《微型计算机原理与接口技术》课件第7章 2

7.1中断系统7.1.1中断的概念及其作用

1．中断的概念中断是指计算机在执行正常程序的过程中出现内部或外部某些事件的请求时，CPU暂时停止当前程序的正常执行，转去执行请求事件的处理操作，CPU在事件处理结束后再回到被暂时中断了的程序继续往下执行。中断的过程如图7-1所示。图7-1中断示意图注意：虽然中断过程与子程序的调用很相似，但是，在中断的整个处理过程中，外部事件的中断请求及CPU的中断响应与当前正在执行的指令没有任何关系，中断可能在一个程序执行期间任何时刻发生，这种随机性是程序员无法预料的。然而，主程序调用子程序的情况则不同，CALL指令是程序员事先编写在程序中的，仅当CPU执行到该指令时，才转去执行子程序。

2．中断系统的作用

(1)能实现并行处理。有了中断功能，可以实现CPU和多个外设同时工作，只有当它们彼此需要交换信息时才产生“中断”，因此，CPU可控制多个外设并行工作，大大提高了CPU的利用率。

(2)能实现实时处理。计算机在应用于实时控制时，各种外设提出请求的时间都是随机的，要求CPU迅速响应和及时处理。有了中断功能，就可以方便地实现这种实时处理功能。

(3)能实现故障处理。CPU运行过程中，常常会出现一些突发性故障，例如电源掉电、存储器错误、运算出错等，可以利用中断功能自行处理。7.1.2中断处理系统

1．中断源识别

引起程序中断的事件称为中断源。中断处理系统往往有多个中断源，CPU需要识别哪一个中断源有中断请求。通常微处理器常用的有单线中断、多线中断和向量中断三种中断技术。单线中断通过查询中断源提供中断地址信息；多线中断由于CPU引脚线有限而只能管理少量的中断源；向量中断由每个中断源经接口电路向CPU提供中断源的设备标志码，CPU将程序转向相应中断设备的中断处理程序，由于不需要查询中断源，中断处理速度较快。向量中断技术如图7-2所示。采用向量中断技术，当CPU响应中断后，由中断源提供中断地址信息，引导程序进入中断服务程序的入口。图7-2向量中断技术中中断源识别示意图

2．中断优先级判断

通常，在有两个或多个中断源同时提出中断请求时，中断系统应能根据各中断源的重要性，给每个中断源确定一个中断优先权，再根据处理的优先顺序，先响应优先权级别最高的中断申请。另外，当CPU正在处理某优先级的中断时，应能响应更高一级的中断请求，并且屏蔽掉同级或较低优先级的中断请求。中断优先级判断的具体方法可分为软件查询、硬件排队和专用中断控制器三种。

1)软件查询方式

软件查询方式是在CPU响应中断后，通过用户编程采用程序查询的方法确定中断源的优先级。为完成查询任务，必须附加外设状态输入电路。图7-3所示是一个查询优先级接口电路。如图所示，将各个中断源的中断请求信号相“或”后，作为公共的INTR中断请求信号。这样，任一外设在中断请求时，都可以向CPU发INTR信号。CPU响应INTR中断后，按照预先确定的优先权级别，逐位检测中断状态端口的内容，若有中断请求就转到相应的中断服务程序去。其流程图如图7-4所示。图7-3软件查询接口电路

图7-4软件查询程序流程软件查询方法的优点是接口电路简单，且优先权次序可以按查询的先后顺序而改变。缺点是中断源较多时，由查询转到相应中断服务程序的时间较长，因而，此方法一般用于中断源较少、实时性要求不高的场合。

2)硬件排队方式

软件查询方式在中断源较多时，中断优先级判断时间较长。采用硬件排队方式可以缩短中断优先级判断时间。硬件排队方式的中断优先级判断电路常用的有中断优先权编码电路和链式优先权排队电路，这里仅介绍中断优先权编码电路，以此来说明硬件排队方式的中断优先级判断原理。用硬件编码器和比较器构成的优先权排队电路如图7-5所示。其中有8个中断源，任一个中断源有中断请求时，通过“或”门可以产生一个中断请求信号，但它能否送至INTR，还要受比较器的控制。8条中断输入线的任一条，通过8到3优先权编码器可产生三位二进制优先权编码，优先权最高的编码是111，最低的编码是000。若多条输入线同时输入，编码器优先输出级别最高的编码。图7-5中断优先权编码电路当前正在处理的外部中断的优先权编码，通过CPU的数据总线送至优先权寄存器，再输出编码送至比较器，优先权寄存器中同时保存着由程序员设定的优先权失效信号。当优先权失效信号设定为1时，比较器失效，此时任一中断源请求中断时，都能通过与门2，发出INTR信号；当优先权失效信号设定为0时，优先权编码器的输出及现行优先权寄存器的输出同时送入比较器。当请求服务的中断级高于正在服务的中断级(即A>B)时，比较器输出高电平，打开与门1，将中断请求信号送至INTR端，否则输出低电平，封锁与门1，屏蔽该中断请求。中断优先权管理电路除了决定优先级，产生向CPU的中断请求信号外，还可以向CPU提供相应的中断向量。这由一个公用的中断向量形成电路产生。当CPU响应中断请求后，由中断响应信号INTA选通中断向量形成电路，使中断向量经数据总线送至CPU。CPU根据此中断向量可转入相应的中断处理程序中。

3)专用中断控制器

采用可编程中断控制器是当前微型计算机中解决中断优先权管理的常用方法。通常中断控制器由中断请求寄存器、中断屏蔽寄存器、中断优先权管理逻辑、中断类型寄存器、当前中断服务寄存器组成。

