計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)VC++仿真中斷

1、計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目全稱(chēng)：VC+仿真中斷課程名稱(chēng)：VC+仿真中斷指導(dǎo)老師：（注：學(xué)生姓名填寫(xiě)按學(xué)生對(duì)該課程設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)及工作量由高到底排列，分?jǐn)?shù)按排名 依次遞減。序號(hào)排位為“1”的學(xué)生成績(jī)最高，排位為“ 10”的學(xué)生成績(jī)最低。）指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ):簽字：Abstract摘要程序中斷傳送方式（中斷方式）是一種I/O傳送的控制方式。這種方式定義 當(dāng)CPU收到隨機(jī)的中斷請(qǐng)求后，暫時(shí)中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，抓取執(zhí)行為該隨機(jī)事 件服務(wù)的中斷處理程序，處理完畢后自動(dòng)回復(fù)原程序的執(zhí)行。在當(dāng)今的大多數(shù)計(jì) 算機(jī)中，I/O傳送控制方式多采用 中斷方式。了解并且掌握中斷方式的機(jī)制對(duì)于理 解計(jì)算機(jī)的I/O傳送控制方式有

2、著 相當(dāng)重要的作用。本文利用高級(jí)語(yǔ)言VC+開(kāi)發(fā)模擬中斷控制器的中斷執(zhí)行過(guò)程仿真軟件。該軟 件可以詳細(xì)地將中斷整個(gè)過(guò)程給以清晰的動(dòng)態(tài)界面描述，更便于理解和掌握中斷 過(guò)程。關(guān)鍵詞：中斷，中斷控制器目錄 TOC o 1-5 h z 第一章緒論11.1選題背景及意義1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 1.3主要內(nèi)容2第二章課程設(shè)計(jì)的需求分析3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1環(huán)境需求3 H

3、YPERLINK l bookmark17 o Current Document 2.2功能需求3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.3性能需求3 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 2.3本章小結(jié)3第三章*的設(shè)計(jì)43.1總體設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 3.2功能模塊設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 3.3本章小結(jié)7第四章*的實(shí)現(xiàn)84.1開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹8 HYPERLINK

4、l bookmark56 o Current Document 主要功能模塊的實(shí)現(xiàn) 8 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 本章小結(jié) 12第五章測(cè)試及成果展示135.1測(cè)試環(huán)境13 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 5.2測(cè)試用例和結(jié)果135.3成果展示錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。本章小結(jié) 17 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 第六章總結(jié)與展望18參考文獻(xiàn)19第一章緒論第一章緒論1.1選題背景及意義計(jì)算機(jī)的硬件部分通常包含了三大部件：CPU、存儲(chǔ)器（主存儲(chǔ)

5、器和外部存儲(chǔ)器）、 I/O設(shè)備。這些部件之間必須有連接的通路，才能組成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以便相 互交換信息，協(xié)調(diào)一致地工作，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的基本功能，即執(zhí)行程序。在主機(jī)和外設(shè)之 間如果要進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，需要一套機(jī)制來(lái)對(duì)該交換過(guò)程提供控制信號(hào)。在當(dāng)前的計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)和外部設(shè)備之間的輸入/輸出操作可采用三種常用的技術(shù)，即直接程序 傳送方式、程序中斷方式、存儲(chǔ)器直接訪問(wèn)（DMA）方式。其中，程序中斷方式常簡(jiǎn)稱(chēng) 為中斷方式，它是幾乎所有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都應(yīng)具備的一種重要的工作機(jī)制，在實(shí)際工作 中被廣泛地應(yīng)用。在中斷方式中需要進(jìn)行一系列的隱指令操作：保存斷點(diǎn)、讀取服務(wù)程序入口地址； 以及在轉(zhuǎn)入服務(wù)程序

