(第5章)输入输出系统之中断

1、一、课题的引入,实际场景与计算机场景的比较,中断问题的提出： 在程序查询方式中，CPU和外设的工作是串行的，当CPU和外设交换信息时，就把CPU的控制权交给了该设备，而CPU只能做测试等待，直到外设工作完成。CPU的大部分工作时间被浪费了。 假若CPU在启动外设工作后，设备释放对CPU的控制权使CPU继续工作，当外设工作完成后向CPU发中断请求信号，若CPU响应中断，则停止正在执行的程序，转中断服务程序为该程序服务，这样就能实现CPU和外设并行工作，使CPU的效率充分发挥。,计算机中要引入中断的原因？,提高数据传输率； 避免了CPU不断检测外设状态的过程，提高了CPU的利用率(并行操作)。 实

2、现对特殊事件的实时响应(实时处理/故障处理)。如多任务系统操作系统中： 缺页中断 设备中断 各类异常 实时时钟，等,二、本节内容,教学内容： 1、中断的概述 （1）中断的定义 （2）中断方式下CPU执行程序的流程 2、中断的处理过程 （1）中断请求 （2）中断识别与判优 （3）中断处理 （4）中断返回,本节重点,三、中断的概述,1、中断的定义,中断的定义：CPU执行程序时，由于发生了某种随机的事件(外部或内部)，引起CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序，以处理该事件，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行，这一过程称为中断。,实现方法： 1. 当外设准备好，向CPU发出中

3、断请求 2. CPU在满足响应中断的条件下，发出中断响应信号； 3. CPU暂停当前的程序，转去执行中断服务程序， 完成与外设的数据传送； 4. CPU从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序,2、中断方式下CPU执行程序的流程,二、中断的概述,程序中断与调用子程序有什么区别呢？,三、中断处理过程,计算机的中断处理过程,中断类型： 按中断处理方法分类： 程序中断：主机响应中断请求后 ，通过执行一段程序来处理有关的事宜。 简单中断：主机响应中断请求后，不需要执行服务程序，而是让出一个或几个主存周期，使I/O设备和主存直接交换数据 。,按中断源分类： 强迫中断：是随机产生的。产生强迫中断的中断源有

4、四个方面： 内中断：由硬件故障及程序故障引起的中断。 外中断：是由系统配置的外部设备引起的中断。 正在执行着的现行程序所引起的中断。 处理机之间的中断。 自愿中断（程序自中断）：事先在程序某初设置断点，并借用中断处理方式保护现场，引出一段服务程序。,多级中断和单级中断： 单级中断：在执行中断的过程中，如果只能为本次中断服务，不允许打断服务程序，只有在服务程序完成后，才能响应新的请求，称为单级中断。 多级中断：如在一次服务程序执行中，允许优先级高的中断级别低的中断服务程序，在保存断点和现场后，转去响应优先级别更高的中断程序，并执行新的中断服务程序。,中断源,定义: 引起CPU中断的事件中断源。

5、例如： 外设请求输入输出数据，报告故障等 事件掉电、硬件故障、软件错误、非法操作、定时时间到等 中断源分类：外部中断、内部中断 内部中断：CPU内部执行程序(INT n等)时自身产生的中断 外部中断：CPU以外的设备、部件产生的中断 8086/8088的外部中断信号：INTR、NMI INTR可屏蔽中断请求，高电平有效，受IF标志的控制。 IF=1时，执行完当前指令后CPU对它作出响应。 NMI非屏蔽中断请求，上升沿有效，任何时候CPU都要响 应此中断请求信号。,8086/8088中断源,软件判优,硬件判优,硬件编码器和比较器的优先权排队电路,若有8个中断源，当任一个有中断请求时，通过“或”门

