仁愛學院微機原理復習7-1

中斷技術本章的主要內容I/O的基本知識（接口的功能與作用，端口編址方式，信息傳送方式，端口地址分配與地址譯碼等）中斷的基本原理（中斷請求、判優(yōu)、響應、處理、返回）8086中斷系統(tǒng)（中斷源，中斷向量表，中斷類型號，中斷響應過程等）中斷控制器8259A（內部結構，工作原理，工作方式及編程）7.1I/O接口一、I/O接口的重要作用輸入和輸出設備是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。外設與計算機主機連接是通過各種I/O接口實現(xiàn)的。所以，I/O接口在系統(tǒng)中起著重要的橋梁作用。如圖：◎I/O接口：連接外設與總線之間的邏輯電路的總稱。即總線主設備與外設之間的橋梁。

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通過I/O接口，總線與外設可以交換數(shù)據(jù)，主設備可以控制該I/O口的工作（向I/O口寫入命令）；監(jiān)測與管理I/O口的工作狀態(tài)；必要時，I/O口還可產(chǎn)生中斷請求。

?

主設備與外設交換數(shù)據(jù)還存在以下問題需要解決：

?速度不匹配

?信號電平不匹配（TTL,CMOS,RS-232等）

?信號格式不匹配（并行、串行、模擬、數(shù)字等）

?

時序不匹配（外設有自己的定時與控制邏輯）微機系統(tǒng)中的各種I/O接口二、I/O接口的主要功能●數(shù)據(jù)緩沖功能（解決速度差異）●設備選擇（端口地址，譯碼）●信號轉換功能（電平，并、串，數(shù)、模等轉換）●對外設的控制與監(jiān)測功能（發(fā)命令，監(jiān)測狀態(tài)等）●中斷請求與管理●可編程功能三、I/O端口的編址方式●I/O端口:把I/O接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器或某些特定器件稱之為端口（Port）。I/O接口中常設有數(shù)據(jù)口、命令口和狀態(tài)口?！馡/O端口的編址方式

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與存儲器統(tǒng)一編址（或存儲器映射方式）

優(yōu)點：指令多且齊全；端口空間大。

缺點：指令長且慢；占用內存空間。

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I/O獨立編址

優(yōu)點：指令短（設有單獨的I/O指令）執(zhí)行快；不占內存

空間；程序易讀。

缺點：端口空間小；需要單獨的I/O讀、寫信號。

四、CPU與I/O端口之間傳送信息的方式◎無條件傳送

電路簡單，CPU訪問時總認為I/O已準備好。下面是一個無條件傳送的輸入方式電路：

圖中，AEN是地址允許信號。當AEN=0由CPU控制總線；當AEN=1時，由DMA控制總線。CPU讀三態(tài)緩沖器時總認為數(shù)據(jù)已準備就緒◎程序查詢傳送方式

讀I/O端口狀態(tài)信息，若準備就緒，就輸入或輸出，否則，就繼續(xù)查詢等待。顯然，該方式CPU的大部分時間都用在了查詢和等待了，所以傳送效率不高。下圖是一個查詢輸入的接口電路。其查詢程序如下：

wait1:movdx,stportinal,dxtestal,80h;當ready=1,數(shù)據(jù)已準備好。jzwait1;當ready=0,數(shù)據(jù)未準備好。movdx,dtport;準備好，讀端口數(shù)據(jù)

inal,dx◎中斷傳送方式該方式可大大提高CPU的工作效率。該方式是：當外設要求CPU交換數(shù)據(jù)時，可向CPU發(fā)出中斷請求，CPU在執(zhí)行完當前指令后，即可中斷當前任務的執(zhí)行，根據(jù)中斷源提供的中斷類型號，轉入相應的中斷處理程序，以實現(xiàn)對外設的數(shù)據(jù)傳送和管理。該方式可實現(xiàn)CPU和外設并行工作。

◎DMA傳送方式

DMA（DirectMemoryAccess）傳送方式又稱直接存儲器存取方式。其原理就是在存儲器與外設之間開辟一條高速數(shù)據(jù)通道，使外設與內存之間直接交換數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)通道是通過DMA控制器來實現(xiàn)的。在DMA傳送期間，不需要CPU的任何干預，而是由DMA控制器控制系統(tǒng)總線，在其控制下完成數(shù)據(jù)傳送任務。

對于高速數(shù)據(jù)傳送和與外設頻繁交換信息的場合，DMA方式比中斷傳送方式效率高。因為中斷傳送要不斷的保護斷點和現(xiàn)場，使CPU的工作效率大為降低。

