第二節(jié) 中斷及中斷系統(tǒng)

2.1　中斷的概念　
1、 中斷與中斷系統(tǒng)

　　"中斷（Interrupt）"是一種操作，它使CPU中止正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)入稱為"中斷處理程序（Interrupt Handler）"（或稱中斷服務(wù)程序Interrupt Service，或稱中斷例程Interrupt Routine）的程序。當(dāng)中斷處理程序執(zhí)行完后，CPU接著執(zhí)行被中斷的程序（相對于中斷處理程序來說，被中斷的程序稱為主程序）。

　　為了實(shí)現(xiàn)中斷功能而設(shè)置的硬件和軟件系統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)。

2、 中斷源

　　引起中斷的原因或發(fā)出中斷請求的來源，稱為中斷源，通常中斷源有以下幾種：
　?。?） 通用的I/O設(shè)備。如鍵盤、打印機(jī)等。
　?。?） 數(shù)據(jù)通道中斷源。如磁盤、磁帶、光盤等設(shè)備。
　?。?） 實(shí)時(shí)時(shí)種（RTC）。
　?。?） 故障源。如電源掉電、存儲(chǔ)器出錯(cuò)、運(yùn)算溢出等。
　?。?） 軟件設(shè)置的中斷源。如中斷指令I(lǐng)NT產(chǎn)生的中斷。
　　（6） 為調(diào)試程序而設(shè)置的中斷源。如斷點(diǎn)中斷、單步中斷。

　　根據(jù)中斷源的性質(zhì)，可以分為硬件中斷和軟件中斷。硬件中斷源產(chǎn)生一個(gè)硬件請求信號(hào)，該信號(hào)連接到CPU的INTR或NMI引腳，使CPU執(zhí)行中斷處理。硬件中斷又稱為外部中斷。軟件中斷源是CPU根據(jù)指令（如INT指令）或內(nèi)部狀態(tài)（如運(yùn)算溢出、單步標(biāo)志TF）產(chǎn)生的中斷又稱為內(nèi)部中斷。

3、 中斷的用途

?。?） 并行操作。有了中斷功能后，CPU可以與多個(gè)外設(shè)并行工作。
　　CPU在啟動(dòng)某外設(shè)后，不必等待該外設(shè)，而可以繼續(xù)執(zhí)行主程序，這樣，CPU與外設(shè)并行工作。如果CPU在主程序中啟動(dòng)了另一個(gè)外設(shè)，則CPU與多個(gè)外設(shè)并行工作。
　　當(dāng)某外設(shè)準(zhǔn)備好后，主動(dòng)向CPU發(fā)出中斷請求，CPU在中斷處理程序中對該外設(shè)進(jìn)行處理。中斷處理執(zhí)行完后，CPU又返回主程序執(zhí)行。
　（2） 實(shí)時(shí)處理。
　　實(shí)時(shí)處理即及時(shí)處理（在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)處理）。有了中斷功能后，當(dāng)外設(shè)需要CPU處理時(shí)，向CPU發(fā)出中斷請求，CPU立即響應(yīng)中斷，使該請求被立即處理，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
　　在程序查詢方式下，不能保證實(shí)時(shí)性。因?yàn)?，?dāng)某外設(shè)需要處理時(shí)，CPU可能正在查詢其它外設(shè)。
?。?） 故障處理。
　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員把系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障的處理程序設(shè)計(jì)為中斷處理程序，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，CPU自動(dòng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序，對該故障進(jìn)行處理，而不需要報(bào)告工作人員。

2.2　中斷處理過程　

二、 中斷處理過程

　六步：中斷請求、中斷響應(yīng)、保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場、執(zhí)行中斷處理程序、恢復(fù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場、中斷返回。



中斷處理過程是硬件和軟件相結(jié)合的過程，中斷處理程序是軟件，其余過程均為硬件動(dòng)作。

1、 CPU響應(yīng)中斷的條件

（1） 請求觸發(fā)器和屏蔽觸發(fā)器。
　　中斷請求信號(hào)必須一直有效，直到CPU響應(yīng)中斷后才能清除，對于每一個(gè)中斷源，一般用一個(gè)"請求觸發(fā)器"來保存外設(shè)的中斷請求。
　　在多個(gè)中斷源請求中斷的情況下，為了增加控制的靈活性，在每個(gè)外設(shè)的接口電路中，設(shè)置一個(gè)"中斷屏蔽觸發(fā)器"。只有該觸發(fā)器為1時(shí)，外設(shè)的中斷請求才會(huì)被送到CPU。

