第7章-中断系统-微型计算机原理(第三版)(共10章)课件.ppt
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1、第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第1页 7.1 中断的概念 7.2 中断的响应和中断处理 7.3 8086中断系统 7.4 中断控制器8259第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第2页7.1 中断中断(Interrupt)的概念的概念 CPU CPU在正常执行程序时,由于内部或外部事件引起在正常执行程序时,由于内部或外部事件引起CPUCPU暂时中暂时中止正在执行的程序,而去执行服务程序,完毕后,又返回到暂时止正在执行的程序,而去执行服务程序,完毕后,又返回到暂时被终止的程序继续执行的过程被终止的程序继续执行的过程中断中断。中断是指计算机运行过程中,出现某些意
2、外情况需主机干预时,机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序,处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。分类:分类:硬件中断(硬件中断(Hardware Interrupt)软件中断(软件中断(Software Interrupt)第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第3页7.1 中断中断(Interrupt)的概念的概念 计算机科学术语计算机科学术语.指处理机处理程序运行中出现的紧急事指处理机处理程序运行中出现的紧急事件的整个过程件的整个过程.程序运行过程中,系统外部、系统内部或者现行程序运行过程中,系统外部、系统内部或者现行程序本身若出现紧急事件,处理机立即中止现行
3、程序的运行,自程序本身若出现紧急事件,处理机立即中止现行程序的运行,自动转入相应的处理程序动转入相应的处理程序(中断服务程序中断服务程序),待处理完后,再返回原,待处理完后,再返回原来的程序运行,这整个过程称为程序中断来的程序运行,这整个过程称为程序中断;当处理机接受中断时,当处理机接受中断时,只需暂停一个或几个周期而不执行处理程序的中断,称为简单中只需暂停一个或几个周期而不执行处理程序的中断,称为简单中断断.中断又可分为屏蔽中断和非屏蔽中断两类中断又可分为屏蔽中断和非屏蔽中断两类.可由程序控制其屏可由程序控制其屏蔽的中断称为屏蔽中断或可屏蔽中断蔽的中断称为屏蔽中断或可屏蔽中断.屏蔽时,处理机
4、将不接受屏蔽时,处理机将不接受中断中断.反之,不能由程序控制其屏蔽,处理机一定要立即处理的反之,不能由程序控制其屏蔽,处理机一定要立即处理的中断称为非屏蔽中断或不可屏蔽中断中断称为非屏蔽中断或不可屏蔽中断.非屏蔽中断主要用于断电、非屏蔽中断主要用于断电、电源故障等必须立即处理的情况电源故障等必须立即处理的情况.处理机响应中断时,不需执行处理机响应中断时,不需执行查询程序查询程序.由被响应中断源向由被响应中断源向CPUCPU发向量地址的中断称为向量中断,发向量地址的中断称为向量中断,反之为非向量中断反之为非向量中断.向量中断可以提高中断响应速度。向量中断可以提高中断响应速度。第第7 7章章 中断
5、系统中断系统10 一月 2023第4页7.1 中断中断(Interrupt)的概念的概念中断过程中断过程按照事件发生的顺序,中断过程包括按照事件发生的顺序,中断过程包括44:中断源发出中断请求中断源发出中断请求;判断当前处理机是否允许中断和该中断源是否被屏蔽判断当前处理机是否允许中断和该中断源是否被屏蔽;优先权排队优先权排队;处理机执行完当前指令或当前指令无法执行完,则立即停止处理机执行完当前指令或当前指令无法执行完,则立即停止当前程序,保护断点地址和处理机当前状态,转入相应的中断当前程序,保护断点地址和处理机当前状态,转入相应的中断服务程序服务程序;执行中断服务程序执行中断服务程序;恢复被保
6、护的状态,执行恢复被保护的状态,执行“中断返回中断返回”指令回到被中断的程指令回到被中断的程序或转入其他程序。序或转入其他程序。上述过程中前四项操作是由硬件完成的,后两项是由软件完成上述过程中前四项操作是由硬件完成的,后两项是由软件完成的。的。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第5页7.1 中断中断(Interrupt)的概念的概念 CPU CPU在正常执行程序时,由于内部或外部事件引起在正常执行程序时,由于内部或外部事件引起CPUCPU暂时中暂时中止正在执行的程序,而去执行服务程序,完毕后,又返回到暂时止正在执行的程序,而去执行服务程序,完毕后,又返回到暂时被终止的程序继续