中断控制器的中断类型寄存器、屏蔽寄存器都可以编程，当前中断服务寄存器也可以用软件控制，而且优先级的排列方式也是通过指令设置的，所以可编程中断控制器使用起来很灵活，很方便。80x86微型计算机的中断系统就是利用中断控制器来实现中断优先权管理的。

Intel公司的8259A可编程中断控制器就是具有上述功能的中断优先权管理芯片，在本章7.3节中将详细介绍它的结构、优先权管理方式及其编程。

3．中断嵌套管理

当前中断处理过程中，又有优先权级别更高的中断源发出中断请求，中断系统要能够使CPU暂停当前中断服务程序的执行，转而响应和处理优先级更高的中断请求，处理结束后，再返回原优先级较低的中断服务程序。当发出新的中断请求的中断源优先级别与当前处理的中断源同级或更低时，CPU则不予响应，这就是中断嵌套的管理。中断优先权编码电路和专用中断控制器都能实现这种中断嵌套管理。中断嵌套的深度一般仅受堆栈容量的限制，必须有足够的堆栈单元来保存多重中断的断点和寄存器的内容。为了说明中断嵌套管理工作原理，设某专用中断控制器的8级固定中断优先次序为，图7-6就是一个中断嵌套管理实例。图7-6中断嵌套管理

4．中断处理过程

对于不同的微型计算机系统，其中断处理的具体过程是不完全相同的。即使是同一台微型计算机，对于不同的中断源，其中断处理过程也会有差异，但中断处理的基本过程应包括中断请求、中断优先级判断、中断响应、中断服务和中断返回五个基本阶段。相应的处理流程如图7-7所示。图7-7中断处理的基本过程7.280x86中断结构7.2.1中断分类

80x86微机具有一个简单而灵活的中断系统，它可以处理多达256个不同的中断源的中断请求。每个中断源都有对应的中断类型码(0～255)供CPU识别。中断源可以来自CPU内部，也可以来自外围芯片；可以用软件，也可以用硬件来启动中断。这些中断源可以分为两大类，即硬件中断和软件中断。图7-8给出了80x86的中断分类。图7-880x86的中断分类

1．硬件中断

硬件中断是由外部的硬件(主要是外设接口)产生的，所以也称为外部中断。它又可以分为非屏蔽中断NMI和可屏蔽中断INTR两种。

(1)非屏蔽中断。非屏蔽中断由NMI引脚上出现的上升沿触发。它不受中断允许标志IF的限制，其中断类型码固定为2。一般在微机系统中允许有一个非屏蔽中断，若有多个非屏蔽中断源，可以采用软件优先排队的方式，进行查询中断处理。非屏蔽中断常用来处理系统出现的重大故障或紧急情况，如系统掉电处理、紧急停机处理等。

(2)可屏蔽中断。绝大多数外部设备提出的中断请求都是可屏蔽中断，可屏蔽中断的中断请求信号从CPU的INTR端引入，高电平有效。它受CPU中断允许标志IF的影响，即当IF=1时，CPU才能响应INTR引脚上的中断请求，如果IF=0，即使INTR上有请求信号，CPU也不会响应，即中断被屏蔽了。80x86系统中，采用8259A中断控制器作为可屏蔽中断INTR的多个中断源的管理，通过8259A的配合，可以安排8～64个可屏蔽的中断请求(参见8259A的级连)。

2．软件中断

软件中断是CPU根据软件某条指令或者软件对某个标志位的设置而产生的，由于它与外部硬件电路完全无关，所以也称为内部中断。在80x86系统中，软件中断包括单步中断、除法出错、溢出出错(INTO)、断点中断等专用中断和指令中断(INTn)。当除法运算商过大时，CPU产生除法出错中断，给出相应的出错信息。单步中断是由单步标志TF=1启动的中断，它和断点中断是为调试程序而设置的。溢出中断是由溢出标志OF=1启动的中断。指令中断是由系统或用户编程设定的软件中断。7.2.2中断管理过程

在微机中断系统中，由于中断源的数目常常很多，且中断发生的时间可能相同，而CPU在某一时刻只能处理一个问题。因此，必须有一个强大的中断管理系统对此统筹管理。

80x86微机对多中断源系统的优先级别是这样确定的：其由高到低的顺序为除法错→INTn→INTO→NMI→INTR→单步。可见，除单步中断外，软件中断的优先权最高，非屏蔽中断次之，可屏蔽中断再次之，单步中断优先权最低。

图7-9描述了80x86中断响应和处理过程。该图左边为中断源类型的判别次序，同样反映了中断系统中各类中断的优先权关系。图7-980x86中断响应和处理流程图

CPU在执行完当前指令后按优先级别的规定判别中断申请的性质，然后进行响应。没有中断申请或执行完中断处理返回后，执行下一条指令。软件中断和非屏蔽中断的类型号是自动获得的，而可屏蔽中断不仅要在IF=1前提下响应中断，而且还要从外部读取中断类型号。从“标志推入栈”到“弹出标志”之间的一系列操作，就是各类中断响应后相同的操作部分。其中，中断处理程序由各中断源处理要求编程定，其他操作，如标志寄存器、CS、IP进栈，获得中断入口地址等，均由CPU自动实现。还有两点需说明：

(1) TF=1，进入单步中断，它的功能是只执行一条指令，然后将各寄存器内容显示出来，并在每执行一条指令后，又自动生成下一个单步中断。于是，可以连续执行单步中断处理程序，直到TF=0才退出对单步中断的循环响应。

