微机原理与接口 第7章_中断技术及8086中断系统

第7章输入/输出与中断17.3中断技术7.3.1中断的基本概念1．中断的定义在CPU执行程序的过程中，出现了某种紧急或异常的事件(中断请求)，CPU需暂停正在执行的程序，转去处理该事件(执行中断服务程序)，并在处理完毕后返回断点处继续执行被暂停的程序，这一过程称为中断。断点处是指返回主程序时执行的第一条指令的地址。中断过程如图7.10所示。为实现中断功能而设置的硬件电路和与之相应的软件，称为中断系统。第7章输入/输出与中断2图7.10中断过程示意图继续执行断点主程序中断服务程序有中断请求中断处理返回断点第7章输入/输出与中断32．中断源任何能够引发中断的事件都称为中断源，可分为硬件中断源和软件中断源两类。硬件中断源主要包括外设(如键盘、打印机等)、数据通道(如磁盘机、磁带机等)、时钟电路(如定时计数器8253)和故障源(如电源掉电)等；软件中断源主要包括为调试程序设置的中断(如断点、单步执行等)、中断指令(如INT21H等)以及指令执行过程出错(如除法运算时除数为零)等。第7章输入/输出与中断43．中断处理过程对于一个中断源的中断处理过程应包括以下几个步骤，即中断请求、中断响应、保护断点、中断处理和中断返回。1)中断请求中断请求是中断源向CPU发出的请求中断的要求。软件中断源是在CPU内部由中断指令或程序出错直接引发中断；硬件中断源必须通过专门的电路将中断请求信号传送给CPU，CPU也有专门的引脚接收中断请求信号。例如，8086/8088CPU用INTR引脚(可屏蔽中断请求)和NMI引脚(非屏蔽中断请求)接收硬件中断请求信号。一般外设发出的都是可屏蔽中断请求。第7章输入/输出与中断5&输入锁存器数据总线中断请求D端口译码地址总线Q中断屏蔽INT＋5V输入设备三态缓冲器Q&RD图7.11中断请求与屏蔽接口电路满足两个条件：一是要由外设将接口中的中断请求触发器置1，二是要由CPU将接口中的中断屏蔽触发器Q端置1。第7章输入/输出与中断62)中断响应响应时刻：CPU在每条指令执行的最后一个时钟周期检测其中断请求输入端，判断有无中断请求，若CPU接收到了中断请求信号，且此时CPU内部的中断允许触发器的状态为1，则CPU在现行指令执行完后，发出INTA信号响应中断。从图7.11中可以看到，一旦进入中断处理，立即清除中断请求信号。这样可以避免一个中断请求被CPU多次响应。图7.12给出了CPU内部产生中断响应信号的逻辑电路。对于8086/8088CPU可以用开中断(STI)或关中断(CLI)指令来改变中断允许触发器(即IF标志位)的状态。第7章输入/输出与中断7&R≥1允许中断开中断指令关中断指令CPUCPU响应中断信号INTRRESETSQ图7.12CPU内部设置中断允许触发器第7章输入/输出与中断83)保护断点CPU一旦响应中断，需要对其正在执行程序的断点信息进行保护，以便在中断处理结束后仍能回到该断点处继续执行。对于8086/8088CPU，保护断点的过程由硬件自动完成，主要工作是关中断、将标志寄存器内容入栈保存以及将CS和IP内容入栈保存。保护现场和恢复现场一般用PUSH和POP指令实现，所以要特别注意寄存器内容入栈和出栈的次序。4)中断处理中断处理的过程实际就是CPU执行中断服务程序的过程。用户编写的用于CPU为中断源进行中断处理的程序称为中断服务程序。由于不同中断源在系统中的作用不同，所要完成的功能不同，因此，不同中断源的中断服务程序内容也各不相同。例如，对于图7.11所示的输入设备，其中断服务程序的主要任务是用输入指令(IN)从接口中的数据端口向CPU输入数据。第7章输入/输出与中断95)中断返回执行完中断服务程序，返回到原先被中断的程序，此过程称为中断返回。为了能正确返回到原来程序的断点处，在中断服务程序的最后应专门放置一条中断返回指令(如8086/8088的IRET指令)。中断返回指令的作用实际上是恢复断点，也就是保护断点的逆过程。