前言

老實(shí)話，不知道這個(gè)中斷有沒有寫的必要，因?yàn)榫W(wǎng)上有太多的優(yōu)秀的文章。

但是最后看了好多篇前輩們的文章后，仿佛懂了，但是總感覺不得勁。最后發(fā)現(xiàn)前輩的大多數(shù)內(nèi)容都是很局部的，這不是因?yàn)榍拜厒兊哪芰Γ皇且驗(yàn)榍拜呄氡M量用簡短的文字去描述一些知識(shí)。

于是這篇畢竟啰嗦的文章就產(chǎn)生了，之前恰好也搞了gic，于是這里x86和arm都會(huì)有所涉及，相信這篇文章會(huì)對你有所收獲。

1、從硬件看什么是中斷？

1、前言

所謂中斷，是指CPU在正常運(yùn)行程序時(shí)，由程序預(yù)先安排好的事件，或者由內(nèi)、外部事件引起CPU中斷正在運(yùn)行的程序，而轉(zhuǎn)到為預(yù)先安排的事件或內(nèi)、外部事件服務(wù)的程序中去。

??這些引起程序中斷的事件稱為中斷源。

??預(yù)先安排好的事件是指PC的中斷指令。

執(zhí)行到此，立即轉(zhuǎn)到對應(yīng)的服務(wù)程序去執(zhí)行。

內(nèi)部事件是指系統(tǒng)板上出現(xiàn)的一些事件信號(hào)，中斷指令也可看做內(nèi)部事件。

外部事件是指某些接口設(shè)備所發(fā)出的請求中斷程序執(zhí)行的信號(hào)，這些信號(hào)稱為中斷請求信號(hào)。

中斷請求信號(hào)何時(shí)發(fā)生是不可預(yù)知的，然而，它們一旦請求中斷，就會(huì)向CPU發(fā)出電信號(hào)，因此這些信號(hào)CPU是可以測知的。這樣，CPU就無需花大量的時(shí)間去查詢這些信號(hào)。

例如，鍵盤何時(shí)有鍵按下是隨機(jī)的，因而CPU可以對鍵盤不加等待，而去執(zhí)行其他程序，一旦有鍵按下，鍵盤馬上產(chǎn)生中斷信號(hào)，CPU得知這一信號(hào)后，就立即去執(zhí)行為鍵盤服務(wù)的中斷程序，服務(wù)結(jié)束后，CPU又恢復(fù)執(zhí)行被中斷了的程序。

??中斷服務(wù)程序執(zhí)行完，返回原來執(zhí)行程序的中斷處（稱為斷點(diǎn)）繼續(xù)往下執(zhí)行，稱為中斷返回。

??有時(shí)中斷請求信號(hào)（即中斷源）可能有好幾個(gè)，因此CPU響應(yīng)這些中斷就得有先后次序，這稱為中斷的優(yōu)先級。

優(yōu)先級高的中斷，CPU首先響應(yīng)；優(yōu)先級低的中斷暫不響應(yīng)，稱為掛起。

??有些中斷源產(chǎn)生的中斷，可以用編程的方法，使CPU不予理睬，這叫做中斷的屏蔽。

CPU響應(yīng)中斷轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序前，需要把被中斷程序的現(xiàn)場信息保存起來，以便執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，接著從被中斷程序的斷點(diǎn)處繼續(xù)往下執(zhí)行。

現(xiàn)場信息包括程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容、CPU的狀態(tài)信息、執(zhí)行指令后的結(jié)果特征和一些通用寄存器的內(nèi)容。

有些信息的保存，如程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容等，由機(jī)器硬件預(yù)先安排完成，稱為中斷處理的隱操作；而有些信息的保存是在中斷服務(wù)程序中預(yù)先安排的。

CPU響應(yīng)中斷，由中斷源提供地址信息，引導(dǎo)程序轉(zhuǎn)移并執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這個(gè)地址信息稱為中斷向量，它一般是和中斷源相對應(yīng)的。PC采用類型碼來標(biāo)識(shí)中斷源。

