第7章中斷技術(shù)7.1中斷技術(shù)概述7.280X86CPU的異常處理功能7.3保護(hù)虛擬地址方式下的中斷管理7.4可編程中斷控制器8259A7.1.1中斷的提出

CPU在運行過程中經(jīng)常需要輸入一些數(shù)據(jù)，或及時輸出一些結(jié)果，但輸入輸出設(shè)備都少不了機(jī)械動作，所以輸入輸出的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于CPU執(zhí)行程序的速度。隨著當(dāng)代微機(jī)新技術(shù)的發(fā)展，CPU高速與I/O設(shè)備低速之間的矛盾日益突出，如果不采用中斷技術(shù)，則勢必要求CPU花大量的時間去等待輸入輸出過程。例如，從鍵盤上擊入一個字符，因鍵的機(jī)械運動最快也得0.1s，而CPU從鍵閉合到存放好一個字符，處理速度最慢也僅要10μs，因此CPU將在(0.1s-10μs)/0.1s＝99.99%的時間內(nèi)處于等待狀態(tài)。7.1中斷技術(shù)概述毫無疑問，“不斷地提高CPU的工作速度”在輸入輸出環(huán)節(jié)中沒有任何意義?！爸袛唷闭墙鉀QCPU和I/O設(shè)備速度不匹配所提出的一種新的理念。中斷所需的硬件電路和中斷管理機(jī)制構(gòu)成了中斷系統(tǒng)。在中斷系統(tǒng)的管理之下，主機(jī)和外設(shè)就可以同時做各自的工作，相互之間不必等待。外設(shè)需要輸入輸出操作時就向CPU發(fā)出中斷申請，在一定條件下，CPU響應(yīng)中斷請求，去為外設(shè)服務(wù)。這樣一來，計算機(jī)的工作效率得到明顯的提高。整個中斷過程如圖7-1所示。

中斷技術(shù)至少能在如下幾個方面展現(xiàn)出它的優(yōu)勢：中斷技術(shù)能及時處理隨機(jī)出現(xiàn)的各種輸入輸出信息，使微機(jī)實時控制成為現(xiàn)實。在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控參數(shù)因干擾的影響經(jīng)常會偏離給定值，甚至越限報警，而CPU采用中斷技術(shù)對生產(chǎn)過程周期性地進(jìn)行檢測，能及時對擾動進(jìn)行校正，使系統(tǒng)最終趨于穩(wěn)定。圖7-1中斷申請和返回

中斷技術(shù)能夠使一臺計算機(jī)“同時”執(zhí)行多道程序，“同時”解幾個題目，“同時”進(jìn)行多個運算。例如程序A執(zhí)行到某一步時要輸入新的數(shù)據(jù)或輸出中間結(jié)果，或者是因內(nèi)部軟件出錯等諸多原因要暫停，中斷系統(tǒng)就能讓CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它程序。待程序A斷點處的問題解決以后，CPU就可以返回到程序A繼續(xù)執(zhí)行。有了中斷，使CPU通過接口連接多個I/O外部設(shè)備成為可能。多個I/O設(shè)備能通過中斷系統(tǒng)的管理同時進(jìn)行工作，接受CPU的分時處理服務(wù)。面對微機(jī)運行過程中隨時可能出現(xiàn)的一些情況，如電源掉電、運算溢出等等，中斷系統(tǒng)能夠隨時對它們進(jìn)行故障處理，有效地提高了運行可靠性。中斷技術(shù)要想在CPU管理層內(nèi)正確發(fā)揮作用，有一系列問題需要解決。歸納起來，主要有如下幾個問題：CPU和申請中斷的外部設(shè)備之間通常使用兩根控制線完成它們之間的連接。一根線為中斷申請線，信號流向為從I/O設(shè)備指向CPU。如果該線為高電平表示有中斷申請信號，那么低電平則為無中斷申請出現(xiàn)，這就要求I/O接口芯片有專門用于中斷申請的引腳，而CPU也有專門接收中斷申請的引腳，如8086/8088CPU的INTR。CPU在每一個指令周期中最后一個機(jī)器周期的最后一個T狀態(tài)時，會采樣INTR引腳，從而獲知是否有中斷申請出現(xiàn)。另一根控制線為中斷響應(yīng)線，如8086/8088CPU的，信號流向為從CPU指向I/O設(shè)備。當(dāng)CPU決定響應(yīng)時，I/O接口芯片就會收到有效的低電平信號。連接CPU與I/O之間的數(shù)據(jù)線承擔(dān)起傳送I/O數(shù)據(jù)的任務(wù)。圖7-2多個中斷申請

圖7-2(b)的方法不可取，因為如果每一個I/O設(shè)備的中斷申請都占CPU的1個引腳，勢必造成CPU設(shè)計與制造上的困難。圖7-2(a)的方法可行，多個I/O設(shè)備共用1根INTR線，但與此同時必須要解決3個問題：①尋找中斷源：所謂中斷源是指發(fā)出中斷申請的來源。以3個中斷源為例，當(dāng)INTR上由CPU檢測到有中斷申請信號出現(xiàn)時，CPU必須判斷是哪個中斷源發(fā)出的中斷申請。②確定中斷優(yōu)先權(quán)：在多個中斷申請中，如果有兩個或多個中斷源同時提出申請，則CPU響應(yīng)哪一個中斷申請必須事先約定。為此在微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計階段或編程時就把各個中斷源的優(yōu)先次序排好。一旦有多個中斷源同時申請，中斷管理系統(tǒng)就能判斷出優(yōu)先級別高的中斷源并優(yōu)先響應(yīng)。在處理完高級別優(yōu)先權(quán)的中斷申請后，再去響應(yīng)其它較低級別的中斷申請。③能夠?qū)崿F(xiàn)中斷嵌套：在CPU正在為某一個中斷源服務(wù)時，如果服務(wù)未完又有優(yōu)先級別較高的中斷申請出現(xiàn)，那么中斷管理系統(tǒng)能中斷正在進(jìn)行的中斷服務(wù)，先去響應(yīng)高優(yōu)先級的中斷申請。當(dāng)高級中斷處理完畢后再返回來繼續(xù)被中斷了的中斷服務(wù)。圖7-3畫出了有3個中斷源出現(xiàn)中斷嵌套時的程序執(zhí)行示意圖，其中中斷3的優(yōu)先級別最高，中斷1的優(yōu)先級別最低。圖7-3中斷嵌套7.1.2中斷源和中斷優(yōu)先權(quán)1．中斷源一般微機(jī)系統(tǒng)常見的中斷源有如下幾種：常用的輸入/輸出設(shè)備，如鍵盤、打印機(jī)、CRT、穿孔機(jī)等；數(shù)據(jù)通道，如磁盤、光盤等；故障信號，如電源掉電、運算結(jié)果溢出、存盤出錯等；實時時鐘，如定時時鐘信號等；軟件中斷，如調(diào)試程序中設(shè)置的中斷等。尋找中斷源的方法有兩種：查詢法和向量法。