第7章输入/输出与中断107.3.2中断优先级和中断的嵌套1．中断优先级中断请求是随机发生的，当系统具有多个中断源时，有时会同时出现多个中断请求，CPU只能按一定的次序予以响应和处理，这个响应的次序称为中断优先级。对于不同级别的中断请求，一般的处理原则是：(1)不同优先级的多个中断源同时发出中断请求，按优先级由高到低依次处理。第7章输入/输出与中断11(2)低优先级中断正在处理，出现高优先级请求，应转去处理高优先级请求，服务结束后再返回原优先级较低的中断服务程序继续执行。(3)高优先级中断正在处理，出现低优先级请求，可暂不响应。(4)中断处理时，出现同级别请求，应在当前中断处理结束以后再处理新的请求。第7章输入/输出与中断122．中断优先级的确定在微机系统中通常用三种方法来确定中断源的优先级别，即软件查询法、硬件排队电路法和专用中断控制芯片法。本节简要介绍前两种方法，第三种方法将在本章的最后一节作详细介绍。1)软件查询法软件查询法需要简单的硬件电路支持。以8个中断源为例，其硬件电路如图7.13所示，将8个外设的中断请求组合起来作为一个端口(中断寄存器)，并将各个外设的中断请求信号相或，产生一个总的INT信号。第7章输入/输出与中断13≥1CPUD7INTRINT1中断寄存器INTD0INT2…INT8……图7.13软件查询法的硬件电路第7章输入/输出与中断14对1号中断源服务NNNYYY断点保护INT1？INT2？对2号中断源服务……对n号中断源服务INTn？图7.14软件查询方式的流程图第7章输入/输出与中断15对于图7.13所示电路，设中断寄存器端口号为n，则软件查询的程序段如下：INAL，nTESTAL，80H；1号外设有请求?JNZII1；有，转1号中断服务程序TESTAL，40H；2号外设有请求?JNZII2；有，转2号中断服务程序可以看出，采用软件查询方式，各中断源的优先级是由查询顺序决定的，最先查询的设备，其优先级最高，最后查询的设备，其优先级最低。采用软件查询方式的优点是节省硬件。但是，由于CPU每次响应中断时都要对各中断源进行逐一查询，所以其响应速度较慢。对于优先级较低的中断源来说，该缺点更为明显。第7章输入/输出与中断162)硬件排队电路采用硬件排队电路法，各个外设的优先级与其接口在排队电路中的位置有关。常用的硬件优先权排队电路有链式优先权排队电路、硬件优先级编码加比较器的排队电路等。图7.15给出了一个链式优先级排队电路。图7.15中，当响应信号沿链式电路进行传递时，最靠近CPU并发出中断请求的接口将首先拦截住响应信号，CPU进入相应外设的中断处理程序，在服务完成后，该外设撤消其中断请求，解除对下一级外设的封锁。第7章输入/输出与中断17响应3#中断请求“1”应答2#应答3#应答1#1#中断请求2#中断请求&INT&&&&&图7.15链式中断优先级电路第7章输入/输出与中断18上述两种方法虽然可以解决中断优先级控制问题，但实现起来在硬件和软件上都要做大量的工作，十分麻烦。目前，最方便的办法就是利用厂家提供的可编程中断控制器，这样的器件在各种微机中得到普遍应用。本章后面将介绍广泛应用于80x86微机系统中的专用可编程中断控制芯片8259A。第7章输入/输出与中断193．中断嵌套CPU在执行低级别中断服务程序时，又收到较高级别的中断请求，CPU暂停执行低级别中断服务程序，转去处理这个高级别的中断，处理完后再返回低级别中断服务程序，这个过程称为中断嵌套，如图7.16所示。高级中断请求低级中断请求STISTI主程序低级中断服务程序高级中断服务程序图7.16中断嵌套示意图第7章输入/输出与中断20一般CPU响应中断请求后，在进入中断服务程序前，硬件会自动实现关中断，这样，CPU在执行中断服务程序时将不能再响应其他中断请求。为了实现中断嵌套，应在低级别中断服务程序的开始处加一条开中断指令STI。能够实现中断嵌套的中断系统，其软、硬件设计都非常复杂，如果采用了可编程中断控制器，就会方便很多。