微机系统与接口：第六章 输入与输出中断_2019

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1、第第6 6章章 输入输出与中断输入输出与中断 本章首先介绍输入输出接口基本概念、本章首先介绍输入输出接口基本概念、CPUCPU与外与外设数据传送的方式。设数据传送的方式。然后然后,重点研究中断传送方式及相关的技术。重点研究中断传送方式及相关的技术。6.1 6.1 输入输出接口概述输入输出接口概述一、一、CPUCPU与外设间的连接与外设间的连接 为什么外设与计算机的连为什么外设与计算机的连接接不能不能像存储器那样像存储器那样直接直接挂到总线挂到总线(DB(DB、ABAB、CB)CB)上上，而，而必须通过必须通过各自的专用各自的专用接口电路？接口电路？CPUCPU对外设的输入输出操作类似于存储器对

2、外设的输入输出操作类似于存储器的读写操作，但的读写操作，但外设与存储器有许多不同点外设与存储器有许多不同点:表表6.16.1 存储器与外设的比较存储器与外设的比较 存储器存储器I/O设备设备不同点不同点品种品种有限有限功能单一功能单一品种品种繁多繁多功能多样功能多样与与CPU电平匹配电平匹配与与CPU电平电平不一定匹配不一定匹配数据数据格式格式固定固定数据数据格式格式不不固定固定与与CPU速度匹配速度匹配与与CPU速度速度不一定不一定匹配匹配易于控制易于控制难于控制难于控制结论结论可与可与CPU直接连接直接连接要经过要经过I/O接口电路接口电路与与CPU连接连接 接口电路的作用接口电路的作用:

3、。电平转换电平转换 如，如，TTLTTLRS232C RS232CRS232C RS232CTTL TTL 。数据格式转换数据格式转换 串行串行并行，并行并行，并行串行串行 。协调速度协调速度 输出锁存输出锁存 输入缓冲输入缓冲 二、接口电路的基本结构二、接口电路的基本结构 接口电路的基本结构同它传送的信息种类有关。接口电路的基本结构同它传送的信息种类有关。信息可分为信息可分为3 3类：类：数据信息，状态信息，控制信息数据信息，状态信息，控制信息。（一）数据信息（一）数据信息 数据信息是最基本的一种信息。它包括：数据信息是最基本的一种信息。它包括：(1)(1)数字量数字量:通常为通常为8 8位

4、二进制数或位二进制数或ASCIIASCII代码。代码。(2)(2)模拟量模拟量:传感器把非电量传感器把非电量(如温度、压力等如温度、压力等)转换得到模拟量转换得到模拟量 模拟量须经过模拟量须经过A AD D转换，才能输入计算机；转换，才能输入计算机；计算机输出的数字量也须经计算机输出的数字量也须经D DA A转换后才能去控制外设转换后才能去控制外设 (3)(3)开关量开关量：是一些：是一些“0 0”或或“1 1”两个状态的量两个状态的量,用一位用一位“0 0”或或“1 1”二进制数表示。一台字长为二进制数表示。一台字长为8 8位的微机一次输入或输出位的微机一次输入或输出可控制可控制8 8个这类

5、物理量。个这类物理量。数据信息是通过数据通道传送的。数据信息是通过数据通道传送的。（二）（二）状态信息状态信息 状态信息是反映外设当前所处工作状态的信息，以作为状态信息是反映外设当前所处工作状态的信息，以作为CPUCPU与外设间可靠交换数据的条件。与外设间可靠交换数据的条件。输入输入时时,告知告知CPU:CPU:输入设备数据是否准备好（输入设备数据是否准备好（Ready=1?Ready=1?）输出输出时，告知时，告知CPU:CPU:输出设备是否空闲（输出设备是否空闲（Busy=0?Busy=0?）。）。CPUCPU是通过接口电路来掌握输入输出设备的状态，以决定可是通过接口电路来掌握输入输出设备

6、的状态，以决定可否输入或输出数据。否输入或输出数据。(三三)控制信息控制信息 它用于控制外设的启动或停止。它用于控制外设的启动或停止。接口电路基本结构如图接口电路基本结构如图6.26.2所示。所示。6.2 CPU6.2 CPU与外设之间数据传送的方式与外设之间数据传送的方式 为了实现为了实现CPUCPU与外设之间的数据传送与外设之间的数据传送,通常采用以下通常采用以下3 3种种I/OI/O传送方式传送方式。一、一、程序传送程序传送程序传送是指程序传送是指CPUCPU与外设间的与外设间的数据交换在程序控制（即数据交换在程序控制（即ININ或或OUTOUT指令控制指令控制)下进行下进行。（一）（一

7、）无条件传送（又称同步传送）无条件传送（又称同步传送）这种传送方式只对固定的外设（如开关、继电器等简单这种传送方式只对固定的外设（如开关、继电器等简单外设），用程序来外设），用程序来定时同步传送定时同步传送数据。数据。对少量数据传送来说，这是最省时间的一种传送方法，对少量数据传送来说，这是最省时间的一种传送方法，适用于各类适用于各类巡回检测和过程控制巡回检测和过程控制。输入缓冲：输入缓冲：输入数据时输入数据时,因因外设输入数据的保持时间外设输入数据的保持时间相对相对于于CPUCPU的接收速度来说的接收速度来说较长较长，故输入数据通常不用，故输入数据通常不用加锁存器来锁存加锁存器来锁存,而直接使

8、用而直接使用三态缓冲器三态缓冲器与与CPUCPU数数据总线相连即可。据总线相连即可。输出锁存：输出锁存：输出数据时输出数据时,一般都需要一般都需要锁存器锁存器将要将要输出的输出的数据保持一段时间数据保持一段时间,其长短和外设的动作相适应。其长短和外设的动作相适应。锁存时，在锁存时，在CE=1(CE=1(为无效电平为无效电平)时时,数据总线数据总线上的新数据不能进入锁存器。上的新数据不能进入锁存器。CE=0CE=0（为有效电平（为有效电平）时将新数据再送入锁存器保留。）时将新数据再送入锁存器保留。输入输出输入输出(无条件程序传送无条件程序传送)原理图原理图如图如图6.36.3所示所示（结合（结合