DMA傳送原理示意圖如下：五、PC機系列I/O端口地址分配地址分配：前256個端口給系統(tǒng)板，后768個端口給擴展版系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址(000H~00FFH)擴展槽上接口控制卡的端口地址（100H~3FFH)六、I/O端口地址譯碼譯碼電路的兩種譯碼方式固定式端口地址譯碼可選式端口地址譯碼譯碼電路的實現(xiàn)途徑門電路譯碼譯碼器譯碼GAL、FPGA器件實現(xiàn)譯碼（譯碼電路對外可保密）（由于涉及到開發(fā)工具與GAL編程，不要求掌握）★用門電路實現(xiàn)地址譯碼，有全譯碼和部分譯碼

全譯碼電路：I/O所有地址線都參加譯碼的電路稱為全譯碼電路。溢出的I/O地址是唯一的，不會產(chǎn)生地址重疊。部分譯碼電路：I/O地址線只有部分地址信號參加了譯碼的電路稱為部分譯碼電路。譯出的I/O地址有重疊。IOR和IOW、AEN等信號也可參加譯碼。I/O用門電路譯碼實例：（a）部分譯碼（b）全譯碼采用譯碼器可同時譯出多個端口地址常用譯碼器有3-8譯碼器74LS138、4-16譯碼器74LS154，雙2-4譯碼器74LS139等例：采用74LS138譯碼器實現(xiàn)全譯碼電路7.2中斷的基本概念中斷的概念和全過程*什么是中斷？

所謂中斷就是當CPU正常運行程序時，由于隨機的事件包括內部事件和外部事件）引起CPU暫時中止正在運行的程序，轉去執(zhí)行請求中斷的中斷源的中斷服務程序，中斷服務結束后再返回被中止的程序。這一過程被稱為中斷。*中斷源

廣義地說，能引起CPU產(chǎn)生程序中斷的隨機事件就是中斷源。例如：外設故障、傳輸錯誤、定時器時間到等都可以是中斷源；某外設需要傳送數(shù)據(jù)向CPU發(fā)出中斷請求，該外設即是中斷源。對主機來說，系統(tǒng)掉電、硬件故障、軟件錯誤、設置斷點、單步操作等也是中斷源。*中斷過程

中斷的全過程分為以下五步：中斷請求，中斷判優(yōu)，中斷響應，中斷服務（處理），中斷返回。

◎中斷請求

中斷請求分為邊沿請求和電平請求。請求信號由低到高或有高到低的跳變?yōu)檫呇赜|發(fā)請求；請求信號為高電平或低電平為電平觸發(fā)請求?！蛑袛嗯袃?yōu)

1、軟件判優(yōu)

2、硬件判優(yōu)◎中斷響應

中斷響應就是CPU”中斷”現(xiàn)正在進行的處理任務，轉向中斷請求相對應的處理程序的過程。中斷響應過程應解決如下問題：

*

保護斷點(將當前的CS:IP壓入堆棧)

*

保護現(xiàn)場(寄存器壓入堆棧)

*CPU關中斷（關閉中斷，不允許其他中斷產(chǎn)生）

*

轉到中斷請求所對應的處理程序（找到新的CS：IP）（控制權轉移：方法有固定入口地址；矢量中斷）

◎中斷處理（服務）中斷處理就是執(zhí)行中斷服務程序，完成中斷源提出的處理要求。實際上是軟件編程問題。中服程序與子程序的區(qū)別：隨機事件與意料之中事件；對主程序透明與不透明。若允許中斷嵌套，應該在中服程序中開中斷（STI)。