查詢法是用軟件查詢哪一個中斷源提出了中斷。查詢前的硬件電路圖如圖7-4所示，該硬件電路以外接3個I/O中斷申請為例。查詢時，查詢程序依次從I/O端口讀入每一個中斷狀態(tài)位(使用IN指令實現(xiàn))，檢測該位狀態(tài)判斷對應(yīng)I/O設(shè)備是否有中斷申請。如果有，就轉(zhuǎn)入為該設(shè)備服務(wù)的中斷服務(wù)程序入口地址處，如果無，則測試下一個中斷狀態(tài)位。如果3個中斷狀態(tài)位都無申請，表明中斷輸入信號由出錯產(chǎn)生，程序相應(yīng)轉(zhuǎn)入出錯出口。假設(shè)用于中斷申請的I/O端口地址為40H，則一個典型的查詢中斷源程序段如下：圖7-4查詢中斷源

查詢中斷源的優(yōu)點是查詢的同時解決了不同中斷源的優(yōu)先權(quán)問題，先查詢的中斷源優(yōu)先級別高，后查詢的優(yōu)先級別低。而查詢程序是由編程人員編制的，所以尋找中斷源和確定優(yōu)先權(quán)的主動權(quán)全部掌握在編程人員手上。與此同時，其相應(yīng)硬件電路簡單，不需要有判斷和確定優(yōu)先權(quán)的硬件電路。缺點是中斷源較多時，查詢時間過長。

向量法是用中斷向量代表中斷源，預(yù)先讓每一個中斷源固定使用一個中斷向量。當(dāng)CPU響應(yīng)一個中斷源的申請時，響應(yīng)信號發(fā)出以后，該中斷源通過接口向CPU提供本中斷源專用的中斷向量，CPU根據(jù)接收到的中斷向量自動轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口地址。這種方法不需要用程序查詢中斷源，中斷向量由硬件電路提供。8086/8088中斷管理系統(tǒng)使用中斷向量結(jié)構(gòu)，其中斷源如圖7-5所示。中斷向量又稱為中斷類型碼，用8位二進(jìn)制數(shù)表示，編號為00H～FFH(0～255)，因此8086/8088CPU能處理256個不同類型的中斷源。相應(yīng)地，中斷服務(wù)程序的入口地址也有256個，每個入口占內(nèi)存4個字節(jié)，提供2個16位地址值，其中高位字表示代碼段CS的值；低位字表示存放于指令指針I(yè)P的地址偏移量。所有中斷向量的集合稱為中斷向量表，共占內(nèi)存256×4B＝1KB，在8086/80881MB內(nèi)存中位于00000H～003FFH單元內(nèi)。圖7-58086/8088CPU中斷源2．中斷優(yōu)先權(quán)微機(jī)中確定中斷優(yōu)先權(quán)的方法有軟件查詢和硬件設(shè)置兩種。

1)軟件查詢確定中斷優(yōu)先權(quán)使用軟件查詢中斷源的同時就已經(jīng)確定了它們各自的優(yōu)先級別。在3個中斷申請源中，如果想使中斷2申請的級別最高，中斷1申請的最低，只需用以下程序：圖7-6查詢中斷源和中斷優(yōu)先權(quán)2)硬件設(shè)置優(yōu)先權(quán)電路

(1)中斷優(yōu)先權(quán)排隊電路：該電路用編碼器和比較器等組成，結(jié)構(gòu)如圖7-7所示。以8個中斷源為例，當(dāng)任何一個中斷源有中斷申請?zhí)岢鰰r，或門都會有中斷信號輸出，但它能否送至CPU的INTR引腳，還要看與門1和與門2的另一個輸入端是否為1。與門1的另一個輸入端是比較器A＞B的輸出端，只有當(dāng)A＞B時，與門1才能開啟，使中斷申請信號送到CPU。如果A≤B，則比較器輸出低電平，與門1關(guān)閉，中斷申請信號不能送出。對CPU而言，沒有中斷申請信號出現(xiàn)。8個中斷信號接在8∶3優(yōu)先權(quán)編碼器上，經(jīng)過編碼器將產(chǎn)生3位二進(jìn)制編碼A2A1A0，編碼器輸出優(yōu)先權(quán)最高的編碼為111，優(yōu)先權(quán)最低的編碼為000。

如果有多個中斷源同時申請，則8∶3優(yōu)先權(quán)編碼器只識別并輸出優(yōu)先權(quán)最高的編碼。與此同時，使用程序?qū)⒄谔幚淼闹袛嗌暾垉?yōu)先權(quán)編碼，經(jīng)CPU數(shù)據(jù)總線送至優(yōu)先權(quán)寄存器進(jìn)入比較器的B2B1B0。比較器用于比較A2A1A0和B2B1B0的大小。如果A＞B，則表明CPU正在處理中斷時，有更高優(yōu)先級的中斷申請從A2A1A0進(jìn)入，于是比較器輸出“1”，與門1開啟，將高優(yōu)先級的中斷申請信號送達(dá)CPU，CPU將中斷正在處理的中斷服務(wù)程序，去響應(yīng)更高級別的中斷，使中斷嵌套得以實現(xiàn)。如果A≤B，則表明CPU正在處理中斷時，有同級或低優(yōu)先級的中斷申請出現(xiàn)，優(yōu)先級排隊電路將它們屏蔽掉，比較器輸出“0”，與門1關(guān)閉。