在數(shù)據(jù)采集或?qū)崟r(shí)控制中，CPU對接口設(shè)備的控制或交換信息，可采用查詢、中斷、DMA等方式，而中斷方式以其執(zhí)行速度快，可實(shí)時(shí)處理，不占用CPU過多的時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，在接口技術(shù)中較多地被采用。

2、中斷概述

1-中斷的必要性

如上所述，CPU在與外設(shè)交換信息時(shí)，若用查詢的方式，則CPU就要浪費(fèi)很多時(shí)間去等待外設(shè)。

這樣就存在一個(gè)快速的CPU與慢速的外設(shè)之間的矛盾，這也是計(jì)算機(jī)在發(fā)展過程中遇到的嚴(yán)重問題之一。為解決這個(gè)問題，一方面要提高外設(shè)的工作速度；另一方面發(fā)展了中斷的概念。中斷有以下好處。

??1．同步操作

有了中斷功能，就可以使CPU和外設(shè)同時(shí)工作。?CPU在啟動(dòng)外設(shè)工作后，就繼續(xù)執(zhí)行主程序，同時(shí)外設(shè)也在工作；當(dāng)外設(shè)把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，發(fā)出中斷申請，請求CPU中斷它的程序，執(zhí)行輸入或輸出（中斷處理）；處理完以后，CPU恢復(fù)執(zhí)行主程序，外設(shè)也繼續(xù)工作。而且有了中斷功能，CPU可命令多個(gè)外設(shè)同時(shí)工作，這樣就大大提高了CPU的利用率，也提高了輸入、輸出的速度。

? 2．實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理 當(dāng)計(jì)算機(jī)用于實(shí)時(shí)控制時(shí)，中斷是一個(gè)十分重要的功能。現(xiàn)場的各種參數(shù)、信息，需要的話可在任何時(shí)間發(fā)出中斷申請，要求CPU處理；CPU可以馬上響應(yīng)（若中斷是開放的話）并加以處理。這樣的及時(shí)處理在查詢工作方式下是做不到的。

? 3．故障處理 計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中，往往會(huì)出現(xiàn)事先預(yù)料不到的情況，或出現(xiàn)一些故障，如電源突跳、存儲(chǔ)器出錯(cuò)、運(yùn)算溢出等，計(jì)算機(jī)可以利用中斷系統(tǒng)自行處理，不必停機(jī)或報(bào)告工作人員。

2 中斷源

引起中斷的原因，或能發(fā)出中斷申請的來源，稱為中斷源。通常中斷源有以下幾種。

? 1．一般的輸入/輸出設(shè)備 如鍵盤、紙帶讀入機(jī)、打印機(jī)等。

? 2．?dāng)?shù)據(jù)通道中斷源 如磁盤、磁帶等。3．實(shí)時(shí)時(shí)鐘

? 3．實(shí)時(shí)時(shí)鐘 在控制中，常遇到時(shí)間控制問題等，若用CPU執(zhí)行一段程序來實(shí)現(xiàn)延時(shí)的方法，則在這段時(shí)間內(nèi)，CPU不能干別的工作，降低了CPU的利用率。所以，常采用外部時(shí)鐘電路，當(dāng)需要定時(shí)時(shí)，CPU發(fā)出命令，令時(shí)鐘電路（電路的定時(shí)時(shí)間通常是可編程的，即可用程序來確定和改變）開始工作，待規(guī)定的時(shí)間到了后，時(shí)鐘電路發(fā)出中斷申請，由CPU加以處理。（看門狗）

? 4．故障源 例如，電源掉電時(shí)，需要把正在執(zhí)行的程序的狀態(tài)——PC（或IP）、各個(gè)寄存器的內(nèi)容和標(biāo)志位的狀態(tài)保留下來，以便重新供電后能從斷點(diǎn)處繼續(xù)運(yùn)行。另外，目前絕大部分微型計(jì)算機(jī)中，RAM為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，電源掉電后，必須接入備用電源（電池）供電，以保護(hù)存儲(chǔ)器中的信息。所以，在直流電源上并上大電容，使其因掉電或電壓下降到一定值時(shí)就發(fā)出中斷申請，由計(jì)算機(jī)的中斷系統(tǒng)執(zhí)行上述的各項(xiàng)操作。

