《中斷和中斷控制器》課件

中斷和中斷控制器歡迎來到《中斷和中斷控制器》課程。本課程將深入探討計算機系統(tǒng)中的中斷機制和中斷控制器的工作原理。讓我們開始這段激動人心的學(xué)習(xí)之旅吧！主要內(nèi)容1中斷基礎(chǔ)我們將探討中斷的定義、特點和分類。2中斷控制器深入了解8259A中斷控制器的結(jié)構(gòu)和工作模式。3中斷處理學(xué)習(xí)中斷服務(wù)例程、嵌套中斷和級聯(lián)連接。4高級主題探討實時系統(tǒng)、多處理器環(huán)境下的中斷處理。什么是中斷定義中斷是一種機制，用于暫停當前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而處理緊急事件。目的提高系統(tǒng)效率，實現(xiàn)CPU與外部設(shè)備的異步通信。過程中斷請求→中斷響應(yīng)→中斷服務(wù)→中斷返回。中斷的特點實時性中斷能夠快速響應(yīng)外部事件，提高系統(tǒng)實時性。隨機性中斷的發(fā)生時間通常是不可預(yù)知的。優(yōu)先級不同中斷源可以設(shè)置不同的優(yōu)先級，確保重要事件優(yōu)先處理。中斷的分類硬件中斷由外部設(shè)備觸發(fā)，如鍵盤輸入、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達。軟件中斷由程序指令觸發(fā)，如系統(tǒng)調(diào)用、異常處理?？善帘沃袛嗫梢酝ㄟ^軟件設(shè)置暫時忽略的中斷。不可屏蔽中斷系統(tǒng)必須立即響應(yīng)的緊急中斷，如斷電、硬件故障。中斷響應(yīng)過程1保存現(xiàn)場保存當前程序的上下文信息，如程序計數(shù)器、寄存器值。2識別中斷源確定觸發(fā)中斷的設(shè)備或原因。3執(zhí)行中斷服務(wù)程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理程序，執(zhí)行特定任務(wù)。4恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)被中斷程序的上下文，繼續(xù)執(zhí)行原程序。中斷控制器概述功能管理多個中斷源，協(xié)調(diào)中斷請求的處理。作用簡化CPU的中斷處理流程，提高系統(tǒng)效率。工作原理接收、排序、轉(zhuǎn)發(fā)中斷請求，與CPU協(xié)同工作。8259A中斷控制器經(jīng)典設(shè)計Intel設(shè)計的經(jīng)典中斷控制器芯片，廣泛應(yīng)用于x86架構(gòu)。多級中斷支持8級中斷，可級聯(lián)擴展到64級。靈活配置可編程設(shè)置優(yōu)先級、觸發(fā)方式等參數(shù)。8259A的體系結(jié)構(gòu)中斷請求寄存器（IRR）存儲待處理的中斷請求。中斷服務(wù)寄存器（ISR）記錄正在服務(wù)的中斷。中斷屏蔽寄存器（IMR）控制哪些中斷可以被屏蔽。優(yōu)先級解析器決定多個中斷請求的處理順序。8259A的工作模式全嵌套模式高優(yōu)先級中斷可以打斷低優(yōu)先級中斷的服務(wù)。特殊完全嵌套模式級聯(lián)時使用，允許從片中斷主片服務(wù)。輪詢模式中斷優(yōu)先級可以自動輪轉(zhuǎn)，避免低優(yōu)先級長期得不到服務(wù)。編程訪問8259AI/O端口8259A通過I/O端口與CPU通信，包括數(shù)據(jù)端口和命令端口。初始化命令字（ICW）用于設(shè)置8259A的基本工作參數(shù)。操作命令字（OCW）用于在運行時動態(tài)調(diào)整8259A的工作狀態(tài)。8259A的初始化1ICW1設(shè)置觸發(fā)方式、級聯(lián)模式等。2ICW2設(shè)置中斷向量的起始地址。3ICW3在級聯(lián)模式下，設(shè)置主從片連接關(guān)系。4ICW4設(shè)置自動結(jié)束中斷、緩沖模式等。8259A的優(yōu)先級控制1固定優(yōu)先級IR0最高，IR7最低。2特定優(yōu)先級通過編程指定特定IR線的優(yōu)先級。3循環(huán)優(yōu)先級自動輪轉(zhuǎn)優(yōu)先級，確保公平性。8259A中斷服務(wù)例程結(jié)構(gòu)保存現(xiàn)場→處理中斷→發(fā)送EOI→恢復(fù)現(xiàn)場。EOI命令中斷處理完成后，必須向8259A發(fā)送結(jié)束中斷命令。優(yōu)化盡量保持中斷服務(wù)例程簡短，以減少系統(tǒng)響應(yīng)延遲。8259A的嵌套中斷1全嵌套模式高優(yōu)先級中斷可以打斷低優(yōu)先級中斷服務(wù)。2自動嵌套模式當前中斷級別自動屏蔽，允許更高級別中斷。