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1、程序中断方式程序中断方式8.3 程序中断方式程序中断方式8.3.1中断的概念、功能8.3.2程序中断方式的基本接口8.3.3单级中断8.3.4多级中断8.3.5Pentium中断机制8.3.1中断的概念、功能中断的概念、功能n n 中断（Interrupt）是指CPU暂时中止现行程序，转去处理随机发生的紧急事件，处理完后自动返回原程序的功能和技术。n n中断系统是计算机实现中断功能的软硬件总称。一般在CPU中设置中断机构，在外设接口中设置中断控制器，在软件上设置相应的中断服务程序。8.3.1中断的概念、功能中断的概念、功能n n中断适合于处理随机出现的事务n n主程序只在设备就绪时才与之交互数
2、据8.3.1中断的概念、功能中断的概念、功能n n中断系统的功能包括：1)1)实现主机和外设的并行工作；实现主机和外设的并行工作；2)2)处理故障；处理故障；3)3)实现多道程序的分时操作；实现多道程序的分时操作；4)4)实时控制；实时控制；5)5)实现人机联系；实现人机联系；6)6)实现多机通信。实现多机通信。8.3.1中断的概念、功能中断的概念、功能n n中断源中断源：能够向：能够向CPUCPU发出中断请求的事件。发出中断请求的事件。n n常见中断源有：常见中断源有：n n输入、输出设备中断。如键盘、打印机等工作过程中已做好输入、输出设备中断。如键盘、打印机等工作过程中已做好接收或发送准备
3、。接收或发送准备。n n数据通道中断。如磁盘、磁带等要同主机进行数据交换等。数据通道中断。如磁盘、磁带等要同主机进行数据交换等。n n实时时钟中断。实时时钟中断。n n故障中断。例如电源掉电、设备故障等要求故障中断。例如电源掉电、设备故障等要求CPUCPU进行紧急处进行紧急处理等。理等。n n系统中断。如运算过程出现溢出、数据格式非法，数据传送系统中断。如运算过程出现溢出、数据格式非法，数据传送过程出现校验错，控制器遇到非法指令等等。过程出现校验错，控制器遇到非法指令等等。n n为了调试程序而设置的中断。为了调试程序而设置的中断。8.3.1中断的概念、功能中断的概念、功能硬件硬件实现实现软件软
4、件实现实现不再接不再接中断中断可再接可再接中断中断8.3.1中断的概念、功能中断的概念、功能n n中断处理过程注意几个问题：n n响应中断时机：外界中断请求是随机的，但响应中断时机：外界中断请求是随机的，但CPUCPU只有在当前指令执行完毕后，才转至公操只有在当前指令执行完毕后，才转至公操作作n n断点保护问题（断点保护问题（PCPC，寄存器内容和状态的保，寄存器内容和状态的保存）存）n n中断屏蔽：开中断和关中断问题。中断屏蔽：开中断和关中断问题。n n中断是由软硬件结合起来实现的中断是由软硬件结合起来实现的8.3.2程序中断方式的基本程序中断方式的基本I/O接口接口n n数据缓冲寄存器n
5、nBS外设接口忙（BuSy）标志n nRD外设准备就绪（ReaDy）标志n nEI（Enable Interrupt中断允许触发器）n nIR（Interrupt Request）中断请求触发器n nIM（Interrupt Mask）中断屏蔽触发器8.3.2程序中断方式的基本接口程序中断方式的基本接口表示由程序启动外设，将该外设接口的表示由程序启动外设，将该外设接口的“忙忙”标志标志BS置置“1”，“准备就绪准备就绪”标志标志RD清清“0”；表示接口向外设发出启动信号；表示接口向外设发出启动信号；表示数据由外设传送到接口的缓冲寄存器；表示数据由外设传送到接口的缓冲寄存器；表示当设备动作结束或
