組成原理實(shí)驗(yàn)十中斷機(jī)制

1、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程 實(shí)驗(yàn)十實(shí)驗(yàn)十 中斷機(jī)制和應(yīng)用（綜合實(shí)驗(yàn)）中斷機(jī)制和應(yīng)用（綜合實(shí)驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)箱感知中斷的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理。2. 學(xué)習(xí)使用中斷系統(tǒng)。3. 學(xué)習(xí)使用擴(kuò)展外設(shè)。教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)1. 深入理解中斷系統(tǒng)的重要性。2.深入理解中斷系統(tǒng)的工作原理。一一. .背景知識(shí)（背景知識(shí)（1 1）1. 程序中斷程序中斷：因“隨機(jī)性”原因，使一個(gè)程序暫停執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一個(gè)程序，以處理隨機(jī)事件，然后再返回原程序繼續(xù)執(zhí)行的過程成為“中斷”。 中斷同子程序調(diào)用有共同點(diǎn)：執(zhí)行另一個(gè)程序，然后返回。返回。所以在調(diào)用另一個(gè)程序（中斷服務(wù)子程序）時(shí)必須保存斷點(diǎn)。

2、 中斷與子程序調(diào)用有一個(gè)根本區(qū)別：中斷發(fā)生的時(shí)間是隨機(jī)的（不可預(yù)知，但發(fā)生后應(yīng)該如何處理是安排好的），而子程序調(diào)用時(shí)間是安排好的，由程序員寫下的調(diào)用指令決定。 中斷發(fā)生的“隨機(jī)性”決定了“必須用硬件感知中斷請求”、“不僅要保存斷點(diǎn)，還必須保存現(xiàn)場”。 中斷發(fā)生時(shí)間與正在運(yùn)行的程序的無關(guān)性，使得整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行一個(gè)程序的同時(shí)，還能感知其它事件的發(fā)生！這是實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)基礎(chǔ)、是多用戶、多任務(wù)、多線程技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，因此是操作系統(tǒng)工作的前提，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“點(diǎn)睛”之筆！深刻理解中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員用好計(jì)算機(jī)的必備知識(shí)！一一. .背景知識(shí)（背景知識(shí)（2 2）2. 實(shí)驗(yàn)箱的中斷感知硬件實(shí)驗(yàn)箱的中斷感知硬

3、件：硬件的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖。 只有“中斷返回”指令和復(fù)位操作使EINT為低電平，這個(gè)低電平作用到IREQ的SD端，使上面這個(gè)D觸發(fā)器的Q端為1，作用到IACK的CD端使下面這個(gè)D觸發(fā)器的Q端輸出0。本課程稱其為狀態(tài)0。 系統(tǒng)復(fù)位結(jié)束或執(zhí)行其他指令時(shí),EINT為無效的高電平，這時(shí)在時(shí)鐘CK驅(qū)動(dòng)下，IREQ的Q端輸出D端的INT狀態(tài)。當(dāng)有中斷請求時(shí)INT為0，則一個(gè)CK后Q端輸出0，但這個(gè)0能否被CPU感知卻要看號“或門”是否允許它通過。而“非取指”微指令有IREN1，則號“或門”輸出1，于是IREQ的Q端無論輸出0或1，號“或門”總輸出1，即不允許中斷請求通過。同時(shí)這個(gè)1又送入IACK的SD端；于

4、是下觸發(fā)器的SD和CD端的輸入都是無效狀態(tài)，這個(gè)觸發(fā)器保持穩(wěn)定。EMRDPICOEOR CDCLK D SD QOROR18 IREN17 EINT21 EMRD16 ELP燈IREQ CD Q SD QPC+1&IACKINTCKVcc一一. .背景知識(shí)（背景知識(shí)（3 3） 當(dāng)執(zhí)行取指微指令時(shí)，IREN0，于是號或門輸出0，這時(shí)號“或門”對IREQ的Q端開放，若有中斷請求就會(huì)在這時(shí)被CPU感知。所以無論無論中斷請求在何時(shí)提出，都只能在取指階段被感知！中斷請求在何時(shí)提出，都只能在取指階段被感知！ 當(dāng) 號“或門”輸出0時(shí)中斷被感知，同時(shí)這個(gè)低電平使IACK的SD有效，迫使其Q端輸出1，A

5、CK燈亮，并使號“或門”對IREN關(guān)閉并輸出1；EMRDPICOEOR CDCLK D SD QOROR18 IREN17 EINT21 EMRD16 ELP燈IREQ CD Q SD QPC+1&IACKINTCKVcc這個(gè)1又使號“或門”對中斷請求關(guān)閉并輸出1，這個(gè)1又返回IACK的SD端，使IACK保持Q1的狀態(tài)。所以系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后，ACK燈保持亮，且不響應(yīng)新的中斷請求（僅一級中斷）。 直到中斷服務(wù)程序執(zhí)行“中斷返回”指令RETI時(shí)，EINT為0，使系統(tǒng)再次進(jìn)入狀態(tài)0。 在中斷服務(wù)期間中斷源若不及時(shí)撤銷中斷請求（使INT為1），則中斷返回后系統(tǒng)會(huì)再次進(jìn)入中斷狀態(tài)，造成“

