微处理器与接口技术：第8章 中断系统

第8章中断系统主要内容中断的基本概念8086的中断系统可编程中断控制器8259A中断程序设计中断的基本概念关于中断最初的中断技术是作为CPU和外设交换信息的一种控制方式提出的CPU和外设速度不匹配、查询方式降低CPU工作效率中断的基本概念关于中断中断是现代计算机必须具备的重要功能，中断是计算机系统中普遍使用的概念、方法中断的含义、应用范围更广了中断的基本概念关于中断CPU都具有处理中断的能力嵌入式领域，各处理器设计时片内具有独立的中断控制器模块中断的基本概念中断的定义CPU在执行当前程序时，由于随机出现的外设请求或CPU内部的异常事件（中断源），使CPU暂停正在执行的程序而自动转去执行相应的处理程序（中断服务程序），当处理程序运行完毕后，CPU再返回到暂停处（断点）继续执行原来的程序，这一过程称为中断中断的基本概念中断的作用赋予计算机以应变能力，将有序的运行程序与无序的突发事件统一起来，增强了系统的处理能力实现CPU和I/O的并行工作，提高系统的工作效率处理故障（硬件故障、除数为0、运算溢出、…），提高系统的安全、可靠性加强了CPU实时处理能力其它：实现多道程序、分时操作、人机联系……中断的基本概念中断源引起中断的事件或发出中断请求的来源对于CPU来说，中断源有以下两类硬中断（外中断）可屏蔽中断（条件中断）非屏蔽中断（无条件中断）软中断（内中断）中断的基本概念中断源硬中断（外中断）是由随机出现的CPU外部请求引发的中断是通过在CPU引脚上产生的中断请求信号引发的中断电平信号脉冲信号中断的基本概念中断源硬中断（外中断）连接到CPU的硬中断源可以不止一个，取决于CPU可以接收硬中断请求的引脚个数中断接口中断的基本概念中断源硬中断（外中断）常见的外中断源常见的外部设备，如键盘、打印机等等数据通道中断源故障源或告警源实时控制信息定时或者计数信息中断的基本概念中断源硬中断（外中断）非屏蔽中断CPU一定要响应的中断一般不受CPU内部中断允许标志的控制可用于为外部紧急事件提供服务的中断例如：8086CPU，通过NMI引脚产生的中断请求，CPU必须响应，不受IF的影响中断的基本概念中断源硬中断（外中断）可屏蔽中断CPU必须处于某种条件下，才可给予响应的中断开中断状态关中断状态中断的基本概念中断源硬中断（外中断）可屏蔽中断该状态可以由CPU内部中断允许标志来控制例如：8086CPU，通过INTR引脚产生的中断请求当IF=1，开中断状态，可以响应该中断请求当IF=0，关中断状态，不能响应该中断请求中断的基本概念中断源软中断（内中断）是CPU执行程序过程中，由指令或内部原因引起的中断CPU的软中断源可以有多个常见的软中断源软中断指令程序运行出现的某种问题中断的基本概念中断过程中断请求中断识别与判优中断响应中断服务中断返回中断的基本概念中断过程中断请求外中断源向CPU发出中断请求信号外设发出的请求信号和CPU的要求相一致这个信号能保持到CPU响应这个中断后，才可清除中断请求（中断源有一个中断请求触发器）为了增加灵活性，每个中断源还可增加一个中断屏蔽触发器，用来控制外设的中断请求信号是否可以发出中断的基本概念中断过程中断识别与判优问题的提出：多个中断源存在，同时提出中断先为谁服务？如何区分不同的中断源？中断的基本概念中断过程中断识别与判优规定中断优先级的原因当CPU有多个中断源同时提出中断申请时，CPU可以先处理优先级高的中断规定中断优先级的另一个原因是可以允许中断嵌套

中断的基本概念中断过程中断识别与判优中断嵌套：在中断服务过程中，又接受新的中断申请并为之服务的情况一般规则：只有高优先级的中断源可以打断低优先级中断的服务；低级中断，或者同级中断原则上是不能要求中断嵌套中断的基本概念中断过程中断识别与判优指定中断源的优先级一般针对的是外中断源，由用户来指定优先级对于CPU来说，中断源的优先级是默认确定的，用户不能改变中断的基本概念中断过程中断识别与判优中断识别与判优的基本方法：软件识别与判优（程序查询式）硬件识别与判优（中断向量式）中断的基本概念中断过程中断识别与判优实际设计中一般采用可编程中断控制器来完成中断的基本概念中断过程