具有中斷請求觸發(fā)器和屏蔽觸發(fā)器的接口電路如圖：



注意：
　　① 中斷請求信號(hào)只能保持到CPU響應(yīng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后必須清除請求信號(hào)?？梢杂肅PU的響應(yīng)信號(hào) 清除中斷請求信號(hào)，或在中斷處理程序中用軟件清除中斷請求信號(hào)。上圖中，在中斷處理程序中用指令：
　　　　IN AL，ADD_DATA
清除中斷請求信號(hào).
　　② 上圖中，中斷屏蔽觸發(fā)器為1時(shí)，外設(shè)的中斷請求才會(huì)被送到CPU。
在主程序中，用指令：
　　MOV AL，01H
　　OUT ADD_EN，AL
使中斷屏蔽觸發(fā)器為1。
　　在某些中斷控制邏輯中（如中斷控制器Intel 8259A），中斷屏蔽觸發(fā)器為0時(shí)，外設(shè)的中斷請求才會(huì)被送到CPU。

（2） CPU允許中斷
　　當(dāng)CPU標(biāo)志寄存器中"中斷允許標(biāo)志IF"置1時(shí)，CPU才能響應(yīng)INTR信號(hào)線上的請求。否則，即使INTR上有請求，CPU也不響應(yīng)。
　　指令STI使IF=1，允許CPU響應(yīng)INTR請求，稱為"開中斷"。
　　指令CLI使IF=0，禁止CPU響應(yīng)INTR請求，稱為"關(guān)中斷"。
　　注意：NMI上的中斷請求不受IF標(biāo)志的影響，當(dāng)NMI上出現(xiàn)請求時(shí)，無論IF的值是什么，CPU均要響應(yīng)NMI上的請求。
（3）在當(dāng)前指令結(jié)束后，CPU響應(yīng)中斷。（執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，稱為一個(gè)指令周期。一條指令一般包含幾個(gè)基本操作，稱為總線操作或總線通訊。一次總線操作所需的時(shí)間稱為總線周期或機(jī)器周期。8086的基本總線周期由4個(gè)T狀態(tài)組成:T1、T2、T3、T4）。即CPU在最后一個(gè)機(jī)器周期的最后一個(gè)T狀態(tài)時(shí)，可以響應(yīng)中斷請求。


2、 CPU對中斷的響應(yīng)

當(dāng)滿足上述條件后，CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行以下任務(wù)：
（1） 發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)INTA（目的：獲得中斷類型碼）。
（2） 把標(biāo)志寄存器的值存入堆棧。
（3） 關(guān)中斷（使標(biāo)志寄存器中IF=0。目的：禁止CPU響應(yīng)新的中斷請求）。同時(shí)使TF=0，禁止單步執(zhí)行中斷處理程序。
（4） 保護(hù)斷點(diǎn)。即把下一條指令的地址（等于當(dāng)前CS和IP的值）存入堆棧。（目的：中斷處理完后能接著該指令執(zhí)行）。
（5） 根據(jù)中斷類型碼，從中斷向量表中獲得中斷處理程序的入口地址。
（6） 保護(hù)現(xiàn)場。（用PUSH指令把中斷處理程序中要改變值的寄存器的值存入堆棧）。
（7） 執(zhí)行中斷處理。
（8） 恢復(fù)現(xiàn)場。（用POP指令從堆棧中恢復(fù)中斷處理程序中改變值的寄存器的值）。
（9） 開中斷（用STI指令使IF=1）。
（10） 中斷返回（執(zhí)行IRET指令，從堆棧中取出下一條指令的地址送CS和IP，從堆棧中取出標(biāo)志寄存器的值，CPU接著該指令執(zhí)行）。
注意：
?、?第（1)～（5）步是CPU的硬件動(dòng)作。第（6）～（10）步屬于中斷處理程序軟件。
?、?中斷處理程序中，開中斷的時(shí)機(jī)取決于具體應(yīng)用。如果該中斷處理程序執(zhí)行期間，不允許CPU響應(yīng)其它中斷，則在中斷返回前開中斷（如上述順序）,否則在保護(hù)現(xiàn)場后就開中斷。

2.3　中斷的優(yōu)先權(quán)

三、 中斷的優(yōu)先權(quán)（優(yōu)先級(jí)）

　多個(gè)設(shè)備使用中斷方式與CPU交換數(shù)據(jù)時(shí)，需解決優(yōu)先級(jí)問題。CPU對中斷的優(yōu)先權(quán)處理的一般原則是：
　?。?） 不同級(jí)的中斷請求同時(shí)發(fā)生時(shí)，先處理優(yōu)先級(jí)高的請求。
　?。?） 當(dāng)CPU正在處理低優(yōu)先級(jí)中斷的過程中，又出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)高的請求，則CPU暫停低優(yōu)先級(jí)中斷的處理， 而優(yōu)先處理高優(yōu)先級(jí)的中斷，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)中斷處理完后，再接著處理低優(yōu)先級(jí)中斷。這種情況稱為"多重中斷"或"中斷嵌套"。
　?。?） 當(dāng)CPU正在處理某優(yōu)先級(jí)中斷的過程中，出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)低的請求，則CPU在處理完該中斷后再響應(yīng)新的請求。
　?。?） 中斷優(yōu)先級(jí)相同的請求同時(shí)發(fā)生時(shí)，按預(yù)先規(guī)定的次序逐個(gè)處理。

