微机原理与接口技术 学习笔记（三） 中断系统与8259A（DMA待添加）

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一，中断

1.0 中断概述

1.0.1 中断概念（略）

1.0.2中断系统作用：

• 能实现并行处理
• 能实现实时处理
• 能实现故障处理

1.1 中断处理系统

一个完整的中断处理系统必须实现以下功能：

• 中断源识别
• 中断优先级判断
• 中断嵌套管理
• CPU 的中断响应
• 中断服务
• 中断返回

1.2.1 中断源识别（略）

引起程序中断的事件称为中断源

1.2.2 中断优先级判断

先响应优先级别最高的中断申请
具体方法：

• 软件查询
• 硬件排队
• 专用中断控制器

1.2.3 中断嵌套管理（略）

1.2.4 中断处理过程

基本过程应包括5个基本阶段：

• 中断请求
• 中断优先级判断
• 中断响应
• 中断服务
• 中断返回

1.2 8086 中断系统

• 8086的中断系统采用向量中断机制
• 能够处理256个中断，用中断向量号0 － 255区别
• 可屏蔽中断还需要借助专用中断控制器Intel 8259A实现优先权管理
• 256 个中断，对应256个中断源，对应256个中断服务程序，对应256个中断向量，对应256个中断类型号，对应256个向量号

1.2.1 中断源的类型

外部中断（硬件中断）（真~中断）

8086提供两条外部中断请求线，和一条与中断有关的控制线：NMI，INTR， INTA（中断响应）。

• 非屏蔽中断（不可屏蔽中断）向量号：2
  非屏蔽中断请求信号为NMI
• 可屏蔽中断
  8088的可屏蔽中断请求和响应信号分别是INTR和INTA*；由IF标志控制可屏蔽中断是否允许响应；向量号来自外部中断控制器
  见8259就明白了

内部中断（软件中断）（也叫异常）

• 单步中断 向量号：1 （单步调试）
• 除法出错中断 向量号：0
• 断点中断 向量号：3
• 溢出中断 向量号：4
• 指令中断，就是 INT n 软件弄出任意向量号的中断

1.2.2 中断源的优先级

由高到低：

• 除法出错中断
• 软件中断 INT n
• 溢出中断 INTO
• 非屏蔽中断 NMI
• 可屏蔽中断 INTR
• 单步中断

1.2.3 中断类型号 和 中断向量表

中断类型号

8086用0－255来区分256个不同中断源，并对应给出中断向量。

0～4： 5个内部中断，有固定的定义和处理功能；
5～31：系统保留，用户一般不应使用
32～255：用户使用作为硬件或软件中断，也可不用，作为数据存储区。

中断向量

8086/8088系统支持最多256个中断，对应每一个中断，都有一个中断服务程序，该中断服务程序的入口地址称为中断向量。
每个中断向量占用4个字节，前两个字节（低位）为服务程序的IP（偏移量），后两个字节（高位）为服务程序的CS（段地址）。低字节在低位，高字节在高位。

中断向量表

256中断向量构成一个中断向量表，放在（内存的最低区域）0段的0～3FFH区域内，每个占4个字节
存放中断向量的位置＝中断类型号×4（0段）开始的4个内存单元。

！！！用户在使用中断服务程序之前，必须采取一定的方法，将中断服务程序的入口地址送到与中断类型相应地中断向量表中。（中断服务程序是自己定义的）

1.3 中断控制器 Intel 8259A

中断申请管理接口的主要功能:

1. 向CPU的引脚INTR发中断申请信号
   当有多个外设同时发出中断请求时，
   能按照一定的优先级顺序，向CPU发出中断申请，
   使CPU能优先响应优先级最高的外部设备的中断申请。
2. 送中断类型号
   在CPU中断响应周期，针对不同外设的中断请求，
   向CPU传送不同的中断类型号，
   使CPU执行相应的中断子程。

可编程中断控制器 8259A 是专门用于微型计算机系统中断管理的大规模集成电路芯片。用于管理Intel 8080/8085、8086/8088、80286/80386的可屏蔽中断。

8259A的基本功能

• 一片8259A可以管理8级中断，可扩展至64级（级联扩展）
• 每一级中断都可单独被屏蔽或允许
• 在中断响应周期，可提供相应的中断向量号
• 可通过编程选择8259A的多种工作方式，及任意设定中断类型号。

