1、程序中斷方式,8.3 程序中斷方式,8.3.1中斷的概念、功能 8.3.2程序中斷方式的基本接口 8.3.3單級中斷 8.3.4多級中斷 8.3.5Pentium中斷機(jī)制,8.3.1中斷的概念、功能,中斷（Interrupt）是指CPU暫時中止現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理隨機(jī)發(fā)生的緊急事件，處理完后自動返回原程序的功能和技術(shù)。 中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中斷功能的軟硬件總稱。一般在CPU中設(shè)置中斷機(jī)構(gòu)，在外設(shè)接口中設(shè)置中斷控制器，在軟件上設(shè)置相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。,8.3.1中斷的概念、功能,中斷適合于處理隨機(jī)出現(xiàn)的事務(wù) 主程序只在設(shè)備就緒時才與之交互數(shù)據(jù),8.3.1中斷的概念、功能,中斷系統(tǒng)的功能包括： 1)

2、實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外設(shè)的并行工作； 2)處理故障； 3)實(shí)現(xiàn)多道程序的分時操作； 4)實(shí)時控制； 5)實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系； 6)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。,8.3.1中斷的概念、功能,中斷源：能夠向CPU發(fā)出中斷請求的事件。 常見中斷源有： 輸入、輸出設(shè)備中斷。如鍵盤、打印機(jī)等工作過程中已做好接收或發(fā)送準(zhǔn)備。 數(shù)據(jù)通道中斷。如磁盤、磁帶等要同主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。 實(shí)時時鐘中斷。 故障中斷。例如電源掉電、設(shè)備故障等要求CPU進(jìn)行緊急處理等。 系統(tǒng)中斷。如運(yùn)算過程出現(xiàn)溢出、數(shù)據(jù)格式非法，數(shù)據(jù)傳送過程出現(xiàn)校驗(yàn)錯，控制器遇到非法指令等等。 為了調(diào)試程序而設(shè)置的中斷。,8.3.1中斷的概念、功能,硬件實(shí)現(xiàn),軟件實(shí)現(xiàn),不再接中斷,

3、可再接中斷,8.3.1中斷的概念、功能,中斷處理過程注意幾個問題： 響應(yīng)中斷時機(jī)：外界中斷請求是隨機(jī)的，但CPU只有在當(dāng)前指令執(zhí)行完畢后，才轉(zhuǎn)至公操作 斷點(diǎn)保護(hù)問題（PC，寄存器內(nèi)容和狀態(tài)的保存） 中斷屏蔽：開中斷和關(guān)中斷問題。 中斷是由軟硬件結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)的,8.3.2程序中斷方式的基本I/O接口,數(shù)據(jù)緩沖寄存器 BS外設(shè)接口忙（BuSy）標(biāo)志 RD外設(shè)準(zhǔn)備就緒（ReaDy）標(biāo)志 EI（Enable Interrupt中斷允許觸發(fā)器） IR（Interrupt Request）中斷請求觸發(fā)器 IM（Interrupt Mask）中斷屏蔽觸發(fā)器,8.3.2程序中斷方式的基本接口,表示由程序啟動外

4、設(shè)，將該外設(shè)接口的“忙”標(biāo)志BS置“1”，“準(zhǔn)備就緒”標(biāo)志RD清“0”；,表示接口向外設(shè)發(fā)出啟動信號；,表示數(shù)據(jù)由外設(shè)傳送到接口的緩沖寄存器；,表示當(dāng)設(shè)備動作結(jié)束或緩沖寄存器數(shù)據(jù)填滿時，設(shè)備向接口送出一 控制信號，將數(shù)據(jù)“準(zhǔn)備就緒”標(biāo)志RD置“1”；,表示允許中斷標(biāo)志EI為“1”時，接口向CPU發(fā)出中斷請求信號；,表示在一條指令執(zhí)行末尾CPU檢查中斷請求線， 將中斷請求線的請求信號接收到“中斷請求”標(biāo)志IR；,表示如果“中斷屏蔽”標(biāo)志IM為“0”時，CPU在一條指令執(zhí)行結(jié)束 后受理外設(shè)的中斷請求，向外設(shè)發(fā)出響應(yīng)中斷信號并關(guān)閉中斷；,表示轉(zhuǎn)向該設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口；,表示中斷服務(wù)程序通過輸入指