7、执行的过程被终止的程序继续执行的过程中断中断。7.1.1 中断的基本概念中断的基本概念 中断源的概念:中断源的概念:通常在计算机系统中有多个外部设通常在计算机系统中有多个外部设备并行工作,或存在多个事件,它们都可以向备并行工作,或存在多个事件,它们都可以向CPUCPU发申发申请,这些外部设备或事件就称为中断源。请,这些外部设备或事件就称为中断源。1 1中断概念:当外设需要服务或事件发生时,向中断概念:当外设需要服务或事件发生时,向主机发出主机发出“请求请求”信号,信号,CPUCPU暂停当前正在执行的程序,暂停当前正在执行的程序,而转去为请求服务的外设或事件进行服务,待服务完毕而转去为请求服务的
8、外设或事件进行服务,待服务完毕后又自动返回到暂时被终止的程序继续执行的过程。后又自动返回到暂时被终止的程序继续执行的过程。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第6页2中断的作用中断的作用 实现实现CPU与多台与多台I/O设备并行工作。若设备并行工作。若CPU与设备串行运行,则CPU效率低下。效率低下。启动启动启动CPU设备完成完成查询等待(t)查询等待查询等待CPU与设备串行运行示意图 实现实时处理。如压力过大、温度过高等情况等。实现实时处理。如压力过大、温度过高等情况等。故障处理。如电源掉电及软、硬件故障等,提故障处理。如电源掉电及软、硬件故障等,提高了计算机系统的可靠性。高
9、了计算机系统的可靠性。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第7页 实实现现人人机机对对话话。操操作作人人员员通通过过控控制制台台发发命命令令,对系统进行随机干预。对系统进行随机干预。实实现现多多机机系系统统中中各各主主机机间间的的联联系系。实实现现多多机机系系统中,各个处理机之间的信息交流和任务切换。统中,各个处理机之间的信息交流和任务切换。3中断系中断系统的功能的功能 实现优先排队。实现优先排队。响应优先级最高的中断请求。响应优先级最高的中断请求。实实现现中中断断嵌嵌套套。当当CPUCPU响响应应某某一一中中断断并并进进行行处处理理时,若有优先级更高的中断源发出申请,则响应。
10、时,若有优先级更高的中断源发出申请,则响应。实实现现中中断断和和返返回回。CPUCPU判判断断中中断断源源,转转入入相相应应中断处理程序,处理完毕后返回原断点,继续执行。中断处理程序,处理完毕后返回原断点,继续执行。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第8页 处处理理机机内内部部中中断断:如如零零作作除除数数,为为调调试试程程序序设设置的断点等。置的断点等。8.1.2 中断源类型中断源类型 数据通道中断数据通道中断:如磁盘、磁带等。:如磁盘、磁带等。I/O设设备备中中断断:如如键键盘盘、打打印印机机等等输输入入输输出出设设备备引起的中断。引起的中断。实实时时时时钟钟中中断断:如
11、如外外部部时时钟钟电电路路、内内部部定定时时电电路等引起的中断。路等引起的中断。故障源故障源:如电源掉电等。磁带等。:如电源掉电等。磁带等。软中断软中断:在程序中,用命令设置的中断。:在程序中,用命令设置的中断。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第9页1软件查询方式软件查询方式7.1.3 中断优先排队(优先权)中断优先排队(优先权)中断源0INTR1 中断源1中断源2中断源3中断源4中断源5中断源6中断源7 各各中中断断请请求求信信号号“或或”操操作作后后作作为为INTRINTR信信号号。当当有有中中断断源源发发出出请请求求时时,INTR=1INTR=1。CPUCPU响响应应
12、中中断断后后,进进入入中中断断处处理理程程序序,先先从从左左到到右右逐逐位位检检查查状状态态,先先被被查查询询到到的的中中断断申申请请先先得得到到服务。服务。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第10页2硬件方式硬件方式硬件硬件优先先权排排队电路路 多多线线请请求求优优先权排队电路。先权排队电路。&INTR0INTR1INTR2INTR2INTR1INTR0I/O设备申请多线请求优先权排队电路 多多线线请请求求,判优响应。判优响应。Intel8259可可编编程程中中断断控控制制器器,用用来来接接收收、屏屏蔽蔽、判优、传递中断请求,功能强大,应用方便。判优、传递中断请求,功能强大
13、,应用方便。如如 INTRINTR1有有 请请 求求,则则INTRINTR2被封锁。被封锁。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第11页7.2 中断处理中断处理 1 1中断响应的条件中断响应的条件三个:三个:中断源有中断请求。中断源有中断请求。7.2.1 中断响应中断响应 CPUCPU允许中断。中断允许标志允许中断。中断允许标志IFIF为为1 1 一条指令执行完毕。一条指令执行完毕。2中断响应过程中断响应过程 中断源的识别。中断源的识别。保保存存中中断断现现场场和和转转向向中中断断服服务务程程序序。现现场场断断点点地地址址、条条件件码码、屏屏蔽蔽字字、通通用用寄寄存存器器中中的