當(dāng)CPU執(zhí)行主程序沒有理睬中斷申請時，此時的優(yōu)先級失效信號為高電平，使與門2開啟，如果有中斷申請信號，則將通過與門2送到CPU的INTR引腳。當(dāng)I/O設(shè)備的個數(shù)小于等于8時，它們共用一個中斷向量產(chǎn)生電路，該電路由三態(tài)緩沖器和譯碼器構(gòu)成，由8∶3優(yōu)先權(quán)編碼器輸出A2A1A0作輸入端，經(jīng)譯碼形成8位中斷向量，不同的編碼將進(jìn)入不同的中斷服務(wù)程序入口地址。圖7-7中斷優(yōu)先權(quán)排隊電路(2)中斷鏈優(yōu)先權(quán)排隊電路：典型的中斷鏈排隊電路如圖7-8所示，由中斷觸發(fā)器和控制門電路組成，圖中以4個I/O設(shè)備為例。當(dāng)A～D中有多個中斷申請發(fā)生時，相應(yīng)多個中斷觸發(fā)器輸出高電平，經(jīng)“或”門產(chǎn)生向CPU申請中斷的INTR信號。如果CPU相應(yīng)中斷申請，按圖中的接法，只能是先從設(shè)備A開始，逐個地往下傳送。圖7-8中斷鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊電路

如果設(shè)備A有中斷申請，則中斷觸發(fā)器QA輸出高電平，將與門A1開啟，中斷響應(yīng)經(jīng)A1通過，啟動相應(yīng)的控制電路轉(zhuǎn)入為A設(shè)備服務(wù)的中斷服務(wù)程序；與此同時將與門A2關(guān)閉，A2輸出低電平關(guān)閉與門B1、B2，即使設(shè)備B有中斷申請，也被B1、B2屏蔽。如果設(shè)備A沒有中斷申請，則中斷觸發(fā)器QA輸出低電平，將與門A1關(guān)閉，不能通過A1，為設(shè)備A服務(wù)的中斷服務(wù)程序也不能啟動；與此同時，與門A2開啟，經(jīng)A2送至與門B1、B2的入口處。這時要看設(shè)備B有無中斷申請。如果設(shè)備B有中斷申請，則將經(jīng)與門B1啟動為設(shè)備B服務(wù)的中斷服務(wù)程序，設(shè)備C和D被屏蔽；如果設(shè)備B沒有中斷申請，則B2開，送至C1、C2。這一過程將繼續(xù)，直至查出哪個設(shè)備有申請為止。在這種排隊電路中，只要上級的輸出信號Qi為高電平，當(dāng)本級有中斷申請時，就啟動本級的中斷服務(wù)程序，屏蔽所有下級的中斷申請；當(dāng)本級無中斷申請時則允許下一級中斷。如果上級的輸出信號Qi為低電平，則CPU的中斷響應(yīng)信號直接進(jìn)入下一級允許下一級中斷。從上到下優(yōu)先級別依次為A、B、C、D，排在鏈?zhǔn)角懊娴膬?yōu)先權(quán)最高。7.1.3中斷分類按照中斷源所處的位置劃分，中斷可以分成外部中斷和內(nèi)部中斷兩種。外部中斷又可稱為硬中斷。內(nèi)部中斷指CPU內(nèi)部提出的中斷，又可稱為軟中斷。按照中斷源的中斷申請情況，中斷分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷兩種不同類型。有些中斷申請如果還沒有CPU正在執(zhí)行的主程序重要和急迫，CPU就會暫時置之不理，這一類中斷就是可屏蔽中斷，大多數(shù)I/O設(shè)備的中斷申請都屬于這一類。還有一些中斷，CPU如果不理睬，則會影響到整個系統(tǒng)的正常運行，這一類中斷稱為不可屏蔽中斷。為此在中斷系統(tǒng)設(shè)計中，規(guī)定產(chǎn)生在CPU內(nèi)部的中斷除了用于調(diào)試程序而設(shè)置的單步中斷外，所有內(nèi)部中斷都不能被屏蔽，或者說“異常不能被屏蔽”。

對于由I/O外設(shè)提出的中斷申請，CPU能夠屏蔽哪些中斷申請、不能屏蔽哪些中斷申請，由微機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計人員決定。在所有的不可屏蔽中斷申請中，掉電毫無疑問是最優(yōu)先的。一旦失去電源，電子計算機(jī)將無法工作。失電時，微機(jī)將啟動緊急處理程序，將鍵入的尚未存盤的內(nèi)容備份保存，以便重新接通電源后恢復(fù)斷電前狀態(tài)，避免了大量鍵入的程序、文字、字符消失。7.280X86CPU的異常處理功能7.2.1異常的3個層次

1)故障(Fault)

可由程序自行克服恢復(fù)正常運行的異常，稱為故障。故障處理具有兩個特征：一是對故障的檢測既可以在引起故障的指令之前進(jìn)行，也可以在引起故障的指令消除之后進(jìn)行；二是故障處理過程是執(zhí)行故障服務(wù)程序，該程序是中斷服務(wù)程序的一種，在執(zhí)行“引起故障的指令”時自動轉(zhuǎn)入，以IRET結(jié)束，執(zhí)行完畢意味著消除“引起故障的指令”。2)陷阱(Trap)

可由程序自行克服但不能恢復(fù)原主程序正常運行的異常，稱為陷阱。陷阱發(fā)生在執(zhí)行“能產(chǎn)生陷阱的指令”之后。陷阱處理也有兩個特征：一是陷阱發(fā)生前程序渾然不知，只有發(fā)生后程序才能覺察；二是陷阱發(fā)生后CPU自動轉(zhuǎn)入執(zhí)行“陷阱處理服務(wù)程序”，讓CPU“擺脫”陷阱，但服務(wù)程序執(zhí)行完，不能返回到主程序斷點處的下一條指令，只能轉(zhuǎn)移到下一條應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的指令。例如執(zhí)行一條轉(zhuǎn)移指令產(chǎn)生陷阱，服務(wù)程序執(zhí)行完后程序?qū)⑥D(zhuǎn)到要轉(zhuǎn)移的地址，而不是返回到轉(zhuǎn)移指令的下一條指令。3)失敗(Abort)