? 5．為調(diào)試程序而設(shè)置的中斷源 一個(gè)新程序編制好以后，必須經(jīng)過反復(fù)調(diào)試才能可靠地工作。在程序調(diào)試時(shí)，為了檢查結(jié)果，或?yàn)榱藢ふ颐∷冢笤诔绦蛑性O(shè)置斷點(diǎn)，或進(jìn)行單步工作（一次只執(zhí)行一條指令），這要由中斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。?（斷點(diǎn)竟然是中斷）

3 中斷系統(tǒng)的功能

為了滿足上述各種情況下的中斷要求，中斷系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能。

? 1．實(shí)現(xiàn)中斷及返回 當(dāng)某一中斷源發(fā)出中斷申請時(shí)，CPU能決定是否響應(yīng)這個(gè)中斷請求（當(dāng)CPU在執(zhí)行更緊急、更重要的工作時(shí)，可以暫不響應(yīng)中斷）。若允許響應(yīng)這個(gè)中斷請求，CPU必須在現(xiàn)行的指令執(zhí)行完后，把斷點(diǎn)處的IP和CS的值（即下一條應(yīng)執(zhí)行指令的地址）、各個(gè)寄存器的內(nèi)容和標(biāo)志位的狀態(tài)，推入堆棧保留下來──保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場。然后才能轉(zhuǎn)到需要處理的中斷源的服務(wù)程序（Interrupt Service Routine）的入口，同時(shí)清除中斷請求觸發(fā)器。當(dāng)中斷處理完后，恢復(fù)被保留下來的各個(gè)寄存器和標(biāo)志位的狀態(tài)（稱為恢復(fù)現(xiàn)場），并恢復(fù)IP和CS的值（稱為恢復(fù)斷點(diǎn)），使CPU返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行主程序。

? 2．能實(shí)現(xiàn)優(yōu)先排隊(duì) 通常，在系統(tǒng)中有多個(gè)中斷源，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或更多個(gè)中斷源同時(shí)提出中斷請求的情況，這樣就必須要求設(shè)計(jì)者事先根據(jù)輕重緩急，給每個(gè)中斷源確定一個(gè)中斷級別──優(yōu)先權(quán)。當(dāng)多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)出中斷申請時(shí)，CPU能找到優(yōu)先權(quán)級別最高的中斷源，響應(yīng)它的中斷請求；在優(yōu)先權(quán)級別最高的中斷源處理完以后，再響應(yīng)級別較低的中斷源。

? 3．高級中斷源能中斷低級的中斷處理 當(dāng)CPU響應(yīng)某一中斷源的請求，在進(jìn)行中斷處理時(shí)，若有優(yōu)先權(quán)級別更高的中斷源發(fā)出中斷申請，則CPU要能中斷正在進(jìn)行的中斷服務(wù)程序，保留這個(gè)程序的斷點(diǎn)和現(xiàn)場（類似于子程序嵌套），響應(yīng)高級中斷，在高級中斷處理完以后，再繼續(xù)執(zhí)行被中斷的中斷服務(wù)程序。當(dāng)發(fā)出新的中斷申請的中斷源的優(yōu)先級別與正在處理的中斷源為同級或更低時(shí)，CPU就先不響應(yīng)這個(gè)中斷申請，直至正在處理的中斷服務(wù)程序執(zhí)行完以后才去處理新的中斷申請。

3、CPU響應(yīng)中斷的條件和過程

由于引腳的限制，CPU的中斷請求線的數(shù)量是有限的。例如，8088只有一條可屏蔽硬件中斷請求線（INTR）。最簡單的情況當(dāng)然是只有一個(gè)中斷源，我們就從這個(gè)最簡單的情況分析。