(2)在一个中断被响应，已经进入中断处理程序后，如果又有非屏蔽中断NMI请求，则CPU仍能响应。实际上，如果中断处理程序不用开中断指令使IF=1，那么在中断处理程序执行过程中也可以响应可屏蔽中断INTR。7.2.3中断向量和中断向量表

80x86最多能管理256个中断，把它们统一编号为0～255，称做中断类型号。中断类型号是识别中断源的惟一标识。

80x86中断系统采用的是“向量中断”方式。中断系统响应中断时能自动从判优逻辑获得优先权最高的中断源的类型号，根据该类型号将得到该中断服务程序的入口地址，然后转到该入口地址去执行中断服务程序。这样一个过程称为“向量中断”方式，而得到的中断服务程序入口地址叫做中断向量。通常在内存的最低1K字节(即00000H～003FFH区域)建立了一个中断向量表，分成256组，每组占4个字节，用以存放256个中断向量。所谓中断向量，实际上就是中断处理子程序的入口地址。每个类型号对应着一个中断向量，即中断入口地址CS:IP，那么每个中断向量的长度为4B，其中低地址2 B是偏移址IP，高地址2B是段基址CS，所以256个中断向量总共占有4×256=1 KB。按照中断类型码的序号，对应的中断向量在中断向量表中有规则地顺序排列，如图7-10所示。图7-10中断向量表中断向量在表中的位置称为中断向量地址，中断向量地址与中断类型号的关系为

中断向量地址 = 中断类型号 × 4

所以，CPU在得到中断类型号后就可以得到中断向量地址，然后就能从中断向量表连续的4B中取出中断向量，从而实现中断响应处理。

【例7-1】某中断源的类型号为34，且已知部分中断向量表如图7-11所示，试求中断服务程序入口的物理地址。

解

34×4=136

即中断向量地址为88H，查中断向量表得中断向量为A123H：B678H，中断服务程序入口的物理地址为AC8A8H。图7-11部分中断向量表

【例7-2】把类型号为84H的中断服务程序存放在1234H:5670H开始的内存区域，该中断向量在向量表中的地址为84H×4=210H，那么，应该在0段的0210H～0213H这4个单元中依次存放70H，56H，34H和12H。

用户在使用中断之前，必须将中断服务程序的入口地址放置到与中断类型号相应的中断向量表中。下面介绍三种把中断向量置入中断向量表的方法。其中，N为常数，是所分配的中断类型号；NSEG表示该中断向量的段基址常数；NOFFSET表示该中断向量的段内偏移址常数。

(2)借助于DOS功能调用，可以把中断服务入口地址置入中断向量表。DOS功能调用指令INT21H的25H号功能可以设置中断向量。在执行INT21H前，预置参数是：AH中预置功能号25H；AL中预置要设置的中断类型号；DS:DX中预置中断向量。如果按要求预置了参数，指令INT21H执行后，就把中断服务程序的入口地址置入了中断向量表的适当位置。

对于中断向量表中已经设置的中断向量，也可以用DOS功能调用指令INT21H的35H号功能查知其中断向量。为此，需预置：AH中置取中断向量功能号35H；AL中置中断类型号。这样，在INT21H执行后，ES:BX中分别是该中断向量。

(3)编制一段程序为某个中断类型设置中断向量。设中断类型号N，其中断入口的符号地址为INT-TYPEN。设置中断向量的程序段如下：

MOVAX，0

MOVES，AX ；中断向量表段地址为0000H

MOVBX，N*4 ；取中断类型N的中断向量地址

MOVAX，OFFSETINT-TYPEN

；将中断类型N的中断向量填入向量表

MOVES：WORDPTR[BX]，AX

MOVAX，SEGINT-TYPEN

MOVES：WORDPTR[BX+2]，AX7.2.48086的中断

8086中断系统分成硬件(外部)中断和软件(内部)中断两大类。

1．硬件(外部)中断

8086CPU为外部提供了两条硬件中断请求信号线，即NMI和INTR。

(1)非屏蔽中断NMI。NMI引脚引起的中断不受CPU中断允许标志IF的约束，所以NMI的中断优先权是高于INTR的。8086中断系统规定NMI的中断类型号为02，所以它的中断服务程序的入口地址应该存放在中断向量表的0008H～000BH单元中。在NMI线上的请求信号采用边沿触发方式，当CPU采样到NMI有请求时，在内部把它锁存起来，并自动提供中断类型号02，然后按以下顺序处理：

①将类型号乘以4，得到中断向量地址0008H；

②把CPU的标志寄存器内容压入堆栈，保护各标志位状态；

③清除IP和TF标志，屏蔽了INTR中断和单步中断；

④保存断点，即把断点处的IP和CS内容压入堆栈(先压CS，再压入IP)；

⑤从中断向量表中取中断服务程序的入口地址，分别送至CS和IP中；⑥按CS和IP的地址执行NMI中断服务程序；

⑦当执行到中断返回IRET指令，则恢复断点处的IP，CS值，恢复标志寄存器内容，于是CPU就返回到中断断点处继续执行原来的程序。

IBMPC/XT机系统中，NMI主要用于解决系统主板上RAM出现的奇偶错，或I/O通道中扩展选件板上出现的奇偶校验错以及8087协处理器异常中断。

(2)可屏蔽中断INTR。8086的INTR中断请求信号来自中断控制器8259A，是电平触发方式，高电平有效。所以多个外设的中断请求是由8259A集中管理，按预先的编程设置进行中断优先权排队，向8086发出INTR中断请求，并产生优先权最高的中断类型号。