9、 IN AL,03HIN AL,03H;OUT 03H,AL OUT 03H,AL 指令讲解指令讲解 ）例：一个采用例：一个采用同步传送的数据采集系统同步传送的数据采集系统如图如图6.46.4所示。所示。这是一个这是一个1616位精度的数据采集系统，位精度的数据采集系统，被采集的数据被采集的数据是是 8 8个模拟量个模拟量；每次采样用一个每次采样用一个4 4位数字电压表测量，把被采样的模拟位数字电压表测量，把被采样的模拟量转换成量转换成1616位位BCDBCD码码(即对应即对应4 4位十进制数的位十进制数的4 4个个BCDBCD码码)；高高8 8位位和和低低8 8位位通过两个不同的端口（其地址

10、分别为通过两个不同的端口（其地址分别为10H10H和和11H11H)输入。输入。CPUCPU通过通过端口端口20H 20H 输出输出控制控制信号信号,以控制某个继电器的以控制某个继电器的吸合吸合,实现采集不同通道的模拟量。实现采集不同通道的模拟量。采集过程要求：采集过程要求：(1)(1)先断开所有先断开所有的继电器线圈及触头的继电器线圈及触头,不采集数据不采集数据。(2)(2)延迟一段时间延迟一段时间后后,使使K0K0闭合闭合,采集第采集第1 1个通道个通道的模拟的模拟量量,并保持一段时间并保持一段时间,以使数字电压表能将模拟电压转换为以使数字电压表能将模拟电压转换为1616位位BCDBCD码

11、。码。(3)(3)分别将分别将高高8 8位与低位与低8 8位位BCDBCD码存入内存码存入内存,完成第完成第1 1个模个模拟量的输入与存储。拟量的输入与存储。(4)(4)利用移位与循环实现利用移位与循环实现8 8个模拟量的依次采集、输入个模拟量的依次采集、输入与转存与转存。数据采集程序如下：数据采集程序如下：START:START:MOV DX,0100H MOV DX,0100H ;01HDH,;01HDH,置吸合第置吸合第1 1个继电器个继电器 ;00HDL,;00HDL,置断开所有继电器置断开所有继电器 LEA BX,DSTOR LEA BX,DSTOR ;置输入数据缓冲器的地址指针置输

12、入数据缓冲器的地址指针 XOR AL,AL XOR AL,AL ;清清ALAL及进位位及进位位CFCF AGAIN:MOV AL,DLAGAIN:MOV AL,DL OUT 20H,AL OUT 20H,AL ;断开所有继电器断开所有继电器 CALL NEAR DELAY1 CALL NEAR DELAY1 ;模拟继电器触点的释放时间模拟继电器触点的释放时间 MOV AL,DHMOV AL,DH OUT 20H,AL OUT 20H,AL ;先使先使P0P0吸合吸合 CALL NEAR DELAY2 CALL NEAR DELAY2 ;模拟触点闭合及数字电压表的转换时间模拟触点闭合及数字电压表

13、的转换时间 IN AX,10H IN AX,10H ;输入转换结果输入转换结果 MOV BX,AX MOV BX,AX ;存入内存存入内存 INC BX INC BX INC BX INC BX RCL DH,1 RCL DH,1 ;DH;DH左移左移1 1位位,为下一个触点吸合作准备为下一个触点吸合作准备 JNC AGAIN JNC AGAIN ;8;8位都输入完了吗？没有，则循环位都输入完了吗？没有，则循环 DONEDONE：;输入已完，则执行别的程序段输入已完，则执行别的程序段 (二二)程序查询传送程序查询传送(条件传送条件传送异步传送异步传送)它也是一种程序传送，但它也是一种程序传送，

14、但,是是有条件的异步传送有条件的异步传送。条件是条件是:在执行输入在执行输入(IN(IN指令指令)或输出或输出(OUT(OUT指令指令)前，要前，要先查询接口先查询接口中状态寄存器的状态中状态寄存器的状态。输入输入时时,由该状态信息指示要由该状态信息指示要输入的数据是否已输入的数据是否已“准备就准备就绪绪”；输出输出时时,又由它指示又由它指示输出设备是否输出设备是否“空闲空闲”，由此条件来，由此条件来决定执行输入或输出。决定执行输入或输出。读入的读入的数据数据是是位位,而而读入的读入的状态信息状态信息往往是往往是位位，如图，如图6.66.6所示。所以所示。所以,不同的外设不同的外设其其状态信息

15、状态信息可可以使用以使用同一个端口同一个端口，但只，但只要使用要使用不同的位不同的位就行。就行。这种查询输入方式的程这种查询输入方式的程序流程图如图序流程图如图6.76.7所示。所示。查询式输入端口信息图查询式输入端口信息图查询输入部分的程序：查询输入部分的程序：POLL:POLL:IN AL,STATUSPORT IN AL,STATUSPORT;读状态端口的信息读状态端口的信息 TEST AL,TEST AL,8080 ;设设“准备就绪准备就绪”(READY)(READY)信息信息 在在D7D7位位 JE POLL ;JE POLL ;未未“准备就绪准备就绪”，则循环再查，则循环再查 IN

16、 AL,DATA_PORT ;IN AL,DATA_PORT ;已已“准备就绪准备就绪”(READY=1),(READY=1),则则 读入数据读入数据 .程序查询输出程序查询输出 输出过程输出过程:。当。当输出装置输出装置把输出的数据把输出的数据输出以后输出以后，发出一个，发出一个信号，使触发器清信号，使触发器清“”，也即使，也即使“BUSYBUSY”线为线为0(0(不忙不忙)；。当读入这个状态信息后，知道。当读入这个状态信息后，知道外设外设“不忙不忙”，于是就，于是就执行输出指令执行输出指令。待。待输出指令执行后输出指令执行后，由地址信号和，由地址信号和/及相及相“或或”,经经1 1发出选通

17、信号发出选通信号,把在把在数据总线上的输出数据送至锁存器数据总线上的输出数据送至锁存器；同时，触发；同时，触发触发器为触发器为“”状态状态,它一方面它一方面通知外设：输通知外设：输出数据已准备好出数据已准备好，可以执行输出操作，另一方面在数据由输，可以执行输出操作，另一方面在数据由输出装置输出以前，一直为出装置输出以前，一直为“”,告知外设告知外设“”，阻止输出新的数据。，阻止输出新的数据。查询输出部分的程序：查询输出部分的程序：POLL:IN AL,STATUS_PORT POLL:IN AL,STATUS_PORT ;查状态端口中的状态信息查状态端口中的状态信息D7 D7 TEST AL