14、的内内容容和状态位等等。和状态位等等。压入堆栈中保存,由硬压入堆栈中保存,由硬件直接控制执行,称为件直接控制执行,称为中断隐指令中断隐指令。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第12页7.2.2 中断处理中断处理1中断的处理过程中断的处理过程 关中断。关中断。目的:目的:CPUCPU不响应更高级的中断申请。不响应更高级的中断申请。保保存存断断点点和和现现场场。即即将将现现行行状状态态字字和和断断点点地地址址相相继继压压入入堆堆栈栈。目目的的:在在中中断断处处理理完完后后返返回回主主程程序时,恢复原程序运行状态。序时,恢复原程序运行状态。开开中中断断。目目的的:允允许许更更高高级
15、级中中断断请请求求能能够够及及时得到响应,实现中断嵌套。时得到响应,实现中断嵌套。转入中断服务程序。转入中断服务程序。目的:目的:完成的最终目的。完成的最终目的。退出中断。返回到主程序的执行。退出中断。返回到主程序的执行。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第13页2中断服务程序中断服务程序 中断处理过程流程图关中断恢复现场开中断开中断转入中断服务程序执行中断服务程序N取下一条指令YN执行一条指令结束有中断?Y保存断点、保护现场关中断第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第14页3多重中断处理多重中断处理 多多重重中中断断:在在处处理理某某一一中中断断过过程程中中
16、又又发发生生了了新新的的中中断断,而而中中断断该该服服务务程程序序的的执执行行,又又转转去去新新的的中中断断处处理。理。中断嵌套。中断嵌套。3级 中断服务主程序主主程程序序kk+11级 中断服务主程序mm+1n-12n-10n-8n-6n-4n-2nSPm+1(IP)m+1(CS)PSWmSP两两级级嵌嵌套套的的情情况况:k+1(IP)k+1(CS)PSWkSP第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第15页1内部中断内部中断 单单步步中中断断,中中断断号号为为0101H H。当当TFTF为为1 1时时,每每执执行行一条指令后立即产生一条指令后立即产生1 1号中断。号中断。7.3
17、8086中断系统中断系统 7.3.1 8086的中断分类的中断分类:内部中断和外部中断。内部中断和外部中断。断点中断,断点中断,0303H H。用在程序调试中设置断点。用在程序调试中设置断点。溢溢出出中中断断,0404H H。若若OF=1OF=1,则则执执行行INTOINTO指指令令,INTOINTO指令经常安排在运算指令之后。指令经常安排在运算指令之后。除除数数为为0 0中中断断,0 0H H。当当除除法法指指令令所所得得商商大大于于机机器能表示的最大值,则立即产生器能表示的最大值,则立即产生0 0号中断。号中断。指令中断,即指令中断,即CPUCPU执行执行INT nINT n指令。指令。第
18、第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第16页2外外部部中中断断:分分为为非非屏屏蔽蔽中中断断和和可可屏屏蔽蔽中中断断,分分别别通过通过NMINMI和和INTRINTR引入。引入。非非屏屏蔽蔽中中断断:NMINMI引引脚脚引引入入。不不受受IFIF的的影影响响,用用于于处处理理紧紧迫迫事事件件,如如掉掉电电、存存储储器器错错误误或或总总线线极极性性错错误误等等紧紧急急事事态态。中中断断号号2 2。CPUCPU在在执执行行NMINMI中中断断服服务务时时不不允许响应允许响应INTRINTR引脚上出现的中断请求。引脚上出现的中断请求。可屏蔽中断可屏蔽中断:通过通过CPUCPU的的INT
19、RINTR引脚引入。引脚引入。特点:特点:请求经中断控制器判优后再送往请求经中断控制器判优后再送往CPUCPU;CPUCPU可可通通过过对对中中断断标标志志位位IFIF置置位位或或复复位位来来允允许许或或禁禁止止INTRINTR请请求求;由由中中断断控控制制器器向向CPUCPU提提供供中中断断类类型型码码;可屏蔽中断允许嵌套。可屏蔽中断允许嵌套。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第17页8086中断系统的各中断源分类示意图中断系统的各中断源分类示意图 中断逻辑INTn指令非屏蔽中断NMIINT2INT0除数为0INT1单步INT3断点INT4溢出8259A中断 控制器INTR