6、缓冲寄存器数据填满时，设备向接口送出一表示当设备动作结束或缓冲寄存器数据填满时，设备向接口送出一控制信号，将数据控制信号，将数据“准备就绪准备就绪”标志标志RD置置“1”；表示允许中断标志表示允许中断标志EI为为“1”时，接口向时，接口向CPU发出中断请求信号；发出中断请求信号；表示在一条指令执行末尾表示在一条指令执行末尾CPU检查中断请求线，检查中断请求线，将中断请求线的请求信号接收到将中断请求线的请求信号接收到“中断请求中断请求”标志标志IR；表示如果表示如果“中断屏蔽中断屏蔽”标志标志IM为为“0”时，时，CPU在一条指令执行结束在一条指令执行结束后受理外设的中断请求，向外设发出响应中断
7、信号并关闭中断；后受理外设的中断请求，向外设发出响应中断信号并关闭中断；表示转向该设备的中断服务程序入口；表示转向该设备的中断服务程序入口；表示中断服务程序通过输入指令把接口中数据缓冲寄存器的数据读至表示中断服务程序通过输入指令把接口中数据缓冲寄存器的数据读至CPU中的寄存器；中的寄存器；（10）表示）表示CPU发出控制信号发出控制信号C将接口中的将接口中的BS和和RD标志复位。标志复位。8.3.3单级中断单级中断n n所有中断源属于同一级，离CPU越近，优先级越高。n n要点：在执行某个中断请求的过程中，不允许其他中断源再打断中断服务程序。即使其优先级别更高。n n单级中断示意图8.7类似于
8、第六章的链式查询方式。8.3.3单级中断单级中断中断响应：中断响应：8.3.3单级中断单级中断n n中断源的识别：串行排队链法（菊花链查询方式）IR1IR1，IR2IR2，IR3IR3为中断请求信号为中断请求信号IS1IS1，IS2IS2，IS3IS3为中断选中信号为中断选中信号INTIINTI为中断排队输入为中断排队输入INTOINTO为中断排队输出为中断排队输出n n中断源识别之后获取中断向量当当CPUCPU响应中断时，由硬件直接产生一个固定的地响应中断时，由硬件直接产生一个固定的地址址( (即向量地址即向量地址) )由向量地址指出每个中断源设备的中断服务程序入口，由向量地址指出每个中断源
9、设备的中断服务程序入口，这种方法通常称为向量中断。这种方法通常称为向量中断。8.3.4多多级中断中断概念：多级中断系统是指计算机系统中有相当多概念：多级中断系统是指计算机系统中有相当多的中断源，根据各中断事件的轻重缓急程度不的中断源，根据各中断事件的轻重缓急程度不同而分成若干级别，每一中断级分配给一个优同而分成若干级别，每一中断级分配给一个优先权。先权。 n n多级指的是优先权级别有多个多级指的是优先权级别有多个n n每级有一个中断优先权每级有一个中断优先权n n优先权高的中断级别级可以打断低的级别优先权高的中断级别级可以打断低的级别 如图如图8.98.9示示8.3.4多多级中断中断- -多级
10、中断可分为一维多级中断和二维多级中断多级中断可分为一维多级中断和二维多级中断 一维多级中断：每一级中断中有一个中断源。一维多级中断：每一级中断中有一个中断源。 二维多级中断：每一级中断中有多个中断源二维多级中断：每一级中断中有多个中断源- -说明：说明： 中断响应时，确定哪一级中断和中断源采用硬件实现。采中断响应时，确定哪一级中断和中断源采用硬件实现。采用了用了独立请求方式和链式查询方式独立请求方式和链式查询方式相结合的方式。多级中相结合的方式。多级中断可以嵌套，但同一级的中断不允许嵌套断可以嵌套，但同一级的中断不允许嵌套 使用多级堆栈保存现场（包括使用多级堆栈保存现场（包括IMIM） 一个系
11、统有一个系统有n n级中断，则级中断，则CPUCPU中有中有n n个个IRIR，n n个个IMIM，某级中，某级中断被响应后，则关闭本级和低于本级的断被响应后，则关闭本级和低于本级的IMIM，开放更高级的，开放更高级的IMIM。8.3.4多多级中断中断8.3.4多多级中断中断多级中断源的识别多级中断源的识别n n中断优先排队电路中断优先排队电路n n中断向量产生电路中断向量产生电路举例举例n n例1、参见图8.9所示的二维中断系统。请问： (1)在中断情况下，CPU和设备的优先级如何考虑?请按降序排列各设备的中断优先级。n n答：在中断情况下，CPU的优先级最低。各设备的优先次序是：ABCDE
