(yōu)先級(jí)中斷打斷低優(yōu)先級(jí)中斷處理。中斷控制寄存器中斷使能寄存器控制哪些中斷源可以觸發(fā)中斷。中斷標(biāo)志寄存器指示當(dāng)前哪些中斷正在等待處理。中斷屏蔽寄存器設(shè)置哪些中斷暫時(shí)被屏蔽。中斷向量表定義存儲(chǔ)各種中斷服務(wù)程序入口地址的內(nèi)存區(qū)域。結(jié)構(gòu)每個(gè)表項(xiàng)包含中斷服務(wù)程序的起始地址和段選擇子。作用快速定位和跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理程序。中斷服務(wù)程序1保存上下文保存當(dāng)前程序的寄存器狀態(tài)。2處理中斷執(zhí)行特定的中斷處理邏輯。3清除中斷標(biāo)志通知中斷控制器中斷已處理完畢。4恢復(fù)上下文恢復(fù)被中斷程序的寄存器狀態(tài)。嵌套中斷的處理1中斷優(yōu)先級(jí)比較判斷新中斷優(yōu)先級(jí)是否高于當(dāng)前中斷。2保存當(dāng)前中斷狀態(tài)如果允許嵌套，保存當(dāng)前中斷處理的狀態(tài)。3執(zhí)行新中斷跳轉(zhuǎn)到新的中斷服務(wù)程序。4恢復(fù)原中斷新中斷處理完畢后，返回原中斷繼續(xù)執(zhí)行。中斷控制器的結(jié)構(gòu)中斷請(qǐng)求接收單元接收來(lái)自外部設(shè)備的中斷信號(hào)。優(yōu)先級(jí)仲裁單元根據(jù)預(yù)設(shè)優(yōu)先級(jí)選擇要處理的中斷。中斷向量生成單元生成對(duì)應(yīng)的中斷向量。中斷狀態(tài)寄存器組存儲(chǔ)和管理中斷狀態(tài)信息。8259A可編程中斷控制器8位微處理器專為8080/8085系列處理器設(shè)計(jì)?？杉?jí)聯(lián)支持最多64個(gè)中斷請(qǐng)求級(jí)別?？删幊掏ㄟ^(guò)軟件配置中斷優(yōu)先級(jí)和模式。8259A的工作模式全嵌套模式允許高優(yōu)先級(jí)中斷嵌套低優(yōu)先級(jí)中斷。特殊全嵌套模式支持級(jí)聯(lián)8259A的特殊嵌套處理。輪詢模式CPU通過(guò)查詢方式確定中斷源。特殊屏蔽模式允許屏蔽當(dāng)前正在服務(wù)的中斷級(jí)別。8259A的編程接口初始化命令字（ICW）用于初始化8259A的工作模式。操作命令字（OCW）用于運(yùn)行時(shí)控制8259A的行為。中斷屏蔽寄存器用于選擇性地屏蔽中斷請(qǐng)求。中斷請(qǐng)求寄存器指示當(dāng)前正在請(qǐng)求服務(wù)的中斷。8259A的編程實(shí)例MOVAL,11H;ICW1:邊沿觸發(fā)，級(jí)聯(lián)模式OUT20H,AL;發(fā)送到8259A的端口MOVAL,08H;ICW2:中斷類型號(hào)從8開始OUT21H,AL;發(fā)送到8259A的端口MOVAL,04H;ICW3:IR2連接從片OUT21H,AL;發(fā)送到8259A的端口MOVAL,01H;ICW4:非緩沖模式，普通EOIOUT21H,AL;發(fā)送到8259A的端口INTEL82C59A中斷控制器高速CMOS技術(shù)相比8259A，功耗更低，速度更快。向下兼容完全兼容8259A，可直接替換使用。增強(qiáng)功能提供更多的操作模式和保護(hù)特性。INTEL82C59A的特性低功耗設(shè)計(jì)適用于便攜式和嵌入式系統(tǒng)。擴(kuò)展中斷模式支持更多的中斷處理策略。自動(dòng)輪詢功能簡(jiǎn)化中斷源識(shí)別過(guò)程。級(jí)聯(lián)緩沖改善多級(jí)中斷控制器的性能。INTEL82C59A的編程初始化使用ICW1-ICW4設(shè)置工作模式和中斷向量。中斷屏蔽通過(guò)OCW1設(shè)置中斷屏蔽位。結(jié)束中斷使用OCW2發(fā)送EOI命令。中斷響應(yīng)的延遲1硬件延遲中斷信號(hào)傳播和檢測(cè)時(shí)間。2軟件延遲保存現(xiàn)場(chǎng)和跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的時(shí)間。3優(yōu)先級(jí)仲裁多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)的處理時(shí)間。4中斷嵌套處理高優(yōu)先級(jí)中斷造成的額外延遲。中斷延遲的來(lái)源1CPU執(zhí)行非中斷指令當(dāng)前指令必須完成才能響應(yīng)中斷。2中斷控制器處理時(shí)間優(yōu)先級(jí)仲裁和向量生成需要時(shí)間。3總線占用等待總線空閑以傳輸中斷信息。4緩存刷新加載中斷服務(wù)程序可能需要刷新緩存。5操作系統(tǒng)開銷上下文切換和調(diào)度決策的時(shí)間。中斷響應(yīng)的優(yōu)化硬件優(yōu)化使用更快的中斷控制器和總線架構(gòu)。中斷向量表優(yōu)化合理安排向量表，減少查找時(shí)間。中斷服務(wù)程序優(yōu)化編寫高效的中斷處理代碼。中斷優(yōu)先級(jí)管理合理設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，避免不必要的嵌套。中斷控制器的綜合應(yīng)用多任務(wù)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和任務(wù)調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)通信處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)響應(yīng)傳感器輸入和控制執(zhí)行器。中斷系統(tǒng)的性能分析響應(yīng)時(shí)間測(cè)量從中斷發(fā)生到開始處理的時(shí)間。處理時(shí)間分析中斷服務(wù)程序的執(zhí)行效率。中斷頻率評(píng)估系統(tǒng)中斷負(fù)載和對(duì)性能的影響。中斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技巧1最小化關(guān)鍵區(qū)域減少禁用中斷的代碼段，提高響應(yīng)性。2使用中斷共享合理分配中斷資源，提高利用率。3實(shí)現(xiàn)軟中斷通過(guò)軟件模擬中斷，增加靈活性。4優(yōu)化中斷處理流程簡(jiǎn)化中斷服務(wù)程序，提高執(zhí)行效率。中斷系統(tǒng)的調(diào)試方法使用邏輯分析儀捕獲中斷信號(hào)和時(shí)序。軟件斷點(diǎn)在中斷服務(wù)程序中設(shè)置斷點(diǎn)。日志記錄記錄中斷發(fā)生的時(shí)間和處理過(guò)程。模擬器測(cè)試在虛擬環(huán)境中模擬中斷行為。本課程的總結(jié)與展望核心概念回顧中斷機(jī)制、控制器結(jié)構(gòu)和編程接口。實(shí)際應(yīng)用分析在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要作用。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)更快速、更智能的中斷處理技術(shù)。學(xué)習(xí)建議深入實(shí)踐，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行編程和調(diào)試。問(wèn)題討論中斷vs輪詢討論中斷和輪詢?cè)诓煌瑘?chǎng)景下的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)中斷分析實(shí)時(shí)系統(tǒng)中如何優(yōu)化中