6、后首先應(yīng)執(zhí)行的操作，如保護(hù)源程序的現(xiàn)場(chǎng)信息；在返回原程序前， 還需回復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、讀取返回地址等。這使得中斷方式一般適用于處理中、低速的I/O操作 和隨機(jī)請(qǐng)求，所處理的對(duì)象可以是復(fù)雜的隨機(jī)事態(tài)。具體來(lái)講，中斷方式常有以下六種 典型應(yīng)用：以中斷方式管理中低速I(mǎi)/O操作，使CPU與外部設(shè)備并行工作；軟中斷； 故障處理；實(shí)時(shí)處理；多機(jī)通信；人機(jī)對(duì)話。在中斷過(guò)程中，當(dāng)外部提出中斷請(qǐng)求后，CPU是否響應(yīng)，或者存在多個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)， CPU應(yīng)該首先響應(yīng)哪個(gè)中斷請(qǐng)求。這兩種情況決定了中斷系統(tǒng)應(yīng)該具有相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)判 斷邏輯和優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整的手段。中斷方式由于其實(shí)質(zhì)上是通過(guò)執(zhí)行程序來(lái)進(jìn)行對(duì)事件的服務(wù)處理，處理程序可以根

7、 據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，使得程序中斷方式的處理能力很強(qiáng)，可以處理復(fù)雜事態(tài)。而在實(shí)時(shí)控 制系統(tǒng)中，許多實(shí)質(zhì)性的功能模塊就是以中斷處理程序形態(tài)實(shí)現(xiàn)的，而主控制程序僅僅 是一個(gè)組織各個(gè)模塊的框架。正是由于這一原因，使得中斷控制方式在當(dāng)今的計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在微型計(jì)算機(jī)中，廣泛使用一種中斷控制器集成芯片，如Intel 8259A。它將中斷 請(qǐng)求信號(hào)的寄存、匯集、屏蔽、排優(yōu)、編碼等邏輯集中在一塊芯片之中。在設(shè)計(jì)中斷系 統(tǒng)時(shí)，使用這種芯片就非常方便，不必了解芯片內(nèi)究竟使用何種具體的排優(yōu)邏輯。1.3主要內(nèi)容本課題通過(guò)利用高級(jí)VC+語(yǔ)言，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款中斷過(guò)程仿真軟件。其主要為

8、了 通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言的仿真，將中斷過(guò)程利用動(dòng)態(tài)的界面形象地展現(xiàn)出來(lái)，從而更加深入地理 解和體會(huì)中斷方式的處理過(guò)程。第二章課程設(shè)計(jì)的需求分析2.1環(huán)境需求PC機(jī)一臺(tái)，裝有VS2010.2.2功能需求能夠模擬中斷控制器中斷過(guò)程。2.3性能需求設(shè)計(jì)中斷屏蔽。在短時(shí)間內(nèi)判斷是否響應(yīng)中斷。能夠進(jìn)行中斷判優(yōu)。2.3本章小結(jié)本章說(shuō)明了環(huán)境需求，功能需求，和性能需求。第三章中斷控制器的設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)程序中斷方式（中斷方式）即是指：在計(jì)算機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，如果發(fā)生某種隨機(jī)事 態(tài)，CPU將暫停執(zhí)行現(xiàn)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷程序，為該隨機(jī)事態(tài)服務(wù)，并在服務(wù)完 畢后自動(dòng)回復(fù)原程序的執(zhí)行。中斷方式的過(guò)程具體如圖所示。由其本

9、質(zhì)可以推知，中斷 方式具有程序切換和隨機(jī)性?xún)纱笾匾卣鳌ｋS機(jī)請(qǐng)求中斷程序中斷程序中斷方式3.2功能模塊設(shè)計(jì)終端系統(tǒng)的組成：中斷系統(tǒng)即是與中斷功能有關(guān)的硬件、軟件的統(tǒng)稱(chēng)。從硬件角度而言，在接口方面， 中斷接口需要具有請(qǐng)求、傳遞、判優(yōu)邏輯。在CPU方面，需要有響應(yīng)中斷請(qǐng)求的響應(yīng) 邏輯。而從軟件角度而言，需要有服務(wù)程序、以及管理中斷源的中斷向量表。并且，由 于中斷請(qǐng)求出現(xiàn)的隨機(jī)性，無(wú)法在主程序的預(yù)定位置進(jìn)行處理，需要獨(dú)立地編制中斷處 理程序。通過(guò)這樣的軟件組織方法，中斷服務(wù)程序時(shí)獨(dú)立于主程序?qū)崿F(xiàn)編制的。在編制 用戶(hù)主程序時(shí)，只需要提供允許中的可能（如開(kāi)中斷），不必細(xì)致考慮何時(shí)中斷、如何 處理等問(wèn)題，