系統(tǒng)產(chǎn)生硬件故障或軟件嚴(yán)重錯誤時的異常，稱為“失敗”。出現(xiàn)失敗的原因可能是隨機(jī)的，死機(jī)就是一種失敗。沒有為失敗服務(wù)的程序存在?？朔〉姆椒ㄖ皇侵匦聠印?.2.280X86CPU的異常類型表7-180X86CPU保護(hù)方式下的異常類型

表中列出了各種異常所屬層次、有無出錯碼以及產(chǎn)生條件。當(dāng)異常出現(xiàn)時，CPU將向服務(wù)程序的堆棧推入一個出錯碼。部分異常出錯碼為32位二進(jìn)制數(shù)，如下所示：

其中高16位予以保留，低16位分別由13位段選擇子和3位出錯屬性占用。選擇子作索引，指向全局描述符表GDT或局部描述符表LDT中以段基址為起始地址的那一項。表指示器TI(TableIndicator)用作指示選擇子選的是哪個表，TI＝0選擇GDT，TI＝1選擇LDT。IDT屬性指示選擇子的歸屬，IDT＝0表示13位選擇子與TI連用，形成14位指針，指向GDT或LDT，IDT＝1表示選擇子使用中斷描述符(InterruptDescriptor)中的門描述符。EXT屬性提示錯誤的原因，EXT＝0表明出錯因程序而引起，EXT＝1表明出錯是非程序因素導(dǎo)致，例如硬件電路發(fā)生故障。除上述格式外，還有部分異常出錯碼為0，或者說無出錯碼出現(xiàn)。頁交換異常(異常14)有自己獨有的出錯碼，如下所示：其中高27位予以保留，低3位是出錯屬性。U/S表示CPU處于哪種運行方式下發(fā)生了故障，運行于管理方式發(fā)生故障時U/S＝0，運行于用戶方式發(fā)生故障時U/S＝1。R/W用于表示讀/寫故障，讀時產(chǎn)生故障R/W＝0，寫時產(chǎn)生故障R/W＝1。P是頁故障指示位，故障由頁不存在引起時P＝0，故障由頁級保護(hù)沖突引起時P＝1。

存放出錯碼的堆棧位于事先定義的某一段中。異常0產(chǎn)生時將除法指令第1字節(jié)推入堆棧中，除數(shù)、被除數(shù)依然是除法指令執(zhí)行之前的值。一旦故障處理程序執(zhí)行完畢，程序重新啟動。異常1常為程序調(diào)試而人為設(shè)置，其中的單步方式屬陷阱。也有故障型的，CPU中的調(diào)試狀態(tài)寄存器DR6用來反映異常類型及斷點狀態(tài)，處于PL0的排錯處理程序通過對DR6的訪問處置異常1。異常3、4由執(zhí)行中斷指令引起，處理特征是推入堆棧的CS、EIP值是中斷指令下一條指令的地址，便于擺脫陷阱后程序繼續(xù)進(jìn)行。由于故障能自行克服，因此異常5的處理特征是推入堆棧的CS、EIP值就指向產(chǎn)生異常的BOUND指令。從異常6至異常255的各類異常中，凡因執(zhí)行指令引起而又位于故障層次的，大體都有這一特征。

異常8、9和18屬于失敗。異常8中推入堆棧的CS、EIP值不是引起失敗的指令地址，指令的重新啟動也不能支持雙重故障，處理過程是暫停執(zhí)行指令、進(jìn)入關(guān)機(jī)方式，CPU空轉(zhuǎn)，不響應(yīng)INTR中斷，如同程序中有一條HLT指令，直至NMI中斷發(fā)生或重新啟動。異常9是程序失敗，不是系統(tǒng)失敗。異常18因錯誤代碼引起，只能關(guān)機(jī)。7.3保護(hù)虛擬地址方式下的中斷管理圖7-9中斷描述符表IDT7.3.1中斷描述符表IDT圖7-10中斷描述符

在IDT中，中斷向量不再叫中斷向量，而稱為“門”，由8字節(jié)共64位的中斷描述符予以描述，圖中的每一個中斷描述符對應(yīng)一個中斷類型，IDT最多可容納28＝256個中斷類型，類型碼編號0～255，因此IDT最大長度占內(nèi)存256×64位＝2KB。IDT的起始地址不固定為0H，長度也不固定為2KB，而是由48位中斷描述符表寄存器IDTR給出。IDTR中的基址(80286為24位，80386/80486為32位)給出起始地址，16位限量給出長度，并且IDTR的內(nèi)容可以用LIDT指令和SIDT指令訪問，前一條指令用于加載IDTR，后一條用于存儲IDTR。IDT中的每一個門指向了一個中斷類型的服務(wù)程序入口地址。事實上它們可能是中斷門、陷阱門和任務(wù)門這3個門中的任何一個。每個門占有8個存儲單元，其最低地址就是門的尋址地址，因此有一個門描述符的尋址地址＝中斷類型碼×8。例如中斷類型1的入口地址(門描述符尋址地址)偏移量為00000008H。7.3.2中斷門和陷阱門的轉(zhuǎn)移功能中斷門、陷阱門和任務(wù)門的功能都是給中斷響應(yīng)提供中斷服務(wù)程序的入口地址，但它們的轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移方法是不同的。CPU在響應(yīng)中斷后，將接收到的中斷類型碼乘以8，會從IDT中找到8字節(jié)的中斷描述符。如果該描述符是一個中斷門或陷阱門，則表示異常處理程序和當(dāng)前主程序處于同一任務(wù)中；如果該描述符是一個任務(wù)門，則表示異常處理程序和當(dāng)前主程序不在同一任務(wù)中。因此，中斷門和陷阱門提供的是同一任務(wù)段內(nèi)的程序轉(zhuǎn)移；任務(wù)門提供的是不同任務(wù)段之間的程序轉(zhuǎn)移，即任務(wù)切換，從主程序到異常處理程序需要一次任務(wù)切換，從異常處理程序返回到主程序又面臨一次任務(wù)切換。

