1、微機(jī)原理與接口技術(shù)第五次作業(yè)學(xué)院： 電子信息工程學(xué)院專業(yè)： 軌道交通信號與控制班級： 自動化1302姓名： 安若琳 劉佳麗 劉琛 研究課題：不同CPU中斷技術(shù)對比專題研究本文從3種CPU(X86、80C51、ARM)的中斷源、中斷申請方式、中斷優(yōu)先級管理方式、中斷的處理過程、中斷向量等方面進(jìn)行了綜合的比較。以表格的形式呈現(xiàn)出來。一、中斷源CPU中斷源X86外部中斷和內(nèi)部中斷。其中外部中斷是指來自CPU外部，由外設(shè)的請求引起，通過外部硬件產(chǎn)生，外部中斷又分為兩類，可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。可屏蔽中斷指的是通過INTR引腳引入CPU，只有當(dāng)中斷允許標(biāo)志位IF1時，才能被CPU響應(yīng)。通過8259A，

2、一個系統(tǒng)中可有多個可屏蔽中斷。而不可屏蔽中斷指的是通過NMI引腳引入CPU，不受中斷允許標(biāo)志IF的屏蔽，一個系統(tǒng)一般只允許有一個非屏蔽中斷。而內(nèi)部中斷則是指來自CPU內(nèi)部，由執(zhí)行指令引起的。分為軟件中斷和微處理器內(nèi)部中斷。80C51兩個外部中斷源INT0、INT1和三個內(nèi)部中斷源T0、T1定時/計數(shù)謚出中斷源和串行口發(fā)送或接收中斷源。外部中斷是由外部信號引起的，它們的中斷請求信號分別從引腳INT0和INT1上引入ARM 7TDMIARM 7TDMI具有常規(guī)中斷（IRQ）、快中斷（FIQ）和軟件中斷(SoftWare Interrupt）三種中方式。常規(guī)中斷和快中斷都是硬件中斷?？熘袛嗍菫橹С?jǐn)?shù)

3、據(jù)傳輸或快速數(shù)據(jù)通道而設(shè)計的，為快速處理快中斷。軟件中斷允許運(yùn)行在用戶模式的程序進(jìn)入監(jiān)督模式，并運(yùn)行監(jiān)督態(tài)下的函數(shù)。二、中斷申請方式CPU中斷申請方式X861、對于除法出錯，單步中斷，不可屏蔽中斷NMI，斷點中斷和溢出中斷，CPU分別自動提供中斷類型號04。2、對于用戶自己確定的軟件中斷INT n，類型號由n決定。3、對外部可屏蔽中斷INTR，可以用可編程中斷控制器8259A獲得中斷類型號。8個中斷請求信號接到8259A。當(dāng)外設(shè)申請中斷時，8259A響應(yīng)優(yōu)先權(quán)高的中斷源，將中斷請求信號送到CPU的INTR端。8259A收到CPU發(fā)出的第二個中斷響應(yīng)信號時，將對應(yīng)中斷源的中斷類型號送給CPU，C

4、PU獲取中斷類型號后，自動轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。80C51中斷處理過程：中斷申請、中斷響應(yīng)、中斷處理、中斷返回80C51外部中斷請求有兩種信號觸發(fā)方式?？赏ㄟ^設(shè)置有關(guān)控制位進(jìn)行定義。中斷采樣：針對外部中斷請求信號進(jìn)行的，而內(nèi)部中斷請求都發(fā)生在芯片內(nèi)部，可以直接置位TCON或SCON中的中斷請求標(biāo)志。在每個機(jī)器周期的S5P2期間，各中斷標(biāo)志采樣相應(yīng)的中斷源，并置入相應(yīng)標(biāo)志。中斷查詢：若查詢到某中斷標(biāo)志為1，則按優(yōu)先級的高低進(jìn)行處理，即響應(yīng)中斷。80C51的中斷請求都匯集在TCON和SCON中。中斷響應(yīng)：硬件自動生成長調(diào)用指令為LCALL addr16，而addr16就是各中斷源的中斷矢量地址（

