第 8 章 中断

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3. 高级中断源能中断低级的中断处理 当CPU响应某一中断源的请求，在进行中断处 理时，若有优先权级别更高的中断源发出中断申 请，则CPU要能中断正在进行的中断服务程序； 保留这个程序的断点和现场(类似于子程序嵌套)， 响应高级中断，在高级中断处理完以后，再继续 进行被中断的中断服务程序。而当发出新的中断 申请的中断源的优先权级别与正在处理的中断源 同级或更低时，则CPU就先不响应这个中断申请， 直至正在处理的中断服务程序执行完以后才去处 理新的中断申请。
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2. 雏菊花环(Daisy Chain)式或称为链式优先权排队 电路 另一种常用的硬件排队电路，如图8-8所示。 当多个输入有中断请求，则由中断输入信号的 “或”电路产生INTR信号，送至CPU。当CPU在 现行指令执行完后，响应中断，发出中断响应信 号。但CPU转向哪一个中断服务程序的入口呢?这 要由图8-8所示的链式优先权排队电路确定。 当中断响应为高电平，若F/F-A有中断请求， 则它的输出为高，于是与门A1输出为高，由它控 制转至中断1的服务程序的入口；且门A2输出为 低电平；因而使门B1、B2和C1、C2……所有下面 各级门的输入和输出全为低电平，即屏蔽了所有 别的各级中断。
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1. 同步操作 有了中断功能，就可以使CPU和外设同 时工作。CPU在启动外设工作后，就继续执 行主程序，同时外设也在工作，当外设把 数据准备好后，发出中断申请，请求CPU中 断它的程序，执行输入或输出(中断处理)， 处理完以后，CPU恢复执行主程序，外设也 继续工作。而且有了中断功能，CPU可命令 多个外设同时工作。这样大大提高了CPU的 利用率，也提高了输入输出的速度。
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2. 实现优先权排队 在系统中通常有多个中断源，会出现两 个或更多个中断源同时提出中断请求的情 况，这样就必须要设计者事先根据轻重缓 急，给每个中断源确定一个中断级别—— 优先权。当多个中断源同时发出中断申请 时，CPU能找到优先权级别最高的中断源， 响应它的中断请求；在优先权级别最高的 中断源处理完了以后，再响应级别较低的 中断源。
第 8 章 中断
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8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
本章讲述： 引言 最简单的中断情况 中断优先权 中断控制器Intel8259A 8086微处理器的中断方式
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8.1 引言 8.1.1 为什么要用中断
当CPU与外设交换信息时，若用查询的 方式，则CPU就要浪费很多时间去等待外设。 这样就存在一个快速的CPU与慢速的外设之 间的矛盾，这也是计算机在发展过程中遇 到的严重问题之一。为了解决这个问题， 一方面要提高外设的工作速度；另一方面 发展了中断的概念。实现了中断，就有以 下好处：
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8.1.3 中断系统的功能
为了满足上述各种情况下的中断要求，中断系统应该 具有如下功能： 1. 实现中断及返回 当某一中断源发出中断申请时，CPU能决定是否响应 这个中断请求(当CPU在执行更紧急、更重要的工作时， 可以暂不响应中断)，若允许响应这个中断请求，CPU必 须在现行的指令执行完后，把断点处的IP和CS值(即下一 条应执行的指令的地址)、各个寄存器的内容和标志位的 状态推入堆栈保留下来——称为保护断点和现场。然后转 到需要处理的中断源的服务程序(Interrupt Service Routine) 的入口，同时清除中断请求触发器。当中断处理完后，再 恢复被保留下来的各个寄存器和标志位的状态(称为恢复 现场)，恢复IP和CS值(称为恢复断点)，使CPU返回断点， 继续执行主程序。
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2. 实现实时处理 当计算机用于实时控制时，中断是一个十分重 要的功能。现场的各个参数、信息，可在任何时 间发出中断申请，要求CPU处理；CPU则可以马 上响应(若中断是开放的话)并加以处理。这样的 及时处理在查询的工作方式下是做不到的。 3. 故障处理 计算机在运行过程中，往往会出现事先预料不 到的情况，或者出现一些故障如电源突跳、存储 出错、运算溢出等。计算机就可以利用中断系统 自行处理，而不必停机或报告工作人员。
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8.2 最简单的中断情况
CPU由于引脚的限制，它的中断请求线 的数量是有限的，例如8080只有一条中断 请求线。最简单的情况当然是只有一个中 断源，我们就从这个最简单的情况分析起。
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8.2.1 CPU响应中断的条件
1. 设置中断请求触发器 每一个中断源，要能发出中断请求信号， 并且这个信号能保持着，直至CPU响应这 个中断后，才可清除中断请求。故要求每 一个中断源有一个中断请求触发器A，如 图8-1所示。
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8.3 中断优先权
如前所述，实际的系统中，是有多个中 断源的，但是，由于CPU引脚的限制，往往 就只有一条中断请求线。于是，当有多个 中断源同时请求时，CPU就要识别出是哪些 中断源有中断请求，辨别和比较它们的优 先权(priority)，先响应优先权级别最高的中 断申请。另外，当CPU正在处理中断时，也 要能响应更高级的中断申请，而屏蔽掉同 级或较低级的中断申请。