1.3.1 8259A的引脚信号

• D0~D7: 8条数据线，与CPU数据总线相连，进行数据交换，写入控制字或送出类型号。（双向，三态）
• INT：中断请求，与CPU INTR相连发出中断申请。（输出）
• $\overline{INTA}$:：接收来自CPU的响应信号，一般两个负脉冲。（输入）
• $\overline{RD}$：读信号，使8259A将要输出的内容送到数据总线上。（输入）
• $\overline{WR}$：写信号，使8259A从数据总线上接受数据。（输入）。
• $\overline{CS}$： 片选信号（输入）
• $A_0$：1片8259A占用两个端口地址，一个偶地址（A0＝0），一个奇地址（A0＝1）。
• ${IR}_0$ ~ ${IR}_7$: 分别接8个外设中断请求或从片中断请求(电平触发或边沿触发)。(输入）
• ${CAS}_0$ ~ ${CAS}_2$：主从结构，实现级联（双向）
• $\overline{SP}$/$\overline{EN}$: 双向线，(由初始化命令字设置)
  非缓冲方式：输入$\overline{SP}$＝1本片主片， $\overline{SP}$＝0本片主片（输入）
  缓冲方式：输出$\overline{EN}$＝0有效，数据从8259传向8086时，启动数据总线驱动器 （输出）

1.3.2 8259A 内部结构

（1）数据总线缓冲器

8位三态双向缓冲器，常与 8086 低8位数据总线 $D_0$~$D_7$ 相连，相应将CPU地址总线的$A_1$ 和 8259A 的$A_0$相连？

（2）读 / 写控制逻辑

读 / 写控制逻辑用于接收 CPU 的读/写命令 $\overline{RD}$，$\overline{WR}$，以及片选信号$\overline{CS}$ 和 端口选择信号 $A_0$:。

• 写，把来自 CPU 的初始化命令字 ICW 和操作命令字 OCW 存入8259A 内部相应的端口寄存器，以规定 8259A 的工作方式和控制模式。
• 读，可使CPU通过它读取 8259A 内部有关端口寄存器的状态信息。

（3）级联缓冲/比较器

${IR}_0$ ~ ${IR}_7$
扩展中断级，最多至64级。多片连接时，一片为主片，其余为从片。

（4）中断请求寄存器 IRR

• IRR 是一个8位的具有锁存功能的寄存器。
• 保存8条外界中断请求信号IR0～IR7的请求状态
• Di位为1表示IRi引脚有中断请求；为0表示无请求

（5）中断服务寄存器 ISR

• ISR 是一个8位寄存器，用于寄存当前所有正在被服务的中断级。
• 在中断响应的第一个 INTA 周期将 ISR 的相应位置“1”。
• ISR 的复位由8259A 中断结束方式决定：
  • 若是自动结束方式：则由 CPU 在第二个INTA 周期后沿将其复位。
  • 若是非自动结束方式：则由 CPU 发送的中断结束命令将其复位。
• 允许多重中断时，ISR 有多位同时被置成“1”。

（6）中断屏蔽寄存器 IMR

• IMR 是一个8位寄存器，用于寄存要屏蔽的中断级。
• 对应位为“1”，表示屏蔽该级中断请求； 对应位为“0”，表示开放该级中断请求。
• 该寄存器内容可以同构屏蔽命令由软件设置。
• 较高优先级的屏蔽不影响低级中断，即 各级屏蔽位是是独立的。

（7）优先权比较器 PR（裁决器）

用以比较正在处理的中断和刚刚进入的中断请求之间的优先级别，以决定是否产生多重中断或中断嵌套。

（8）中断控制逻辑

控制逻辑是8259A 的内部控制器。

根据中断请求寄存器IRR 和 中断屏蔽寄存器IMR 通过 优先权比较器PR判断优先级，向 8259A 内部及其他部件发出控制信号，并向 CPU 发出中断请求信号 INT 和接收 CPU的中断请求信号 $\overline{INTA}$,使中断服务寄存器 ISR 相应位置“1”，并使中断请求寄存器 IRR 相位复“0”。
当CPU 的第二个 $\overline{INTA}$ 信号到来，控制 8259A 送出中断类型号，使CPU 转入中断服务子程序。
若是中断结束方式为自动结束方式，则在第二个INTA 周期后沿将中断服务寄存器ISR复位。

