1、第五章 中斷,課程名稱：計(jì)算機(jī)組成原理 授課教師：王鐵軍 電子郵箱：,一、 中斷基本概念,1.定義,CPU暫時(shí)中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行為某個(gè)隨機(jī)事態(tài)服務(wù)的中斷處理程序。處理完畢后自動(dòng)恢復(fù)原程序的執(zhí)行。,2.實(shí)質(zhì)與特點(diǎn),（1）實(shí)質(zhì),程序切換,方法：,保存斷點(diǎn)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)；,恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，返回?cái)帱c(diǎn)。,時(shí)間：,一條指令結(jié)束時(shí)切換。,保證程序的完整性。,（2）特點(diǎn),隨機(jī)性,隨機(jī)發(fā)生的事態(tài),注意中斷與轉(zhuǎn)子的區(qū)別。,由硬件請(qǐng)求信號(hào)引發(fā)中斷,（按鍵、故障）,有意調(diào)用,隨機(jī)請(qǐng)求與處理的事態(tài),（調(diào)用打印機(jī)）,隨機(jī)插入的事態(tài),（軟中斷指令插入程序任何位置）,3.中斷分類,（1）硬件中斷與軟中斷,由軟中斷指令引發(fā)中斷

2、,（2）內(nèi)中斷與外中斷,中斷源來(lái)自主機(jī)內(nèi)部,中斷源來(lái)自主機(jī)外部,（3）可屏蔽中斷與非屏蔽中斷,可通過屏蔽字屏蔽該類請(qǐng)求；關(guān)中斷時(shí)不響應(yīng)該類請(qǐng)求。,該類請(qǐng)求與屏蔽字無(wú)關(guān)；請(qǐng)求的響應(yīng)與開/關(guān)中斷無(wú)關(guān)。,由硬件提供服務(wù)程序入口地址,4.中斷典型應(yīng)用,（4）向量中斷與非向量中斷,（1）管理中、低速I/O操作,某事件出現(xiàn)的實(shí)際時(shí)間內(nèi)及時(shí)處理，不是批量處理。,（2）處理故障,服務(wù)程序、中斷向量表,由軟件提供服務(wù)程序入口地址,（3）實(shí)時(shí)處理,（4）人機(jī)對(duì)話,利用時(shí)鐘中斷定時(shí)采集參數(shù)，檢測(cè)，調(diào)節(jié)。,（5）多機(jī)通信,5.中斷系統(tǒng)的組成,（1）軟件：,中斷系統(tǒng)的硬、軟界面,（2）硬件,接口方面：,請(qǐng)求、傳遞、判優(yōu)

3、邏輯,CPU方面：,響應(yīng)邏輯,1.中斷請(qǐng)求的提出與傳遞,（1）如何產(chǎn)生中斷請(qǐng)求？,“完成”標(biāo)志為1,1）使用單獨(dú)請(qǐng)求線,外設(shè)工作完成：,二、 中斷全過程（外中斷）,CPU允許請(qǐng)求：,“屏蔽”標(biāo)志為0,先“屏蔽”，后請(qǐng)求,先請(qǐng)求，后“屏蔽”,（2）如何傳送中斷請(qǐng)求？,2）使用公共請(qǐng)求線,3）二維結(jié)構(gòu)。設(shè)置數(shù)根中斷請(qǐng)求輸入線，他們體現(xiàn)不同的優(yōu)先級(jí)別，稱為主優(yōu)先級(jí)，再將主優(yōu)先級(jí)相同的中斷請(qǐng)求源匯集到該公共請(qǐng)求線上。,4)兼有公共請(qǐng)求線和獨(dú)立請(qǐng)求線，將要求快速響應(yīng)的中斷請(qǐng)求，采用獨(dú)立請(qǐng)求線方式，以便快速識(shí)別，將其余響應(yīng)速度允許相對(duì)低些的中斷請(qǐng)求，匯集為一根公共請(qǐng)求線。,2.中斷判優(yōu),（1）優(yōu)先順序,故