20、 IR0IR1IR7优优先先级级别别:除除单单步步中中断断外外,所所有有内内部部中中断断的的优优先先级级最最高高,其其次次为为不不可可屏屏蔽蔽中中断断、可可屏屏蔽蔽中中断断,单单步步中中断断的的优先级最低。优先级最低。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第18页7.3.2 7.3.2 中断向量和中断向量表中断向量和中断向量表 除数为0中断单步中断非屏蔽中断断点中断溢出中断IPLIPHCSLCSH0000H0004H0008H000CH0010H0014H007FH0080H03FCH03FFH类型 0类型 1类型 2类型 3类型 4类型 IFH类型 FFH专用中断系统保留中断
21、27个用户使用每个中断向量占每个中断向量占4个个字节,字节,256个中断向个中断向量共占量共占1K个单元。个单元。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第19页18086硬件中断的响应过程硬件中断的响应过程 CPUCPU读取中断类型码并存入暂存器;读取中断类型码并存入暂存器;标志寄存器值压栈保护;标志寄存器值压栈保护;IFIF和和TFTF清零,即禁止单步执行中断服务程序;清零,即禁止单步执行中断服务程序;保存断点,即将断点地址(保存断点,即将断点地址(CSCS,IPIP)压栈保护;压栈保护;根根据据中中断断类类型型码码从从中中断断向向量量表表中中取取出出中中断断向向量量,转转入中
22、断服务程序执行。入中断服务程序执行。7.3.3 8086硬件中断的响应时序硬件中断的响应时序 中断执行示意图如下:中断执行示意图如下:第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第20页执行下一条指令NTF=1?无内部中断?结束当前指令?有Y有NMI?N无取中断类型码Y有有INTR?IF=1?YN返回断点开中断执行中断服务程序关中断标志寄存器入栈TEMP=TF(暂存)清除IF、TF标志断点(CS,IP)入栈取中断向量进入中断服务程序关中断恢复现场,恢复断点开中断,返回第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第21页28086中断响应总线周期中断响应总线周期 说明:说明:第第
23、一一个个总总线线周周期期通通知知外外设设CPU准准备备响响应应中中断断,外外设设备备好好中中断断类类型型码码;第第二二个个总总线线周周期期CPU接接收收中中断断类类型型码码;共用共用7个总线周期个总线周期完成。完成。软件中断和软件中断和NMI共用共用5 5个总线周期个总线周期。T1T2T3T4TITITIT1T2T3T4三个空闲状态CLKALED0D7中断类型码INTA第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第22页软件中断有如下特点:软件中断有如下特点:1 1INT n INT n 指令,中断类型码是指令,中断类型码是 n n。7.3.4 软件中断软件中断 3 3软件中断不受软件
24、中断不受IFIF的影响。的影响。2 2不执行中断响应总线周期,不读取中断类型码。不执行中断响应总线周期,不读取中断类型码。5 5软软件件中中断断没没有有随随机机性性,中中断断指指令令引引起起的的,事事先先知道的。知道的。4 4可可进进行行中中断断嵌嵌套套,即即可可以以响响应应非非屏屏蔽蔽中中断断;也也可响应屏蔽中断的高优先级请求。可响应屏蔽中断的高优先级请求。第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第23页7.4 中断控制器中断控制器8259A 7.4.1 8259A的引脚信号、编程结构和工作原理的引脚信号、编程结构和工作原理 芯片引脚信号CSWRRDD7D6D5D4D3D2D1D
25、0CAS0CAS1GND28272625242322212019181716151234567891011121314VCCA0INTAIR7IR6IR5IR4IR3IR2IR1IR0INTSP/ENCAS28259A逻辑图8259AD7D0CSRDWRA0SP/ENINTCAS0CAS1CAS2INTAVCCGNDIR7IR0n可对可对8个中断源实现优先级控制个中断源实现优先级控制 n9片对片对64个中断源实现优先级控制个中断源实现优先级控制 n可编程设置不同工作方式可编程设置不同工作方式n向向x86提供不同中断类型码提供不同中断类型码第第7 7章章 中断系统中断系统10 一月 2023第2
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- 中断 系统 微型计算机 原理 第三 10 课件
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