5、令把接口中數(shù)據(jù)緩沖寄存器的數(shù)據(jù)讀至CPU中的寄存器；,（10）表示CPU發(fā)出控制信號C將接口中的BS和RD標(biāo)志復(fù)位。,8.3.3單級中斷,所有中斷源屬于同一級，離CPU越近，優(yōu)先級越高。 要點(diǎn)：在執(zhí)行某個中斷請求的過程中，不允許其他中斷源再打斷中斷服務(wù)程序。即使其優(yōu)先級別更高。 單級中斷示意圖8.7類似于第六章的鏈?zhǔn)讲樵兎绞健?8.3.3單級中斷,中斷響應(yīng)：,8.3.3單級中斷,中斷源的識別：串行排隊(duì)鏈法（菊花鏈查詢方式） IR1，IR2，IR3為中斷請求信號 IS1，IS2，IS3為中斷選中信號 INTI為中斷排隊(duì)輸入 INTO為中斷排隊(duì)輸出 中斷源識別之后獲取中斷向量 當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時，

6、由硬件直接產(chǎn)生一個固定的地址(即向量地址) 由向量地址指出每個中斷源設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口，這種方法通常稱為向量中斷。,8.3.4多級中斷,概念：多級中斷系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有相當(dāng)多的中斷源，根據(jù)各中斷事件的輕重緩急程度不同而分成若干級別，每一中斷級分配給一個優(yōu)先權(quán)。 多級指的是優(yōu)先權(quán)級別有多個 每級有一個中斷優(yōu)先權(quán) 優(yōu)先權(quán)高的中斷級別級可以打斷低的級別 如圖8.9示,8.3.4多級中斷,-多級中斷可分為一維多級中斷和二維多級中斷 一維多級中斷：每一級中斷中有一個中斷源。 二維多級中斷：每一級中斷中有多個中斷源 -說明： 中斷響應(yīng)時，確定哪一級中斷和中斷源采用硬件實(shí)現(xiàn)。采用了獨(dú)立請求方式和鏈?zhǔn)?/p>

7、查詢方式相結(jié)合的方式。多級中斷可以嵌套，但同一級的中斷不允許嵌套 使用多級堆棧保存現(xiàn)場（包括IM） 一個系統(tǒng)有n級中斷，則CPU中有n個IR，n個IM，某級中斷被響應(yīng)后，則關(guān)閉本級和低于本級的IM，開放更高級的IM。,8.3.4多級中斷,8.3.4多級中斷,多級中斷源的識別 中斷優(yōu)先排隊(duì)電路 中斷向量產(chǎn)生電路,舉例,例1、參見圖8.9所示的二維中斷系統(tǒng)。請問： (1)在中斷情況下，CPU和設(shè)備的優(yōu)先級如何考慮?請按降序排列各設(shè)備的中斷優(yōu)先級。 答：在中斷情況下，CPU的優(yōu)先級最低。各設(shè)備的優(yōu)先次序是：ABCDEFGHICPU。,(2)若CPU現(xiàn)執(zhí)行設(shè)備B的中斷服務(wù)程序，IM2，IM1，IM0的

8、狀態(tài)是什么?如果CPU執(zhí)行設(shè) 備D的中斷服務(wù)程序，IM2，IM1，IM0的狀態(tài)又是什么? 答：當(dāng)前執(zhí)行B的中斷： IM2，IM1，IM0為111 當(dāng)前執(zhí)行D的中斷： IM2，IM1，IM0為011,(3)每一級的IM能否對某個優(yōu)先級的個別設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行屏蔽?如果不能，采取什么辦法可達(dá)到目的? 答：不能，因?yàn)楣灿肐M。 通過設(shè)置允許中斷觸發(fā)器為0，禁止該設(shè)備發(fā)出中斷，對其屏蔽。,(4)假如設(shè)備C一提出中斷請求，CPU立即進(jìn)行響應(yīng)，如何調(diào)整才能滿足此要求? 答：增加更高一級（第3級）的中斷請求邏輯，將C單獨(dú)放置于第3級中。,例2（略）：參見例1所示的系統(tǒng)，只考慮A，B，C三個設(shè)備組成的單級中斷結(jié)構(gòu)，