1 CPU響應(yīng)中斷的條件

??1．設(shè)置中斷請求觸發(fā)器

每一個(gè)中斷源，要能發(fā)出中斷請求信號(hào)，且這個(gè)信號(hào)能一直保持到CPU響應(yīng)這個(gè)中斷請求后，才可清除中斷請求。故要求每一個(gè)中斷源有一個(gè)中斷源請求觸發(fā)器A，如圖所示。

圖1 設(shè)置中斷請求的電路

? 2．設(shè)置中斷屏蔽觸發(fā)器 在實(shí)際系統(tǒng)中，往往有多個(gè)中斷源。為了增強(qiáng)控制的靈活性，需要在每一個(gè)外設(shè)的接口電路中增加一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器B，只有當(dāng)此觸發(fā)器的輸出為“1”時(shí)，外設(shè)的中斷請求才能被送至CPU，如圖2所示。可把8個(gè)外設(shè)的中斷屏蔽觸發(fā)器組成一個(gè)端口，用輸出指令來控制它們的狀態(tài)。

圖2 具有中斷屏蔽的接口電路

2 CPU對中斷的響應(yīng)

??3．中斷是開放的

在CPU內(nèi)部有一個(gè)中斷允許觸發(fā)器。只有當(dāng)其為“1”時(shí)（即中斷開放時(shí)），CPU才能響應(yīng)中斷；若其為“0”（即中斷是關(guān)閉的），則即使INTR線上有中斷請求，CPU也不響應(yīng)。

這個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)可由STI和CLI指令改變。+?當(dāng)CPU復(fù)位時(shí)，中斷允許觸發(fā)器的輸出為“0”，即關(guān)中斷，所以必須用STI指令開中斷。+?當(dāng)中斷響應(yīng)后，CPU自動(dòng)關(guān)中斷，所以必須在中斷服務(wù)程序中用STI指令開中斷。

??4．CPU在現(xiàn)行指令結(jié)束后響應(yīng)中斷

CPU在現(xiàn)行指令運(yùn)行到最后一個(gè)機(jī)器周期的最后一個(gè)T狀態(tài)時(shí)，才采樣INTR線。

若發(fā)現(xiàn)有中斷請求，則把內(nèi)部的中斷鎖存器置“1”，下一個(gè)機(jī)器周期不進(jìn)入取指周期，而進(jìn)入中斷周期。其時(shí)序流程如圖3所示。

圖3 中斷時(shí)序流程圖

當(dāng)滿足上述條件后，CPU響應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)入中斷周期，CPU做以下幾件事。

??1．關(guān)中斷

8088在CPU響應(yīng)中斷后，發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)INTA的同時(shí)，內(nèi)部自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)關(guān)中斷。

??2．保留斷點(diǎn)

CPU響應(yīng)中斷，封鎖IP+1，且把IP和CS推入堆棧保留，以備中斷處理完畢后，能返回主程序。

??3．保護(hù)現(xiàn)場

為了使中斷處理程序不影響主程序的運(yùn)行，故要把斷點(diǎn)處有關(guān)的各個(gè)寄存器的內(nèi)容和標(biāo)志位的狀態(tài)，推入堆棧保護(hù)起來。8088通過軟件（即在中斷服務(wù)程序中）把要用到的寄存器的內(nèi)容用PUSH指令推入堆棧。

??4．給出中斷入口，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序

8088由中斷源提供的中斷矢量形成中斷入口地址（即中斷服務(wù)程序的起始地址）。在中斷服務(wù)程序完成后，還要做下述的5、6兩步工作。

? 5．恢復(fù)現(xiàn)場 把所保存的各個(gè)內(nèi)部寄存器的內(nèi)容和標(biāo)志位的狀態(tài)，從堆棧彈出，送回CPU中的原來位置。這個(gè)操作在8088中也是通過服務(wù)程序中的POP指令來完成的。