CPU處理中斷優(yōu)先級(jí)的方法：
　　　　　
　
　　1.軟件查詢方式 　軟件查詢方式要借助簡單的硬件電路。把多個(gè)設(shè)備的中斷請求信號(hào)相"或"作為向CPU的請求信號(hào)， 任意外設(shè)有中斷請求時(shí)，都可以向CPU發(fā)出INTR信號(hào)。


　　同時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)寄存器，其中每一位標(biāo)識(shí)一個(gè)設(shè)備的請求情況（如，有請求時(shí)，對應(yīng)位置1）。CPU在中斷處理程序中，讀入狀態(tài)寄存器的值，然后逐位檢查它們的狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)某位有中斷請求，就轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序。


　　設(shè)中斷優(yōu)先級(jí)排列為：
　　電源故障>磁盤>磁帶>CRT>紙帶輸入>紙帶穿孔>鍵盤>打印機(jī)
　　部分軟件編程為：
　　　IN AL，INT_PORT ；中斷請求狀態(tài)寄存器
　　　TEST AL, 80H ；電源故障（bit7）優(yōu)先級(jí)最高，先查詢
　　　JNZ PWZ 　　；bit7=1，出現(xiàn)電源故障中斷請求，
　　　　　　　　　；轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序
　　　TEST AL, 40H ；bit6=1表示磁盤中斷請求
　　　JNZ DISK ；轉(zhuǎn)入磁盤中斷處理程序
　　　　┆

2、 硬件優(yōu)先級(jí)排隊(duì)電路
（1).鏈?zhǔn)脚抨?duì)電路-菊花鏈法
　　在每個(gè)外設(shè)對應(yīng)的接口電路上連接一個(gè)邏輯電路，這些邏輯電路構(gòu)成一個(gè)鏈，稱為菊花鏈。


　　當(dāng)某個(gè)或幾個(gè)外設(shè)請求中斷時(shí)，優(yōu)先級(jí)排隊(duì)電路設(shè)置中斷（F/F），并向CPU發(fā)出INTR信號(hào)（圖中未畫出），CPU響應(yīng)中斷時(shí)發(fā)出INTA信號(hào)。INTA信號(hào)只能傳送到排隊(duì)電路的前面，因此排隊(duì)電路前面的外設(shè)獲得允許信號(hào)（圖中的中斷輸出），送出中斷類型碼。
　　排隊(duì)電路后面的外設(shè)收不到INTA信號(hào)。因此，接口在菊花鏈中的位置，決定了其優(yōu)先級(jí)，越靠近排隊(duì)電路前面的外設(shè)，優(yōu)先級(jí)越高。

（2)優(yōu)先級(jí)編碼集成芯片
　　在微機(jī)中，典型地使用可編程中斷控制器Intel 8259管理多個(gè)外設(shè)的中斷請求。在中斷控制器內(nèi)部，有一個(gè)優(yōu)先權(quán)編碼排隊(duì)電路，如圖所示：

　　8條中斷輸入線的任意一條請求信號(hào)，經(jīng)"8到3優(yōu)先權(quán)編碼器"5產(chǎn)生三位二進(jìn)制編碼A2A1A0，優(yōu)先權(quán)最高的請求編碼為111，優(yōu)先權(quán)最低的請求編碼為000。若有多個(gè)請求線同時(shí)請求，編碼器僅輸出優(yōu)先權(quán)最高的編碼。
　　當(dāng)CPU尚未處理任何中斷時(shí)，"優(yōu)先權(quán)失效"信號(hào)為1，此時(shí)，任意請求線有請求時(shí)，均可以經(jīng)“或門7”、"與門2”、“或門3”向CPU申請中斷，且該中斷的編碼經(jīng)過CPU數(shù)據(jù)總線送至"優(yōu)先權(quán)寄存器6"。 優(yōu)先權(quán)寄存器中總是存放著當(dāng)前正在處理的中斷的編碼（B2B1B0）。
　　當(dāng)出現(xiàn)新的請求時(shí)，新請求的編碼A2A1A0送到比較器，只有當(dāng)新請求的優(yōu)先級(jí)A2A1A0大于正在處理的中斷的編碼B2B1B0時(shí)，比較器輸出1，經(jīng)“與門1”、“或門3”向CPU申請中斷，同時(shí)，新中斷的編碼經(jīng)過CPU數(shù)據(jù)總線送至“優(yōu)先權(quán)寄存器6”。