1．異常處理服務(wù)程序的入口地址使用中斷門或陷阱門實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移時，異常處理程序的入口地址由64位中斷描述符提供。描述符中給出了16位代碼段選擇子，由此選擇子可以從全局描述符表GDT或局部描述符表LDT中尋找到線性地址空間32位基址。而中斷描述符還給出了32位偏移量。由基址和偏移址相加后獲得32位入口地址，如圖7-11所示。圖7-11異常處理程序入口地址

2．同級轉(zhuǎn)移和向內(nèi)層轉(zhuǎn)移中斷描述符中的DPL給出了描述符特權(quán)級，用于指明異常處理程序和主程序是在同一特權(quán)級內(nèi)，還是在不同特權(quán)級上。在80X86的中斷管理中，對異常的處理既可以從主程序轉(zhuǎn)移到當(dāng)前特權(quán)級的異常服務(wù)程序，又可以轉(zhuǎn)移到位于內(nèi)層特權(quán)級的異常服務(wù)程序。下列兩種情況可使程序轉(zhuǎn)移位于同一特權(quán)級內(nèi)：

(1)中斷描述符中16位選擇子經(jīng)GDT或LDT指出的線性空間存儲段是個一致的代碼段，且該存儲段描述符中的DPL與當(dāng)前執(zhí)行程序的特權(quán)級CPL同級或處于更內(nèi)層；(2)中斷描述符中16位選擇子經(jīng)GDT或LDT指出的線性空間存儲段是個非一致的代碼段，且該存儲段描述符中的DPL與當(dāng)前執(zhí)行程序的特權(quán)級CPL同級。下列情況可使程序?qū)崿F(xiàn)向內(nèi)層特權(quán)級的轉(zhuǎn)移：如果16位選擇子所處存儲段是非一致的代碼段，且DPL處于內(nèi)層，CPL處于外層。這種情況同于通過調(diào)用門執(zhí)行CALL指令。中斷描述符中DPL的功能為：給出了描述符特權(quán)級；在執(zhí)行中斷指令I(lǐng)NTn和溢出指令I(lǐng)NTO時被查驗，要求DPL等于或低于CPL，否則發(fā)生保護(hù)異常；對外部中斷或除中斷2以外的其它異常，不查驗DPL。

3．從異常處理程序返回異常處理程序的最后一條指令是IRET，可完成返回到主程序。返回過程與從主程序轉(zhuǎn)入異常處理的過程正好相反：由于通過中斷門或陷阱門是同一任務(wù)內(nèi)的程序轉(zhuǎn)移，因此返回也屬于同一任務(wù)內(nèi)的返回；由于從主程序到異常處理程序的轉(zhuǎn)移是同級轉(zhuǎn)移或向更內(nèi)層特權(quán)級的轉(zhuǎn)移，因此返回也是同級返回或向更外層的返回。轉(zhuǎn)入操作如下：EFLAGS入棧，且將嵌套任務(wù)標(biāo)志NT和陷阱標(biāo)志TF置0；斷點處主程序CS、EIP入棧；中斷描述符中的RPL置入CPL，16位選擇子置入CS，偏移量置入EIP；視需要將中斷出錯碼推入新棧。

上述操作中嵌套任務(wù)標(biāo)志NT＝0意味著無嵌套任務(wù)，中斷或執(zhí)行調(diào)用指令時不發(fā)生任務(wù)切換，返回操作是同一任務(wù)內(nèi)的返回；返回指令完成常規(guī)的中斷處理。陷阱標(biāo)志TF＝0意味著異常處理程序不允許單步執(zhí)行。相應(yīng)的返回操作如下：將可能有的中斷出錯碼彈出；將斷點處的CS、EIP彈出，恢復(fù)斷點地址；檢查彈出的CS選擇子中的RPL，將其與異常處理程序的CPL比較，若相同則不改變特權(quán)級，若不同則改變特權(quán)級，改變方向與轉(zhuǎn)入時相反，為向更外層返回；彈出EFLAGS。轉(zhuǎn)入操作由中斷響應(yīng)INTR或不可屏蔽中斷申請引起，由CPU自動完成；返回操作由執(zhí)行IRET指令引起，由CPU自動完成。

4．中斷門轉(zhuǎn)移和陷阱門轉(zhuǎn)移的區(qū)別使用中斷門轉(zhuǎn)移，在轉(zhuǎn)入異常處理操作中還會將中斷標(biāo)志IF清0，因此執(zhí)行異常處理程序中將屏蔽“可屏蔽中斷申請”。為了實現(xiàn)中斷嵌套或允許INTR，應(yīng)當(dāng)在異常處理程序中適應(yīng)位置或IRET前，使用開中斷指令。使用陷阱門轉(zhuǎn)移，不會對IF操作，IF將保持不變。由此可見，中斷門適合處理中斷，陷阱門適合處理異常。7.3.3任務(wù)門的轉(zhuǎn)移功能一個任務(wù)門在IDT中占了8個字節(jié)共64位，但只用了24位：16位TSS段選擇子和8位描述域。使用任務(wù)門的轉(zhuǎn)移過程為：16位TSS段選擇子指向一個能夠處理異常任務(wù)的TSS段；實現(xiàn)任務(wù)切換；轉(zhuǎn)入過程除使NT置成1，其余同中斷門或陷阱門的轉(zhuǎn)移。與CALL指令通過任務(wù)門引起任務(wù)切換相比較，中斷或異常通過任務(wù)門引起的任務(wù)切換將給程序轉(zhuǎn)移提供中斷出錯碼。由于嵌套任務(wù)標(biāo)志NT＝1，執(zhí)行IRET指令將返回到一個嵌套的任務(wù)。