18、TEST AL，80H 80H JNE POLL JNE POLL；;D7;D71 1 即即 BUSYBUSY1,1,则循环再查则循环再查 MOV ALMOV AL，STORE STORE ;否则否则,外设空闲外设空闲,由内存读取数据由内存读取数据 OUT DATA_PORT,AL OUT DATA_PORT,AL ;输出到输出到DATADATA地址端口单元地址端口单元 查询式输出时的数据和状态信息查询式输出时的数据和状态信息 .一个采用查询方式的数据采集系统一个采用查询方式的数据采集系统 一个有个模拟量输入的数据采集系统，用查询方式一个有个模拟量输入的数据采集系统，用查询方式与传送信息，电路

19、如图与传送信息，电路如图6.116.11所示。所示。采集过程要求：采集过程要求：(1)(1)初始化。初始化。(2)(2)先停止转换。先停止转换。(3)(3)启动转换，查输入状态信息。启动转换，查输入状态信息。(4)(4)当输入数据已转换完（当输入数据已转换完（READY READY 1,1,即准备就绪）即准备就绪）,则则 经由端口输入至经由端口输入至CPUCPU的累加器的累加器ALAL中中,并转送内存。并转送内存。(5)(5)设置下一个内存单元与下一个输入通道设置下一个内存单元与下一个输入通道,循环次循环次。查询方式数据采集系统程序查询方式数据采集系统程序控制口（控制口（04H，OUT）b2b

20、0：通道号；：通道号；b4：A/D启动信号启动信号状态口（状态口（02H，IN）b0：A/D转换结束转换结束 READY信号信号数据口（数据口（03H，IN）A/D转换数据转换数据；初始化；初始化START:MOV DL,0F8H ;为什么设此初值？为什么设此初值？MOV AX,SEG DSTORMOV ES,AXLEA DI,DSTOR;发控制命令发控制命令AGAIN:MOVAL,DL ANDAL,0EFH OUT 04H,AL CALLDELAY MOVAL,DL OUT04H,AL;为什么每次要发为什么每次要发2次控制命令？中间要加延时？次控制命令？中间要加延时？;查询查询A/D状态，读

21、入数据状态，读入数据POLL:INAL,02H SHRAL,1 JNCPOLL ;其它判别方法其它判别方法？IN AL,03H STOSB INCDL JNEAGAIN ;？带注释的数据采集程序：带注释的数据采集程序：STARE:MOV DL,0F8H STARE:MOV DL,0F8H ;设置启动设置启动A/DA/D转换的信号转换的信号,;且低位选通多路开关通道且低位选通多路开关通道 MOV AX,SEG DSTOR MOV AX,SEG DSTOR;设置输入数据的内存单元地址指针设置输入数据的内存单元地址指针 MOV ES,AXMOV ES,AX LEA DI,DSTOR LEA DI,D

22、STOR AGAIN AGAIN：MOV AL,DLMOV AL,DL AND AL,0EFH AND AL,0EFH ;使使D4D4 OUT 04,AL OUT 04,AL ;停止停止A/DA/D转换转换 CALL DELAY CALL DELAY ;等待停止等待停止A/DA/D转换操作的完成转换操作的完成 MOV AL,DL MOV AL,DL OUT 04,AL OUT 04,AL ;选输入通道并启动选输入通道并启动A/DA/D转换转换 POLLPOLL：IN AL,02 IN AL,02 ;输入状态信息输入状态信息 SHR AL,1 SHR AL,1 ;查查ALAL的的D0D0 JNC

23、 POLL JNC POLL ;判判READY=1?READY=1?;若若D0=0,D0=0,未准备好未准备好,则循环再查则循环再查 IN AL,03 IN AL,03 ;若已准备就绪若已准备就绪,;则经端口将采样数据输入至则经端口将采样数据输入至ALAL STOSB STOSB ;输入数据存入内存单元输入数据存入内存单元 INC DL INC DL ;输入模拟量通道增输入模拟量通道增1 1 JNE AGAIN JNE AGAIN ;8;8个模拟量未输入完则循环个模拟量未输入完则循环 ;输入已完输入已完,执行别的程序执行别的程序 总结总结查询输入查询输入/输出传送方式的步骤输出传送方式的步骤：

24、()CPU)CPU从从I/OI/O接口的状态端口中接口的状态端口中读入外设状态信息读入外设状态信息“READYREADY”或或“BUSYBUSY”。()根据读入的状态信息进行判断。根据读入的状态信息进行判断。程序程序查询输入查询输入时，若状态信息时，若状态信息READYREADY0 0，则外设数据，则外设数据未准备好，未准备好，CPUCPU继续继续等待查询等待查询,直至直至READYREADY，外设已准，外设已准备好数据备好数据,执行下一步操作执行下一步操作;程序程序查询输出查询输出时，若状态信息时，若状态信息BUSYBUSY，则外设正在，则外设正在“忙忙”,CPU,CPU继续继续等待查询等待

25、查询,直至外设直至外设“空闲空闲”,BUSYBUSY0 0时时，执行下一步操作。，执行下一步操作。()执行输入执行输入/输出指令，进行输出指令，进行I/OI/O传送传送。完成数据的。完成数据的输入输出，同时输入输出，同时将外设的状态信息复位将外设的状态信息复位，一个位的数据，一个位的数据传送结束传送结束。当当计算机计算机工作任务较轻或工作任务较轻或CPUCPU不太忙不太忙时，可以时，可以应用应用程序程序查询输入输出传送方式查询输入输出传送方式,它能较好地协调外设与它能较好地协调外设与CPUCPU之间速之间速度的差别；程序和接口电路比度的差别；程序和接口电路比较简单较简单。该方式主要缺点该方式主