12、FGHICPU。(2)若CPU现执行设备B的中断服务程序，IM2，IM1，IM0的状态是什么?如果CPU执行设 备D的中断服务程序，IM2，IM1，IM0的状态又是什么?答：当前执行B的中断：IM2，IM1，IM0为111当前执行D的中断：IM2，IM1，IM0为011(3)每一级的IM能否对某个优先级的个别设备单独进行屏蔽?如果不能，采取什么办法可达到目的?答：不能，因为共用IM。通过设置允许中断触发器为0，禁止该设备发出中断，对其屏蔽。n n(4)假如设备C一提出中断请求，CPU立即进行响应，如何调整才能满足此要求?n n答：增加更高一级（第3级）的中断请求逻辑，将C单独放置于第3级中。n
13、 n例例2 2（略）：参见例（略）：参见例1 1所示的系统，只考虑所示的系统，只考虑A A，B B，C C三个设备组成的单级中断结构，它要求三个设备组成的单级中断结构，它要求CPUCPU在在执行完当前指令时对中断请求进行服务。假设：执行完当前指令时对中断请求进行服务。假设：(1)CPU“(1)CPU“中断批准中断批准” ”机构在响应一个新的中断之前，机构在响应一个新的中断之前，先要让被中断的程序的一条指令一定要执行完毕；先要让被中断的程序的一条指令一定要执行完毕；(2)TDC(2)TDC为查询链中每个设备的延迟时间；为查询链中每个设备的延迟时间；(3)TA(3)TA，TBTB，TCTC分别为设
14、备分别为设备A A，B B，C C的服务程序所需的的服务程序所需的执行时间；执行时间； (4)TS,TR (4)TS,TR为保存现场和恢复现场所为保存现场和恢复现场所需的时间；需的时间；(5)(5)主存工作周期为主存工作周期为TMTM。 试问：就这试问：就这个中断请求环境来说，系统在什么情况下达到中个中断请求环境来说，系统在什么情况下达到中断饱和断饱和? ? 中断处理流程，并假设执行一条指令中断处理流程，并假设执行一条指令的时间也为的时间也为TMTM。如果三个设备同时发出中断。如果三个设备同时发出中断请求，那么依次分别处理设备请求，那么依次分别处理设备A A、设备、设备B B、设、设备备C C
15、的时间如下：的时间如下： tA = 2TM + TDC + TS + TA + TRtA = 2TM + TDC + TS + TA + TRtB = 2TM + 2TDC + TS + TB + TRtB = 2TM + 2TDC + TS + TB + TRtC = 2TM + 3TDC + TS + TC + TRtC = 2TM + 3TDC + TS + TC + TR处理三个设备所需的总时间为：处理三个设备所需的总时间为：T=tA+tB+tCT=tA+tB+tCT T是达到中断饱和的最小时间，即中断极限频是达到中断饱和的最小时间，即中断极限频率为：率为：f=1/Tf=1/T访问存储
16、器Tm访问存储器Tm0、指令周期1、链式查询Tdc2、保护现场Ts3、恢复现场Tr8.3.5中断控制器中断控制器n n82598259中断控制器是一个集成电路芯片，它将中断中断控制器是一个集成电路芯片，它将中断接口与优先级判断等功能汇集于一身，常用于微接口与优先级判断等功能汇集于一身，常用于微型机系统。其内部结构如图型机系统。其内部结构如图8.118.11所示。所示。 8 8位中断请求寄存器位中断请求寄存器(IR)(IR)接受接受8 8个外部设备送来的中断个外部设备送来的中断请求，每一位对应一个设备。请求，每一位对应一个设备。 中断请求寄存器的各位送入优先权判断器，根据中断中断请求寄存器的各位