通過以上的分析能夠看到，中斷申請或異常發(fā)生后，CPU既可以通過中斷門或陷阱門進(jìn)行響應(yīng)，也可以通過任務(wù)門進(jìn)行響應(yīng)。通過中斷門或陷阱門的響應(yīng)在當(dāng)前任務(wù)內(nèi)進(jìn)行，不需要任務(wù)切換；通過任務(wù)門的響應(yīng)要轉(zhuǎn)移到另一個任務(wù)內(nèi)進(jìn)行，需要任務(wù)切換。當(dāng)前任務(wù)內(nèi)的程序轉(zhuǎn)移速度快；需要任務(wù)切換轉(zhuǎn)移時，CPU運行速度慢。異常處理過程和中斷處理過程一樣，需要4步完成，但有無任務(wù)切換時每步的工作內(nèi)容不同。中斷門、陷阱門和任務(wù)門的功能是提供異常處理程序的入口地址。對于“無效TSS異?！?異常10)，必須由任務(wù)門轉(zhuǎn)移，因此可以在另一個任務(wù)段尋找到一個有效的TSS段；其它異常則是通過陷阱門轉(zhuǎn)入能為各個任務(wù)共享的服務(wù)程序。對于外部中斷，采用任務(wù)門轉(zhuǎn)移為好，因為外部中斷與CPU正在執(zhí)行的任務(wù)沒有任何關(guān)系，使執(zhí)行任務(wù)與中斷服務(wù)相互隔離、互不干擾。外部中斷也可以使用中斷門轉(zhuǎn)移，這樣響應(yīng)速度快。7.4可編程中斷控制器8259A7.4.18259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和端口地址

1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖7-128259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

中斷請求寄存器IRR：接受I/O外設(shè)來的8個中斷請求，它有“正跳變”邊沿觸發(fā)和“高電平”電平觸發(fā)兩種觸發(fā)方式。無論哪種觸發(fā)方式，中斷申請信號必須持續(xù)到CPU來的INTA響應(yīng)有效之后，否則中斷不能受理。優(yōu)先權(quán)分析器PR：8位，接收并分析IRR來的中斷申請并分析它們的優(yōu)先權(quán)。分析過程指如下內(nèi)容：按照CPU送來的控制命令字定義或修改IR0～I(xiàn)R7的優(yōu)先權(quán)；判斷多個中斷申請誰最優(yōu)先；判斷是否需要中斷嵌套，保證高優(yōu)先級的中斷申請能中斷低優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序；在中斷響應(yīng)作用下，使中斷服務(wù)寄存器ISR相應(yīng)位為1。

中斷屏蔽寄存器IMR：8位，存放CPU送來的屏蔽信號。若IMR的第i位(i＝0～7)為1，則表明CPU屏蔽IRi的中斷申請?？刂七壿嫞合駽PU發(fā)送由PR選定的中斷申請信號INT，高電平有效，可與8086/8088CPU的INTR直接相連；接收CPU送來的響應(yīng)信號，并將ISR相應(yīng)位置位，表示CPU正在提供中斷服務(wù)；釋放中斷類型碼進(jìn)入數(shù)據(jù)總線；清除中斷申請。數(shù)據(jù)總線緩沖器：8位，傳送從CPU來的命令字；向CPU送去中斷類型碼。讀/寫邏輯：用于端口地址操作和讀、寫控制。級聯(lián)比較/緩沖器：實現(xiàn)多片8259A的級聯(lián)，用于擴(kuò)展中斷源。8259A是28腳雙列直插式封裝集成芯片，其引腳如圖7-13所示，分成3部分：與CPU相連的引線(與地址總線相連的有2條，與數(shù)據(jù)總線相連的有8條，與控制總線相連的有4條)，與I/O中斷源和其它8259A之間的連線，電源線。圖7-138259A的引腳圖7-148259A與CPU相連2．端口地址和控制命令字表7-2端口地址和命令字8259A的端口地址有兩個，由和A0的接法決定。兩個I/O端口都是控制端口，既不是數(shù)據(jù)端口，也不是中斷端口。兩個端口的功能是使用OUT指令寫入控制命令字。控制命令字是規(guī)定8259A工作方式和工作狀態(tài)的命令。這些命令有的在初始化階段就要寫入，有的是在工作程序中視需要寫入。哪個命令字使用哪個端口寫入，由該命令字的標(biāo)志決定。規(guī)定8259A操作的控制命令字有7個，分成兩類：初始化命令字ICW，有4個，分別稱為ICW1、ICW2、ICW3、ICW4；操作命令字OCW，有3個，分別稱為OCW1、OCW2、OCW3?！纠?-1】在圖7-19電路中，8259A的接7∶128地址譯碼器的，計算8259A的端口地址。若初始化命令字ICW1＝12H，ICW2＝08H，試編制初始化程序。解因A7～A1＝33＝0100001B，則地址為

A7～A0＝0100001A0B01000010BA0=0，為偶地址

01000011BA0=1，為奇地址=端口地址為42H和43H。初始化程序為：7.4.28259A對中斷的管理

1．中斷申請和響應(yīng)過程

8259A中斷申請和響應(yīng)過程步驟如下：一個或多個I/O中斷源通過IR7～I(xiàn)R0向8259A發(fā)出中斷申請，把中斷請求寄存器IRR相應(yīng)位置位。IRR相應(yīng)位置位后，與IMR相應(yīng)屏蔽位比較，若兩位相同，則屏蔽該中斷申請；若兩位不同，則中斷申請送至PR。PR決定優(yōu)先級，把當(dāng)前未屏蔽的最高優(yōu)先級中斷申請經(jīng)INT送至CPUINTR引腳。若CPU已開中斷，則在當(dāng)前指令執(zhí)行完發(fā)出中斷響應(yīng)信號。8259A收到中斷響應(yīng)信號第一個負(fù)脈沖后將IRR相應(yīng)位復(fù)位，同時使ISR中優(yōu)先級最高的那一位置“1”。在此中斷周期內(nèi)，8259A不向數(shù)據(jù)總線送任何數(shù)據(jù)。8259A收到中斷響應(yīng)信號第二個負(fù)脈沖后，將被響應(yīng)中斷源的中斷向量送至數(shù)據(jù)總線，CPU讀入中斷向量并從入口進(jìn)行中斷服務(wù)程序。8259A送出的中斷向量為1個字節(jié)，組成如下：

