計算機組成原理第八章 第3講 程序中斷方式

程序中斷方式2021/5/918.3程序中斷方式8.3.1中斷的概念、功能

8.3.2程序中斷方式的基本接口

8.3.3單級中斷8.3.4多級中斷8.3.5Pentium中斷機制2021/5/928.3.1中斷的概念、功能

中斷（Interrupt）是指CPU暫時中止現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理隨機發(fā)生的緊急事件，處理完后自動返回原程序的功能和技術(shù)。中斷系統(tǒng)是計算機實現(xiàn)中斷功能的軟硬件總稱。一般在CPU中設(shè)置中斷機構(gòu)，在外設(shè)接口中設(shè)置中斷控制器，在軟件上設(shè)置相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。2021/5/938.3.1中斷的概念、功能中斷適合于處理隨機出現(xiàn)的事務(wù)主程序只在設(shè)備就緒時才與之交互數(shù)據(jù)2021/5/948.3.1中斷的概念、功能中斷系統(tǒng)的功能包括：1)實現(xiàn)主機和外設(shè)的并行工作；2)處理故障；3)實現(xiàn)多道程序的分時操作；4)實時控制；5)實現(xiàn)人機聯(lián)系；6)實現(xiàn)多機通信。2021/5/958.3.1中斷的概念、功能中斷源：能夠向CPU發(fā)出中斷請求的事件。常見中斷源有：輸入、輸出設(shè)備中斷。如鍵盤、打印機等工作過程中已做好接收或發(fā)送準備。數(shù)據(jù)通道中斷。如磁盤、磁帶等要同主機進行數(shù)據(jù)交換等。實時時鐘中斷。故障中斷。例如電源掉電、設(shè)備故障等要求CPU進行緊急處理等。系統(tǒng)中斷。如運算過程出現(xiàn)溢出、數(shù)據(jù)格式非法，數(shù)據(jù)傳送過程出現(xiàn)校驗錯，控制器遇到非法指令等等。為了調(diào)試程序而設(shè)置的中斷。2021/5/968.3.1中斷的概念、功能硬件實現(xiàn)軟件實現(xiàn)不再接中斷可再接中斷2021/5/978.3.1中斷的概念、功能中斷處理過程注意幾個問題：響應(yīng)中斷時機：外界中斷請求是隨機的，但CPU只有在當前指令執(zhí)行完畢后，才轉(zhuǎn)至公操作斷點保護問題（PC，寄存器內(nèi)容和狀態(tài)的保存）中斷屏蔽：開中斷和關(guān)中斷問題。中斷是由軟硬件結(jié)合起來實現(xiàn)的2021/5/988.3.2程序中斷方式的基本I/O接口數(shù)據(jù)緩沖寄存器BS外設(shè)接口忙（BuSy）標志RD外設(shè)準備就緒（ReaDy）標志EI（EnableInterrupt中斷允許觸發(fā)器）IR（InterruptRequest）中斷請求觸發(fā)器IM（InterruptMask）中斷屏蔽觸發(fā)器2021/5/998.3.2程序中斷方式的基本接口①表示由程序啟動外設(shè)，將該外設(shè)接口的“忙”標志BS置“1”，“準備就緒”標志RD清“0”；②表示接口向外設(shè)發(fā)出啟動信號；③表示數(shù)據(jù)由外設(shè)傳送到接口的緩沖寄存器；④表示當設(shè)備動作結(jié)束或緩沖寄存器數(shù)據(jù)填滿時，設(shè)備向接口送出一控制信號，將數(shù)據(jù)“準備就緒”標志RD置“1”；⑤表示允許中斷標志EI為“1”時，接口向CPU發(fā)出中斷請求信號；⑥表示在一條指令執(zhí)行末尾CPU檢查中斷請求線，將中斷請求線的請求信號接收到“中斷請求”標志IR；⑦表示如果“中斷屏蔽”標志IM為“0”時，CPU在一條指令執(zhí)行結(jié)束后受理外設(shè)的中斷請求，向外設(shè)發(fā)出響應(yīng)中斷信號并關(guān)閉中斷；⑧表示轉(zhuǎn)向該設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口；⑨表示中斷服務(wù)程序通過輸入指令把接口中數(shù)據(jù)緩沖寄存器的數(shù)據(jù)讀至CPU中的寄存器；（10）表示CPU發(fā)出控制信號C將接口中的BS和RD標志復位。