26、要缺点:循环查询等待很费时间，大大降低了循环查询等待很费时间，大大降低了CPUCPU的运行效率。的运行效率。二、二、中断传送中断传送 上述程序上述程序查询传送方式查询传送方式不仅要不仅要降低降低CPUCPU的运行效率的运行效率,而且而且,在一般实时控制系统中，往往有数十乃至数百个外在一般实时控制系统中，往往有数十乃至数百个外设设,由于它们的工作速度不同，要求由于它们的工作速度不同，要求CPUCPU为它们服务是随机为它们服务是随机的的,有些要求很急迫，若用有些要求很急迫，若用查询方式查询方式除浪费大量等待查询除浪费大量等待查询时间外时间外,还还很难使每一个外设都能工作在最佳工作状态很难使每一个外

27、设都能工作在最佳工作状态。为了提高为了提高CPUCPU执行有效程序的工作效率和提高系统中执行有效程序的工作效率和提高系统中多台外设的工作效率，可以多台外设的工作效率，可以让外设处于能主动申请中断的让外设处于能主动申请中断的工作方式工作方式,这在这在有多个外设及速度不匹配时有多个外设及速度不匹配时，尤为重要。，尤为重要。所谓中断就是所谓中断就是外设或其他中断源外设或其他中断源中止中止CPUCPU当前正在执行当前正在执行的程序的程序,而而转向为该外设服务转向为该外设服务(如完成它与如完成它与CPUCPU之间传送一个之间传送一个数据）数据）的程序的程序,一旦服务结束，又一旦服务结束，又返回返回原程序

28、继续工作。原程序继续工作。这样，外设处理数据期间，这样，外设处理数据期间，CPUCPU就不必浪费大量时间去就不必浪费大量时间去查询它们的状态查询它们的状态,只待只待外设处理完毕主动外设处理完毕主动向向CPUCPU提出提出请求请求（向（向CPUCPU发中断请求信号），而发中断请求信号），而CPUCPU在每一条指令执行的结尾在每一条指令执行的结尾阶段阶段，均，均查询是否有中断请求信号查询是否有中断请求信号（这种查询是由硬件完成的（这种查询是由硬件完成的,不占用不占用CPUCPU的工作时间），若有，则暂停执行现行的程序，的工作时间），若有，则暂停执行现行的程序，转去为申请中断的某个外设服务，以完成数

29、据传送。转去为申请中断的某个外设服务，以完成数据传送。中断传送方式的好处中断传送方式的好处是：是：大大提高了大大提高了CPUCPU的工作效率，的工作效率，和和系统中多个外设的工作效率系统中多个外设的工作效率。三、直接存储器存取（）传送三、直接存储器存取（）传送 利用程序利用程序中断传送方式中断传送方式，虽然可以提高的工作率，虽然可以提高的工作率，但它仍，但它仍需由通过程序来传送数据需由通过程序来传送数据,并在处理中并在处理中 断时，还要断时，还要“保护现场保护现场”和和“恢复现场恢复现场”,而这两部分操作而这两部分操作的程序段又与数据传送没有直接关系，却要占用一定时间，的程序段又与数据传送没有

30、直接关系，却要占用一定时间，使每传送一个字节大约需要几十微秒到几百微秒，这对于使每传送一个字节大约需要几十微秒到几百微秒，这对于高速外设以及成组交换数据的场合高速外设以及成组交换数据的场合，就显得，就显得太慢太慢了。了。（Direct Memory AccessDirect Memory Access）方式或称为数据通）方式或称为数据通道方式是一种由道方式是一种由专门的硬件电路专门的硬件电路控制交换的传送方控制交换的传送方式，它让式，它让外设接口外设接口可可直接与内存进行高速的数据传送直接与内存进行高速的数据传送，而，而不必经过不必经过，这样就不必进行保护现场之类的额外操，这样就不必进行保护现

31、场之类的额外操作，可实现对存储器的直接存取。作，可实现对存储器的直接存取。这种专门的硬件电路就是这种专门的硬件电路就是DMADMA控制器控制器,简称为简称为。如。如ZilogZilog 公司的公司的Z80Z80，IntelIntel公司的，公司的，和和MotorolaMotorola的等。的等。图图6.126.12给出了给出了80868086用用DMADMA方式方式传送单个数据传送单个数据(输出数据输出数据)的的示意图示意图。6.3 6.3 中断技术中断技术（自己阅读、复习）（自己阅读、复习）中断是一种十分重要而复杂的软硬件相结合的技术。中断是一种十分重要而复杂的软硬件相结合的技术。本节将介绍

32、本节将介绍中断的基本概念中断的基本概念、中断的响应与处理过程中断的响应与处理过程、优优先权的安排先权的安排等有关问题。等有关问题。一、中断概述一、中断概述 (一一)中断与中断源中断与中断源使使CPUCPU暂停运行原来的程序而应更为急迫事件的需要转去暂停运行原来的程序而应更为急迫事件的需要转去执行为中断源服务的程序执行为中断源服务的程序(称为称为中断服务程序中断服务程序)，待该程序处理，待该程序处理完后，再返回运行原程序，此即完后，再返回运行原程序，此即中断中断(或中断技术或中断技术)。所谓所谓中断源中断源，即引起中断的事件或原因，或发出中断申请，即引起中断的事件或原因，或发出中断申请的来源。通

33、常中断源有以下几种的来源。通常中断源有以下几种 ：(1)(1)外部设备外部设备:一般中、慢速外设如键盘、打印机等，在完一般中、慢速外设如键盘、打印机等，在完成自身的操作后，向成自身的操作后，向CPUCPU发出中断请求发出中断请求,要求要求CPUCPU为它服务。为它服务。(2)(2)实时时钟实时时钟：在自动控制中，常需要定时检测与控制。此：在自动控制中，常需要定时检测与控制。此时，时，CPUCPU可发出命令可发出命令,启动时钟电路计时启动时钟电路计时,待定时已到，时钟电路待定时已到，时钟电路就发中断申请，由就发中断申请，由CPUCPU转去执行服务程序。转去执行服务程序。(3)(3)故障源故障源：