1.3.3 8259A 的工作方式

8259A 有 6 种工作方式：

• 中断请求方式
• 中断源屏蔽方式
• 中断嵌套方式
• 优先级循环方式
• 中断结束方式
• 读8259A 状态方式

这些工作方式都是通过 8259A 的初始化命令字（${ICW}_1$~${ICW}_4$）和操作命令字（${OCW}_1$~${OCW}_4$）来设定。

（1）中断请求方式（三种）

• 边沿触发器方式（中断请求输入端出现上升沿触发信号）

• 电平触发方式（只有中断请求输入端出现高电平信号才能实现中断请求）

• 中断查询方式 （8259A向CPU发送INT信号，但是CPU可以不理（关中断IF），而是靠CPU不断查询8259A）
  查询时：系统先关中断，然后将查询方式命令字${OCW}_3$送到8259A，再对8259A执行一条输入指令，8259A 便将查询字送上数据总线。查询字格式如下：

  7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
  				W2	W1	W0

  I=1表示 有中断请求
  W2W1W0 表示当前中断源请求的最高优先级。

（2）中断屏蔽方式（2种）

• 普通屏蔽方式
  通过编程将中断屏蔽字写入 IMR 实现。写“1”屏蔽，写“0”开放。
• 特殊屏蔽方式
  为了使进行某较高级中断时，能够开放较低级的中断请求。
  设置特殊屏蔽方式后，用屏蔽字对IMR 中某位置“1”时，同时将 ISR 中对应位清“0”。
  注意顺序：先设置特殊屏蔽方式，再建立屏蔽
  中断服务程序结束时应退出特殊屏蔽方式

（3）中断嵌套方式（2种）

全嵌套方式 和 特殊嵌套方式。

• 全嵌套方式：
  是8259A进行初始化以后的默认工作方式。
  特点是：中断优先级管理为固定方式，${IR}_0$优先级最高，${IR}_7$优先级最低。
  执行中断服务时，禁止响应同级或低级中断请求。只能响应比当前服务中断级别高的。
• 特殊全嵌套方式：
  级联的情况下需采用特殊全嵌套方式。
  与全嵌套基本相同，区别是允许同级中断请求响应。
  主片特殊全嵌套，从片普通嵌套

（4）优先级循环方式（2种）

改变优先级的方式

• 优先级自动循环方式：
  设置成该模式后，自动规定 ${IR}_0$优先级最高，${IR}_7$优先级最低。
  当某一中断请求${IR}_i$中断服务结束后，其优先级自动降级为最低，紧跟其后的${IR}_{i+1}$优先级变为最高，其余类推：由高到低为：${IR}_i$，${IR}_{i+2}$ …${IR}_7$…${IR}_0$，.${IR}_1$…${IR}_i$
  例：${IR}_4$ 中断服务完后：${IR}_5$，${IR}_6$，${IR}_7$，${IR}_0$，${IR}_1$，${IR}_2$，${IR}_3$，${IR}_4$

• 优先级特殊循环方式：
  与优先级自动循环方式区别在于：优先级特殊循环方式设置完后，由编程来指定最低优先级（最高优先级也确定了，例指定${IR}_4$为最低，则${IR}_5$为最高）

（5）中断结束方式（2种）

其实就是对 ISR对应位的 复“0” 处理。

• 中断自动结束方式(AEOI)
  该结束方式的设置是在 8259A 初始化时实现。
  CPU 进入中断响应周期，并在发出第二个$\overline{INTA}$脉冲后自动将 ISR对应位清“0”。
  只有一片8259A 且多个中断不会嵌套的情况下才会使用该结束方。否则优先级混乱出错。

• 中断非自动结束方式(EOI)（2种）

  • 1）普通 EOI 结束方式
    主要用在全嵌套工作方式下，因为该模式下ISR可以确定哪一级中断是最后响应和处理的，只要 CPU 向8259A 传送 EOI 结束命令字，就会自动将ISR中级别最高的“1”复“0”（一定对应即将结束的中断）
    ！！！注意：EOI 结束命令字应放在返回指令 IRET 前（紧靠着），否则出错。
  • 2）特殊 EOI 结束方式
    主要用在非全嵌套工作方式（级联）下，因为该模式下ISR不能确定哪一级中断是最后响应和处理的。
    特殊EOI结束命令字中将当前要清除的中断级别传给了8259A，然后ISR在对位清“0”。
    在任何情况下都能使用。