可屏蔽中断INTR的响应及处理过程如下：对于NMI非屏蔽中断和下面要讨论的软件中断，因为它们的中断类型号是固定的，不需要从外部中断系统获得，所以CPU在响应时只要执行5个总线周期，不需要①，②两步，而仅从第③步开始顺序执行到第⑦步。

2．软件(内部)中断

8086CPU的软件(内部)中断又分为专用中断和指令中断两种。

(1)专用中断。在中断向量表中，类型号0～4中除了类型号2的NMI非屏蔽中断外，其余均为专用的软件中断，它们通常是由某个标志位引起的中断。

①0型中断——除法出错中断。在执行除法指令时，若发现除数为0或商超出了寄存器所能表示的范围(双字/字的范围为－32768～+65535：字/字节的范围为－128～+255)，CPU会立即产生一个类型号为00H的0型中断，转入相应的除法出错处理程序。由于0型中断没有相应的中断指令，也不是由外部硬件引起的，通常称为“自陷”中断。②1型中断——单步中断。当单步标志TF=1时，CPU把程序的执行变为单步工作方式。单步方式能够通过逐条指令观察操作的“窗口”，为系统提供了一种方便的调试手段。如DEBUG中的跟踪命令，就是将TF标志位置1，每执行一条指令后，就进入单步中断服务程序，显示寄存器等内容，从而跟踪程序的具体执行过程，调试程序。

由于中断响应时，CPU自动地把标志寄存器压入堆栈，然后清除TF，因此，当CPU进入单步中断程序时，不再处于单步方式，而以正常方式工作；只有在单步处理结束时，从堆栈中弹出原来的标志(TF=1)，才使CPU又返回到单步方式中。③3型中断——断点中断(INT)。3型中断和单步中断一样，也是8086提供的一种调试手段。它用于设置程序中的断点，故称为断点中断，用INT或INT3指令表示。

INT指令是一条单字节指令，因而它能够很方便地被插入到程序的任何地方。插入INT指令的地方便是断点。在断点处，停止正常的程序执行过程，进入断点中断服务程序，显示寄存器、存储单元等内容。相比之下，单步方式适用规模较小的程序调试，而断点方式适用于较长程序的调试。④4型中断——溢出中断(INTO指令)。溢出中断用INTO指令表示。若溢出标志OF为1，那么当执行INTO指令时，立即产生一个4型中断；若标志OF为0，则此指令不起作用。INTO指令为程序员提供了一种处理算术运算出现溢出时的处理手段。它通常和带符号数的加、减法指令配合使用。

(2)指令中断——INTn。INTn指令，其类型号就是给定的n。它和INT和INTO一样，都是引起CPU中断响应的指令中断，所不同的是INT和INTO是单字节指令，而INTn是两字节指令，第二字节是类型号n。INTn主要是用于系统定义或用户自定义的软件中断。

系统的基本I/O——BIOS中断调用，如INT13H的磁盘I/O调用、INT10H的屏幕显示调用、INT16H的键盘输入调用等，为用户提供了直接与I/O设备打交道的功能，而不必了解设备硬件接口的具体细节。DOS功能调用(INT21H)则使得用户可以方便地实现对磁盘文件的存取管理、内存空间的申请或修改等操作。用户自定义的软件中断则是利用保留的中断类型号来扩充自己需要的中断功能。对于BIOS功能调用和DOS功能调用这些系统定义的指令中断，在系统引导时就完成了装配，使用者只要遵从调用的格式，预置所需要的入口参数，直接用INTn指令完成调用；而用户自定义的软件中断调用，除了设计好中断服务程序外，还得把中断入口地址预置到中断向量表中，在需要调用时，用INTn指令实现。

(3)软件中断的特点。

①由于软件中断的类型号都是固定的或是在中断指令中指定的，不需要像INTR中断那样通过外部中断系统来获取类型号，因此，软件中断响应后不需要总线周期。软件中断处理过程与NMI过程完全相同，在自动获得类型号后就进入中断处理。

②软件中断与NMI同样不受中断允许标志位IF的影响。③软件中断没有随机性。这一点很容易理解，因为硬件中断一般是由外设发出中断请求信号而引起的，一个设备何时要求CPU服务，当然不会有约定，完全是随机的、无法预测的，所以，硬件中断总带有随机性。软件中断大多是由程序中的中断指令引起的，那么，中断处理程序何时执行，也就事先决定了，所以，软件中断失去了随机性。从这一点上讲，软件中断工作过程更类似于子程序的工作过程，中断指令(INTn)类似于段间过程调用指令(CALL)。有经验的程序员在设计程序时，总是把一些常用的较大规模的子程序设计成中断处理程序，用软件中断的方法来调用它们。7.2.5中断程序设计

中断程序设计分为主程序设计和中断服务子程序设计两部分。主程序用来完成相关的初始化工作，为实现中断做好准备；中断服务子程序用来完成相关的中断处理工作。

1．主程序设计

如果主程序在运行过程中允许响应中断，规定在响应中断前做好对中断系统的初始化。初始化工作包括CPU本身工作的初始化、中断控制器8259A的初始化和通用外设接口的初始化三部分：