4、障、DMA、外中斷,（2）CPU現(xiàn)行程序與外設(shè)請(qǐng)求的判優(yōu),為現(xiàn)行程序賦予優(yōu)先級(jí),1）CPU設(shè)置允許中斷標(biāo)志,（輸入、輸出）,=1，開中斷,1）軟件判優(yōu),由程序查詢順序確定優(yōu)先級(jí)。,外設(shè)請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)，,例.中斷控制器判優(yōu),響應(yīng),=0，關(guān)中斷,2）CPU設(shè)置程序狀態(tài)字的優(yōu)先級(jí)字段,外設(shè)請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)，,不響應(yīng),（3）各外設(shè)請(qǐng)求的判優(yōu),可靈活修改優(yōu)先級(jí)。,2）硬件判優(yōu),中斷控制器(如8259)集中解決請(qǐng)求信號(hào)的接收、屏蔽、判優(yōu)、編碼等問題。,（模型機(jī)采用）,中斷請(qǐng)求,8259,（對(duì)未屏蔽的請(qǐng)求判優(yōu),生成相應(yīng)中斷號(hào)）,公共請(qǐng)求INT,CPU,（CPU響應(yīng)后，取回中斷號(hào)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)服務(wù)程序。）,3.中斷響應(yīng),（

5、1）響應(yīng)條件,中斷源的序號(hào),IRR：,00010100,7 0,IMR：,00000100,ISR：,00001000,不發(fā)INT,00010100,7 0,00000000,00001000,發(fā)INT,優(yōu)先級(jí)高,優(yōu)先級(jí)低,外設(shè)有請(qǐng)求，且未被屏蔽；,1）非向量中斷,將服務(wù)程序入口組織在查詢程序中；CPU響應(yīng)時(shí)執(zhí)行查詢程序，查詢中斷源，轉(zhuǎn)入相應(yīng)服務(wù)程序。,（2）如何獲取中斷服務(wù)程序的入口地址,CPU開中斷；,一條指令(非停機(jī),指令)結(jié)束；,無(wú)故障、DMA等優(yōu)先級(jí)更高的請(qǐng)求。,2）向量中斷,將服務(wù)程序入口(中斷向量)組織在中斷向量表中；CPU響應(yīng)時(shí)由硬件直接產(chǎn)生相應(yīng)向量地址，按地址查表，取得服務(wù)程

6、序入口，轉(zhuǎn)入相應(yīng)服務(wù)程序。,中斷向量：,服務(wù)程序入口地址、服務(wù)程序狀態(tài)字,中斷向量表：,存放中斷向量的表,（一段存儲(chǔ)區(qū)）,向量地址：,訪問向量表的地址,（指向中斷向量的首址）,例1.模型機(jī)向量表,M按字編址。一個(gè)入口地址16位，占一個(gè)編址單元。,（從主存2#單元開始安排）,向量地址,例2.IBM PC向量表,M按字節(jié)編址。一個(gè)入口地址32位，占4個(gè)編址單元。,（從主存0#單元開始安排）,(單元地址),=中斷號(hào)+2,向量地址,=中斷號(hào)4,向量中斷方式：,（3）響應(yīng)過程,發(fā)響應(yīng)信號(hào)INTA，進(jìn)入中斷周期,關(guān)中斷，保存斷點(diǎn),獲得中斷號(hào)，轉(zhuǎn)換為向量地址，查向量表,取中斷向量，轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序,CPU執(zhí)行

7、中斷隱指令,（硬件完成）,4.中斷處理,CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序。,（1）單級(jí)中斷：,CPU響應(yīng)后只處理一個(gè)中斷源的請(qǐng)求，處理完畢后才能響應(yīng)新的請(qǐng)求。,（2）多重中斷：,在某次中斷服務(wù)過程中，允許響應(yīng)處理更高級(jí)別的中斷請(qǐng)求。,單級(jí)中斷流程：,保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),具體服務(wù)處理,恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng),開中斷、返回,外中斷： 數(shù)據(jù)傳送,禁止同級(jí)或更低級(jí)別的請(qǐng)求，開放更高級(jí)別的請(qǐng)求,多重中斷流程：,開中斷、返回,保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),送新屏蔽字、開中斷,具體服務(wù)處理,關(guān)中斷,恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)及原屏蔽字,5.3.3 中斷接口,1.組成（寄存器級(jí)）,M,CPU,主機(jī)板,（1）寄存器選擇,對(duì)接口寄存器尋址。,（2）命令字寄存器,接收CPU發(fā)向外設(shè)的命