  两种EOI结束命令都是在8259A的操作命令中实现的。

（6）读 8259A 的状态：

IRR 和 ISR 用$OC{W}_3$来读
IMR 用 端口$A_0$为0的地址来读（$OC{W}_1$？）

1.3.4 8259A 的编程

初始化编程 (初始化命令字：$IC{W}_1$~$IC{W}_4$)

初始化设置 中断有效触发方式，是否级联及嵌套方式，中断结束方式，缓冲器

（1）芯片控制初始化命令字 $IC{W}_1$ 格式：

$D_7$	$D_6$	$D_5$	$D_4$	$D_3$	$D_2$	$D_1$	$D_0$	…	$A_0$
/	/	/	1	LTIM	ADI	SNGL	$I{C}_4$	…	0

$IC{W}_1$ 初始命令字写入条件：$A_0$=0，命令字特征位$D_4$=1。
$I{C}_4$：初始化过程中是否写入 $IC{W}_4$ 。
LTIM：指出中断信号的有效触发方式：

• LTIM=0：上升沿触发
• LTIM=1：高电平触发

SNGL：指出是否为多片级联。1为单片，0为多片。意味着要写$IC{W}_3$
其余只在8080/8085微机中有效。

（2）中断类型初始化命令字 $IC{W}_2$ 格式：

$D_7$	$D_6$	$D_5$	$D_4$	$D_3$	$D_2$	$D_1$	$D_0$	…	$A_0$
$T_7$	$T_6$	$T_5$	$T_4$	$T_3$	$I{D}_2$	$I{D}_1$	$I{D}_0$	…	1

$IC{W}_2$ 初始命令字写入条件：$A_0$=1，且必须紧跟着$IC{W}_1$写入。
$I{D}_2$~$I{D}_0$：系统自动填入${IR}_i$的编码
$T_7$~$T_3$：${IR}_i$的中断类型号高5位。
$IC{W}_2$写入的可以理解成是${IR}_0$的中断级别，${IR}_i$一次递增。

（3）主/从片 初始化命令字 $IC{W}_3$ 格式：

主片：

$D_7$	$D_6$	$D_5$	$D_4$	$D_3$	$D_2$	$D_1$	$D_0$	…	$A_0$
$S_7$	$S_6$	$S_5$	$S_4$	$S_3$	$S_2$	$S_1$	$S_0$	…	1

从片：

$D_7$	$D_6$	$D_5$	$D_4$	$D_3$	$D_2$	$D_1$	$D_0$	…	$A_0$
0	0	0	0	0	$I{D}_2$	$I{D}_1$	$I{D}_0$	…	1

$IC{W}_3$ 初始命令字写入条件：$A_0$=1，且仅当 多片8259A级联时，主片从片都必须写入$IC{W}_3$。
主片：$S_7$~$S_0$ 分别表示$I{R}_7$~$I{R}_0$上是否有从片，为1表示有
从片：$I{D}_2$~$I{D}_0$ 对应$I{R}_i$的编码 i 。

（4）方式控制初始化命令字 $IC{W}_4$ 格式：

$D_7$	$D_6$	$D_5$	$D_4$	$D_3$	$D_2$	$D_1$	$D_0$	…	$A_0$
0	0	0	SFNM	BUF	M/S	AEOI	uPM	…	1

$IC{W}_4$ 初始命令字写入条件：仅当 $IC{W}_4$ 中$D_0$ （$I{C}_4$ ）为1时才需要写入$IC{W}_4$，且$A_0$为1。
uPM（$D_0$）：设置微处理器类型，8259A连接到80x86 时，该位必须为“1”。
AEOI（$D_1$）：设置中断结束方式，AEOI=1，表示该中断自动结束；AEOI=0表示非自动结束，具体哪种非自动结束由中断方式命令字 $OC{W}_2$控制。
BUF （$D_3$）+ M/S（$D_2$） ：设置缓冲器。BUF=0表示非缓冲方式，说明本片8259A 和系统数据总线之间没有缓冲器；当$D_3$$D_2$=10时，本片为缓冲方式且是从片；当$D_3$$D_2$=11时，本片为缓冲方式且是主片。
SFNM（$D_4$）：设置嵌套方式，SFNM=1时，表示8259A处于多片中断控制系统中，采用特殊全嵌套方式；SFNM=0时，采用全嵌套方式。
其余位不用，一般为0。