(1) CPU本身工作的初始化。设置堆栈指针(SS和SP)、中断向量和开放中断，使IF=1。

(2)中断控制器8259A的初始化。选择中断控制器8259A的工作方式，设置优先级排队规则、屏蔽状态等。

(3)通用接口的初始化。选择接口的工作方式和设置接口的中断开放位等。

在做了以上初始化工作后，便可进入主程序其他内容的设计。

2．中断服务子程序设计

尽管中断处理的内容不同，中断服务子程序的功能也不一样，但所有的中断服务子程序都有相同的结构形式，含有以下七个部分：

(1)程序开始必须保护中断时的现场，可以通过一系列PUSH指令将CPU各寄存器的值入栈保护。

(2)若允许中断嵌套，则设置开中断。因为进入中断服务程序时，TF和IF被CPU自动清零，不再响应其他外设的中断请求，要实现中断嵌套，必须用STI指令来使中断允许标志IF=1。

(3)执行中断处理程序。

(4)设置关中断，用CLI指令来使中断允许标志IF=0，禁止其他中断请求进入。这是由于在恢复寄存器内容时，要防止其他中断进入破坏其中的内容。

(5)给中断命令寄存器送中断结束命令EOI，使当前正在处理的中断请求标志被清除，否则同级中断或低级中断的请求仍会被屏蔽掉。

(6)恢复中断时的现场，通过一系列POP指令将CPU各寄存器的值恢复。

(7)用中断返回指令IRET返回主程序，此时堆栈中保存的断点值和标志值分别自动装入IP、CS和PSW。中断服务程序设计时还应注意以下几个问题：

①因为8086CPU在响应中断时不能自动地保护它的各寄存器(除标志寄存器外)内容，虽然可用寄存器在主程序和中断服务程序之间传送参量和结果，但这样做极易引起意想不到的混乱或错误，所以应尽量避免，而采用指定的内存单元进行参数传送。

②使用堆栈来实现保护现场与恢复现场。使用时要注意堆栈的后进先出的特性，同时要确保堆栈有足够的空间，防止堆栈溢出。③只有中断服务程序用到的那些寄存器(标志寄存器除外)的内容才需要加以保护。

④在从中断服务程序返回前，即使CPU处于关中断状态也不必开中断。在执行IRET指令后，CPU自动恢复了中断前标志寄存器的状态。

3．中断程序设计举例

为了更好地掌握中断程序的设计，充分理解中断程序的设计过程，现在用一个具体的实例予以说明。

编写一个中断处理程序，要求主程序运行时，每20秒响铃一次，同时屏幕上显示信息“It’stimetoring!”。在微型计算机上完成本例的中断程序设计，方案之一是充分利用计算机系统本身的资源，实现其功能要求。计算机系统的61H端口可实现响铃，系统具有时钟中断功能，时钟每中断一次(约17.2次/秒)就产生一次INT1CH，在系统中，INT1CH的处理程序只有1条IRET指令，仅为用户提供一个中断类型号。这样，可以利用系统定时器的中断间隔，设计一个中断服务程序来代替原有的INT1CH中断服务程序。程序分主程序和中断服务程序两个部分。

(1)主程序。在主程序初始化部分，先运用DOS的35H功能调用取中断类型号为1CH的原中断向量，并保存在堆栈中。再运用DOS的25H功能调用置中断服务程序SOUND的中断向量。在主程序结束部分恢复中断类型号为1CH的原中断向量。关于DOS功能调用的具体参数详见附录。

(2)中断服务程序。主要完成20秒钟的定时、显示 'It’stimetoring!' 信息、发出响铃声三项任务。由于中断的频率为17.2次/秒，所以定时时间常数为364。显示信息采用DOS的9H功能调用实现。发出响铃声是通过100次交替“开”、“关”喇叭实现的。7.3中断控制器8259A

Intel8259A是一个采用NMOS工艺制造，使用单一5 V电源且具有28个引脚的双列直插式芯片，用于管理可屏蔽中断INTR的中断请求。8259A是可编程的中断控制器，所谓“可编程的”就是说该芯片可以由CPU通过程序写入不同的数据控制字或命令字的方式控制其处于某种工作方式。7.3.18259A的功能

8259A把中断源识别、中断优先权排队、中断屏蔽、中断向量提供等功能集于一身，因而中断系统无须附加任何电路，只须对8259A进行编程，就可以管理8～64级优先权中断。8259A的中断请求方式和优先权判别模式等可以通过编程设定或变更，中断类型号也可以由用户任意指定。

8259A的主要功能如下：

(1)一片8259A可以接受8级可屏蔽中断请求，通过9片8259A级联可扩展至64级可屏蔽中断优先级控制。

(2)对每一级中断都可以通过程序来屏蔽或允许。

(3)在中断响应周期，8259A可为CPU提供相应的中断类型码。

(4)具有多种工作方式，并可通过编程加以选择。

8259A既能实现查询中断方式，又能实现向量中断方式。向量中断方式是指8259A得到CPU的中断响应后，能自动提供中断类型号，从而快速得到中断服务程序的入口地址。在查询中断方式下，优先权的选定与向量中断方式一样，但软件将对8259A查询，而不是对外设查询。查询时，8259A回送状态字，指出请求服务的最高优先权级别，然后根据这个状态字转移到相应的中断服务程序。7.3.28259A的内部结构和引脚特性

1．8259A的内部结构

图7-12所示是8259A的内部结构框图，它是由数据总线缓冲器、读/写电路、级连缓冲/比较器、中断请求寄存器IRR、中断屏蔽寄存器IMR、当前服务寄存器ISR、优先权电路和控制逻辑等8个功能部件组成。下面分别介绍各部分的功能。图7-128259A的内部结构

(1)中断请求寄存器IRR。IRR是一个具有锁存功能的8位寄存器，用于寄存所有要求服务的中断请求信号。IR0～IR7为8根中断请求输入线，可连接8个外设的中断请求信号。当IR0～IR7中任何一个上升为高电平时，IRR中对应的位就置“1”。