??6．開中斷與返回

在中斷服務(wù)程序的最后，要開中斷（以便CPU能響應(yīng)新的中斷請求）和安排一條返回指令，將堆棧內(nèi)保存的IP和CS的值彈出，程序恢復(fù)到主程序中運(yùn)行。

上述過程可用如圖4所示的流程圖表示。

圖4 中斷響應(yīng)、服務(wù)及返回流程圖

4、中斷優(yōu)先權(quán)及多重中斷

1 中斷優(yōu)先權(quán)

如前所述，實(shí)際的系統(tǒng)中，是有多個(gè)中斷源的，但是，由于CPU引腳的限制，往往只有一條中斷請求線。于是，當(dāng)有多個(gè)外中斷源同時(shí)請求時(shí)，CPU就要識(shí)別出哪些中斷源有中斷請求，辨別和比較它們的優(yōu)先權(quán)（Priority），先響應(yīng)優(yōu)先權(quán)級別最高的中斷請求。另外，當(dāng)CPU處理中斷時(shí)，也要能響應(yīng)更高級的中斷請求，而屏蔽掉同級或較低級的中斷請求。

要判別和確定各個(gè)中斷源的優(yōu)先權(quán)可以用軟件和硬件兩種方法。

1．用軟件確定中斷優(yōu)先權(quán)

軟件采用查詢技術(shù)。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后，就用軟件查詢以確定是哪些外設(shè)申請了中斷，并判斷它們的優(yōu)先權(quán)。

把8個(gè)外設(shè)的中斷請求觸發(fā)器組合起來，作為一個(gè)端口，并賦以設(shè)備號(hào)，如圖5所示，把各個(gè)外設(shè)的中斷請求信號(hào)相“或”后，作為INTR信號(hào)，故任一外設(shè)有中斷請求，都可向CPU送出INTR信號(hào)。

當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后，把中斷寄存器的狀態(tài)，作為一個(gè)外設(shè)讀入CPU，逐位檢測它們的狀態(tài)，若有中斷請求就轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序的入口。其流程如圖6所示。

查詢程序有兩種實(shí)現(xiàn)方式

??（1）屏蔽法IN ???? AL，[20H]????；輸入中斷請求觸發(fā)器的狀態(tài)
TEST ?? AL，80H ?????；檢查最高位
JNE ??? PWF ?????????；外設(shè)A中斷服務(wù)程序
TEST ?? AL，40H ?????；檢查次高位
JNE ??? DISS ????????；外設(shè)B中斷服務(wù)程序
TEST????AL，20H
JNE ??? MT ??????????；外設(shè)C中斷服務(wù)程序

??（2）移位法XOR?????AL，AL
IN ???? AL ，[20H]???；輸入中斷請求觸發(fā)器的狀態(tài)
RCL?????AL，1
JC ???? PWF ?????????；?外設(shè)A中斷服務(wù)程序
RCL?????AL，1
JC ???? DISS ????????；?外設(shè)B中斷服務(wù)程序
……查詢技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：

??① 詢問的次序，即是優(yōu)先權(quán)的次序。顯然，最先詢問的，優(yōu)先權(quán)的級別最高。

??② 省硬件。不需要有判斷與確定優(yōu)先權(quán)的硬件排隊(duì)電路。

缺點(diǎn)是：由詢問轉(zhuǎn)至相應(yīng)的服務(wù)程序入口的時(shí)間長，尤其是在中斷源較多的情況下。

2．硬件優(yōu)先權(quán)排隊(duì)電路

??（1）中斷優(yōu)先權(quán)編碼電路

采用硬件編碼器和比較器的優(yōu)先權(quán)排隊(duì)電路，如圖7所示

圖7 編碼器和比較器的優(yōu)先權(quán)排隊(duì)電路

若有8個(gè)中斷源，當(dāng)任意一個(gè)有中斷請求時(shí)，通過或門，即可有一個(gè)中斷請求信號(hào)產(chǎn)生，能否送至CPU的中斷請求線，還要受比較器的控制（若優(yōu)先權(quán)失效信號(hào)為低電平，則與門2關(guān)閉）。