34、计算机内设有故障自动检测装置，如发生运算：计算机内设有故障自动检测装置，如发生运算出错（溢出出错（溢出)、存储器读出出错、外部设备故障、电源掉电以及、存储器读出出错、外部设备故障、电源掉电以及越限报警等意外事件时，这些装置都能使越限报警等意外事件时，这些装置都能使CPUCPU中断，进行相应的中断，进行相应的中断处理。中断处理。以上以上3 3种属于种属于随机中断源随机中断源。由随机引起的中断。由随机引起的中断,称为称为强迫中断强迫中断。(4)(4)为调试程序设置的中断源为调试程序设置的中断源：这是：这是CPUCPU执行了特殊指令执行了特殊指令(自自陷指令）或由硬件电路引起的中断陷指令）或由硬件电

35、路引起的中断,主要是供用户调试程序时而主要是供用户调试程序时而采取的检查手段。如断点设置、单步调试等采取的检查手段。如断点设置、单步调试等.这些都要由中断系这些都要由中断系统实现。一般称这种中断为统实现。一般称这种中断为自愿中断自愿中断。(二二)中断系统及其功能中断系统及其功能 中断系统应具有下列中断系统应具有下列功能功能：1.1.能响应中断、处理中断与返回能响应中断、处理中断与返回 2.2.能实现优先权排队能实现优先权排队 3.3.能实现中断嵌套能实现中断嵌套 高级高级中断源能中断源能中断中断低级的中断低级的中断 处理处理 中断系统中断系统是指为实现中断而设置的各种是指为实现中断而设置的各种

36、硬件与硬件与软件软件,包括中断控制逻辑及相应管理中断的指令。包括中断控制逻辑及相应管理中断的指令。(三三)中断的应用中断的应用 中断能解决快速中断能解决快速CPUCPU与中、慢速外设速度与中、慢速外设速度不匹配的矛盾，以不匹配的矛盾，以提高主机的工作效率提高主机的工作效率；中断在实现中断在实现分时操作、实时处理、故障处分时操作、实时处理、故障处理、多机连接理、多机连接以及以及人机联系人机联系等方面均有广泛的等方面均有广泛的应用。应用。二、二、单个中断源的中断单个中断源的中断 单单个中断源的中断过程包括：个中断源的中断过程包括：中断请求中断请求、中断响应中断响应、中断中断处理处理和和中断返回中断

37、返回等环节。等环节。(一一)中断源向中断源向CPUCPU发中断请求信号的条件发中断请求信号的条件 中断源是通过其中断源是通过其接口电路接口电路向向CPUCPU发中断请求信号的发中断请求信号的,该信号该信号能否发给能否发给CPUCPU，应满足下列，应满足下列两个条件两个条件：1.1.设置中断请求触发器设置中断请求触发器 在每个中断源的接口电路中设置一个在每个中断源的接口电路中设置一个中断请求触发器中断请求触发器,由由它产生中断请求，并一直保持到它产生中断请求，并一直保持到CPUCPU接受并响应该中断后接受并响应该中断后,才能才能清除它。如清除它。如图图6.156.15所示。所示。2 2设置中断屏

38、蔽触发器设置中断屏蔽触发器 通过通过中断屏蔽触发器，中断屏蔽触发器，CPUCPU可控制中断源的可控制中断源的中断请求是否中断请求是否允许发向允许发向CPUCPU。如如图图6.156.15所示。所示。(二二)CPU)CPU响应中断的条件响应中断的条件 当中断源向当中断源向CPUCPU发出发出INTRINTR信号后，信号后，CPUCPU若要响应它，还若要响应它，还应满足下列条件。应满足下列条件。1 1CPUCPU开放中断开放中断 CPUCPU采样到采样到INTRINTR信号后是否响应它信号后是否响应它,由由CPUCPU内部的中断内部的中断允许触发器允许触发器(如如IFF)IFF)的状态决定的状态决

39、定,如如图图6.166.16所示所示.中断允许触发器中断允许触发器IFFIFF的状态可以由专门的开中断与关的状态可以由专门的开中断与关中断指令来设置：中断指令来设置：开中断：开中断：STI(IFF=1);STI(IFF=1);关中断：关中断：CLI(IFF=0)CLI(IFF=0)。此外，当此外，当CPUCPU复位或响应中断后复位或响应中断后，也能，也能使使CPUCPU关中断关中断。2 2 CPUCPU在现行指令结束后响应中断在现行指令结束后响应中断 在在CPU开中断时，若有开中断时，若有中断请求信号发至中断请求信号发至CPU,CPU,它也它也并不立即响应。并不立即响应。只有当只有当现行指令运

40、行到现行指令运行到最后一个机器周期的最后一最后一个机器周期的最后一个个T状态状态时时,CPU才采样才采样INTR信号；若有此信号，则信号；若有此信号，则把与门的允许中断输出端把与门的允许中断输出端置置1 1，于是，于是，CPU进入中断响进入中断响应周期。应周期。(三三)CPU)CPU响应中断及处理过程响应中断及处理过程 当满足上述条件后，当满足上述条件后，CPUCPU就响应中断，转入中断周期，完成下就响应中断，转入中断周期，完成下列几步操作：列几步操作：1 1关中断关中断 CPUCPU响应中断后响应中断后,在发出中断响应信号在发出中断响应信号(INTAINTA)的同时的同时,内部自动内部自动地

41、地(由硬件由硬件)实现实现关中断关中断,以免在处理当前中断时又被新的中断源中以免在处理当前中断时又被新的中断源中断断,以至破坏当前中断服务的现场。以至破坏当前中断服务的现场。2 2保护断点保护断点 CPUCPU响应中断后，立即封锁响应中断后，立即封锁PC+1PC+1(此即此即断点地址断点地址),),且把此且把此PCPC值值压栈保护压栈保护，以备中断处理完毕后，以备中断处理完毕后，CPUCPU能返回断点处继续运行主能返回断点处继续运行主程序。程序。3 3保护现场保护现场 在在CPUCPU处理中断服务程序时，有可能用到各寄存器处理中断服务程序时，有可能用到各寄存器,从从而改变它们原来在主程序中的值

42、，即破坏了原主程序中的而改变它们原来在主程序中的值，即破坏了原主程序中的现场信息。现场信息。为使中断服务程序不影响主程序的正常运行，要把主为使中断服务程序不影响主程序的正常运行，要把主程序运行到程序运行到断点处断点处时的时的有关寄存器的内容和标志位的状态有关寄存器的内容和标志位的状态压栈保护压栈保护起来。起来。保护现场保护现场在中断服务程序中是用在中断服务程序中是用PUSHPUSH指令指令完成的。完成的。4 4给出中断入口给出中断入口(地址地址)，转入中断服务程序，转入中断服务程序8086/80888086/8088由中断源提供由中断源提供中断类型号中断类型号,并根据中断类并根据中断类型号在型