8259A通过中断请求寄存器IRR可同时接收外部输入的8个中断请求信号，外部中断请求输入IRR的方式有两种，即边沿触发和电平触发方式，IRR的内容可用操作命令字OCW3读出。

(2)中断屏蔽寄存器IMR。IMR是一个8位寄存器，用于寄存要屏蔽的中断级。该寄存器的每一位对应一个中断级。当用软件将某位置“1”，表示屏蔽该级中断请求，清“0”，则开放该级中断请求。该寄存器的内容可以通过屏蔽命令，由编程设置。

(3)中断服务寄存器ISR。ISR是一个8位寄存器，用于寄存所有正在被服务的中断级。在中断响应时，判优电路把发出中断请求的中断源中优先级最高的中断源所对应的位设置为1，以表示该中断请求正在处理中。ISR的某一位置1可阻止与它同级及更低优先级的请求被响应，但不阻止比它优先级高的中断请求被响应，即允许中断嵌套。在中断嵌套(即多重中断)时，有多个ISR位置“1”，表示有多个正在处理的中断级。通过执行中断结束命令EOI，可以使ISR相应位复位。

(4)优先权电路。优先权电路监测从IRR、ISR和IMR来的输入，并确定是否应向CPU发出中断请求。在中断响应时，它要确定ISR寄存器哪一位应置1，并将相应的中断类型码送给CPU。在EOI命令时，它要决定ISR寄存器哪一位应复位。

(5)控制逻辑电路。控制逻辑根据CPU对8259A编程设定的工作方式管理8259A，负责向CPU发中断请求信号INT和接收来自CPU的中断响应信号，并将信号转换为内部所需的各种控制信号。

(6)数据总线缓冲器。数据总线缓冲器用于连接系统数据总线和8259A内部总线，传输编程时CPU写入8259A的控制字，或者读取的状态字，或者中断响应时由CPU读取的中断类型号。

(7)读/写电路。读/写控制接收CPU的读/写命令。它可以把来自CPU的初始化命令字ICW和操作命令字OCW存入8259A内部相应的端口寄存器，用以规定8259A的工作方式和控制模式；也可以使CPU通过它读取8259A内部有关端口寄存器的状态信息。

(8)级连缓冲/比较器。级联缓冲器/比较器主要用于多片8259A级联和数据缓冲方式。在级联方式时，级联缓冲器/比较器用来存放和比较从片识别码；多片8259A级联时，总是连成主从结构，一片为主片，其他为从片，最多可有8个从片，共管理64级硬件中断。

3．8259A的工作过程

(1)中断源在中断请求输入端IR0～IR7上产生中断请求。

(2)中断请求被锁存在IRR中，并经IMR“屏蔽”，其结果送给优先权电路判优。

(3)优先权电路检出优先权最高的中断请求位，设置ISR中的对应位。

(4)控制逻辑接受中断请求，向CPU输出INT信号。7.3.38259A的工作方式

8259A的中断优先权管理是工作方式的核心内容。8259A对中断优先权的管理概括起来为全嵌套方式、循环优先方式、中断屏蔽及查询方式。这些方式都可以用编程的方法来设置，而且使用十分灵活。因为可设置的工作方式多，使初学者感到难理解，使用这些方式不太容易。为此，我们将从不同的角度对8259A的工作方式进行分类讲述。

1.中断嵌套方式

8259A中有两种中断嵌套方式：全嵌套方式和特殊全嵌套方式。

1)全嵌套方式

全嵌套工作方式下，中断优先权的级别是固定的，按IR0～IR7逐级次之，IR0最高，IR7最低。当CPU响应中断时，最高优先权的中断源在ISR中的相应位置位，而且把它的中断类型号送到数据总线。在此中断源的中断服务程序完成之前，可以把与它同级或优先权更低的中断请求屏蔽，只有优先权比它高的中断请求才被开放，实现中断嵌套。

全嵌套方式是8259A最常用的一种工作方式。如果对8259A进行初始化后没有设置其他优先级方式，那么8259A就按全嵌套方式工作。也可以用初始化命令字ICW4(SFNM=0)将8259A设置为全嵌套方式。

2)特殊全嵌套方式

特殊全嵌套方式与全嵌套方式相比，“特殊”在于开放同级中断请求。因而，只屏蔽掉低级的中断请求。

特殊全嵌套方式一般是用于多片8259A级连系统中的主片。此时，从片的中断请求输出INT连接到主片的中断请求输入端IRi上，每个从片的8个中断请求输入端IR0～IR7也有不同的优先级别。但作为主片看来，每个从片作为一级，这就是说，主片把从片的8个中断请求看做同一优先级。如果主片采用全嵌套方式，则从片中某一较低级中断请求经主片得到响应后，主片会把该从片的所有其他中断请求作为同一级而屏蔽掉，包括优先级较高的中断请求，因此无法实现从片上各级中断的嵌套。解决办法是主片采用特殊全嵌套方式，在此方式下从片的某一级中断请求经主片得到的响应后，主片不会屏蔽从片中其他的中断请求，而是由从片内部本身的优先级关系确定该屏蔽哪些请求，开放哪些请求，从而实现从片级的中断嵌套。所以，系统中只有单片8259A时，通常采用全嵌套方式，而系统中有多片8259A时，主片则必须采用特殊全嵌套方式，而从片可采用全嵌套方式。