8條中斷輸入線的任一條，經(jīng)過編碼器可以產(chǎn)生三位二進(jìn)制優(yōu)先權(quán)編碼A2A1A0，優(yōu)先權(quán)最高的線的編碼為111，優(yōu)先權(quán)最低的線的編碼為000。而且若有多個(gè)輸入線同時(shí)輸入，則編碼器只輸出優(yōu)先權(quán)最高的編碼。

正在進(jìn)行中斷處理的外設(shè)的優(yōu)先權(quán)編碼，通過CPU的數(shù)據(jù)總線，送至優(yōu)先權(quán)寄存器，然后輸出編碼B2B1B0至比較器，以上過程是由軟件實(shí)現(xiàn)的。

比較器比較編碼A2A1A0與B2B1B0的大小，若AB”端輸出低電平，封鎖與門1，就不向CPU發(fā)出新的中斷申請（即當(dāng)CPU正在處理中斷時(shí)，當(dāng)有同級或低級的中斷源申請中斷時(shí)，優(yōu)先權(quán)排隊(duì)電路就屏蔽掉它們的請求）；只有當(dāng)A>B時(shí)，比較器輸出端才為高電平，打開與門1，將中斷請求信號(hào)送至CPU的INTR輸入端，CPU就中斷正在進(jìn)行的中斷處理程序，轉(zhuǎn)去響應(yīng)更高級的中斷。

若CPU不再進(jìn)行中斷處理時(shí)（即在執(zhí)行主程序），則優(yōu)先權(quán)失效信號(hào)為高電平，當(dāng)有任一種中斷源請求中斷時(shí)，都能通過與門2發(fā)出INTR信號(hào)。這樣的優(yōu)先權(quán)電路，如何才能轉(zhuǎn)入優(yōu)先權(quán)最高的外設(shè)的服務(wù)程序的入口呢？當(dāng)外設(shè)的個(gè)數(shù)小于等于8時(shí)，則它們公用一個(gè)產(chǎn)生中斷矢量的電路，根據(jù)比較器的編碼A2A1A0，就能做到不同的編碼轉(zhuǎn)入不同的入口地址。

??（2）雛菊花環(huán)（Daisy Chain）式或稱為鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路

當(dāng)多個(gè)輸入有中斷請求時(shí)，則由中斷輸入信號(hào)的“或”電路產(chǎn)生INTR信號(hào)，送至CPU。CPU執(zhí)行完現(xiàn)行指令后，響應(yīng)中斷，發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)。但究竟響應(yīng)哪一個(gè)中斷呢？或CPU是轉(zhuǎn)向哪一個(gè)中斷服務(wù)程序的入口呢？這要由圖8所示的鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路確定。

當(dāng)中斷響應(yīng)為高電平時(shí)，若F/F A有中斷請求，則它的輸出為高電平，于是與門A1輸出為高電平，由它控制轉(zhuǎn)至中斷1的服務(wù)程序的入口，且門A2輸出為低電平，因而使門B1、B2、C1、C2…所有下面各級門的輸入和輸出全為低電平，即屏蔽了以下的各級。

若第一級沒有中斷請求，即F/F A=0，則中斷輸出為低電平，但門A2的輸出卻為高電平，即把中斷響應(yīng)傳遞至中斷請求2。若此時(shí)F/F B=1，則與門B1輸出為高電平，控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷2的服務(wù)程序；此時(shí)與門B2的輸出為低電平，因而屏蔽了以下各級。而若F/F B=0，則與門B1輸出為低電平，而與門B2輸出為高電平，把中斷響應(yīng)傳遞至中斷請求3……

圖8 鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路

綜上所述，在鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路中，

??若上級的輸出信號(hào)為“0”，則屏蔽了本級和所有的低級中斷；

??若上級輸入為“1”，在本級有中斷請求時(shí)，則轉(zhuǎn)去執(zhí)行本級的處理程序，且使本級至下級的輸出為“0”，屏蔽所有低級中斷；

??若本級沒有中斷請求，則本級至下級的輸出為“1”，允許下一級中斷，故在鏈的最前面的優(yōu)先權(quán)最高。

2 多級中斷的概念

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而分成若干級別，每一中斷級分配一個(gè)優(yōu)先權(quán)。