43、号在中断向量表中断向量表中取得中取得中断服务程序的入口地址中断服务程序的入口地址。在在中断服务程序完成后中断服务程序完成后，还要执行，还要执行下述的下述的5 5、6 6两步操作。两步操作。5 5恢复现场恢复现场 把保存在堆栈中的各把保存在堆栈中的各有关寄有关寄存器存器的内容和的内容和标志位标志位的状态的状态弹出恢复弹出恢复。该操作是在中断服务程序中该操作是在中断服务程序中用用POPPOP指令指令完成的。完成的。6 6中断返回中断返回 在在中断服务程序的最后中断服务程序的最后,要安排一要安排一条中断返回指令（条中断返回指令（IRETIRET）,将堆栈内保将堆栈内保存的断点弹出至存的断点弹出至PC

44、,CPUPC,CPU恢复到断点处继恢复到断点处继续运行，弹出恢复标志寄存器的值。同续运行，弹出恢复标志寄存器的值。同时，开中断（以便时，开中断（以便CPUCPU能响应新的中断能响应新的中断请求请求)。三、三、向量中断向量中断 所谓向量中断所谓向量中断(Vectored Interrupt)(Vectored Interrupt)，是指通过，是指通过中断向量中断向量来找来找中断入口地址中断入口地址进而进而转向中断服务程序转向中断服务程序的一种方法；的一种方法；中断向量中断向量则是用来提供中断入口地址的一个则是用来提供中断入口地址的一个地址指针地址指针。例如例如8086/8088CPU8086/8

45、088CPU的中断系统的中断系统就是采用这种向量中断。其就是采用这种向量中断。其详细过程，将在下一节讨论。详细过程，将在下一节讨论。四、中断优先权四、中断优先权 实际系统中，通常具有多个中断源实际系统中，通常具有多个中断源,而而CPUCPU的可屏蔽中断请求的可屏蔽中断请求线往往只有一条。线往往只有一条。如何解决如何解决多个中断源同时请求多个中断源同时请求中断而中断而只有一根中断请求线只有一根中断请求线的的矛盾呢矛盾呢?1 1）要求）要求CPUCPU按多个中断源的优先权按多个中断源的优先权由高至低依次响应由高至低依次响应中断申请。中断申请。2)2)当当CPUCPU正在处理中断时，还要正在处理中断

46、时，还要能响应更高级的中断申请能响应更高级的中断申请，而屏，而屏蔽掉同级或低级的中断申请。蔽掉同级或低级的中断申请。CPUCPU可以通过可以通过硬件排队电路硬件排队电路或或软件查询技术软件查询技术两种方法来实现两种方法来实现按中断优先权对多个中断源的管理按中断优先权对多个中断源的管理;也有专门协助也有专门协助CPU CPU 按中断优先权处理多个中断源的按中断优先权处理多个中断源的中断控中断控制芯片制芯片，如后面第，如后面第7 7章中将要介绍的章中将要介绍的8259A8259A芯片芯片。6.4 8086/80886.4 8086/8088的中断系统和中断处理的中断系统和中断处理 本节将主要阐述本

47、节将主要阐述8086/80888086/8088的中断系统的中断系统及其及其中断处理中断处理的的全过程。全过程。一、一、8086/80888086/8088的中断系统的中断系统 8086/80888086/8088中断采用中断采用中断向量结构中断向量结构，每个中断都有一个，每个中断都有一个特定的特定的中断类型码中断类型码（共（共256256种种类型的中断）。这些中断可类型的中断）。这些中断可以来自以来自外部外部，即由，即由硬件硬件产生产生,也可以来自也可以来自内部内部，即由，即由软件软件（中断指令）产生，或者满足某些（中断指令）产生，或者满足某些特定条件特定条件(陷阱陷阱)后引发后引发CPUC

48、PU中断。中断。(一一)外部中断外部中断 8086/8088 CPU8086/8088 CPU有两条引脚供外部中断源请求中断有两条引脚供外部中断源请求中断:一条是一条是高高电平有效电平有效的的可屏蔽中断可屏蔽中断INTRINTR;另一条是另一条是上升沿有效上升沿有效的的非屏蔽中断非屏蔽中断NMINMI。.可屏蔽中断可屏蔽中断 可屏蔽中断是由用户定义的外部硬件中断。可屏蔽中断是由用户定义的外部硬件中断。CPUCPU是否响应此中是否响应此中断请求，要取决于标志寄存器中断请求，要取决于标志寄存器中IFIF的状态。若的状态。若IF=0IF=0，则，则CPUCPU处于处于关中断关中断状态状态,不响应不响

49、应INTR;INTR;若若IF=1IF=1，则，则CPUCPU处于处于开中断开中断状态，状态，响应响应INTRINTR，并通过，并通过INTAINTA引脚向产生引脚向产生INTRINTR的设备接口的设备接口(中断源中断源)发回发回响应响应信号信号,启动中断过程。启动中断过程。CPU CPU在发在发第第2 2个中断响应信号个中断响应信号INTAINTA时时,将使发将使发出中断请求信号的接口把出中断请求信号的接口把1 1字节的字节的中断类型码通过中断类型码通过数据总线传送给数据总线传送给CPUCPU。中断允许标志中断允许标志IFIF位的状态可用指令位的状态可用指令STISTI使其使其置位，即置位，

50、即开中断开中断;也可用也可用CLICLI指令使其复位，即指令使其复位，即关关中断中断。系统复位后或任一中断被响应后系统复位后或任一中断被响应后，IF=0,IF=0,所以所以在执行程序的过程中要用在执行程序的过程中要用STISTI指令开中断指令开中断,以便以便CPUCPU有可能响应新的可屏蔽中断请求。有可能响应新的可屏蔽中断请求。.非屏蔽中断非屏蔽中断 8086/80888086/8088要求要求NMINMI上的请求脉冲的有效宽度上的请求脉冲的有效宽度（高电平（高电平的持续时间）大于两个时钟周期。一旦的持续时间）大于两个时钟周期。一旦此中断请求信号产生，不管标志位此中断请求信号产生，不管标志位I