第7章输入/输出与中断217.48086/8088中断系统7.4.18086/8088的中断源类型8086/8088CPU可以处理256种不同类型的中断，每一种中断都给定一个编号(0255)，称为中断类型号，CPU根据中断类型号来识别不同的中断源。8086/8088的中断源如图7.17所示。从图中可以看出8086/8088的中断源可分为两大类：一类来自CPU的外部，由外设的请求引起，称为硬件中断(又称外部中断)；另一类来自CPU的内部，由执行指令时引起，称为软件中断(又称内部中断)。第7章输入/输出与中断22NMI(17号引脚)中断逻辑非屏蔽中断请求INT2硬件(外部)中断软件(内部)中断可屏蔽中断请求中断类型号32～255INTR(18号引脚)中断指令INTnN＝32～255溢出中断INTOINT4断点中断INT3单步中断(TF＝1)INT1除法错误INT0图7.178086/8088中断源第7章输入/输出与中断231．软件中断(内部中断)8086/8088的软件中断主要有五种，分为三类。1)处理运算过程中某些错误的中断执行程序时，为及时处理运算中的某些错误，CPU以中断方式中止正在运行的程序，提醒程序员改错。(1)除法错中断(中断类型号为0)。在8086/8088CPU执行除法指令(DIV/IDIV)时，若发现除数为0，或所得的商超过了CPU中有关寄存器所能表示的最大值，则立即产生一个类型号为0的内部中断，CPU转去执行除法错中断处理程序。例movbl,0idivbl；除数BL＝0，产生除法错中断第7章输入/输出与中断24(2)溢出中断INTO(中断类型号为4)。CPU进行带符号数的算术运算时，若发生了溢出，则标志位OF=1，若此时执行INTO指令，会产生溢出中断，打印出一个错误信息，结束时不返回，而把控制权交给操作系统。若OF=0，则INTO不产生中断，CPU继续执行下一条指令。INTO指令通常安排在算术指令之后，以便在溢出时能及时处理。例如：movax,2000haddax,7000h；2000H＋7000H＝9000H，溢出：OF＝1into；因为OF＝1，所以产生溢出中断第7章输入/输出与中断252)为调试程序设置的中断(1)单步中断(中断类型号为1)。当TF=1时，每执行一条指令，CPU会自动产生一个单步中断。单步中断可一条一条指令地跟踪程序流程，观察各个寄存器及存储单元内容的变化，帮助分析错误原因。单步中断又称为陷阱中断，主要用于程序调试。例如：DEBUG.EXE调试程序的单步命令T就利用单步中断实现对程序的单步调试第7章输入/输出与中断26(2)断点中断(中断类型号为3)。调试程序时可以在一些关键性的地方设置断点，它相当于把一条INT3指令插入到程序中，CPU每执行到断点处，INT3指令便产生一个中断，使CPU转向相应的中断服务程序。3)中断指令INTn引起的中断(中断类型号为n)程序设计时，可以用INTn指令来产生软件中断，中断指令的操作数n给出了中断类型号，CPU执行INTn指令后，会立即产生一个类型号为n的中断，转入相应的中断处理程序来完成中断功能。第7章输入/输出与中断272．硬件中断(外部中断)8086/8088CPU有两条外部中断请求线NMI(非屏蔽中断)和INTR(可屏蔽中断)。1)非屏蔽中断NMI(中断类型号为2)整个系统只有一个非屏蔽中断，它不受IF标志位的屏蔽。出现在NMI上的请求信号是上升沿触发的，一旦出现，CPU将予以响应。非屏蔽中断一般用于紧急故障处理。2)可屏蔽中断INTR可屏蔽中断请求信号从INTR引脚送往CPU，高电平有效，受IF标志位屏蔽，IF＝0时，对于所有从INTR引脚进入的中断请求，CPU均不予响应；另外，也可以在CPU外部的中断控制器(8259A)中以及各个I/O接口电路中对某一级中断或某个中断源单独进行屏蔽。第7章输入/输出与中断28当外设的中断请求未被屏蔽，且IF=1，则CPU在当前指令周期的最后一个T状态去采样IN