◎中斷返回中斷返回就是CPU控制權由中服程序轉移到被中斷程序的過程。用IRET指令。中斷判優(yōu)什么是中斷判優(yōu)CPU管理多個中斷源時，在收到中斷源發(fā)出的中斷請求后，需判斷是哪一個中斷源提出的中斷請求，以便對它進行服務（或處理）。中斷判優(yōu)的方法軟件查詢判優(yōu)法硬件判優(yōu)法（向量中斷和鏈式判優(yōu)）軟件查詢判優(yōu)CPU響應中斷后，轉入執(zhí)行一特定地址的中斷服務程序，該中斷服務程序查詢狀態(tài)口，確定發(fā)出中斷請求的外設，然后進行相應的處理。硬件判優(yōu)（向量中斷法）多個外設經(jīng)中斷控制器向CPU提出中斷請求，CPU響應中斷發(fā)出INTA信號，中斷控制器將相應的中斷向量號（中斷類型號）放在數(shù)據(jù)總線上，CPU讀取后，即可確定中斷源，查中斷向量表進行相應處理。矢量中斷優(yōu)先級控制器原理如下圖，優(yōu)先級判別器判別出最高優(yōu)先級請求，將其優(yōu)先級別轉換為3位代碼，送到中斷矢量寄存器的低3位及當前在服務寄存器；之后，中斷控制邏輯向CPU發(fā)出中斷請求信號，CPU中止正執(zhí)行的程序，向中斷控制電路發(fā)回中斷響應信號，然后進入中斷處理過程。硬件判優(yōu)（向量中斷法）并行判優(yōu)網(wǎng)絡（向量中斷實例）硬件判優(yōu)（鏈式判優(yōu)法）鏈式判優(yōu)電路與并行判優(yōu)不同，鏈式判優(yōu)是根據(jù)中斷源在中斷判優(yōu)鏈上的物理位置來決定其優(yōu)先級別的，越靠近CPU的中斷源的級別越高。其判優(yōu)方法如下圖所示。中斷嵌套當前正在被執(zhí)行的中斷服務程序可被優(yōu)先級更高的中斷請求中斷優(yōu)先級相同或更低的中斷請求不能中斷當前正在被執(zhí)行的中斷服務程序7.3PC機的中斷系統(tǒng)中斷源類型外部中斷（硬中斷）非屏蔽中斷NMI可屏蔽中斷INTR內部中斷（軟中斷）除法錯中斷溢出錯中斷斷點中斷單步中斷PC機中斷系統(tǒng)X86的中斷源中斷源的優(yōu)先級

中斷源優(yōu)先級

除法錯，INTn，INTO最高

NMI次高

INTR次低單步中斷（INT1）最低硬中斷與軟中斷的比較硬中斷的特點由外部事件引起，具有隨機性CPU需發(fā)中斷響應信號（對INTR），對NMI不發(fā)可以被屏蔽（對INTR），對NMI不能屏蔽由中斷控制器發(fā)中斷類型號（對INTR），對NMI，CPU自動產(chǎn)生（02號）軟中斷的特點通常，用中斷指令觸發(fā)，中斷的發(fā)生時刻是可知的CPU不發(fā)中斷響應信號中斷類型號（n）由指令直接給出不可被屏蔽非屏蔽中斷NMI當CPU收到非屏蔽中斷NMI請求后，默認該請求的中斷類型號為02H。早期的包括3個非屏蔽中斷源協(xié)處理器出錯系統(tǒng)RAM奇偶校驗錯I/O通道校驗錯可屏蔽中斷INTR在CPU的INT引腳輸入“高”有效信號時，則產(chǎn)生硬件可屏蔽中斷請求信號。是否屏蔽由FR寄存器的IF位決定。IF=0，屏蔽中斷（執(zhí)行CLI指令）IF=1，允許中斷（執(zhí)行STI指令）使用中斷控制器管理多個硬件中斷源內部中斷（軟中斷）除法錯中斷執(zhí)行DIV或IDIV指令時，商超出機器表示的最大值，即產(chǎn)生0號中斷溢出錯中斷當FR的OF=1時，執(zhí)行INTO指令，即產(chǎn)生4號中斷單步中斷當FR的TF=1時，執(zhí)行每條指令，即產(chǎn)生1號中斷指令中斷斷點中斷INT3H（機器碼為：CCH），單字節(jié)指令INTnH在PC系列機中，INT

n分為兩類：ROM-BIOS中斷I/O設備控制程序BIOS實用服務程序BIOS特殊中斷BIOS專用參數(shù)中斷DOS中斷公開的DOS專用中斷（供內核代碼專用）未公開的DOS專用中斷（供內核代碼專用）DOS可調用中斷系統(tǒng)功能調用中斷DOS保留

軟

中

斷

分

類中斷向量表中斷向量表及向量號分配由若干中斷服務程序入口地址組成的表例：X86的中斷向量分配表如下圖教材后面的附錄D給出了中斷向量號的分配IPCSIPCSIPCSIPCS外部中斷響應與處理過程中斷申請外設向CPU發(fā)中斷請求信號申請CPU給予服務，CPU決定是否響應中斷響應發(fā)中斷響應信號INTA，獲取中斷類型號，保存斷點及FR于堆棧，查表獲得中斷服務程序入口地址中斷服務程序保護現(xiàn)場，開中斷，對外設進行服務（I/O操作），恢復現(xiàn)場中斷返回從堆棧彈出斷點及FR，回到中斷前的地址繼續(xù)執(zhí)行中斷操作流程中斷操作流程說明例如：某中斷向量號為72H，圖7.16示出了中斷操作過程，如下所述：①取中斷向量號72H；②計算中斷向量地址72×4=1C8H；72×4+2=1CAH;③取中斷服務程序入口地址的偏移量送入IP，IP=2050H，段地址送入CS，CS=A000H；④轉入中斷服務程序A000H:2050H；⑤中斷返回到INT72H指令的下一條指令。中斷響應周期（對INTR）7.4可編程中斷控制器8259A8259A中斷控制器（PIC）功能優(yōu)先級排隊管理完全嵌套循環(huán)優(yōu)先級特殊完全嵌套方式接受和擴充外部設備的中斷請求利用級聯(lián)方式可擴展至8片，管理64個中斷源提供中斷類型號中斷請求的允許與屏蔽8259A的內部結構和外部特性8259A的外部特性※8259A是28腳封裝的NMOS芯片，其管腳如上圖所示。1．8259A與CPU的連接信號