软件识别与判优硬件接口电路中断的基本概念中断过程

软件识别与判优中断服务程序流程图中断的基本概念中断过程软件识别与判优优先级的指定：先查询的中断源优先级高于后查询的优点：接口简单，编程也简单、应用面广缺点：中断源多时中断响应时间长，CPU使用效率低中断的基本概念中断过程

硬件识别与判优一种硬件接口电路（菊花链）中断的基本概念中断过程硬件识别与判优工作过程• 外部中断向CPU申请中断• CPU给出中断应答信号• 排队电路将选择最高级别的中断，将该中断源标识传送到CPU的数据总线• CPU读入中断源的标识，调用相应的中断服务程序中断的基本概念中断过程硬件识别与判优优先级的指定：排在链前端的中断源优先级高于后端的优点：中断响应速度快，CPU利用率高缺点：硬件逻辑复杂中断的基本概念中断过程中断响应CPU响应外部中断源的请求，必须满足的条件置位了中断请求触发器中断屏蔽触发器非屏蔽CPU处于开中断状态（例如：IF=1）没有更高优先级别的中断请求发出或正在被响应CPU现行指令执行结束中断的基本概念中断过程中断响应CPU响应中断时，必须做的工作保存断点地址将指令指针指向中断服务程序的入口，开始执行中断服务程序具体方法：利用中断向量表

其他的操作：保存标志寄存器的内容、关中断……

中断的基本概念中断过程中断向量表调用中断服务程序必须将CPU的程序指针转移到服务程序的入口地址中断向量表是系统RAM或者系统ROM的一个区域，以起始地址为基准中断向量表的类型指令型的中断向量表向量中断的中断向量表（8086采用）中断的基本概念中断过程中断服务中断服务程序要完成的工作保护/恢复现场外中断源的随机特性决定中断服务程序要用到的各CPU内部寄存器注意切换开/关中断的状态中断服务（完成I/O操作或异常事件处理）中断的基本概念中断过程中断返回中断服务程序执行的最后一条指令必须是中断返回指令目的：恢复CPU中断响应时保存的PC和其他一些寄存器（标志寄存器），使CPU继续执行原来被中断的程序中断的基本概念中断过程中断返回如果断点地址保存在堆栈中，中断返回时，要将断点地址从堆栈中弹出到PC（例如：8086的IRET指令）如果CPU将断点地址保存在寄存器中，中断返回时要用指令将断点地址送到PC8086的中断系统8086的中断源中断响应周期——可屏蔽中断中断向量表8086的中断响应和中断处理过程8086的中断系统8086的中断源中断源与中断类型号8086中断系统可以处理256个不同的中断源给每个中断源有对应的中断类型号供CPU识别中断类型号的取值：0~255(FFH)系统规定了中断类型号0~4的专门用途其余的中断类型号可分配给：软中断指令使用可屏蔽中断使用8086的中断系统8086的中断源中断源分类软中断（内部中断）硬中断（外部中断）非屏蔽中断可屏蔽中断8086的中断系统8086的中断源软中断（内部中断）除法溢出中断——中断类型号0单步中断——中断类型号1断点中断INT3——中断类型号3溢出中断INTO——中断类型号4软中断指令INTn——中断类型号n双字节指令第二个字节存放中断类型号n举例：INT21H8086的中断系统8086的中断源硬中断（外部中断）——非屏蔽中断中断请求从NMI引脚输入，上升沿触发，高电平持续时间要大于2个时钟周期无条件中断，不受IF限制固定中断类型号2思考：如果有多个外部非屏蔽中断源如何识别与处理？通常用于处理系统中出现的故障或紧急情况8086的中断系统8086的中断源硬中断（外部中断）——可屏蔽中断中断请求从INTR引脚输入，高电平触发条件中断，受IF影响，只有在IF=1才会被响应可屏蔽外部中断源可以有多个，且系统需要给每个这样的中断源分配一个中断类型号思考：如果有多个外部可屏蔽中断源如何识别与处理？通常用于处理系统中外部设备等提出的中断请求8086的中断系统8086的中断源中断源优先级8086中断源的优先级（固定的）除法溢出中断→INTn→INTO→NMI→INTR→单步中断（最低）8086本身不处理外中断源的优先级非屏蔽外中断源的优先级处理：中断接口完成可屏蔽外中断源的优先级处理：中断接口完成8086的中断系统8086的中断源中断源小结（中断类型号、中断源分类、优先级）8086的中断系统中断响应周期——可屏蔽中断问题：8086响应中断时，如何获取中断类型号？内部中断：直接获取中断类型号除法溢出中断——中断类型号0单步中断——中断类型号1断点中断INT3——中断类型号3溢出中断INTO——中断类型号4软中断指令INTn——中断类型号n8086的中断系统中断响应周期——可屏蔽中断问题：8086响应中断时，如何获取中断类型号？非屏蔽中断——中断类型号2可屏蔽中断——进入中断响应周期，获取中断类型号8086的中断系统中断响应周期——可屏蔽中断中断响应周期时序INTR信号有效，且IF=1，当前指令执行完毕，则进入中断响应周期8086的中断系统中断响应周期——可屏蔽中断中断响应周期时序第一个总线周期，从引脚发出负脉冲，用来通知外设，CPU准备响应中断第二个总线周期，从引脚发出负脉冲，用来读入外设发来的中断类型号8086的中断系统中断响应周期——可屏蔽中断可屏蔽中断的接口电路接收到8086送出的中断响应信号后，能够向CPU发送请求中断的外中断源所对应的中断类型号8086的中断系统中断向量表问题：8086响应中断时，当获取了中断源所对应的中断类型号后，如何转入其所对应的中断服务程序？解决方法：根据中断类型号，查中断向量表，获取所对应的中断服务程序的入口地址8086的中断系统中断向量表8086的中断向量表位于存储器地址为0~003FFH的区域（1K字节）采用的是向量式中断，中断向量就是中断服务程序的入口地址中断向量按照其所对应的中断类型号的序号，顺序排列8086的中断系统中断向量表8086的中断向量表每个中断向量占四个字节低地址的2字节存放中断服务程序的入口地址的偏移地址（IP）高地址的2字节存放中断服务程序的入口地址的段地址（CS）8086的中断系统中断向量表8086的中断向量表中断类型号与其中断向量地址（指针）的计算中断向量地址=中断类型号×48086的中断系统中断向量表获取中断类型号n后，8086查表的处理过程在地址0：n×4读出n号中断服务程序入口地址的偏移地址送至IP在地址0：0×4+2读出n号中断服务程序入口地址的段地址送至CS8086的中断系统中断向量表获取中断类型号n后，8086查表的处理过程举例：书P210例8-1观察中断向量表中断类型号n=4该中断向量地址（指针）？中断服务程序入口地址（中断向量）？偏移地址、段地址？物理地址？8086的中断系统中断向量表问题：为什么要写入中断向量？写入中断向量的步骤选择一个中断类型号编写中断服务程序（过程名）把该中断服务程序程序的入口地址写入中断向量表中相应的位置8086的中断系统中断向量表写入中断向量的方法（n为中断类型号）直接写入法使用指令，将中断服务程序的入口地址写入中断服务程序入口地址的IP写入