9、它要求CPU在執(zhí)行完當(dāng)前指令時對中斷請求進(jìn)行服務(wù)。假設(shè)：(1)CPU“中斷批準(zhǔn)”機(jī)構(gòu)在響應(yīng)一個新的中斷之前，先要讓被中斷的程序的一條指令一定要執(zhí)行完畢；(2)TDC為查詢鏈中每個設(shè)備的延遲時間；(3)TA，TB，TC分別為設(shè)備A，B，C的服務(wù)程序所需的執(zhí)行時間； (4)TS,TR為保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場所需的時間；(5)主存工作周期為TM。 試問：就這個中斷請求環(huán)境來說，系統(tǒng)在什么情況下達(dá)到中斷飽和?,中斷處理流程，并假設(shè)執(zhí)行一條指令的時間也為TM。如果三個設(shè)備同時發(fā)出中斷請求，那么依次分別處理設(shè)備A、設(shè)備B、設(shè)備C的時間如下： tA = 2TM + TDC + TS + TA + TR tB =

10、 2TM + 2TDC + TS + TB + TR tC = 2TM + 3TDC + TS + TC + TR 處理三個設(shè)備所需的總時間為：T=tA+tB+tC T是達(dá)到中斷飽和的最小時間，即中斷極限頻率為：f=1/T,訪問存儲器Tm,訪問存儲器Tm,0、指令周期 1、鏈?zhǔn)讲樵僒dc 2、保護(hù)現(xiàn)場Ts 3、恢復(fù)現(xiàn)場Tr,8.3.5中斷控制器,8259中斷控制器是一個集成電路芯片，它將中斷接口與優(yōu)先級判斷等功能匯集于一身，常用于微型機(jī)系統(tǒng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8.11所示。 8位中斷請求寄存器(IR)接受8個外部設(shè)備送來的中斷請求，每一位對應(yīng)一個設(shè)備。 中斷請求寄存器的各位送入優(yōu)先權(quán)判斷器，根據(jù)中

11、斷屏蔽寄存器(IM)各位的狀態(tài)來決定最高優(yōu)先級的中斷請求，并將各位的狀態(tài)送入中斷狀態(tài)寄存器IS。IS保存著判優(yōu)結(jié)果。由控制邏輯向CPU發(fā)出中斷請求信號INT，并接受CPU的中斷響應(yīng)信號INTA。 數(shù)據(jù)緩沖器用于保存CPU內(nèi)部總線與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線之間進(jìn)行傳送的數(shù)據(jù)。 讀/寫邏輯決定數(shù)據(jù)傳送的方向，其中IOR為讀控制，IOW為寫控制，CS為設(shè)備選擇，A0為I/O端口識別。,8.3.5中斷控制器（略）,多個8259進(jìn)行級聯(lián)以處理多達(dá)64個中斷請求。在這種情況下允許有一個主中斷控制器和多個從中斷控制器，稱為主從系統(tǒng)。 優(yōu)先級選擇方式有四種： 完全嵌套方式：是一種固定優(yōu)先級方式，連至IR0的設(shè)備優(yōu)先級最高

12、，IR7的優(yōu)先級最低。這種固定優(yōu)先級方式對級別低的中斷不利，在有些情況下最低級別的中斷請求可能一直不能被處理。 輪換優(yōu)先級方式A：每個級別的中斷保證有機(jī)會被處理，將給定的中斷級別處理完后，立即把它放到最低級別的位置上去。 輪換優(yōu)先級方式B：要求CPU可在任何時間規(guī)定最優(yōu)優(yōu)先級，然后順序地規(guī)定其他IR線上的優(yōu)先級。 查詢方式：由CPU訪問8259的中斷狀態(tài)寄存器，一個狀態(tài)字能表示出正在請求中斷的最高優(yōu)先級IR線，并能表示出中斷請求是否有效。,8.3.5中斷控制器,8259提供了兩種屏蔽方式： 簡單屏蔽方式，提供8位屏蔽字，每位對應(yīng)著各自的IR線。被置位的任一位則禁止了對應(yīng)IR線上的中斷。 特殊屏蔽方式，允許CPU讓來自低優(yōu)先級的外設(shè)中斷請