6、，即可有一个中断请求信号产生，但它能否送至CPU的中断请求线，还要受比较器的控制(若优先权失效信号为低电平，则与门2关闭)。 8条中断输入线的任一条，经过编码器可以产生三位二进制优先权编码A2A1A0，优先权最高的线的编码为111，优先权最低的线的编码为000。而且若有多个输入线同时输入，则编码器只输出优先权最高的编码。,正在进行中断处理的外设的优先权编码，通过CPU的数据总线，送至优先权寄存器，然后输出编码B2B1B0至比较器，以上过程是由软件实现的。 比较器比较编码A2A1A0与B2B1B0的大小，若AB，则“AB”端输出低电平，封锁与门1，就不向CPU发出新的中断申请(即当CPU正在处理

7、中断时，当有同级或低级的中断源申请中断时，优先权排队线路就屏蔽它们的请求)；只有当AB时，比较器输出端才为高电平，打开与门1，将中断请求信号送至CPU的INTR输入端，CPU就中断正在进行的中断处理程序，转去响应更高级的中断。,若CPU不在进行中断处理时(即在执行主程序)，则优先权失效信号为高电平，当有任一中断源请求中断时，都能通过与门2，发出INTR信号。 这样的优先权电路，如何能做到转入优先权最高的外设的服务程序的入口呢?当外设的个数8时，则它们公用一个产生中断矢量的电路，它有三位由比较器的编码A2A1A0供给，就能做到不同的编码转入不同的入口地址。,3）中断响应,在每条指令的最后一个时钟

8、周期，CPU检测INTR或NMI信号。若以下中断响应条件成立，则CPU响应中断： 当前指令执行完。 有中断请求发出且没有被屏蔽掉(中断请求可送到CPU的INTR或NMI)。 对INTR，还应满足以下特殊条件: 当前指令是STI和IRET，则下条指令也要执行完。 当前指令带有LOCK、REP等指令前缀时，则把它们看成一个整体，要求完整地执行完； 对INTR，CPU应处于开中断状态，即IF=1； 当前没有复位(RESET)和保持(HOLD)信号。 若NMI和 INTR 同时发生，则首先响应NMI。,3）中断响应（续）,CPU中断响应时，要做下述几项工作： 对INTR，向中断源发出INTA中断响应信

9、号; 自动关中断,即IF=TF=0(关可屏蔽中断和单步中断) ； 断点保护，包括CS、IP和FLAGS。主要是保证中断结束后能返回被中断的程序-PUSH CS/IP/FLAGS 获得中断服务程序首地址（入口）-JMP CS:IP 如何得到中断处理程序的首地址？ 固定入口法-MCS-51单片机中 中断向量法常用, 如: X86中,4）中断处理（中断服务）,中断服务子程序特点 为”远”过程（类型为FAR 或 far） 要用IRET指令返回 -POP FLAGS/IP/CS 中断服务子程序要做的工作 保护现场(PUSH regs) 开中断IF=1(STI) - 允许 中断嵌套 进行中断处理 -用户根

10、据中断处理任务编写 恢复现场(POP regs) 中断返回(IRET),中断返回 IRET,主程序,中断服务程序,保护现场 PUSH,开中断 STI,中断 处理,恢复现场 POP,关中断 CLI,开中断 STI,现场,断点,中断 嵌套,5）中断返回,执行中断返回指令IRET IRET指令将使CPU把堆栈内保存的断点信息弹出到IP、CS和FLAGS中，保证被中断的程序从断点处能够继续往下执行。 -相当于POP IP/CS/FLAGS,IPL,IPH,CSL,CSH,FLAGL,FLAGH,SP,IPL,IPH,CSL,CSH,FLAGL,FLAGH,SP,IP,CS,FLAG,进入中断服务程序时,中断返回后,程序中断方式中断的基本接口,中断的基本接口： 工作标志触发器BS 就绪标志触发器RD 允许中断触发器EI 中断请求触发器IR 中断屏蔽触发器IM,程序中断方式中断的基本接口,程序中断方式中断的基本接口,各个触发器的具体功能： 准备就绪标志（RD）：一旦设备做好一次数据的接受和发送，便发出一个设备动作完毕信号，使RD标志置“1”。 允许中断触发器（EI）：可以用程序指令来置位。EI为1时，某设备可以向CPU发出中断请求；EI为0时，不能向CPU发出中断