5、見附表一）。ARM 7TDMI進(jìn)入異常過程：1.程序在系統(tǒng)模式下運(yùn)行用戶程序，假定當(dāng)前處理器狀態(tài)為Thumb狀態(tài)、允許IRQ中斷；2.用戶程序運(yùn)行時發(fā)生IRQ中斷，硬件完成以下動作：*置位I位（禁止IRQ中斷）*清零T位（進(jìn)入ARM狀態(tài)）*設(shè)置MOD位，切換處理器模式至IRQ模式*將下一條指令的地址存入IRQ模式的LR寄存器*將CPSR寄存器內(nèi)容存入IRQ模式的SPSR寄存器*將跳轉(zhuǎn)地址存入PC，實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)附表一中斷源中斷矢量地址外部中斷0（INT0）0003H定時器/計數(shù)器0（T0）000BH外部中斷1（INT1）0013H三、中斷優(yōu)先級管理方式CPU中斷優(yōu)先級管理方式X86在8086中各類中

6、斷源的優(yōu)先級：優(yōu)先級 中斷類型1、(高)內(nèi)部中斷(除單步中斷)2、NMI3、INTR (IRQ0,.,IRQ7)4、(低)單步中斷80C51在80C51中，只有兩級中斷優(yōu)先級。通過IP來設(shè)定，IP寄存器中各位設(shè)置為0時，為低中斷優(yōu)先級，為1時，設(shè)為高中斷優(yōu)先級。系統(tǒng)復(fù)位后IP寄存器中各位均為0，全部設(shè)定為低中斷優(yōu)先級。（IP寄存器見附表二）中斷優(yōu)先級控制，還有兩個不可尋址的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器，一個用于指示某一高優(yōu)先級中斷正在進(jìn)行服務(wù)，而屏蔽其它高優(yōu)先級中斷；另一個用于指示某一低優(yōu)先級中斷正在進(jìn)行服務(wù)，從而屏蔽其它低優(yōu)先級中斷，但不能屏蔽高優(yōu)先級中斷。中斷優(yōu)先級由高到低為：外部中斷0， 定時器T0

7、中斷，外部中斷1，定時器T1中斷， 串行口中斷，定時器T2中斷。ARM 7TDMIARM處理器中有7種類型的異常，按優(yōu)先級從高到低的排列如下：復(fù)位異常（Reset）、數(shù)據(jù)異常（Data Abort）、快速中斷異常（FIQ）、外部中斷異常（IRQ）、預(yù)取異常（Prefetch Abort）、軟件中斷(SWI)、未定義指令異常（Undefined instruction）。附表二、80C51 IP寄存器如下：位地址BFHBEHBDHBCHBBHBAHB9HB8H符號_PSPT1PX1PT0PX0中斷處理過程：中斷申請、中斷響應(yīng)、中斷處理、中斷返回四、中斷申請CPU中斷申請X86當(dāng)外設(shè)需要中斷服務(wù)時

8、，由硬件產(chǎn)生一個中斷請求信號INTR發(fā)送給CPU80C5180C51外部中斷請求有兩種信號觸發(fā)方式?？赏ㄟ^設(shè)置有關(guān)控制位進(jìn)行定義。 當(dāng)設(shè)定為電平有效方式時，若INT0或INT1引腳上采樣到有效的低電平，則向CPU提出中斷請求；當(dāng)設(shè)定為跳變有效方式時，若INT0或INT1引腳上采樣到有效負(fù)跳變，則向CPU提出中斷請求ARM 7TDMI當(dāng)異常發(fā)生時，處理器會把PC設(shè)置為一個特定的存儲器地址。異常種類細(xì)說：1、當(dāng)處理器的復(fù)位引腳有效時，系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位異常中斷，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常中斷處理程序處執(zhí)行；2、當(dāng)ARM處理器執(zhí)行協(xié)處理器指令時，它必須等待一個外部協(xié)處理器應(yīng)答后，才能真正執(zhí)行這條指令。若協(xié)處理器沒

