中断与中断控制器8259A

中断概述

• 中断(interrupt)是CPU对外设呼叫或内部异常的一种响应

• 中断分为硬件中断和软件中断

• 硬件中断也叫外部中断、异步中断，它又分为两类：可屏蔽中断和不可屏蔽中断

  • 可屏蔽中断是由外设通过CPU的INTR（可屏蔽中断请求信号）引脚，向CPU发出的中断请求。只有当中断允许标志IF为1时，可屏蔽中断才能进入。（eg：DMA传输结束，网络数据到达，打印缺纸）
  • 不可屏蔽中断是通过CPU的NMI（non maskable interrupt）引脚进入的,不受中断允许标志IF的影响，用来通知CPU发生了很严重的问题。（eg：电源掉电，总线奇偶位出错，总线超时）

• 软件中断也叫异常、内部中断、同步中断、内部不可屏蔽中断，软件中断时CPU根据某条指令或者标志寄存器中的某个标志而产生的。软件中断完全和硬件电路无关。典型的软件中断有：INT n指令中断、INTO(Interrupt if Overflow)指令中断、单步中断、除数为0中断

  • 异常的分类（软件中断的另一种分类）
  1. 故障(Fault)：执行指令引起的异常，是可恢复的异常。如缺页异常，除数为0。断点为发生故障指令的地址（断点：异常处理程序结束后回到原来被中断的程序执行时的第一条指令）
  2. 自陷(Trap)：预先有意安排的异常，用于在用户态调用操作系统内核程序，如单步跟踪，断点，系统调用等。断点为自陷指令下条指令地址
  3. 终止(Abort)：无法恢复的异常。终止处理程序直接将进程终止，不再将控制返回给引发终止的应用程序。如控制器出错、存储校验错

• 注意：除数为0异常既可以说是fault，也可以说是abort，具体取决于你的程序如何处理这个信号

8086/8088中断矢量设置

方法一

;设中断类型号为n，中断服务程序的名称为function，要求将function的地址置入中断矢量表中
;不考虑设置的新中断向量会覆盖中断向量表中原中断向量
;程序如下：

mov ax,0
mov es,ax					;es=0000H
mov di,n*4					;es:di=0000:n*4
mov ax,offset function		;function的偏移地址送到ax
cld							;方向标志位DF清零。串操作中使变址寄存器di的地址自增
stosw						;function的IP偏移地址送到了中断矢量表中，同时DI自增2
mov ax,seg function			;function的段地址送到ax
stosw						;function的CS段地址送到了中断矢量表中，同时DI自增2

方法二

DOS功能调用：

• 设置中断矢量：DS:DX=中断服务程序入口地址，AL=中断类型号，AH=25H，用int 21H指令将中断服务程序入口地址置入到中断矢量表中
• 取得中断矢量：AL=中断类型号，AH=35H，用int 21H指令将对应中断类型号的中断向量从中断矢量表中取出，送到ES:BX

;设中断类型号为n，中断服务程序的名称为function，要求将function的地址置入中断矢量表中
;考虑设置的新中断向量会覆盖中断向量表中原中断向量,此时就要保存原中断向量
;程序如下：

;第一步：取得原中断向量，并入栈保护
mov al,n;
mov ah,35h
int 21h
push es
push bx
;第二步：设置新中断向量
mov ax seg function
mov ds,ax
mov dx, offset function
mov al,n
mov ah,25h
int 21h
;第三步：执行完自定义设置的中断程序后，就可恢复原中断矢量
pop dx
pop ds
mov al,n
mov ah,25h
int 21h

可屏蔽中断的响应过程

CPU在执行每条指令的最后一个时钟周期会对INTR信号进行采样，如果CPU的中断允许标志IF为1，并且INTR信号又为高电平，那么CPU就会在执行完当前指令后，响应中断请求，执行一个中断处理子程序
对于8086/8088CPU来讲，具体来说要依次做下面几件事：