10、大大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)方式。一旦發(fā)生中斷請(qǐng)求，可以通過(guò)硬件中斷請(qǐng)求信號(hào) 或軟中斷指令提供的中斷號(hào)，轉(zhuǎn)化為向量地址，從中斷向量表中找到相應(yīng)的服務(wù)程序入口地址，從而轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序執(zhí)行。中斷請(qǐng)求的提出與傳遞一個(gè)中斷請(qǐng)求的提出，需要同時(shí)具備以下兩種邏輯關(guān)系：外部設(shè)備有中斷請(qǐng)求的需要。例如“準(zhǔn)備就緒”或者“完成了一次操作”，可以 將完成狀態(tài)標(biāo)志位設(shè)置為1，表示外設(shè)工作完成，有中斷請(qǐng)求的需要。CPU沒(méi)有對(duì)該中斷源屏蔽，允許提出中斷請(qǐng)求。在中斷控制器中，設(shè)置了對(duì)低優(yōu) 先級(jí)中斷的屏蔽，如中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)低于當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，則該中斷會(huì)被 屏蔽，不會(huì)被送往CPU，反之，則有中斷控制器發(fā)送一個(gè)公共的中斷請(qǐng)求信

11、號(hào)INT，并 將此信號(hào)送往CPU進(jìn)行下一步處理。使用中斷控制器的中斷系統(tǒng)中，中斷請(qǐng)求的傳遞采用公共請(qǐng)求線的結(jié)構(gòu)，如圖2-2 所示。由中斷控制器產(chǎn)生的中斷公共信號(hào)INT通過(guò)公共的請(qǐng)求線傳送給CPU。中斷請(qǐng)求傳遞結(jié)構(gòu)中斷判優(yōu)中斷的判優(yōu)主要有以下兩種情況：CPU與中斷請(qǐng)求之間的判優(yōu)。第一種方法可以利用CPU的“允許中斷”標(biāo)志位的 手段進(jìn)行CPU與中斷請(qǐng)求之間的判優(yōu)。CPU設(shè)置了一個(gè)“允許中斷”標(biāo)志位，指令系統(tǒng) 提供開(kāi)中斷與關(guān)中斷的功能，開(kāi)中斷時(shí)標(biāo)志位為1，關(guān)中斷時(shí)標(biāo)志位為0。如果關(guān)中斷， 則CPU不響應(yīng)任何外中斷請(qǐng)求。反之，開(kāi)中斷時(shí)，可以響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求。第二種方法 則是通過(guò)CPU設(shè)置程序狀態(tài)字的優(yōu)

12、先級(jí)字段，為現(xiàn)行的程序賦予優(yōu)先級(jí)。當(dāng)該優(yōu)先級(jí)低 于中斷請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)時(shí)，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求；反之，如果該優(yōu)先級(jí)高于中斷請(qǐng)求的優(yōu)先 級(jí)，CPU不響應(yīng)中斷請(qǐng)求。中斷請(qǐng)求之間的判優(yōu)。按請(qǐng)求的性質(zhì)，一般的優(yōu)先順序?yàn)椋汗收弦l(fā)的中斷請(qǐng)求、DMA 請(qǐng)求、外部設(shè)備中斷請(qǐng)求。按中斷請(qǐng)求要求的數(shù)據(jù)傳送方向，一般的原則是讓輸入操作 的請(qǐng)求優(yōu)先于輸出操作的請(qǐng)求。然而，在目前多數(shù)的計(jì)算機(jī)中，一方面采用硬件邏輯實(shí) 現(xiàn)優(yōu)先級(jí)判別，如利用中斷控制器集中解決請(qǐng)求信號(hào)的接收、屏蔽、判優(yōu)、編碼等問(wèn)題。 另一方面，計(jì)算機(jī)又可以改用軟件查詢(xún)方式體現(xiàn)優(yōu)先級(jí)判別。這讓計(jì)算機(jī)可以動(dòng)態(tài)地調(diào) 整優(yōu)先級(jí)，使得中斷處理過(guò)程更加的靈活。中斷響應(yīng)當(dāng)外設(shè)

