8259A中断控制器详细介绍

中断的来源除了来自于硬件自身的NMI中断和来自于软件的INT n指令造成的软件中断之外，还有来自于外部硬件设备的中断，这些中断是可屏蔽的。这些中断也都通过PIC(Programmable Interrupt Controller)进行控制，并传递给CPU。在IBM PC极其兼容机上所使用的PIC是Intel 8259A芯片。8259A芯片的功能非常强大，但在IBM PC上，只用到比较简单的功能。

一个8259A芯片的可以接最多8个中断源，但由于可以将2个或多个8259A芯片级连（cascade），并且最多可以级连到9个，所以最多可以接64个中断源。早期，IBM PC/XT只有1个8259A，. 但设计师们马上意识到这是不够的，于是到了IBM PC/AT，8259A被增加到2个以适应更多外部设备的需要，其中一个被称作Master，另外一个被称作Slave，Slave以级连的方式连接在Master上。如今绝大多数的PC都拥有两个8259A，这样 最多可以接收15个中断源。


通过8259A可以对单个中断源进行屏蔽。

Principle



在一个8259A芯片有如下几个内部寄存器：

Interrupt Mask Register (IMR)
Interrupt Request Register (IRR)
In Sevice Register (ISR)
IMR被用作过滤被屏蔽的中断；IRR被用作暂时放置未被进一步处理的Interrupt；当一个Interrupt正在被CPU处理时，此中断被放置在ISR中。

除了这几个寄存器之外，8259A还有一个单元叫做Priority Resolver，当多个中断同时发生时，Priority Resolver根据它们的优先级，将高优先级者优先传递给CPU。



当一个中断请求从IR0到IR7中的某根线到达IMR时，IMR首先判断此IR是否被屏蔽，如果被屏蔽，则此中断请求被丢弃；否则，则将其放入IRR中。

在此中断请求不能进行下一步处理之前，它一直被放在IRR中。一旦发现处理中断的时机已到，Priority Resolver将从所有被放置于IRR中的中断中挑选出一个优先级最高的中断，将其传递给CPU去处理。IR号越低的中断优先级别越高，比如IR0的优先级别是最高的。

8259A通过发送一个INTR(Interrupt Request)信号给CPU，通知CPU有一个中断到达。CPU收到这个信号后，会暂停执行下一条指令，然后发送一个INTA(Interrupt Acknowledge)信号给8259A。8259A收到这个信号之后，马上将ISR中对应此中断请求的Bit设置，同时IRR中相应的bit会被reset。比如，如果当前的中断请求是IR3的话，那么ISR中的bit-3就会被设置，IRR中IR3对应的bit就会被reset。这表示此中断请求正在被CPU处理，而不是正在等待CPU处理。

随后，CPU会再次发送一个INTA信号给8259A，要求它告诉CPU此中断请求的中断向量是什么，这是一个从0到255的一个数。8259A根据被设置的起始向量号（起始向量号通过中断控制字ICW2被初始化）加上中断请求号计算出中断向量号，并将其放置在Data Bus上。比如被初始化的起始向量号为8，当前的中断请求为IR3，则计算出的中断向量为8+3=11。

CPU从Data Bus上得到这个中断向量之后，就去IDT中找到相应的中断服务程序ISR，并调用它。如果8259A的End of Interrupt (EOI)通知被设定位人工模式，那么当ISR处理完该处理的事情之后，应该发送一个EOI给8259A。

8259A得到EOI通知之后，ISR寄存器中对应于此中断请求的Bit会被Reset。

如果8259A的End of Interrupt (EOI)通知被设定位自动模式，那么在第2个INTA信号收到后，8259A ISR寄存器中对应于此中断请求的Bit就会被Reset。

在此期间，如果又有新的中断请求到达，并被放置于IRR中，如果这些新的中断请求中有比在ISR寄存中放置的所有中断优先级别还高的话，那么这些高优先级别的中断请求将会被马上按照上述过程进行处理；否则，这些中断将会被放在IRR中，直到ISR中高优先级别的中断被处理结束，也就是说知道ISR寄存器中高优先级别的bit被Reset为止。


IRQ2/IRQ9 Redirection


为什么要将IRQ2重定向到IRQ9上？这仍然是由于兼容性问题造成的。

早期的IBM PC/XT只有一个8259A，这样就只能处理8种IRQ。但很快就发现这根本不能满足需求。所以到了IBM PC/AT，又以级连的方式增加了一个8259A，这样就可以多处理7种IRQ。原来的8259A被称作Master PIC，新增的被称作Slave PIC。但由于CPU只有1根中断线，Slave PIC不得不级连在Master PIC上，占用了IRQ2，那么在IBM PC/XT上使用IRQ2的设备将无法再使用它；但新的系统又必须和原有系统保持兼容，怎么办？


由于新增加的Slave PIC在原有系统中不存在，所以，设计者从Slave PIC的IRQ中挑出IRQ9，要求软件设计者将原来的IRQ2重定向到IRQ9上，也就是说IRQ9的中断服务程序需要去掉用IRQ2的中断服务程序。这样，将原来接在IRQ2上的设备现在接在IRQ9上，在软件上只需要增加IRQ9的中断服务程序，由它调用IRQ2的中断服务程序，就可以和原有系统保持兼容。而在当时，增加的IRQ9中断服务程序是由PC开发商开发的BIOS提供的，所以就从根本上保证了兼容。




Programming the 8259As


每一个8259A芯片都有两个I/O ports，程序员可以通过它们对8259A进行编程。



Master 8259A的端口地址是0x20，0x21；Slave 8259A的端口地址是0xA0，0xA1。



程序员可以向8259A写两种命令字：

Initialization Command Word (ICW)；这种命令字被用作对8259A芯片的初始化。
Operation Command Word (OCW)：这种命令被用来向8259A发布命令，以对其进行控制。OCW可以在8259A被初始化之后的任何时候被使用。
下表的内容是Master 8259A的I/O端口地址，以及通过它们所能操作的寄存器。



Address Read/Write Function
0x20 Write Initialization Command Word 1 (ICW1)
Write Operation Command Word 2 (OCW2)
Write Operation Command Word 3 (OCW3)
Read Interrupt Request Register (IRR)
Read In-Service Register (ISR)
0x21 Write Initialization Command Word 2 (ICW2)
Write Initialization Command Word 3 (ICW3)
Write Initialization Command Word 4 (ICW4)
Read/Write Interrupt Mask Register (IMR)

Addresses/Registers for Master 8259A



下表的内容是Slave 8259A的I/O端口地址，以及通过它们所能操作的寄存器。


Address Read/Write Function
0xA0 Write Initialization Command Word 1 (ICW1)
Write Operation Command Word 2 (OCW2)
Write Operation Command Word 3 (OCW3)
Read Interrupt Request Register (IRR)
Read In-Service Register (ISR)
0xA1 Write Initialization Command Word 2 (ICW2)
Write Initialization Command Word 3 (ICW3)
Write Initialization Command Word 4 (ICW4)
Read/Write Interrupt Mask Register (IMR)

Addresses/Registers for Slave 8259A

由于8259A芯片不仅能够用于IBM PC/X86，也可以被用作MCS-80/85，对于这两者，在操作模式上有一些不一样，对于某些寄存器的设置也有所不同。我们后面仅仅讨论X86模式相关的内容。