0：n×4地址单元中断服务程序入口地址的CS写入

0：n×4+2地址单元8086的中断系统中断向量表写入中断向量的方法（n为中断类型号）直接写入法举例：若中断类型号n=70H，中断服务程序的过程名是INTSUB8086的中断系统中断向量表写入中断向量的方法（n为中断类型号）相关的程序段如下：XOR AX,AXMOV ES,AX MOV BX,70H*4 MOV AX,OFFSETINTSUB MOV ES:[BX],AXMOV AX,SEGINTSUB MOV ES:[BX+2],AX8086的中断系统中断向量表写入中断向量的方法（n为中断类型号）利用DOS功能调用——25H号功能入口参数：AL：中断类型号；DS：中断服务程序入口的段地址；DX：中断服务程序入口的偏移地址8086的中断系统中断向量表写入中断向量的方法（n为中断类型号）相关程序段

PUSH DS MOV AX,SEGINTSUB MOV DS,AX LEA DX,INTSUB MOV AL,40H MOV AH,25H INT 21H POP DS问题：中断服务程序？中断类型号？8086的中断系统中断向量表写入中断向量的方法（n为中断类型号）相关DOS功能调用——35H号功能功能：读中断向量表入口参数：AL：中断类型号；出口参数：ES：读出的中断服务程序入口的段地址；BX：读出的中断服务程序入口的偏移地址8086的中断系统8086中断响应和中断处理过程8086的中断系统8086中断响应和中断处理过程几点说明无论是哪一种中断申请，8086都要在执行完当前指令后，开始响应中断CPU按默认的中断优先级查询是否有中断申请的到来，如果有几个中断同时申请，一定会先查询到高级中断的申请，先响应高优先级的中断8086的中断系统8086中断响应和中断处理过程几点说明注意可屏蔽中断的响应条件及如何读取中断类型号由于进入中断服务程序时CPU是关中断状态，如果希望允许INTR中断嵌套，在中断服务程序的开始时，写一条开中断指令：STI8086的中断系统8086中断响应和中断处理过程几点说明中断返回是通过IRET指令自动实现的举例：指令INT70H的处理过程程序设计中要注意的问题？中断响应和处理的过程？CS、IP的变化？堆栈指针及堆栈的变化情况？可编程中断控制器8259A中断控制器用于在多中断源微机系统中管理中断安排各中断源的优先权、中断类型号对中断请求进行中断判优、中断屏蔽响应中断后在中断响应周期送出中断类型号在8086环境下，8259A用于多个INTR中断源的中断接口可编程中断控制器8259A8259A的基本功能单片8259可以连接8个中断源，多片8259连接后，可以连接多达64个中断源可以设置中断源的中断类型号在CPU应答后，能自动地向CPU发送中断类型号能管理中断源的优先级可以设置中断源的中断请求方式