工作方式编程 (操作命令字：$OC{W}_1$~$OC{W}_3$)

（1）屏蔽操作命令字$OC{W}_1$（$A_0$=1）

$D_7$	$D_6$	$D_5$	$D_4$	$D_3$	$D_2$	$D_1$	$D_0$	…	$A_0$
$M_7$	$M_6$	$M_5$	$M_4$	$M_3$	$M_2$	$M_1$	$M_0$	…	1

设置条件：$A_0$=1
$M_i$ 为 1 ，表示对应的中断屏蔽$I{R}_i$被屏蔽；为0则开放。
屏蔽是指不会向CPU发出 INT信号。
读IMR：RD活跃且$A_0$=1

（2）中断方式命令字$OC{W}_2$（$A_0$=0 且 $D_4$$D_3$=00）

$D_7$	$D_6$	$D_5$	$D_4$	$D_3$	$D_2$	$D_1$	$D_0$	…	$A_0$
R	SL	EOI	0	0	$L_2$	$L_1$	$L_0$	…	1

设置条件：$A_0$=0 且 $D_4$$D_3$=00
R（$D_7$）：循环方式设置，R=1，则表示采用优先级循环方式；若R=0，则为非循环方式。
EOI（$D_5$）：EOI=1， 表示$OC{W}_2$的作用之一是作为结束中断命令EOI，应在IRET之前，若 EOI=0，则不作为中断命令。
SL（$D_6$）：低三位是否有效。若SL=1，则末尾低三位有效。否则无效。（若是特殊的中断结束命令，即特殊非自动结束方式，该位指出要结束的中断，要清除的ISR）

特殊优先循环的设置最低优先级命令用 $D_7$$D_6$$D_5$ =110的$OC{W}_2$。

（3）状态操作命令字$OC{W}_3$（$A_0$=0 且 $D_4$$D_3$=01）

$D_7$	$D_6$	$D_5$	$D_4$	$D_3$	$D_2$	$D_1$	$D_0$	…	$A_0$
/	ESMM	SMM	0	1	P	RR	RIS	…	1

设置条件：$A_0$=0 且 $D_4$$D_3$=01

P($D_2$)：设置查询方式。P=1，表面 8259A 采用中断查询方式，可用CPU随时查询IRR。

ESMM，SMM（$D_6$$D_5$）：设置或撤销特殊屏蔽方式。$D_6$$D_5$=11，进入特殊屏蔽方式，$D_6$$D_5$=10，返回正常屏蔽方式

RR，RIS（$D_1$$D_0$）：读8259A内部寄存器的状态：RR=1表示要读了，RIS=0表示读IRR；RIS=1表示要读ISR。把$OC{W}_3$送给8259A，然后用输入指令 IN 读出就行。

端口分配及读/写操作功能 表：

$\overline{CS}$	$\overline{WR}$	$\overline{RD}$	$A_0$	功能
0	0	1	0	写$IC{W}_1$
0	0	1	1	写$IC{W}_2$或$IC{W}_3$或$IC{W}_4$
0	0	1	1	写$OC{W}_1$
0	0	1	0	写$OC{W}_2$或$OC{W}_3$
0	0	1	0	读 IRR 或 ISR(由$OC{W}_3$决定)
0	1	0	1	读 IMR
0	1	0	1	读 状态？

注意！8259 要用了OCW1开中断！
常会用到 ICW4 01H

常用编程

！！！ 74138：A B C端口 C是高位！

初始化 8259A

MOV AL,13H         ;ICW1：13H 边沿触发 单片 写ICW4
OUT 地址0，AL
MOV AL,前五位地址+000  ;ICW2
OUT 地址1，AL
；ICW3 用于多片  基本不用
MOV AL,01H ;ICW4   ;非自动结束，8086模式

MOV AL, NOT 开中断位 ;开中断
OUT 地址1,AL

！！！ 非自动结束方式一定要在中断服务最后发出OCW2，发出中断结束命令！
中断服务程序

现场保护
PUSH...
MOV AL，20H
OUT 地址0,AL

do sth...

POP ...
IRET

放中断服务地址

;设中断服务标号为 INTPROC

MOV AX,0
MOV DS,AX
MOV BX,中断类型号*4
MOV AX,OFFSET INTPROC
MOV [BX],AX
MOV AX,SEG INTPROC
MOV [BX+2],AX