?D7~D0:CPU與8259A之間的數(shù)據(jù)線。

?RD和WR:

讀/寫命令線，通常分別接CPU的IOR和IOW信號。?CS和A0:

片選線和地址線。CS由系統(tǒng)的I/O譯碼器產(chǎn)生，它確定該

8259A在系統(tǒng)I/O空間的基地址。A0用于選擇8259A的內部寄存器。因只有一條地址線，可知該芯片有兩個端口地址。?INT:

中斷請求線，高有效，接到CPU的INTR信號。

?INTA:CPU或總線控制器8288來的中斷響應信號線。在中斷響應期間，該信號線送CPU來的負脈沖。?IR0~IR7:8259A的8個異步中斷請求輸入信號。高電平和上升沿表示有請求。2.

8259A與外設間的連接信號

?CAS2~CAS0

級聯(lián)信號。它是雙向信號，當系統(tǒng)的中斷請求多于8個時，可用兩個或更多的8259A級聯(lián)，其中一個是主中斷控制器，其余的是從控制器。從控制器的INT輸出接到主控制器的一個IR輸入上。在中斷響應期間，若主8259A判定所響應的是由某一從8259A來的中斷請求，則它在級聯(lián)線上發(fā)出該從8259A的識別號，并由各個從8259A接收。?SP/EN

雙向信號線。當8259A與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線之間加雙向總線驅動器以加大8259A的驅動能力時，8259A應處于“緩沖方式”。這時，應是輸出線，以控制雙向總線驅動器的EN端。若不采用緩沖方式，則是輸入線。由它決定該8259A編程為“從片”（=1）還是編程為“主片”（=0）。8259A的內部結構中斷請求寄存器（IRR）存放外部中斷源發(fā)出的中斷請求信號，具有鎖存功能正在服務寄存器（ISR）存放正在被服務的中斷請求信號。中斷嵌套時，有多個比特同時被置“1”中斷屏蔽寄存器（IMR）“0”允許中斷；“1”屏蔽中斷優(yōu)先權分析器（PR）把IRR的內容與ISR的內容進行比較，響應優(yōu)先級高的中斷數(shù)據(jù)總線緩沖器三態(tài)雙向8位緩沖器作為與系統(tǒng)總線的接口讀/寫控制邏輯

RDWR

一條地址線A0，只有兩個端口。

（早期的PC/XT機器中，兩個口地址：20H，21H）

級聯(lián)緩沖器/比較器（CAS2~CAS0）用于存儲和比較從片中所有8259的標識號8259A的級聯(lián)8259A的級聯(lián)，主片可以級聯(lián)8個從片8259A的工作方式中斷觸發(fā)方式邊沿觸發(fā)方式電平觸發(fā)方式中斷查詢方式（若系統(tǒng)中斷源超過64個時）屏蔽中斷源的方式普通屏蔽方式

①若是直接設置CPU的IF=0，則屏蔽所有通過INTR線的可屏蔽中斷申請。②使用8259A中斷屏蔽寄存器IMR來實現(xiàn)中斷源的分別屏蔽：IMRi作用于IRi，IMRi=1時，屏蔽由IRi輸入的中斷請求。特殊屏蔽方式