特殊全嵌套方式由ICW4的D4位(SFNM=1)设定。

2．循环优先方式

在实际应用中，中断源的优先权关系是很复杂的。不一定有明显的级别，也不一定是固定不变的。所以不能总是规定IR0优先权最高，IR7优先权最低，而是要根据实际情况进行处理。8259A提供了两种改变优先权的方法。

1)优先级自动循环方式

优先级自动循环方式实质上是等优先权方式。初始优先级队列，优先级从高到低的顺序规定为IR0，IRl，IR2，…，IR7。但优先级队列是变化的，当多个中断同时申请中断时，优先级高的先受到响应和服务；某一个中断受到中断服务后，它的优先级自动降为最低，而与之相邻的优先级就升为最高。例如，若当前IR0优先权最高，IR7最低，当IR4、IR5同时有请求时相应IR4，在IR4被服务后，IR4的优先权降为最低，而IR5升为最高，以下依次为IR6，IR7，IR0，IR1，IR2，IR3。若IR5被响应且被服务后，IR5又降为最低，IR6变为最高，其余依次类推。8259A在设置优先权自动循环方式时，总是自动规定IR0为最高优先权，IR7为最低。

优先级自动循环方式可通过操作命令字OCW2来设定。

2)优先级特殊循环方式

优先权特殊循环方式与优先级自动循环方式相比，“特殊”之处在于初始优先级队列的最低优先级是由编程指定的。可以用编程的方法设定IR0～IR7中的任意一个为最低级，从而最高优先级也由此而定。例如，编程时确定IR5为最低优先权，则IR6就是最高优先级。

优先级特殊循环方式也是通过操作命令字OCW2来设定。

3．中断屏蔽方式

8259A的8个中断请求线上的每一个中断请求都可以写入相应的屏蔽字，实现是否屏蔽。中断屏蔽方式有两种。

1)普通屏蔽方式

普通屏蔽方式是通过编程将中断屏蔽字写入IMR而实现的。若写入某位为1，对应的中断请求被屏蔽，为0，则对应的中断请求被开放。

2)特殊屏蔽方式

特殊屏蔽方式的“特殊”之处在于执行高级中断服务程序过程中，开放较低级的中断，即屏蔽掉较高级的中断，转而去响应较低级的中断请求。

采用普通屏蔽方式是不能实现这一要求的，因为用普通屏蔽方式时，即使把较低级的中断请求开放，但由于ISR中当前正在服务的较高中断级的对应位仍为“1”，它会禁止所有优先级比它低的中断请求。在采用特殊屏蔽方式后，再用屏蔽字对IMR中某一位置“1”时，会同时使ISR对应位清“0”，这样就不但屏蔽了当前被服务的中断级，同时真正开放了其他优先权较低的中断级。所以，先设置特殊屏蔽方式，然后建立屏蔽信息，这样就可以开放所有未被屏蔽的中断请求，包括优先级较低的中断请求。

4．中断结束方式

当某个中断服务完成时，必须给8259A一个中断结束命令，使该中断级在ISR中的相应位清“0”，从而使中断结束。8259A有两种不同的中断结束方式。

1)自动中断结束方式(AEOI)

在自动中断结束方式下，任何一级中断被响应后，在第一个中断响应信号送到8259A后，ISR寄存器中的对应位被置“1”，而在第二个中断响应信号送到8259A后，8259A就自动将ISR寄存器中的相应位清“0”，此刻，该中断服务程序本身可能还在进行，但对8259A来说它对本次中断的控制已经结束，因为在ISR寄存器中已没有对应的标志。若有低级中断请求时，就可以打断高级中断，而产生多重嵌套，而且嵌套的深度也无法控制，因而，这种方式只能用在系统中只有一片8259A，并且多个中断不会嵌套的情况。

2)非自动中断结束方式(EOI)

在EOI工作方式下，从中断服务程序返回前，必须输出中断结束命令(EOI)把ISR当前优先权最高的对应位清“0”。

在全嵌套方式下，ISR中的优先权最高对应位就是最后一次被响应的中断级，也就是当前正在处理的中断级，所以它的清“0”就是结束当前正在处理的中断，这是一般的中断结束方式。若8259A工作在特殊全嵌套方式下，就用特殊的中断结束EOI命令。因为此时8259A不能确定刚才服务的中断源等级，只有通过设定特殊中断结束命令，在命令中指出到底要对哪一个中断级清“0”。

5．程序查询方式

在程序查询方式下，8259A不向CPU发INT信号，而是靠CPU不断查询8259A。当查询到有中断请求时，就转入相应的为中断请求的服务程序中去。设置查询方式的过程是：系统先关中断，然后把“查询方式命令字”写到8259A，再对8259A执行一条读指令，8259A便将一个8位的查询字送到数据总线上，查询字格式为

I=1表示有中断请求，W2W1W0表示8259A请求服务的最高优先级编码。CPU读取查询字，判断有无中断请求，若有，便根据W2W1W0的值转移到对应的中断服务程序去。

6．读8259A状态

IRR、ISR和IMR的内容可以通过相应的读命令读取，以了解8259A的工作状态。

上述8259A各种工作方式的选择，是通过8259A的初始化命令字(ICW1～ICW4)和操作命令字(OCW1～OCW3)来设定的。7.3.4控制字和初始化编程

8259A是根据收到CPU的命令字进行工作的。CPU的命令字分两类：一类是初始化命令，称为初始化命令字(InitializationCommandWord，ICW)，初始化命令字往往是在系统启动时，由初始化程序设置的。初始化命令字一旦设定，一般在系统工作过程中就不再改变。另一类是操作命令，称为操作命令字(OperationCommandWord，OCW)。在初始化后，CPU用这些控制字来控制8259A执行不同的操作，如中断屏蔽、中断结束、优先权循环和中断状态的读出和查询等。OCW可在初始化之后的任何时刻写入8259A，并可多次设置。