17、送入优先权判断器，根据中断屏蔽寄存器屏蔽寄存器(IM)(IM)各位的状态来决定最高优先级的中断各位的状态来决定最高优先级的中断请求，并将各位的状态送入中断状态寄存器请求，并将各位的状态送入中断状态寄存器ISIS。ISIS保保存着判优结果。由控制逻辑向存着判优结果。由控制逻辑向CPUCPU发出中断请求信号发出中断请求信号INTINT，并接受，并接受CPUCPU的中断响应信号的中断响应信号INTAINTA。 数据缓冲器用于保存数据缓冲器用于保存CPUCPU内部总线与系统数据总线之内部总线与系统数据总线之间进行传送的数据。间进行传送的数据。 读读/ /写逻辑决定数据传送的方向，其中写逻辑决定数据传送
18、的方向，其中IORIOR为读控制，为读控制，IOWIOW为写控制，为写控制，CSCS为设备选择，为设备选择，A0A0为为I/OI/O端口识别。端口识别。8.3.5中断控制器（略）中断控制器（略）n n多个多个82598259进行级联以处理多达进行级联以处理多达6464个中断请求。在这种情个中断请求。在这种情况下允许有一个主中断控制器和多个从中断控制器，称为况下允许有一个主中断控制器和多个从中断控制器，称为主从系统。主从系统。n n优先级选择方式有四种：优先级选择方式有四种： 完全嵌套方式：是一种固定优先级方式，连至完全嵌套方式：是一种固定优先级方式，连至IRIR0 0的设备的设备优先级最高，优
19、先级最高，IRIR7 7的优先级最低。这种固定优先级方式对级的优先级最低。这种固定优先级方式对级别低的中断不利，在有些情况下最低级别的中断请求可能一别低的中断不利，在有些情况下最低级别的中断请求可能一直不能被处理。直不能被处理。 轮换优先级方式轮换优先级方式A A：每个级别的中断保证有机会被处理，：每个级别的中断保证有机会被处理，将给定的中断级别处理完后，立即把它放到最低级别的位置将给定的中断级别处理完后，立即把它放到最低级别的位置上去。上去。 轮换优先级方式轮换优先级方式B B：要求：要求CPUCPU可在任何时间规定最优优先可在任何时间规定最优优先级，然后顺序地规定其他级，然后顺序地规定其他
20、IRIR线上的优先级。线上的优先级。 查询方式：由查询方式：由CPUCPU访问访问82598259的中断状态寄存器，一个状的中断状态寄存器，一个状态字能表示出正在请求中断的最高优先级态字能表示出正在请求中断的最高优先级IRIR线，并能表示出线，并能表示出中断请求是否有效。中断请求是否有效。8.3.5中断控制器中断控制器n n82598259提供了两种屏蔽方式：提供了两种屏蔽方式： 简单屏蔽方式，提供简单屏蔽方式，提供8 8位屏蔽字，每位对应着各自的位屏蔽字，每位对应着各自的IRIR线。被置位的任一位则禁止了对应线。被置位的任一位则禁止了对应IRIR线上的中断。线上的中断。 特殊屏蔽方式，允许特
21、殊屏蔽方式，允许CPUCPU让来自低优先级的外设中让来自低优先级的外设中断请求去中断高优先级的服务程序。当断请求去中断高优先级的服务程序。当8 8位屏蔽位的某位屏蔽位的某位置位置“ “0 0” ”时，例如屏蔽字为时，例如屏蔽字为1100111111001111，说明，说明IRIR4 4和和IRIR5 5线上的中断请求可中断任何高级别的中断服务程序。线上的中断请求可中断任何高级别的中断服务程序。n n82598259中断控制器的不同工作方式是通过编程来实中断控制器的不同工作方式是通过编程来实现的。现的。CPUCPU送出一系列的初始化控制字和操作控送出一系列的初始化控制字和操作控制字来执行选定的操作。制字来执行选定的操作。8.3.5Pentium中断机制（略）中断机制（略）n nPentium中断机制中断类型中断类型中断服务子程序中断服务子程序进入过程进入过程中断处理过程中断处理过程