1. 执行两个中断响应总线周期，利用$\overline{\text{INTA}}$(interrupt acknowledge)引脚输出两个负脉冲。第一个负脉冲用来通知外设的接口CPU准备响应中断，现在该准备好中断类型号。第二个负脉冲被外设收到后，外设便往数据总线上放中断类型号。CPU从总线上读取中断类型码，将它左移两位后，成为中断向量的起始地址。
2. 执行一个总线写周期，把标志寄存器的值入栈
3. 将标志寄存器的中断允许标志IF和单步标志TF置0。IF置0是为了禁止中断响应过程中其他可屏蔽中断进入。TF置0是为了避免CPU以单步方式执行中断处理子程序
4. 执行一个总线写周期，将CS内容推入堆栈
5. 执行一个总线写周期，将IP内容推入堆栈
6. 执行一个总线读周期，读得中断处理子程序入口地址的偏移量送到IP寄存器中
7. 执行一个总线读周期，读得中断处理子程序入口地址的段地址送到CS寄存器中

注：如果是不可屏蔽中断或者软件中断，则跳过第1步，从第2步开始按次序执行到第7步。因为从NMI引脚进入的中断请求只能有一个，它必定对应中断类型2。至于软件中断，中断指令本身就为CPU提供了中断类型号

经过上述步骤后，CPU就开始执行中断处理子程序了。除去所处理的特定功能外，所有中断处理子程序都有着相同的结构模式，具体如下：

1. 保护现场，将需要保护的寄存器的值入栈
2. 一般情况下，设置中断允许标志IF=1来开放中断，允许优先级更高的中断请求进入
3. 中断处理的具体内容，不同中断处理子程序处理的内容不同
4. 执行一系列出栈指令，使各寄存器恢复进入中断处理时的值
5. 执行中断返回指令， 中断返回指令使堆栈中保存的断点值和标志值分别装入到IP、CS和标志寄存器

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中断控制器8259A

功能：在有多个中断源的系统中，像个管家般帮CPU接收外部的中断请求，并进行优先级控制和判断，选中当前优先级最高的中断请求，再将此请求送到CPU的INTR端
当CPU响应中断并进入中断处理子程序后，中断控制器仍管理着外部的中断请求，当某个外部中断请求的优先级高于当前正在处理的中断时，中断控制器会让此中断通过而到达CPU的INTR端，从而实现中断的嵌套，反之，对级别较低的中断则禁止
下图是中断控制器8259A内部的简要结构

• IRR(interrupt request register)——中断请求寄存器
• PR(priority resolver)——优先权电路
• ISR(interrupt request register)——中断服务寄存器

8259A有7个可编程的8位寄存器，可分为两组
第一组4个，用来存放初始化命令字ICW(initialization command word)，分别称为ICW₁—ICW₄。初始化命令字往往是计算机系统启动时初始化程序设置的，一旦设定，一般在系统工作过程中不再改变。
第二组3个，用来存放操作命令字OCW(operation command word)，分别称为OCW₁—OCW₃。操作命令字是由应用程序设定的，用来对中断处理过程作动态控制，操作命令字可被多次设置。

8259A工作原理

1. 中断请求寄存器IRR记录当前外部的中断请求，IRR有8位，分别和引脚IR₇—IR₀相对应，哪个引脚来了中断请求，IRR寄存器中对应位就置1，即对此中断请求作锁存
2. 此后，逻辑电路根据中断屏蔽寄存器IMR中对应位决定是否让此请求通过。如果IMR对应位为1，则表示此中断受到屏蔽，不能进入中断优先级裁决电路。反之，就进入。
3. 中断优先级裁决电路把新的中断请求和当前正在处理的中断作比较，从而决定哪一个优先级更高。中断服务寄存器ISR存放现在正在处理的中断请求。如果优先级裁决电路判断出新进入的中断优先级更高，它就会通过相应的逻辑电路使8259A输出端INT为1，即向CPU发出一个中断请求
4. 如果CPU中断允许标志为1，那么CPU执行完当前指令后，就可响应中断。这时，CPU从$\overline{\text{INTA}}$端往8259A回应两个负脉冲
5. 第一个负脉冲到达时，8259A完成如下三个动作：①使IRR锁存功能失效。IR₇—IR₀线上的中断信号不再接收。直到第二个负脉冲到达，才又使IRR锁存功能有效②使当前中断服务寄存器ISR中相应位置1，以便为中断优先级裁决电路提供判据③使IRR寄存器中相应位（即接收中断请求时置1的位）清0
6. 第二个负脉冲到达时，8259A完成如下两个动作：①将中断类型寄存器ICW₂的内容送数据总线D₇—D₀，将次作为中断类型号②如果ICW₄寄存器中中断自动结束位为1，则将当前中断服务寄存器ISR的相应位清0