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若CPU不在进行中断处理时(即在执行主 程序)，则优先权失效信号为高电平，当有 任一中断源请求中断时，都能通过与门2， 发出INTR信号。这样的优先权电路，如何 能做到转入优先权最高的外设的服务程序 的入口呢?当外设的个数≤8时，则它们公用 一个产生中断矢量的电路，它有三位由比 较器的编码A2A1A0供给，就能做到不同的 编码转入不同的入口地址。
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2. 设置中断屏蔽触发器 因为在实际系统中，往往有多个中断源。 为了增加控制的灵活性，在每一个外设的 接口电路中，增加一个中断屏蔽触发器， 只有当此触发器为“1”时，外设的中断请求 才能被送出至CPU，如图8-2所示。可把8个 外设的中断屏蔽触发器组成一个端口，用 输出指令来控制它们的状态。
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(2) 移位法 XOR IN RCL JC RCL JC ┇
AL，AL AL，［20H］ AL，1) 询问的次序即是优先权的次序。显然， 最先询问的，优先权的级别最高。 (2) 省硬件。不需要有判断与确定优先权的 硬件排队电路。 但随之而来的缺点是： 由询问转至相应的服务程序入口的时间 长，尤其是在中断源较多的情况下。
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8.3.2 硬件优先权排队电路
1. 中断优先权编码电路 用硬件编码器和比较器的优先权排队电路，如 图8-7所示。 若有8个中断源，当任一个有中断请求时，通 过“或”门，即可有一个中断请求信号产生， 但它能否送至CPU的中断请求线，还要受比较 器的控制(若优先权失效信号为低电平，则与门2 关闭)。 8条中断输入线的任一条，经过编码器可以产 生三位二进制优先权编码A2A1A0，优先权最高 的线的编码为111，优先权最低的线的编码为 000。而且若有多个输入线同时输入，则编码器 只输出优先权最高的编码。
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正在进行中断处理的外设的优先权编码，通过 CPU的数据总线，送至优先权寄存器，然后输出 编码B2B1B0至比较器，以上过程是由软件实现的。 比较器比较编码A2A1A0与B2B1B0的大小， 若A≤B，则“A＞B”端输出低电平，封锁与门1， 就不向CPU发出新的中断申请(即当CPU正在处理 中断时，当有同级或低级的中断源申请中断时， 优先权排队线路就屏蔽它们的请求)；只有当A＞ B时，比较器输出端才为高电平，打开与门1，将 中断请求信号送至CPU的INTR输入端，CPU就中 断正在进行的中断处理程序，转去响应更高级的 中断。
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3. 中断是开放的 在CPU内部有一个中断允许触发器。只 有当其为“1”时(即中断开放时)，CPU才能 响应中断；若其为“0”(即中断是关闭的)， 即使INTR线上有中断请求，CPU也不响应。 而这个触发器的状态可由STI和CLI指令来 改变。当CPU复位时，中断允许触发器为 “0”，即关中断，所以必须要用STI指令来 开中断。当中断响应后，CPU就自动关中断， 所以必须在中断服务程序中用STI指令来开 中断。
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查询程序有两种方式： (1) 屏蔽法
IN TEST JNE TEST JNE TEST JNE ┇ AL，［20H］；输入中断请求触发器的 状态 AL，80H；检查最高位(电源故障)是否 有请求 PWF；有，则转至电源故障处理程序 AL 40H；否，检查磁盘是否有请求 DISS；有，转至磁盘服务程序 AL 20H；否，检查磁带是否有请求 MT；有，转至磁带服务程序
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(4) 故障源。例如电源掉电，就要求把正在执行的 程序的状态——PC(或IP)、各个寄存器的内容和 标志位的状态保留下来，以便重新供电后能从断 点处继续运行。另外，目前绝大部分微型计算机， RAM是使用半导体存储器，故电源掉电后，必须 接入备用的电池供电电路，以保护存储器中的信 息。所以，在直流电源上并上大电容，使其因掉 电、电压下降到一定值时就发出中断申请，由计 算机的中断系统执行上述的各项操作。 (5) 为调试程序而设置的中断源。一个新的程序编 制好以后，必须经过反复调试才能正确可靠地工 作。在程序调试时，为了检查中间结果，或者为 了寻找毛病所在，往往要求在程序中设置断点， 或进行单步工作(一次只执行一条指令)，这些就 要由中断系统来实现。
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8.3.1 用软件确定中断优先权
要判别和确定各个中断源的中断优先权可以用 软件和硬件两种方法。 软件采用查询技术。当CPU响应中断后，就用 软件查询以确定是哪些外设申请中断，并判断它 们的优先权。 把8个外设的中断请求触发器组合起来，作为 一个端口，并赋以设备号，如图8-5所示。 把各个外设的中断请求信号相“或”后，作为 INTR信号，故任一个外设有中断请求，都可以向 CPU送出INTR信号。当CPU响应中断后，把中断 寄存器的状态，作为一个外设读入CPU，逐位检 测它们的状态，若有中断请求就转到相应的服务 程序的入口。用软件查询技术确定中断优先权的 流程如图8-6所示。 24
当满足上述条件后，CPU就响应中断， 转入中断周期，CPU做以下几种事： 1. 关中断 8086在CPU响应中断后，发出中断响应 信号INTA的同时，内部自动地实现关中断。 2. 保留断点 CPU响应中断，封锁IP+1，并且把IP和 CS推入堆栈保留，以备中断处理完毕后， 能返回主程序。