可编程中断控制器8259A8259A的基本结构可编程中断控制器8259A8259A的基本结构数据总线缓冲器读/写逻辑级联缓冲/比较器中断请求寄存器（IRR）保存还没有得到处理的外部中断源的申请中断屏蔽寄存器（IMR）用以对8个中断源的中断请求信号进行屏蔽控制中断服务寄存器（ISR）登记哪些中断源的申请正在被CPU响应可编程中断控制器8259A8259A的基本结构优先级分析器（PR）控制逻辑可编程中断控制器8259A8259A的基本工作过程外部设备将中断申请信号加入到IR7~IR0；如果中断屏蔽寄存器IMR对于加入的中断申请没有屏蔽，中断申请存入IRR寄存器优先级分析器对中断申请进行优先权分析，由8259A的INT引脚向CPU发出中断请求信号INTR可编程中断控制器8259A8259A的基本工作过程CPU响应中断，发回应答信号，在收到8086CPU发来的第一个信号时，8259A在ISR寄存器的相应位置1，而相应的IRR位复位在收到第二个时，8259A向数据总线输送8位的中断类型号。如果设置为自动结束中断方式，8259A清除相应的中断在ISR寄存器中的登记可编程中断控制器8259A8259A的基本工作过程CPU调用中断服务程序，进入中断服务，在中断服务程序的最后，如果8259A设置为非自动结束中断方式，需向8259A发送结束中断命令，收到命令后，8259A清除ISR寄存器中相应位的“1”，一次中断过程结束可编程中断控制器8259A8259A的引脚问题：8259A和系统的如何连接？和外设如何连接？CPU如何访问8259A内部的寄存器？可编程中断控制器8259A8259A的工作方式确定中断类型号的方式8259A可以接8个中断源，每个中断源需要一个中断类型号8259A规定8个中断类型号的高5位是相同的，只有低3位不同其中，高5位可以通过对8259A初始化编程来设定低3位的值和中断输入引脚的编号相一致8259A的8个中断源的中断类型号一定是连续的可编程中断控制器8259A8259A的工作方式确定中断类型号的方式举例：如果中断类型号的高5位是“01001”，则接到IR0~IR7的8个中断源的中断类型号分别是？可编程中断控制器8259A8259A的工作方式中断结束方式中断结束的含义8259A结束中断的处理使ISR寄存器中相应位复位方式：自动中断结束方式（AEOI）非自动中断结束方式（EOI）普通中断结束方式特殊中断结束方式可编程中断控制器8259A8259A的工作方式自动中断结束方式（AEOI）8259A在CPU发送第二个应答信号的后沿，自动清除对于被响应的中断在ISR寄存器中的登记，也就是把登记的“1”复位为“0”这种结束中断方式，完全是8259A自己自动完成，不需要用户的操作一般只用于不要求中断嵌套的情况可编程中断控制器8259A8259A的工作方式非自动中断结束方式（EOI）要求在中断服务程序结束前，通过指令向8259A发送一个结束中断的命令，一般就称为“EOI”命令8259A收到这个命令后，才会清除正在服务的中断在ISR寄存器中的登记注意：对于级联系统的从片在中断服务程序结束时，必须发两次中断结束命令（主片、从片）可编程中断控制器8259A8259A的工作方式优先权管理方式全嵌套方式特殊全嵌套方式循环优先级方式特殊优先级循环方式可编程中断控制器8259A8259A的工作方式全嵌套方式

固定优先级方式：从IR0接入的中断源优先级最高，从IR7接入的中断源优先级最低最常用的工作方式在CPU是开中断状态下，可以实现中断嵌套，即在处理低级别中断时还可以响应高级别的中断申请可编程中断控制器8259A8259A的工作方式特殊全嵌套方式