9、有響應(yīng)，則發(fā)生未定義指令異常3、軟中斷異常發(fā)生時，處理器進(jìn)入特權(quán)模式，執(zhí)行一些特權(quán)模式下的操作系統(tǒng)功能。4、預(yù)取指令異常是由系統(tǒng)存儲器報告的。當(dāng)處理器試圖去取一條被標(biāo)記為預(yù)取無效的指令時，發(fā)生預(yù)取異常。5、數(shù)據(jù)訪問中止異常是由存儲器發(fā)出數(shù)據(jù)中止信號，它由存儲器訪問指令Load/Store產(chǎn)生。當(dāng)數(shù)據(jù)訪問指令的目標(biāo)地址不存在或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問時，處理器產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問中止異常。6、當(dāng)處理器的外部中斷請求引腳有效，而且CPSR寄存器的I控制位被清除時，處理器產(chǎn)生外部中斷IRQ異常。系統(tǒng)中各外部設(shè)備通常通過該異常中斷請求處理器服務(wù)。7、當(dāng)處理器的快速中斷請求引腳有效且CPSR寄存器的F控制位被

10、清除時，處理器產(chǎn)生快速中斷請求FIQ異常。五、中斷響應(yīng)CPU中斷響應(yīng)X86如果發(fā)生了一個中斷和異常，那么控制單元執(zhí)行下列操作：1、確定與中斷或異常關(guān)聯(lián)的向量i（0 i 255）2、讀由idtr寄存器指向的IDT表中的第i項。3從gdtr寄存器獲得GDT的基地址，并在GDT中查找，以讀取IDT表項中的選擇符標(biāo)識的段描述符。這個描述符指定中斷或異常處理程序所在的段的基地址。4、確信中斷是由授權(quán)的（中斷）發(fā)生源發(fā)出的。首先將當(dāng)前特權(quán)級CPL（存放在cs寄存器的低兩位）與段描述符（存放在GDT中）的描述符特權(quán)級DPL比較。如果CPL小于DPL，就產(chǎn)生一個“通常保護(hù)”異常，因為中斷處理程序的特權(quán)級不能低

11、于引起中斷的程序的特權(quán)。對于編程異常，則做進(jìn)一步的安全檢查：比較CPL與處于IDT中的門描述符的DPL，如果DPL小于CPL，就產(chǎn)生一個“通常保護(hù)”異常，這最后一個檢查可以避免用戶應(yīng)用程序訪問特殊的陷阱門和中斷門。5、檢查是否發(fā)生了特權(quán)級的變化，也就是說，CPL是否不同于所選擇的段描述符的DPL。如果是，控制單元必須開始使用與新的特權(quán)級相關(guān)的棧，通過執(zhí)行以下步驟來保證這一點：A讀tr寄存器，以訪問運(yùn)行進(jìn)程的TSS段。B用與新特權(quán)級相關(guān)的棧段和棧指針的正確值裝載ss和esp寄存器。這些值可以在TSS中找到。C在新的棧中保存ss和esp以前的值，這些值定義了與舊特權(quán)級相關(guān)的棧的邏輯地址。6、如果故

12、障已發(fā)生，用引起異常的指令地址裝載cs和eip寄存器，從而使得這條指令能再次被執(zhí)行。7、在棧中保存eflag、cs和eip的內(nèi)容。8、如果異常產(chǎn)生了一個硬件出錯碼，則將它保存在棧中。9、裝載cs和eip寄存器，其值分別是IDT表中第i項門描述符的段選擇符和偏移量字段。這些值給出了中斷或者異常處理程序的第一條指令的邏輯地址?？刂茊卧鶊?zhí)行的最后一步就是跳轉(zhuǎn)到中斷或異常處理程序。換句話說，處理完中斷信號后，控制單元所執(zhí)行的指令就是被選中處理程序第一條指令。80C51硬件自動生成長調(diào)用指令為LCALL addr16，而addr16就是各中斷源的中斷矢量地址(參見附表三)。中斷響應(yīng)是有條件的，在接受中