6、中斷未返回”的假象。 一一. .背景知識(shí)（背景知識(shí)（4 4） PCOE245P0 Q0 P7 Q7PECEPCET245 E161(PC) LDPC ICOE向下經(jīng)“與門”控制PC1信號，如圖。當(dāng)感知中斷請求（ ICOE0）時(shí)，使PC值不變（確定斷點(diǎn)），進(jìn)入服務(wù)程序后（ ICOE1），PC恢復(fù)自動(dòng)加1功能，保證服務(wù)程序的順序執(zhí)行。 G A0A76116 EM ICOE的另一個(gè)作用是通過號“或門”控制EM中指令的輸出，保證在輸出中斷指令B8H時(shí)，EM不輸出。EMRDPICOEOR CDCLK D SD QOROR18 IREN17 EINT21 EMRD16 ELP燈IREQ CD Q SD Q

7、PC+1&IACKINTCKVcc一一. .背景知識(shí)（背景知識(shí)（5 5） PCOE245P0 Q0 P7 Q7PECEPCET245 E161(PC) LDPC ICOE有效時(shí)，使EM的鎖存器輸出中斷指令B8H到PC， PC再把M中的中斷微指令（INT）的控制信號輸出。 G A0A76116 EM245 EMPC B8HB8H18 IRENINTT2：FFEF7F PCSTT1：FEFF3F IAPCT0：CBFFFF 取指取指 INT指令在第一個(gè)周期保存PC值（斷點(diǎn)）到ST堆棧寄存器。在第二個(gè)周期把IA寄存器的內(nèi)容送PC，可見：IA中應(yīng)事先存入中斷服務(wù)子程序的入口地址。所以IA稱為中

8、斷向量寄存器。IA的值由紅色的碼盤輸入。EMRDPICOEOR CDCLK D SD QOROR18 IREN17 EINT21 EMRD16 ELP燈IREQ CD Q SD QPC+1&IACKINTCKVcc一一. .背景知識(shí)（背景知識(shí)（6 6）3. 3. 實(shí)驗(yàn)箱外擴(kuò)系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)箱外擴(kuò)系統(tǒng)：如下圖。4. 74LS08 4. 74LS08 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：俯視圖1A 11B 21Y 3 2A 4 2B 5 2Y 6 714 Vcc 13 4B 12 4A11 4Y 10 3B 9 3A 8 3Y 5V二二. . 實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)1. 用用74LS 08芯片搭建當(dāng)電鍵芯片搭建當(dāng)電鍵K1和和

9、K2都為都為1時(shí)時(shí)不產(chǎn)生不產(chǎn)生中斷請求信號的外部電中斷請求信號的外部電路。路。 2. 編制中斷服務(wù)子程序使編制中斷服務(wù)子程序使OUT交替顯示交替顯示AA、BB三次后返回源程序。源程序三次后返回源程序。源程序?yàn)樯洗螌?shí)驗(yàn)完成的交替顯示為上次實(shí)驗(yàn)完成的交替顯示11和和55的程序。的程序。 (1). 運(yùn)行上述程序，在完成運(yùn)行上述程序，在完成AA、BB交替顯示交替顯示三次之前三次之前恢復(fù)恢復(fù)K1K2都為都為1的的狀態(tài)。記錄狀態(tài)。記錄OUT顯示的現(xiàn)象、顯示的現(xiàn)象、REQ燈和燈和ACK燈的情況以及燈的情況以及ST寄存器的值寄存器的值及改變情況。及改變情況。 (2). 運(yùn)行上述程序，在完成運(yùn)行上述程序，在完成

10、AA、BB交替顯示時(shí)不恢復(fù)交替顯示時(shí)不恢復(fù)K1K2都為都為1的狀態(tài)。的狀態(tài)。記錄記錄OUT顯示的現(xiàn)象、顯示的現(xiàn)象、REQ燈和燈和ACK燈的情況以及燈的情況以及ST寄存器的值及改變寄存器的值及改變情況。情況。 分析上述二種顯示現(xiàn)象的原因。分析上述二種顯示現(xiàn)象的原因。(要求：要求：R0：中斷時(shí)：中斷時(shí)AA、BB顯示的次數(shù)顯示的次數(shù) R1：跟蹤主程序：跟蹤主程序OUT顯示的值顯示的值 R2：跟蹤主程序延時(shí)的值）：跟蹤主程序延時(shí)的值）任務(wù)任務(wù)1： 任選芯片74LS08中的一個(gè)與門，K1、K2接與門的輸入，與門的輸出作為INT信號。任務(wù)任務(wù)2： 中斷服務(wù)程序的入口地址在匯編源程序中用偽指令ORG指定，程序運(yùn)行前把指定的地址值通過紅色的碼盤送入IA。 運(yùn)行程序過程中撥動(dòng)開關(guān)，觀察OUT、REQ燈和ACK燈的情況以及ST的顯示。 根據(jù)中斷結(jié)構(gòu)（背景知識(shí)2、3）分析原因。三三. 實(shí)驗(yàn)過程提示（實(shí)驗(yàn)