51、FIF的状态如何，的状态如何，即使在即使在关中断（关中断（IF=0IF=0）的情况下，的情况下，CPUCPU也能响应也能响应它。它。非屏蔽中断源非屏蔽中断源有有3 3种：种：1 1）系统板上）系统板上RAMRAM的奇偶校验错的奇偶校验错2 2）扩展槽中的）扩展槽中的I/OI/O通道错通道错3 3）协处理器）协处理器80878087的中断请求的中断请求由于由于NMINMI比比INTRINTR的中断请求的的中断请求的级别高级别高，因此，因此,若在指令执行过程中若在指令执行过程中,INTR,INTR和和NMINMI引脚上同时都有引脚上同时都有中断请求信号中断请求信号 ，则，则CPUCPU将首先响应将

52、首先响应NMINMI引脚上的中引脚上的中断请求。断请求。IntelIntel公司在设计公司在设计8086/80888086/8088芯片时，已将芯片时，已将NMINMI的中断类型号的中断类型号预先定义为预先定义为类型类型2 2,所以所以,CPU,CPU响应非响应非屏蔽中断时屏蔽中断时,不要求外部向不要求外部向CPUCPU提供中断类型提供中断类型号号,CPU,CPU在总线上也不发在总线上也不发INTAINTA信号。信号。（二）内部中断（二）内部中断 .除法出错中断除法出错中断类型类型0 0（优先级最高）（优先级最高）执行除法指令时，若除数为执行除法指令时，若除数为0 0或商超过范围或商超过范围,

53、则立即产生类型则立即产生类型为为0 0的内部中断，的内部中断，CPUCPU转向除法出错的中断服务程序。转向除法出错的中断服务程序。.溢出中断溢出中断类型类型4 4若上一条指令执行的结果使溢出标志位置若上一条指令执行的结果使溢出标志位置1 1（OF=1OF=1）,则在则在执行溢出中断（执行溢出中断（INTOINTO）指令指令时，将引起时，将引起类型类型4 4的内部中断的内部中断,CPU,CPU就可以转入对溢出错误进行处理的中断服务程序。就可以转入对溢出错误进行处理的中断服务程序。若若OF=0OF=0 时，则时，则INTOINTO指令执行指令执行空操作空操作。INTOINTO指令常常紧跟在指令常常

54、紧跟在算术运算指令之后，以便在该指令执行产生溢出时由算术运算指令之后，以便在该指令执行产生溢出时由INTOINTO指令进指令进行特殊的处理。行特殊的处理。.单步中断单步中断类型类型1 1 标志位标志位TFTF被置位（被置位（TF=1TF=1）时，）时，8086/80888086/8088处于单处于单步工作方式，即步工作方式，即CPUCPU每执行完一条指令后就自动地产生一每执行完一条指令后就自动地产生一个个类型类型1 1的内部中断的内部中断，程序控制将，程序控制将转入单步中断服务程序转入单步中断服务程序。CPUCPU响应单步中断后将自动把状态标志压入堆栈响应单步中断后将自动把状态标志压入堆栈,然

55、后然后清除清除TFTF和和IFIF标志位。标志位。单步中断服务程序结束时，再通过执行单步中断服务程序结束时，再通过执行IRETIRET中断返回中断返回指令指令,将将CSCS与与IPIP的内容出栈，并恢复标志寄存器的内容的内容出栈，并恢复标志寄存器的内容,使程序返回到断点处。使程序返回到断点处。由于在中断时由于在中断时TFTF位被保护起来了，位被保护起来了，中断返回时中断返回时TFTF位又位又被重新恢复（被重新恢复（TF=1TF=1）,所以所以CPUCPU在中断返回以后仍然处于单在中断返回以后仍然处于单步工作方式。步工作方式。.断点中断断点中断类型类型3 3 8086/80888086/8088

56、指令系统中有一条设置程序断点指令系统中有一条设置程序断点的单字节中断指令（的单字节中断指令（INT 3INT 3),),执行该指令以后就执行该指令以后就会产生一个中断类型为会产生一个中断类型为3 3的内部中断的内部中断,CPU,CPU将转向将转向执行一个断点中断服务程序执行一个断点中断服务程序,以便进行一些特殊以便进行一些特殊的处理的处理.断点中断指令主要用于断点中断指令主要用于软件调试软件调试中中,程序员程序员可用它在程序中设置一个程序断点。可用它在程序中设置一个程序断点。.用户定义的软件中断用户定义的软件中断类型类型n n 在在8086/80888086/8088的内部中断中的内部中断中,

57、有一个可由用户定义的有一个可由用户定义的双字节的双字节的中断指令中断指令INT nINT n，其第，其第1 1个字节为个字节为INTINT的操作码的操作码,第第2 2个字节个字节n n是它的是它的中断类型码中断类型码。中断类型码。中断类型码n n由程序员由程序员编程时给定。编程时给定。(三三)内部中断的特点内部中断的特点 (1)(1)内部中断由一条内部中断由一条INT nINT n指令直接产生，其中断指令直接产生，其中断类型号类型号n n或者包括在指令中，或者已由系统预先定或者包括在指令中，或者已由系统预先定义。义。(2)(2)除单步中断除单步中断以外，以外，所有内部中断都不能被屏所有内部中断

58、都不能被屏蔽蔽。(3)(3)所有内部中断都所有内部中断都没有中断响应总线周期没有中断响应总线周期，这，这是因为内部中断是因为内部中断不必通过查询不必通过查询外部来外部来获得中断类型获得中断类型号号。(4)(4)硬、软中断的硬、软中断的优先级排队优先级排队如表如表6.26.2所示。所示。8086/80888086/8088中断系统规定，除了单步中断以外中断系统规定，除了单步中断以外,所有所有内部中断的优先权内部中断的优先权都比外部中断的优先权高都比外部中断的优先权高。如果如果在执行一个能引起内部中断指令的同时在执行一个能引起内部中断指令的同时,在在NMINMI或或INTRINTR引脚端也产生了外