固定优先级方式：从IR0接入的中断源优先级最高，从IR7接入的中断源优先级最低特殊全嵌套方式在多片8259A级联的时候使用，一般只用在主8259A的优先级管理在CPU是开中断状态下，在处理低级别中断时还可以响应高级别和同级别的中断申请可编程中断控制器8259A8259A的工作方式特殊全嵌套方式

可编程中断控制器8259A8259A的工作方式循环优先级方式非固定优先级方式初始时，仍然是按IR0连接的中断源优先级最高，IR7连接的中断源的优先级最低一旦某个中断请求被响应了，这个中断输入对应的优先级就降到最低，原来比这个输入低一级的输入的优先级升位最高可编程中断控制器8259A8259A的工作方式循环优先级方式这种优先级管理的出发点就是平等优先级实际的外中断源在重要性上没有多大差别的情况下，可以采用这种优先级管理方式特殊循环优先级方式和上一种方式只有一点不同：可编程设置初始的中断优先级顺序可编程中断控制器8259A8259A的工作方式中断屏蔽：对某些中断申请加以屏蔽，不容许它们在IRR寄存器登记，当然也不能对这些申请作出中断响应

中断屏蔽方式一般屏蔽方式特殊屏蔽方式

可编程中断控制器8259A8259A的工作方式中断屏蔽方式一般屏蔽方式中断屏蔽寄存器的设置，可以屏蔽中断申请输入到8259ACPU正在响应高级中断，低级中断的申请就被屏蔽了可编程中断控制器8259A8259A的工作方式中断屏蔽方式特殊屏蔽方式高优先级的中断不对低级中断产生屏蔽（非正常的中断优先级排队关系）中断屏蔽寄存器的设置，可以屏蔽中断申请输入到8259A应用系统中很少使用可编程中断控制器8259A8259A的工作方式8259A的数据线和系统数据总线连接方式非缓冲方式8259A的数据线直接和系统的数据总线相连接作为输入信号来标识8259A是作为主8259A，还是从8259A主8259A：接高电平从8259A：接低电平可编程中断控制器8259A8259A的工作方式8259A的数据线和系统数据总线连接方式缓冲方式8259A的数据线通过数据缓冲器和系统的数据总线相连

引脚的功能是，也就是输出低电平的选通信号

可编程中断控制器8259A8259A的工作方式其他：单片方式/级联方式中断触发方式：边沿触发方式/电平触发方式可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化编程8259A工作之前，必须进行初始化使其处于准备就绪状态由CPU向8259送2-4个字节的初始化命令字ICW，且写入时有固定的顺序8259A有4个初始化命令字ICW1~ICW4可编程中断控制器8259A8259A的编程操作编程初始化过程结束后所写入的命令字都是操作命令字每个操作命令字写入的次数和时间顺序都是没有限定的8259A有3个操作命令字：OCW1、OCW2和OCW3可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化命令字ICW1写入端口：A0=0(特征位：D4=1)基本功能：设置中断触发方式，规定初始化过程是否需要ICW3/ICW4注意：8259A一旦从A0=0端口收到D4=1的控制字便开始一次新的初始化过程格式：可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化命令字ICW1可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化命令字ICW2写入端口：A0=1基本功能：写入8个中断源的中断类型号的高5位ICW2是紧接着ICW1写入到8259A的命令字。是8259A初始化过程中必须写入的命令字之一格式：可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化命令字ICW2可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化命令字ICW3写入端口：A0=1基本功能：在多片8259A的系统中，说明主、从8259A之间的连接关系ICW3只有在多片8259A的环境下才需要写入主8259A和从8259A的ICW3具有不同的格式

格式：可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化命令字ICW3可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化命令字ICW4写入端口：A0=1基本功能：设置8259A的中断结束方式ICW4在8259A用于8086系统时，必须写入

格式：可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化命令字ICW4可编程中断控制器8259A8259A的编程初始化编程流程注意：至少写入ICW1、ICW2要按顺序写入主8259A和从8259A要分别初始化可编程中断控制器8259A8259A的编程操作命令字OCW1写入端口：A0=1基本功能：设置设置中断屏蔽寄存器格式：可编程中断控制器8259A8259A的编程操作命令字OCW1举例：编程允许(禁止)8259A的IR2的中断（假设8259A的端口地址为20H、21H）IN AL,21HAND AL,11111011BOUT 21H,AL可编程中断控制器8259A8259A的编程操作命令字OCW2写入端口：A0=0（特征位：D4=0、D3=0）基本功能：设置