向量字節(jié)中的T7～T3由ICW2用程序設(shè)定。中斷服務(wù)有兩種結(jié)束方式：自動結(jié)束中斷AEOI方式和非自動結(jié)束中斷EOI方式。兩種方式的區(qū)別是：自動結(jié)束方式下，在中斷響應(yīng)信號第二個負(fù)脈沖結(jié)束處，8259A將被置“1”的ISR某位復(fù)位成“0”；非自動結(jié)束方式下，在被置“1”的ISR某位一直保持高電平到中斷結(jié)束，必須要由CPU發(fā)出EOI命令才能復(fù)位成“0”。由此畫出8259A中斷申請及響應(yīng)流程圖，如圖7-15所示。圖7-15中斷響應(yīng)流程圖

2．中斷申請觸發(fā)方式中斷源向8259A的IR7～I(xiàn)R0提出中斷申請，允許兩種觸發(fā)方式輸入申請信號。

1)電平觸發(fā)方式電平觸發(fā)方式的中斷申請由IRi輸入端為高電平提出，高電平持續(xù)時間要持續(xù)到第一個中斷響應(yīng)信號到達(dá)8259A之前。這種觸發(fā)方式主要用于要求連續(xù)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，直至中斷申請無效為止，并且能將所有中斷源申請線相“或”后從同一IRi端送入，另行使用軟件從“或”輸入中尋找中斷源。2)邊沿觸發(fā)方式邊沿觸發(fā)方式的中斷申請由IRi輸入端信號上升沿來提出。上升沿后IRi允許維持高電平不變，不會產(chǎn)生第二次中斷，脈沖信號的下降沿為下一次中斷申請做準(zhǔn)備。通常使用有正高電平的負(fù)脈沖作觸發(fā)信號，而高電平應(yīng)持續(xù)到中斷響應(yīng)發(fā)生之后。這種觸發(fā)方式主要用于不需要重復(fù)申請中斷、中斷源能方便提供負(fù)脈沖的場合，并且能與自動結(jié)束中斷EOI方式配合使用。

3．中斷優(yōu)先權(quán)管理方式

8259A對中斷優(yōu)先權(quán)的判斷有5種管理方式。

1)軟件查詢方式由CPU用軟件查詢8259A的8個中斷申請優(yōu)先級，通過操作命令字向8259A發(fā)出查詢命令，隨后用輸入命令讀取IRR寄存器狀態(tài)，看哪些位已被中斷申請置位并識別優(yōu)先級最高的中斷申請。在整個操作過程前后，8259A的中斷申請并未經(jīng)INT輸出到CPU，或者CPU已關(guān)中斷。2)完全嵌套方式這種方式的8個中斷源優(yōu)先級是固定的，IR0的優(yōu)先級最高，IR1的其次，……，IR7的最低。其操作特點是CPU正在響應(yīng)中斷時，不再產(chǎn)生相同優(yōu)先級或較低優(yōu)先級的中斷申請，但允許較高優(yōu)先級的中斷申請產(chǎn)生。如果初始化程序未預(yù)先設(shè)置優(yōu)先級，則8259A自動處于這種方式。完全嵌套方式分為一般的和特殊的兩種。前者用于單片，后者用于級聯(lián)。級聯(lián)連接工作時，主片8259A不僅能將一個從片8259A的一個中斷申請送到CPU，而且還允許同一從片其它7個中斷源更高優(yōu)先級的中斷，每個從片自身形成一個嵌套結(jié)構(gòu)。不僅如此，其它從片所接中斷源提出的中斷申請，只要優(yōu)先級別高于主片正在服務(wù)的中斷源，主片8259A都能識別出。圖7-16自動輪換方式3)自動輪換方式在這種方式中，中斷源的優(yōu)先級將隨著中斷響應(yīng)結(jié)束而發(fā)生改變。改變過程遵循“平等優(yōu)先權(quán)”原則，即一個中斷源如果被響應(yīng)，那么所有其它中斷源應(yīng)該在被響應(yīng)過的中斷源再次享受中斷服務(wù)之前有機(jī)會被響應(yīng)。按照這一原則，一個中斷源的中斷服務(wù)結(jié)束之后，它的優(yōu)先權(quán)自動降為最低。設(shè)IR7～I(xiàn)R0的優(yōu)先級別為IR0的最高，IR7最低，如圖7-16(a)所示，目前有IR4和IR6正在服務(wù)中。因IR4的優(yōu)先級高，故CPU正在為IR4服務(wù)，IR6因嵌套還在等待，各位的ISR狀態(tài)已畫在圖中。當(dāng)IR4的中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，其返回指令將使IR4的ISR位復(fù)位，正在服務(wù)的中斷源只剩下IR6；IR4的中斷優(yōu)先級將變?yōu)樽畹?，按平等?yōu)先原則，IR5的優(yōu)先權(quán)最高，如圖7-16(b)所示。接著CPU執(zhí)行IR6的中斷服務(wù)程序(這時雖然IR5的優(yōu)先級高于IR6，但僅有IR6有中斷申請)。服務(wù)程序執(zhí)行完，IR6的ISR位復(fù)位，其中斷優(yōu)先級又自動變?yōu)樽畹停鄳?yīng)中斷優(yōu)先級如圖7-16(c)所示。4)指定優(yōu)先權(quán)方式在這種方式中，使用特殊操作命令指定某個中斷源的優(yōu)先級為最低，其它中斷源的優(yōu)先級跟著循環(huán)。例如，設(shè)IR7～I(xiàn)R0的優(yōu)先級別為IR0的最高，IR7最低。CPU正在為IR3和IR5服務(wù)，如果在IR3的中斷服務(wù)程序中寫入一條使IR1為最低優(yōu)先權(quán)的命令，則IR7～I(xiàn)R0的優(yōu)先級變化將如圖7-17所示。圖7-17指定優(yōu)先權(quán)方式執(zhí)行IR3中斷服務(wù)程序優(yōu)先級順序；(b)IR3服務(wù)程序中有一條使IR1成為最低優(yōu)先權(quán)的命令5)特殊屏蔽方式這種方式是在中斷服務(wù)程序中用中斷屏蔽命令來屏蔽當(dāng)前中斷源的優(yōu)先級別，并使相應(yīng)ISS位復(fù)位。由于正在接受中斷服務(wù)的本級中斷源被屏蔽，因此優(yōu)先權(quán)低于本級的中斷申請也能被接受。表7-3中斷方式的產(chǎn)生條件7.4.38259A的命令字和編程