59、部中断请求引脚端也产生了外部中断请求,则则 CPUCPU将将首先处理内部中首先处理内部中断断。三、三、中断向量表中断向量表 中断向量表中断向量表也称也称中断入口地址表中断入口地址表。中断向量表放在存储在中断向量表放在存储在00000H00000H到到003FFH003FFH之间，占之间，占1K1K字节字节。中断向量表分成中断向量表分成256256组，每组由组，每组由两个字两个字（即（即4 4个字节）组成个字节）组成一个双字长的指针。一个双字长的指针。双字长指针的双字长指针的高地址高地址存放的字是中断服务程序入口地址所存放的字是中断服务程序入口地址所在的代码段的在的代码段的1616位段地址（位段

60、地址（CSCS）；）；低地址低地址字是中断服务程序入口地址相对于段起始地址的字是中断服务程序入口地址相对于段起始地址的偏偏移值（移值（IPIP）。CPUCPU通过通过CSCS和和IPIP的值得到一个的值得到一个2020位的地址（位的地址（1616位的位的CSCS段地段地址左移址左移4 4位，然后加上位，然后加上IPIP值）值）,它就是它就是中断服务程序的实际入口中断服务程序的实际入口地址地址。256256级中断的级中断的中断向量表中断向量表如图如图6.206.20所示。所示。图图6.206.20的中断向量表分为的中断向量表分为3 3部分。部分。第第1 1部分部分 类型类型0 0类型类型4 4

61、专用中断专用中断这这5 5种中断的入口已由系统定义，不允许用户修改。种中断的入口已由系统定义，不允许用户修改。第第2 2部分部分 类型类型5 5类型类型31 31 系统备用中断系统备用中断这是这是IntelIntel公司为软、硬件开发保留的中断类型公司为软、硬件开发保留的中断类型,一般不允许用户作其他用途一般不允许用户作其他用途,其中许多中断已被系统开发其中许多中断已被系统开发使用，例如使用，例如 类型类型21H 21H 已用作系统功能调用的软中断。已用作系统功能调用的软中断。第第3 3部分部分 类型类型3232类型类型255 255 可供用户使用可供用户使用这些中断可由用户定义为这些中断可由

62、用户定义为软中断软中断,由由INT nINT n指令引入，指令引入，也可以是通过也可以是通过INTRINTR端直接引入端直接引入硬件可屏蔽中断硬件可屏蔽中断,使用时用使用时用户要自行设置相应的中断入口地址。户要自行设置相应的中断入口地址。每个中断向量具有一个相应的中断类型号。每个中断向量具有一个相应的中断类型号。中断类型号乘中断类型号乘4 4，将给出中断向量表中的，将给出中断向量表中的中断向量入口第中断向量入口第1 1字节的物理地址字节的物理地址。例如例如，若中断类型号为，若中断类型号为8,8,则这个向量的第则这个向量的第1 1字节的地址为：字节的地址为：类型号类型号8 84 4323220H

63、20H 若类型若类型8 8中，安排的中，安排的CS=CS=1000H1000H，IP=0200HIP=0200H，则它们，则它们形成的服务程序的入口地址形成的服务程序的入口地址为为1020010200。CPUCPU一旦响应中断类型一旦响应中断类型8,8,则将转去执行从地址则将转去执行从地址10200H10200H 开始的中断服务程序。开始的中断服务程序。如图如图6.246.24所示。所示。二、二、8086/80888086/8088的中断处理过程的中断处理过程(一一)8086/8088 CPU)8086/8088 CPU中断处理的基本过程中断处理的基本过程四、四、可屏蔽中断的过程可屏蔽中断的过

64、程 (一一)INTR)INTR中断的全过程中断的全过程首先，中断请求信号首先，中断请求信号INTRINTR由外部设备产生并送至由外部设备产生并送至80868086的的INTRINTR引脚上。引脚上。CPUCPU是否响应取决于是否响应取决于CPUCPU内部的内部的IFIF标志。标志。如果如果IFIF标志为标志为0 0,则则CPUCPU不会识别中断不会识别中断；当当IF=1IF=1并出现并出现INTRINTR请求信号时请求信号时,CPU,CPU在在完成正在执行的完成正在执行的指令后指令后，便，便开始响应中断开始响应中断。步骤如下：步骤如下：(1)CPU(1)CPU读取读取中断类型号中断类型号n n

65、。CPUCPU发出发出INTAINTA信号，外部中断接口电路把信号，外部中断接口电路把中断中断类型号通过数据总线送给类型号通过数据总线送给CPUCPU；(2)(2)按先后顺序把按先后顺序把FLAGFLAG、CSCS和和IPIP的当前内容的当前内容压入堆栈压入堆栈;(3)(3)清除清除IFIF和和TFTF标志；标志；(4)(4)查中断向量表查中断向量表，把，把4 4n n2 2的字存储单元的字存储单元中的内容读入中的内容读入CSCS中，把中，把4 4n n的字存储单元中内容的字存储单元中内容读入读入IPIP中。中。(二二)中断类型号的获得中断类型号的获得 (1)(1)除法错误、单步中断、非屏蔽中

66、断、断点除法错误、单步中断、非屏蔽中断、断点中断和溢出中断中断和溢出中断分别由分别由CPUCPU芯片内芯片内的硬件自提供类的硬件自提供类型号型号0 04 4。(2)(2)软件中断软件中断则是从则是从指令流指令流中中,即在第即在第2 2个字个字节中读得中断类型号。节中读得中断类型号。(3)(3)外部中断外部中断INTRINTR可以用不同的方法获得中可以用不同的方法获得中断类型号。例如，在断类型号。例如，在PCPC系列微机中系列微机中,可以由可以由Intel Intel 8259A8259A芯片或集成了芯片或集成了8259A8259A的超大规模集成外围芯的超大规模集成外围芯片片来提供中断类型号来提供中断类型号（参见第（参见第7 7章）。章）。五、五、中断响应时序中断响应时序 下面以下面以8086 CPU8086 CPU的最小方式以及用户定义的硬件中的最小方式以及用户定义的硬件中断为例来讨论中断响应的时序断为例来讨论中断响应的时序,如图如图6.266.26所示。所示。六、六、中断服务子程序设计中断服务子程序设计中断向量表中中断向量表中,40H40H7FH7FH中断向量是留给用户增加中断服中断