1．8259A的初始化命令字ICW

初始化命令字是由8259A初始化程序填写的，且在整个系统工作过程中保持不变。

写入初始化命令字ICW的流程如图7-13所示。注意：ICW1应写入8259A的偶地址端口(A0=0)，ICW2，ICW3，ICW4应写入8259A的奇地址端口(A0=1)。下面讨论ICW的格式和写入规则。图7-13写入初始化命令字ICW的流程

1)初始化命令字ICW1——芯片控制字

写ICW1主要是使8259A对中断请求信号边沿检测电路复位，使得中断请求信号由低变高时，方能产生中断，清除中断屏蔽寄存器IMR，设置全嵌套方式。这两点实际上是对8259A的复位，并给出系统是单片还是多片8259A级连。

3)初始化命令字ICW3——主/从片初始化字

初始化命令字ICW3定义系统中主片、从片的级连。若系统中只有一片8259A，则不需要ICW3；若有多片8259A，则主片8259A和从片8259A的初始化都需要ICW3。主片和从片的ICW3格式是不同的。

4)初始化命令字ICW4——方式控制字

初始化命令字ICW4定义8259A是工作于8080/8085系统，还是工作于80x86系统，以及中断服务程序中是否需要输出EOI命令，以清除ISR，允许其他中断。ICW4格式如下：

2．初始化流程

上面我们学习了对8259A进行初始化的4个ICW初始化命令字及其格式含义，那么如何利用ICW初始化命令对8259A进行初始化呢？初始化流程如图7-13所示。

对子初始化流程应注意以下几点：

(1)对系统中的每一片8259A都要按此流程进行初始化，ICWl～ICW4的写入次序是固定不变的。

(2)对于每片8259A，ICW1和ICW2是必须设置的，ICW3和ICW4是选择设置的。只有在级联方式下才需要设置ICW3(主片，从片分别设置)；只有在ICW1的D0=1时才需设置ICW4。

(3) ICW1写入偶地址端口，ICW2、ICW3、ICW4写入奇地址端口。下面我们总结一下初始化编程主要完成的任务：

●设定中断请求信号的有效形式是高电平还是上升沿有效。

●设置8259A是单片还是多片级联工作方式。

●设定8259A管理的中断类型码基值，即0级中断IR0所对应的中断类型号。

●设定各级中断的优先级排序规则。

●设定总线连接方式。

●设定中断的结束处理方式。

3．8259A的操作命令字OCW

在写完初始化命令字后，8259A在其中断输入端IR0～IR7就可接收中断请求信号了。若不再写入任何操作命令字OCW，8259A便处于初始化设置的中断工作方式，这时中断源优先极是IR0最高，IR7最低，且清除了所有中断屏蔽。

若希望改变初始化的8259A中断控制方式，或为了屏蔽某些中断，或为了读出8259A的一些状态信息，则必须继续向8259A写入操作命令字OCW。

1)操作命令字OCW1——屏蔽操作命令字

OCW1的格式如下：

该命令字用来设置或清除对中断源的屏蔽。若OCW1的某位为“1”，则对应的中断源被屏蔽：若为“0”，则中断被开放。例如：OCW1=80H，则IR7中断被屏蔽。

利用OCW1操作命令字，可以通过编程，在程序的任何地方实现对某些中断的屏蔽或开放，实际上也就改变了中断的优先级。

2)操作命令字OCW2——中断方式命令字

操作命令字OCW2用来设置优先级是否进行循环，循环的方式及中断结束的方式，其格式下：

3)操作命令字OCW3——状态操作命令字

操作命令字OCW3可以用来设置查洵方式，设置或撤消特殊屏蔽方式，以及用来读8259A的中断请求寄存器IRR、中断服务寄存器ISR的当前状态。其格式如下：

4．8259A的编程举例

【例7-3】对8259A的最简单的工作方式——单片8259A全嵌套工作方式的流程作一讨论。

8259A在全嵌套工作方式下，IR0的优先级最高，IR7最低。IBM-PC微机系统的8259A初始化以后，就是处于这种单片、全嵌套中断工作方式。系统8259A的IR0～IR7中断类型号依次为08H～0FH，见表7-3。设定8259A各命令字的口地址为：ICW1口地址20H；ICW2，ICW3，ICW3口地址21H；OCW1口地址21H；OCW2，OCW3口地址为20H。8259A初始化设定的工作方式为边沿触发方式、缓冲器方式、中断结束EOI方式、中断全嵌套优先权管理方式。根据以上要求，对IBM-PC微机8259A初始化的程序段如下：

MOV AL，00010011B

；设ICW1为边沿触发方式，单片8259A，需要ICW4

OUT 20H，AL

MOV AL，00001000B

；设置ICW2中断类型号为08H～0FH

OUT 21H，AL

MOV AL，00001101B

；设置ICW4为8086模式，正常EOI缓冲，全嵌套

OUT 21H，AL初始化以后，8259A就处于全嵌套工作方式。如果允许定时时钟、键盘、异步通信卡(COM1)中断，而屏蔽其他的中断，可以接着输入以下两条指令设置OCW1：

MOV AL，11101100B

OUT 21H，AL

由于设定的是正常的EIO中断结束方式，所以，在中断服务程序结束返回断点之前，必须写入OCW2命令字，其值为 00100000B(20H)：

MOVAL，00100000B

OUT20H，AL

IRET

【例7-4】BIOS中检查