13、斷申請時，如遇下列情況之一時，硬件生成的長調(diào)用指令“LCALL”將被封鎖： CPU正在執(zhí)行同級或高一級的中斷服務(wù)程序中。因為當(dāng)一個中斷被響應(yīng)時，其對應(yīng)的中斷優(yōu)先級觸發(fā)器被置“1”，封鎖了同級和低級中斷； 查詢中斷請求的機(jī)器周期不是執(zhí)行當(dāng)前指令的最后一個周期； 當(dāng)前正在執(zhí)行RETI指令或執(zhí)行對IE、IP的讀寫操作指令。80C51中斷系統(tǒng)的特性規(guī)定，在執(zhí)行完這些指令之后，必須再繼續(xù)執(zhí)行一條指令，然后才能響應(yīng)中斷。ARM 7TDMI系統(tǒng)運(yùn)行時，異?？赡軙S時發(fā)生。當(dāng)一個異常出現(xiàn)以后，ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作：1、將下一條指令的地址存入相應(yīng)連接寄存器LR，以便程序在處理異常返回時能從正確的位置

14、重新開始執(zhí)行。2、將CPSR復(fù)制到相應(yīng)的SPSR中。3、根據(jù)異常類型，強(qiáng)制設(shè)置CPSR的運(yùn)行模式位。4、強(qiáng)制PC從相關(guān)的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常處理程序處。這些工作是由ARM 內(nèi)核完成的,不需要用戶程序參與。附表三、80C51各中斷源的中斷矢量地址：中斷源中斷矢量地址外部中斷0（INT0）0003H定時器/計數(shù)器0（T0）000BH外部中斷1（INT1）0013H定時器/計數(shù)器1（T1）001BH串行口（RI、TI）0023H定時器/計數(shù)器2（T2）002BH中斷處理：執(zhí)行中斷服務(wù)程序中規(guī)定的操作六、中斷返回CPU中斷返回X86由中斷服務(wù)程序中的中斷返回指令I(lǐng)RET完

15、成的，執(zhí)行該指令時，將壓入堆棧的斷點和標(biāo)志位彈出，CPU轉(zhuǎn)向被中斷的現(xiàn)行程序中繼續(xù)執(zhí)行80C51RETI的功能：將壓入堆棧的斷點地址從棧頂彈回PC；將優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器清0ARM 7TDMI異常處理完畢之后，ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作從異常返回：1、將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)的偏移量后送到PC中。2、將SPSR復(fù)制回CPSR中。3、若在進(jìn)入異常處理時設(shè)置了中斷禁止位，要在此清除。七、中斷向量CPU中斷向量X86中斷矢量表占據(jù)內(nèi)存的地址范圍是：0000H: 0000H0000H: 03FFH，既是內(nèi)存單元的最低的1K地址范圍。只要有中斷類型號，就可根據(jù)中斷類型號與中斷矢量所在位置之間的對應(yīng)關(guān)系，很方便地就能判斷出中斷關(guān)系矢量表的地址。中斷矢量在中斷矢量表中的地址=中斷類型號4（中斷向量表見附圖四）80C51當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時，由硬件直接產(chǎn)生一個固定的地址，即矢量地址，由矢量地址指出每個中斷源設(shè)備的中斷服務(wù)程序的入口。當(dāng)CPU識別出某個中斷源時，由硬件直接給出一個與該中斷源相對應(yīng)的矢量地址，從而轉(zhuǎn)入各自中斷服務(wù)程序（見附表五）。ARM 7TDMI在32位ARM系統(tǒng)中，一般都是在中斷向量表中放置一條分支指令