13、有中斷請(qǐng)求，并且沒(méi)有被屏蔽，CPU處于開(kāi)中斷狀態(tài)，一條指令（非停機(jī)指 令）結(jié)束；沒(méi)有比該中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)更高的請(qǐng)求時(shí)，CPU即可響應(yīng)該中斷請(qǐng)求。在CPU 響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，通過(guò)執(zhí)行中斷服務(wù)程序進(jìn)行中斷處理。服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)存放在主存中， 為了轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，關(guān)鍵要獲得該服務(wù)程序的入口地址。獲得中斷服務(wù)程序的入口 地址依照中斷方式的不同主要有以下兩種方法：非向量中斷非向量中斷是指：CPU響應(yīng)中斷時(shí)只產(chǎn)生一個(gè)固定的地址，由此讀取中斷查詢(xún)程序 的入口地址，然后轉(zhuǎn)向查詢(xún)程序并執(zhí)行；通過(guò)軟件查詢(xún)方式，確定被優(yōu)先批準(zhǔn)的中斷源， 然后獲取與之對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址，分支進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。向量中斷向量中

14、斷是指：將各個(gè)中斷服務(wù)程序的入口地址（包括狀態(tài)字）組織成中斷向量表； 響應(yīng)中斷時(shí)，由硬件直接產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于中斷源的向量地址；按該地址訪問(wèn)中斷向量表，從 中讀取服務(wù)程序的入口地址，并由此轉(zhuǎn)向服務(wù)程序。這種方式可以根據(jù)中斷請(qǐng)求信號(hào)快 速地直接轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的中斷服務(wù)程序。在獲取了中斷服務(wù)程序的入口地址之后，CPU就可轉(zhuǎn)向程序運(yùn)行狀態(tài)，以開(kāi)始執(zhí)行 中斷服務(wù)程序。整體的響應(yīng)過(guò)程如圖所示。中斷響應(yīng)過(guò)程中斷處理當(dāng)進(jìn)入中斷服務(wù)服務(wù)程序之后，CPU通過(guò)執(zhí)行程序，按照中斷請(qǐng)求的需要進(jìn)行相應(yīng) 的處理。如保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)、開(kāi)/關(guān)中斷、多重中斷與單級(jí)中斷、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)與返回等。對(duì)于單級(jí)中斷，CPU相應(yīng)后只處理一個(gè)中斷源的請(qǐng)求，處理完畢后才

15、能響應(yīng)新的中 斷請(qǐng)求。而對(duì)于多重中斷，在某次中斷服務(wù)過(guò)程中，允許CPU響應(yīng)處理更高級(jí)別的中斷 請(qǐng)求。它們的具體處理流程如圖所示。倒戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)辰蔽字、開(kāi)中斷I酣販 II逐服務(wù)處理II具體服醐理II 卑斷 II II恢夏現(xiàn)Xuy同a &I開(kāi)中斷、矣回一|I 開(kāi)中斷、返回 I單級(jí)中斷處理流程多重中斷處理流程3.3本章小結(jié)本章介紹了中斷控制器的總體設(shè)計(jì)和各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。第四章中斷控制器的實(shí)現(xiàn)4.1開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹PC機(jī)一臺(tái)，裝有VS2010O4.2主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：中斷開(kāi)關(guān)bool IF中斷請(qǐng)求信號(hào)class INTRpublic:string Source;中斷源int Time;中斷執(zhí)行時(shí)間