8259A工作方式

1.设置优先级的方式

（1）全嵌套方式

在全嵌套方式中，从IR₀进入的中断优先级最高，从IR₇进入的中断优先级最低。相对应的，中断服务寄存器ISR中IR₇—IR₀这8位从左到右优先级从低到高，这就是中断优先级裁决电路的裁决依据。对8259A进行初始化后，如果不再写入任何操作命令字，8259A就处于全嵌套工作方式

（2）特殊全嵌套方式

与全嵌套方式只有一个差别：可以响应同级中断请求。而在全嵌套方式中，只有当更高级的中断请求来到时，才会进行嵌套，当同级中断请求来到时，不会进行响应。

（3）优先级自动循环方式

中断服务寄存器ISR中IR₇—IR₀优先级排序是在发生变化的。某个端口的中断请求受到服务后，它的优先级自动降为最低。比如处理完IR₄后，IR₄就是最低优先级，IR₅就是最高优先级，然后依次为IR₆、IR₇、IR₀、IR₁……注意：一开始的最低优先级是IR₇

（4）优先级特殊循环方式

与优先级自动循环方式只有一个差别：一开始的最低优先级是编程确定的。

2.屏蔽中断源的方式

（1）普通屏蔽方式

8259A的每个中断请求输入端，都可通过设置IMR的对应屏蔽位(置1表示屏蔽)而被屏蔽，从而使对应的中断请求不能从8259A送到CPU

（2）特殊屏蔽方式

仅屏蔽当前正在处理的这级中断本身，允许高级或低级的中断进入。需先通过OCW₃使8259A工作于特殊屏蔽方式，再用OCW₁使本级中断的屏蔽寄存器的相应位置1，仅屏蔽本身。例如：系统处于特殊屏蔽方式，正在处理IR₃中断，又用OCW₃命令屏蔽掉IR₃中断，则使IM₃=1，IS₃=0，这时，IR₀—IR₂和IR₄—IR₇中断均可进入

3.结束中断处理的方式

当一个中断请求得到响应时，8259A会在中断服务寄存器ISR将相应位置1，这是为了给中断裁决电路提供依据，当中断处理程序结束时，必须使ISR中相应位清0，否则中断裁决电路的判据就不正确。而使IS_n位清0的动作就是中断结束处理

（1）自动结束中断方式

场景：只能用于系统中只有一片8259A且多个中断不会嵌套的情况
设置方法：对8259A初始化时，使初始化命令字ICW₄的AEOI位置1
当第二个中断响应脉冲$\overline{\text{INTA}}$送到8259A后，8259A就会自动将当前中断服务寄存器中的对应位IS_n置0，这样，尽管系统还正在进行着中断服务，但对8259A来说，当前中断服务寄存器中却没有对应位做指示，所以，就好像已经结束了中断服务一样

（2）一般结束中断方式

场景：用在全嵌套方式的情况下
设置方法：在程序中往8259A的偶地址口输出一个操作命令字OCW₂，并使得OCW₂中EOI=1，SL=0，R=0即可。此时CPU就会用输出指令，往8259A发出一般中断结束命令，8259A收到命令后就会把当前中断服务寄存器中最高的非零IS位置0。因为在全嵌套方式中，最高的非零IS位对应了最后一次被响应和被处理的中断，也就是当前正在处理的中断，所以，最高的非零IS位的复位相当于结束了当前正在处理的中断

（3）特殊的中断结束方式

场景：非全嵌套方式
非全嵌套方式下，中断服务寄存器ISR无法确定当前正在处理哪级中断。此时，就要发一条特殊的中断结束命令，这个命令指出了要将中断服务寄存器中的哪位置0
设置方法：也是通过OCW₂操作命令字来发送

4.连接系统总线的方式

通过初始化命令字ICW₄设置

（1）缓冲方式

8259A通过总线驱动器连接数据总线

（2）非缓冲方式

8259A直接与数据总线相连

5.引入中断请求的方式

通过初始化命令字ICW₁设置

（1）边沿触发方式

8259A将中断请求输入端出现上升沿作为中断请求信号

（2）电平触发方式

8259A将中断请求输入端出现的高电平作为中断请求信号

（3）中断查询方式

8259A不使用INT信号端向CPU法中断请求信号，CPU要使用软件查询来确认中断源，从而对设备进行中断服务。查询，是通过往8259A偶地址口发送操作命令字OCW₃来实现的，接着，还要用输入指令从偶地址口读取8259A的查询字