3軟件控制程序員可以通過編程實現(xiàn)更靈活的嵌套策略。8259A的級聯(lián)連接主片直接與CPU連接，管理從片。從片通過主片的IR線與系統(tǒng)連接。擴展可支持最多64個中斷請求線。配置需要正確設(shè)置ICW3以確定主從關(guān)系。處理中斷的軟件方法向量法使用中斷向量表，快速定位中斷服務(wù)程序。查詢法軟件輪詢中斷源，適用于簡單系統(tǒng)?；旌戏ńY(jié)合向量法和查詢法，平衡效率和靈活性。中斷的向量表結(jié)構(gòu)每個表項包含中斷服務(wù)程序的地址。位置在x86系統(tǒng)中，通常位于內(nèi)存低端。管理操作系統(tǒng)負責(zé)維護和更新中斷向量表。中斷的屏蔽和恢復(fù)全局屏蔽通過CPU的中斷標志位控制所有可屏蔽中斷。局部屏蔽使用8259A的IMR寄存器控制特定中斷線。臨界區(qū)保護在執(zhí)行不可中斷的代碼段時暫時屏蔽中斷?；謴?fù)策略合理設(shè)計恢復(fù)順序，避免丟失重要中斷。中斷的延遲和響應(yīng)時間1硬件延遲信號傳播和電路響應(yīng)時間。2中斷確認CPU識別和接受中斷請求的時間。3上下文切換保存當前狀態(tài)和加載中斷服務(wù)程序的時間。4服務(wù)時間執(zhí)行中斷服務(wù)例程的實際時間。中斷的時序特性同步中斷在指令周期的特定時刻檢查，如時鐘中斷。異步中斷隨時可能發(fā)生，如外部設(shè)備中斷。邊沿觸發(fā)電平變化時觸發(fā)中斷，靈敏度高。電平觸發(fā)持續(xù)的電平狀態(tài)觸發(fā)中斷，適合慢速設(shè)備。中斷的硬件電路設(shè)計中斷請求線連接外部設(shè)備和中斷控制器，傳輸中斷信號。中斷應(yīng)答線CPU通知中斷控制器已接受中斷請求。中斷屏蔽電路實現(xiàn)硬件級別的中斷屏蔽功能。優(yōu)先級編碼器在多個中斷同時到達時決定處理順序。中斷的軟硬件設(shè)計硬件設(shè)計中斷控制器、信號線路、觸發(fā)電路的物理實現(xiàn)。軟件設(shè)計中斷服務(wù)程序、中斷向量表、中斷管理策略的編程實現(xiàn)。接口設(shè)計定義硬件和軟件之間的交互協(xié)議，如中斷向量分配。中斷的可靠性分析中斷丟失分析和預(yù)防中斷信號未被及時捕獲的情況。中斷風(fēng)暴防止大量中斷同時發(fā)生導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)避免低優(yōu)先級任務(wù)長時間占用資源，阻塞高優(yōu)先級中斷。死鎖預(yù)防設(shè)計合理的資源分配策略，避免中斷處理中的死鎖。多處理器中的中斷處理中斷分發(fā)根據(jù)負載均衡策略將中斷分配給不同CPU核心。中斷親和性將特定中斷綁定到指定CPU，提高緩存效率。同步機制確保多核環(huán)境下中斷處理的一致性和正確性。實時系統(tǒng)中的中斷處理1快速響應(yīng)minimizinginterruptlatency實現(xiàn),以滿足嚴格的時間約束。2優(yōu)先級管理精細控制中斷優(yōu)先級，確保關(guān)鍵任務(wù)及時執(zhí)行。3中斷預(yù)算限制中斷處理時間，避免影響其他實時任務(wù)。4可預(yù)測性設(shè)計確定性的中斷處理機制，提高系統(tǒng)可靠性?？偩€中斷傳輸協(xié)議中斷請求外設(shè)通過總線發(fā)送中斷請求信號。中斷確認CPU通過總線應(yīng)答中斷請求。中斷向量傳輸外設(shè)通過總線發(fā)送中斷向量給CPU。中斷完成CPU通知外設(shè)中斷處理結(jié)束。中斷與DMA的關(guān)系協(xié)同工作DMA傳輸完成后通過中斷通知CPU。效率提升DMA減少數(shù)據(jù)傳輸中斷，降低CPU負擔。資源競爭合理調(diào)度DMA和中斷，避免內(nèi)存訪問沖突。中斷系統(tǒng)的性能評價μs響應(yīng)時間從中斷發(fā)生到開始處理的時間，通常以微秒計。1K處理能力系統(tǒng)每秒可以處理的中斷次數(shù)，可達上千次。99.9%可靠性正確處理中斷的百分比，高性能系統(tǒng)可達99.9%以上。中斷系統(tǒng)的故障診斷丟失中斷檢查中斷屏蔽設(shè)置和硬件連接。誤觸發(fā)排查硬件干擾和軟件bug。優(yōu)先級錯誤檢查中斷控制器配置和軟件優(yōu)先級設(shè)置。處理超時分析中斷服務(wù)程序，優(yōu)化處理邏輯。中斷系統(tǒng)的設(shè)計要點1可擴展性設(shè)計靈活的中斷架構(gòu)，易于添加新的中斷源。2實時性minimizinginterruptlatency,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。3可靠性implementeringfault-tolerant