1．初始化編程

8259A在使用之前，必須給它規(guī)定相應(yīng)的工作方式、觸發(fā)方式、中斷管理和結(jié)束方式，為此要進(jìn)行初始化編程。所謂初始化編程就是使用OUT指令，通過控制端口向8259A寫入4個初始化命令字，這4個字是ICW1～I(xiàn)CW4，其中ICW1、ICW2必須寫入，ICW3、ICW4視需要而定。4個字寫入的順序是ICW1、ICW2、ICW3、ICW4，不能顛倒。圖7-18畫出了初始化編程的流程圖。圖7-18初始化流程圖2．初始化命令字圖7-19ICW編程格式(1)?ICW1字：ICW1的功能是規(guī)定IRi上的中斷申請采用哪種觸發(fā)方式，8259A是單片使用還是多片使用，是否需要ICW4。ICW1的標(biāo)志是D4＝1，從A0＝0的端口寫入。當(dāng)程序?qū)懭隝CW1字后，初始化過程開始啟動，隨后8259A發(fā)生如下事件：邊沿敏感電路復(fù)位，中斷申請輸入線必須由低變高才能申請；中斷屏蔽寄存器IMR清零；IR7賦予最低優(yōu)先權(quán)；特殊屏蔽方式清除。若IC4＝0，則后面無ICW4字。

(2)?ICW2字：ICW2字的功能是設(shè)置可屏蔽中斷的類型碼高5位T7～T3，低3位的值任意，可填入000。在ICW2字寫入后，低3位的值將由微機(jī)自動填入IR7～I(xiàn)R0中i的編碼。(3)?ICW3字：當(dāng)ICW1字中的D1位取“0”時，需要在寫入ICW2字后寫入ICW3字。ICW3只適用于級聯(lián)，主片和從片分別有各自的ICW3。主片的ICW3指出了主片的IR7～I(xiàn)R0中哪幾個接有從片；從片的ICW3指出了從片INT接在主片IR7～I(xiàn)R0中哪一個輸入線上。

(4)?ICW4字：當(dāng)ICW1字中的D0位取“1”時，需要在寫入ICW3字后(無ICW3字時在ICW2字后)寫入ICW4字。ICW4用于設(shè)定優(yōu)先權(quán)管理、緩沖方式選擇、中斷結(jié)束方式選擇和主從片選擇?！纠?-2】單片工作時的初始化程序為：

3．操作命令字及其編程在使用輸出指令寫入初始化命令字后，8259A就能在正常工作程序中起到中斷控制作用，能接收并向CPU傳送中斷申請，按照命令字規(guī)定的中斷優(yōu)先方式裁定優(yōu)先權(quán)，處于完全嵌套方向，按要求提供中斷類型碼。在工作程序執(zhí)行過程中，如果需要改變8259A的中斷優(yōu)先權(quán)管理方式或改變中斷響應(yīng)及結(jié)束方式，則可以使用輸出指令從控制口寫入操作命令字。操作命令字有3個：OCW1、OCW2、OCW3，編碼格式見圖7-20。(1)?OCW1：OCW1字用于設(shè)置屏蔽中斷源，其操作結(jié)果是將8259A的中斷屏蔽寄存器IMR各位直接置“0”或“1”。例如使中斷源IR5開放、其余全屏蔽的程序為：(2)?OCW2：OCW2字的功能是重新設(shè)置中斷優(yōu)先權(quán)管理方式和中斷結(jié)束方式，設(shè)置的方法是根據(jù)R、SL、EOI三位的取值，有三種不同的工作方式：①R、SL、EOI取值001、011時為中斷結(jié)束方式，內(nèi)含不指定用EOI結(jié)束和指定用EOI結(jié)束兩種情況。使用“不指定用EOI結(jié)束”方式能夠讓8259A獲悉中斷服務(wù)程序已經(jīng)執(zhí)行完畢，并且將ISR中正在接受服務(wù)的位復(fù)位，8259A自動確定它的優(yōu)先級別。

雖然沒有嚴(yán)格地確定它的優(yōu)先級，但通常是位于最高級別在接受服務(wù)。由此一來，如果中斷服務(wù)程序中安排有置位優(yōu)先權(quán)命令，或是8259A處于特殊屏蔽方式(此刻ISR位被IMR屏蔽，不能用EOI消除)，則不宜選擇這種中斷結(jié)束方式。使用“指定EOI結(jié)束”方式除了能夠讓8259A獲悉中斷服務(wù)程序已經(jīng)執(zhí)行完畢外，還能指定由L2～L0表示的ISR位復(fù)位，如OCW2字01100011B的功能就是既指定EOI結(jié)束(又稱為非自動中斷結(jié)束)，又能使ISR3復(fù)位。當(dāng)8259A工作于完全嵌套，且被服務(wù)中斷源有最高優(yōu)先級時，就要選用這種中斷結(jié)束方式。圖7-20OCW字②R、SL、EOI取值101、100時為自動輪換方式。前一種是不指定EOI上的輪換命令，特征是接受服務(wù)的最高優(yōu)先級ISR位被復(fù)位并設(shè)置成最低優(yōu)先級；后一種是每遇EOI一次，優(yōu)先級就左移輪換一次。③R、SL、EOI取值000、111、110時為特殊輪換方式，分別為清除、特殊輪換、置優(yōu)先權(quán)命令。取值00