文档介绍：第 8 章中断
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
引言为什么要用中断
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:
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。
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。
中断源
引起中断的原因,或能发出中断申请的来源,称为中断源。通常中断源有以下几种:
(1) 一般的输入输出设备。如键盘、行打印机等。
(2) 数据通道中断源。如磁盘、磁带等。
(3) 实时时钟。在控制中,常要遇到时间控制,若用前面介绍的用CPU执行一段程序来实现延时的方法,则在这段时间内,CPU不能干别的工作,降低了CPU的利用率,所以,常用外部时钟电路,当需要定时的时候,CPU发出命令,令时钟电路(这样的电路的定时时间通常是可编程的——即可用程序来确定和改变的)开始工作,待规定的时间到了以后,时钟电路发出中断申请,由CPU加以处理。
(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。
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。
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。
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。