特殊屏蔽方式僅對本級中斷進行屏蔽，而允許其他優(yōu)先級比它高或低的中斷進入系統(tǒng)，這被稱作特殊屏蔽方式。

如果屏蔽了某些中斷，優(yōu)先級比它們低的中斷就可以得到響應。但是如果優(yōu)先級高的中斷正在服務，即它們的ISR=1，低級中斷仍然不能得到響應。中斷嵌套方式正常全嵌套方式特殊全嵌套方式中斷優(yōu)先級方式優(yōu)先級自動循環(huán)方式(IR0-IR7的優(yōu)先權是可變的)當某一個中斷請求IRi服務結束后，該中斷的優(yōu)先權自動降為最低，而緊跟其后的中斷請求IR(i＋1)的優(yōu)先權自動升為最高，IR7～IR0優(yōu)先權級別按如下所示的右循環(huán)方式改變。優(yōu)先級指定循環(huán)方式結束中斷的處理方式正常中斷結束方式（EOI）指定中斷結束方式（SEOI）自動中斷結束方式（AEOI）※名詞解釋正常全嵌套方式允許比現(xiàn)正處理的優(yōu)先級更高的事件打斷它的處理而被服務。特殊全嵌套方式允許同級和高優(yōu)先級的請求可以打斷正進行的處理而實現(xiàn)嵌套。此方式僅用于主片PIC。中斷結束命令（EOI）

有三種EOI命令，使得中斷響應或處理完后能使相應的ISR復位（即ISRi=0）。

*

正常EOI命令：在中斷處理結束時使當前優(yōu)先級最高的ISR復位。

※名詞解釋

*

指定EOI命令（SEOI）：該EOI命令指出了所復位的ISR的號。該命令用于不能肯定本級是否最高優(yōu)先級的場合。

*

自動EOI命令（AEOI）：該方式下，當某一IRQ被CPU響應中斷結束時自動使其ISR為0。這種方式免除了中斷處理結束時一定要向8259A發(fā)送EOI命令的必要。8259A全嵌套方式流程圖8259A編程（命令字）初始化命令字（有4個初始化命令字ICW）芯片控制（工作方式設置）ICW1中斷類型號ICW2級聯(lián)方式ICW3特殊全嵌套、緩沖器方式ICW4操作命令字（有3個操作命令字OCW）中斷屏蔽字OCW1中斷結束方式OCW2中斷查詢OCW3初始化命令字1（ICW1）完成觸發(fā)方式設置及級聯(lián)方式設置的功能初始化命令字2（ICW2）完成中斷矢量號設置的功能（高5位由用戶設定，低3位由系統(tǒng)自動填入）例在奇地址端口寫入00001010B后，對應的中斷類型號為08-0FH（低3位是自動填入的）在奇地址端口寫入10000010B后，對應的中斷類型號為80-87H初始化命令字3（ICW3）只在級聯(lián)方式下使用。完成主、從片間連接關系設置功能對主片的設置對從片的設置例如：一個主片和兩個從片的級聯(lián)如圖，主片和兩個從片的ICW3分別初始化。初始化命令字4（ICW4）ICW4:完成結束中斷方式、緩沖模式和嵌套模式的設置功能特殊完全嵌套方式當前正在被執(zhí)行的中斷服務程序可被優(yōu)先級相等或更高的中斷請求中斷結束中斷EOI普通EOI

中斷服務程序需向8259A送中斷結束命令（EOI）標識中斷結束自動EOI

中斷程序無需送EOI命令。在第二個INTA脈沖信號的后沿，將ISR的對應bit清0。

操作命令字1（OCW1）操作命令字的功能：在系統(tǒng)運行過程中，對8259A的狀態(tài)和操作方式進行修改和控制。OCW1:完成中斷屏蔽IR0-7的設置功能。OCW1可讀可寫操作命令字2（OCW2）OCW2:完成非自動中斷結束、中斷排隊方式的設置功能正常（不指定）EOI如果采用完全嵌套方式，可采用不指定EOI方式發(fā)出該EOI后，中斷控制器將ISR中優(yōu)先級最高的bit復位。例：ISR=00100100，執(zhí)行

moval,20h

；（EOI=20H，即OCW2=20H）out20h,al

；（該指令中20H為8259A的口地址）

后，ISR=00100000指定EOI如果中斷優(yōu)先級被打亂，即當前正在被服務的中斷服務程序的優(yōu)先級不是最高的，則必須采用指定EOI方式。發(fā)出EOI時須指定要復位的ISR的bit的位置。例：ISR=00100100，當前服務程序對應ISR的bit5

moval,01100101h

；（OCW2=65H）out20h,al

后，ISR=00000100非指定EOI自動循環(huán)命令（同等優(yōu)先）某中斷源被服務后，優(yōu)先級自動降為最低級。例如

操作命令字3（OCW3）OCW3:完成IR和ISR寄存器、狀態(tài)字查詢，特殊屏蔽方式設置的功能=1：特殊中斷屏蔽方式=0：普通中斷屏蔽方式讀IR或IS寄存器讀IRRmoval,00001010bout20h,alnopinal,20h;IRR