16、int PRI;中斷優(yōu)先級(jí)中斷請(qǐng)求：中斷請(qǐng)求采用按鍵盤(pán)中斷的方式。中斷屏蔽判斷IF的值，IF為0時(shí)關(guān)中斷，IF為1時(shí)開(kāi)中斷。只有在運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)才允許 開(kāi)關(guān)中斷。比較當(dāng)前運(yùn)行程序與中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)，如中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前程序，則執(zhí) 行中斷程序，反之屏蔽中斷。代碼：主函數(shù)：int main()srand(time(0);string c_in;int n_in;cout* endl;coutendl 開(kāi)中斷在中斷源處輸入OPEN;coutendl關(guān)中斷在中斷源處輸入CLOSE;coutendl(任意鍵繼續(xù))endlendl;cout* endl;getch();system(cls)；while(1

17、)Display();if (kbhit()CleanKB();/用于清除鍵盤(pán)緩沖區(qū)cout* endl;coutendl輸入中斷源和運(yùn)行時(shí)間endlendl;coutc_in;開(kāi)關(guān)中斷if(c_in = OPEN” | | c_in = CLOSE)if (c_in = OPEN)IF = 1;system(cls);cout*endl;coutendl開(kāi)中斷成功！ endlendl;cout*endl;Sleep(1000);system(cls);elseIF = 0;system(cls);cout*endl;coutendl關(guān)中斷成功！ endlendl;cout*endl;Slee

18、p(1000);system(cls);continue;coutn_in;判斷是否開(kāi)中斷if(IF = 0)system(cls)；cout*endl;coutendl系統(tǒng)為關(guān)中斷狀態(tài)！;coutendl 不能響應(yīng)中斷！ endlendl;cout*endl;Sleep(1000);system(cls)； continue;建立中斷請(qǐng)求信號(hào)INTR t(c_in, n_in, RandInt(1,10)/ 隨機(jī)產(chǎn)生 110 的優(yōu)先級(jí)coutendl;cout* endl;Sleep(500);system(cls)；/中斷Break(t);return 0;中斷函數(shù)：void Break(

19、INTR &t)string c_in;int n_in;cout* endl;coutendl 開(kāi)始執(zhí)行中斷程 序zendlendl;cout* 0; t.Time-) if (kbhit()CleanKB();/用于清除鍵盤(pán)緩沖區(qū)建立中斷請(qǐng)求信號(hào)cout* endl;coutendl輸入中斷源和運(yùn)行時(shí)間endlendl;coutc_in;coutn_in;coutendl;cout* endl;Sleep(500);system(cls)；INTR t2(c_in, n_in, RandInt(1,10)/隨機(jī)產(chǎn)生 110的優(yōu)先級(jí)中斷判優(yōu)if (Higher(t2, t)執(zhí)行中斷Break

20、(t2);elsecout*endl;coutendl中斷程序優(yōu)先級(jí)低于當(dāng)前程序??；coutendl 不能響應(yīng)中斷！ endlendl;cout*endl;Sleep(1000);system(cls)；cout*endl;cout中斷程序正在執(zhí)行.endl;cout (按任意鍵中斷)endl;cout 中斷源：t.Sourceendl 剩余時(shí)間：t.Timeendl;cout 優(yōu)先級(jí)：t.PRIendl;cout*endl;Sleep(1000);system(cls);cout* endl;coutendl繼續(xù)執(zhí)行中斷前程 序 endlendl;cout* b.PRI;工具函數(shù)：用于產(chǎn)生i-j的隨機(jī)數(shù)。在隨機(jī)生成中斷優(yōu)先級(jí)時(shí)用到。int RandInt(int i, int j)return rand()%(j+i-1)+i;由于使用kbhit()函數(shù)判斷是否中斷，此用于清除鍵盤(pán)緩沖區(qū)。void CleanKB()/用于清除鍵盤(pán)緩沖區(qū)while(kbhit()getch();4.3本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了開(kāi)發(fā)環(huán)境、中斷控制器的各個(gè)功能和詳細(xì)實(shí)現(xiàn)。第五章測(cè)試及成果展示5.1測(cè)試環(huán)境PC機(jī)一臺(tái)，裝有VS2010O5.2測(cè)試用例和結(jié)果此時(shí)系統(tǒng)允許中斷。測(cè)試關(guān)中斷功能：C:Windows輸入中斷源和運(yùn)行時(shí)間中斷源：CLOSE關(guān)中斷成功，此時(shí)IF為0,不能響應(yīng)中斷