2021/5/9108.3.3單級中斷所有中斷源屬于同一級，離CPU越近，優(yōu)先級越高。要點：在執(zhí)行某個中斷請求的過程中，不允許其他中斷源再打斷中斷服務(wù)程序。即使其優(yōu)先級別更高。單級中斷示意圖8.7類似于第六章的鏈式查詢方式。2021/5/9118.3.3單級中斷中斷響應(yīng)：2021/5/9128.3.3單級中斷中斷源的識別：串行排隊鏈法（菊花鏈查詢方式）IR1，IR2，IR3為中斷請求信號IS1，IS2，IS3為中斷選中信號INTI為中斷排隊輸入INTO為中斷排隊輸出中斷源識別之后獲取中斷向量當CPU響應(yīng)中斷時，由硬件直接產(chǎn)生一個固定的地址(即向量地址)由向量地址指出每個中斷源設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口，這種方法通常稱為向量中斷。2021/5/9138.3.4多級中斷概念：多級中斷系統(tǒng)是指計算機系統(tǒng)中有相當多的中斷源，根據(jù)各中斷事件的輕重緩急程度不同而分成若干級別，每一中斷級分配給一個優(yōu)先權(quán)。多級指的是優(yōu)先權(quán)級別有多個每級有一個中斷優(yōu)先權(quán)優(yōu)先權(quán)高的中斷級別級可以打斷低的級別如圖8.9示2021/5/9142021/5/9158.3.4多級中斷-多級中斷可分為一維多級中斷和二維多級中斷一維多級中斷：每一級中斷中有一個中斷源。二維多級中斷：每一級中斷中有多個中斷源-說明：中斷響應(yīng)時，確定哪一級中斷和中斷源采用硬件實現(xiàn)。采用了獨立請求方式和鏈式查詢方式相結(jié)合的方式。多級中斷可以嵌套，但同一級的中斷不允許嵌套使用多級堆棧保存現(xiàn)場（包括IM）一個系統(tǒng)有n級中斷，則CPU中有n個IR，n個IM，某級中斷被響應(yīng)后，則關(guān)閉本級和低于本級的IM，開放更高級的IM。2021/5/9168.3.4多級中斷2021/5/9178.3.4多級中斷多級中斷源的識別中斷優(yōu)先排隊電路中斷向量產(chǎn)生電路2021/5/918舉例例1、參見圖8.9所示的二維中斷系統(tǒng)。請問：(1)在中斷情況下，CPU和設(shè)備的優(yōu)先級如何考慮?請按降序排列各設(shè)備的中斷優(yōu)先級。答：在中斷情況下，CPU的優(yōu)先級最低。各設(shè)備的優(yōu)先次序是：A→B→C→D→E→F→G→H→I→CPU。2021/5/919(2)若CPU現(xiàn)執(zhí)行設(shè)備B的中斷服務(wù)程序，IM2，IM1，IM0的狀態(tài)是什么?如果CPU執(zhí)行設(shè)備D的中斷服務(wù)程序，IM2，IM1，IM0的狀態(tài)又是什么?答：當前執(zhí)行B的中斷：IM2，IM1，IM0為111當前執(zhí)行D的中斷：IM2，IM1，IM0為0112021/5/920(3)每一級的IM能否對某個優(yōu)先級的個別設(shè)備單獨進行屏蔽?如果不能，采取什么辦法可達到目的?答：不能，因為共用IM。通過設(shè)置允許中斷觸發(fā)器為0，禁止該設(shè)備發(fā)出中斷，對其屏蔽。2021/5/921(4)假如設(shè)備C一提出中斷請求，CPU立即進行響應(yīng)，如何調(diào)整才能滿足此要求?答：增加更高一級（第3級）的中斷請求邏輯，將C單獨放置于第3級中。2021/5/922例2（略）：參見例1所示的系統(tǒng)，只考慮A，B，C三個設(shè)備組成的單級中斷結(jié)構(gòu)，它要求CPU在執(zhí)行完當前指令時對中斷請求進行服務(wù)。假設(shè)：(1)CPU“中斷批準”機構(gòu)在響應(yīng)一個新的中斷之前，先要讓被中斷的程序的一條指令一定要執(zhí)行完畢；(2)TDC為查詢鏈中每個設(shè)備的延遲時間；(3)TA，TB，TC分別為設(shè)備A，B，C的服務(wù)程序所需的執(zhí)行時間；(4)TS,TR為保存現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場所需的時間；(5)主存工作周期為TM。試問：就這個中斷請求環(huán)境來說，系統(tǒng)在什么情況下達到中斷飽和?2021/5/9232021/5/924