8、令字，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)操作命令送外設(shè)。,命令字格式的擬定：,接口板,用代碼表示各種命令,代碼位數(shù),代碼含義,（3）狀態(tài)字寄存器,反映設(shè)備和接口的運(yùn)行狀態(tài)。,（4）數(shù)據(jù)緩沖器,傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)緩沖。,（5）控制邏輯,請(qǐng)求信號(hào)產(chǎn)生邏輯,狀態(tài)字格式的擬定：,用代碼表示各種狀態(tài)。,（6）公用中斷控制器,接收外設(shè)請(qǐng)求，判優(yōu)，送出公共請(qǐng)求；,電平轉(zhuǎn)換邏輯,針對(duì)設(shè)備特性的邏輯,串-并轉(zhuǎn)換邏輯(串口),接收中斷批準(zhǔn)，送出中斷號(hào)（中斷類型碼）。,（1）初始化：設(shè)置工作方式，送屏蔽字，送中斷號(hào)(確定高位)。,（2）發(fā)啟動(dòng)命令(送命令字)，啟動(dòng)設(shè)備。,（3）設(shè)備完成工作，申請(qǐng)中斷。,2.工作過程（外中斷）,（4）中斷控制器

9、匯集各請(qǐng)求，經(jīng)屏蔽、判優(yōu)，形成中斷號(hào)，并向CPU送INT。,（5）CPU響應(yīng)，發(fā)批準(zhǔn)INTA。,（6）中斷控制器送出中斷號(hào)。,（7）CPU執(zhí)行中斷隱指令操作，進(jìn)入服務(wù)程序。,中斷控制器,命令字R,狀態(tài)字R,控制邏輯,數(shù)據(jù)緩沖器,涉及命令字、狀態(tài)字格式的擬定，中斷源的擴(kuò)展。,例.模型機(jī)需擴(kuò)展兩個(gè)外中斷源，共用一個(gè)中斷號(hào)。,3.接口設(shè)計(jì),主機(jī)發(fā)向外設(shè)的命令包括：?jiǎn)?dòng)、停止、數(shù)據(jù)選通；,外設(shè)的狀態(tài)包括：忙、完成、出錯(cuò)。,為兩個(gè)擴(kuò)展中斷源設(shè)計(jì)中斷接口。,模型機(jī)的外中斷源安排：,通過IRQ2進(jìn)行擴(kuò)展。,（1）接口組成,兩個(gè)擴(kuò)展中斷源共用一個(gè)接口。,5 4 3 2 1 0,命令字格式：,狀態(tài)字格式：,（2

10、）判斷中斷源,向量中斷與非向量中斷相結(jié)合,(軟件擴(kuò)展),請(qǐng)求1與請(qǐng)求2在控制邏輯中形成公共請(qǐng)求IRQ2，送入8259參加判優(yōu)；,CPU響應(yīng)后執(zhí)行IRQ2服務(wù)程序,CPU在IRQ2服務(wù)程序中查詢各設(shè)備狀態(tài)，判中斷源，轉(zhuǎn)入相應(yīng)設(shè)備服務(wù)程序,(向量中斷過程)；,(非向量中斷過程)。,某機(jī)連接一臺(tái)打印機(jī)。主機(jī)能向打印機(jī)發(fā)出啟動(dòng)、屏蔽、初始化、走紙、選通等命令，打印機(jī)能向主機(jī)提供忙、確認(rèn)、紙完、聯(lián)機(jī)、出錯(cuò)等狀態(tài)信息。 請(qǐng)為打印機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)并行中斷接口，中斷控制邏輯采用8259A中斷控制器。 1.畫出該接口寄存器級(jí)粗框圖。 2.擬定命令字和狀態(tài)字格式 3.描述打印機(jī)接口的中斷過程。需說明： 1）何時(shí)提出中斷請(qǐng)求 2）請(qǐng)求信號(hào)如何轉(zhuǎn)換為服務(wù)程序的入口 3）在單級(jí)中斷方式下，打印機(jī)中斷服務(wù)主要完成哪些工作。,打印機(jī)準(zhǔn)備好或打印完一行時(shí)，申請(qǐng)中斷。 請(qǐng)求信號(hào)送8259，經(jīng)屏蔽、判優(yōu)、產(chǎn)生公共請(qǐng)求送cpu，cpu響應(yīng)，發(fā)出批準(zhǔn)信號(hào)INTA，并關(guān)中斷，保存斷點(diǎn)，從8259取回打印機(jī)中斷類型碼，轉(zhuǎn)換為向量地址，查向量表，轉(zhuǎn)打印機(jī)中斷程序入口。 打印機(jī)在中斷程序保存有關(guān)寄存器內(nèi)容，向接口緩沖器送數(shù)據(jù)，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，開中斷返回。,某主機(jī)連接兩個(gè)輸入設(shè)備，兩個(gè)輸入設(shè)備（設(shè)備1和設(shè)備2，設(shè)備1的優(yōu)先級(jí)比設(shè)備2的優(yōu)先級(jí)高）按串行方式工作，并共