中斷處理流程，并假設(shè)執(zhí)行一條指令的時間也為TM。如果三個設(shè)備同時發(fā)出中斷請求，那么依次分別處理設(shè)備A、設(shè)備B、設(shè)備C的時間如下：tA=2TM+TDC+TS+TA+TRtB=2TM+2TDC+TS+TB+TRtC=2TM+3TDC+TS+TC+TR處理三個設(shè)備所需的總時間為：T=tA+tB+tCT是達到中斷飽和的最小時間，即中斷極限頻率為：f=1/T訪問存儲器Tm訪問存儲器Tm0、指令周期1、鏈式查詢Tdc2、保護現(xiàn)場Ts3、恢復現(xiàn)場Tr2021/5/9258.3.5中斷控制器8259中斷控制器是一個集成電路芯片，它將中斷接口與優(yōu)先級判斷等功能匯集于一身，常用于微型機系統(tǒng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8.11所示。8位中斷請求寄存器(IR)接受8個外部設(shè)備送來的中斷請求，每一位對應(yīng)一個設(shè)備。中斷請求寄存器的各位送入優(yōu)先權(quán)判斷器，根據(jù)中斷屏蔽寄存器(IM)各位的狀態(tài)來決定最高優(yōu)先級的中斷請求，并將各位的狀態(tài)送入中斷狀態(tài)寄存器IS。IS保存著判優(yōu)結(jié)果。由控制邏輯向CPU發(fā)出中斷請求信號INT，并接受CPU的中斷響應(yīng)信號INTA。數(shù)據(jù)緩沖器用于保存CPU內(nèi)部總線與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線之間進行傳送的數(shù)據(jù)。讀/寫邏輯決定數(shù)據(jù)傳送的方向，其中IOR為讀控制，IOW為寫控制，CS為設(shè)備選擇，A0為I/O端口識別。2021/5/9268.3.5中斷控制器（略）多個8259進行級聯(lián)以處理多達64個中斷請求。在這種情況下允許有一個主中斷控制器和多個從中斷控制器，稱為主從系統(tǒng)。優(yōu)先級選擇方式有四種：①完全嵌套方式：是一種固定優(yōu)先級方式，連至IR0的設(shè)備優(yōu)先級最高，IR7的優(yōu)先級最低。這種固定優(yōu)先級方式對級別低的中斷不利，在有些情況下最低級別的中斷請求可能一直不能被處理。②輪換優(yōu)先級方式A：每個級別的中斷保證有機會被處理，將給定的中斷級別處理完后，立即把它放到最低級別的位置上去。③輪換優(yōu)先級方式B：要求CPU可在任何時間規(guī)定最優(yōu)優(yōu)先級，然后順序地規(guī)定其他IR線上的優(yōu)先級。④查詢方式：由CPU訪問8259的中斷狀態(tài)寄存器，一個狀態(tài)字能表示出正在請求中斷的最高優(yōu)先級IR線，并能表示出中斷請求是否有效。2021/5/9278.3.5中斷控制器8259提供了兩種屏蔽方式：①簡單屏蔽方式，提供8位屏蔽字，每位對應(yīng)著各自的IR線。被置位的任一位則禁止了對應(yīng)IR線上的中斷。②特殊屏蔽方式，允許CPU讓來自低優(yōu)先級的外設(shè)中斷請求去中斷高