一般來說，優(yōu)先權(quán)高的中斷級可以打斷優(yōu)先權(quán)低的中斷服務(wù)程序，以程序嵌套方式進(jìn)行工作。

如圖9（a）所示，三級中斷優(yōu)先權(quán)高于二級，而二級中斷優(yōu)先權(quán)高于一級。

根據(jù)系統(tǒng)的配置不同，多級中斷又可分為一維多級中斷和二維多級中斷，如圖9（b）所示。

一維多級中斷是指每一中斷中只有一個(gè)中斷源，而二維多級中斷是指每一級中斷中又有多個(gè)中斷源。

圖中虛線左邊結(jié)構(gòu)為一維多級中斷，如果取掉虛線則成為二維多級中斷結(jié)構(gòu)。

對于多級中斷，我們著重說明如下幾點(diǎn)：

??第一，一個(gè)系統(tǒng)若有n級中斷，在CPU中就有n個(gè)中斷請求觸發(fā)器，總稱為中斷請求寄存器；與之對應(yīng)的有n級中斷屏蔽觸發(fā)器，總稱為中斷屏蔽寄存器。

??與單級中斷不同，在多級中斷中，中斷屏蔽寄存器的內(nèi)容是一個(gè)很重要的程序現(xiàn)場，因此在響應(yīng)中斷時(shí)，需要把中斷屏蔽寄存器的內(nèi)容保存起來，并設(shè)置新的中斷屏蔽狀態(tài)。

??一般在某一級中斷被響應(yīng)后，要置“0”（關(guān)閉）本級和優(yōu)先權(quán)低于本級的中斷屏蔽觸發(fā)器，置“1”（開放）更高級的中斷屏蔽觸發(fā)器，以此來實(shí)現(xiàn)正常的中斷嵌套。

??第二，多級中斷中的每一級可以只有一個(gè)中斷源，也可以有多個(gè)中斷源。在多級中斷之間可以實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，但是同一級內(nèi)的不同中斷源的中斷是不能嵌套的，必須是處理完一個(gè)中斷后再響應(yīng)和處理同一級內(nèi)的其他中斷源。

??第三，設(shè)置多級中斷的系統(tǒng)一般都希望有較快的中斷響應(yīng)時(shí)間，因此首先響應(yīng)哪一級中斷和哪個(gè)中斷源，由硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，而不是由程序?qū)崿F(xiàn)。

??圖9（b）中的中斷優(yōu)先排隊(duì)電路，就是用于決定優(yōu)先響應(yīng)中斷級的硬件邏輯。另外，在二維中斷結(jié)構(gòu)中，除了由中斷優(yōu)先級排隊(duì)電路確定優(yōu)先響應(yīng)中斷級外，還要確定優(yōu)先響應(yīng)的中斷源，一般通過鏈?zhǔn)讲樵兊挠布壿媮韺?shí)現(xiàn)。

??顯然，這是用獨(dú)立請求方式與鏈?zhǔn)讲樵兎绞较嘟Y(jié)合的方法來決定首先響應(yīng)哪個(gè)中斷源。

??第四，和單級中斷情況類似，在多級中斷中也使用中斷堆棧保存現(xiàn)場信息。使用堆棧保存現(xiàn)場的好處是：

??① 控制邏輯簡單，保存和恢復(fù)現(xiàn)場的過程按先進(jìn)后出順序進(jìn)行。

??②?每一級中斷不必單獨(dú)設(shè)置現(xiàn)場保護(hù)區(qū)，各級中斷現(xiàn)場可按其順序放在同一棧里。

5、 8088的中斷方式

8088有兩種類型的中斷：由執(zhí)行某些指令引起的軟中斷和設(shè)備引起的硬中斷，這兩類中斷均有中斷類型碼相對應(yīng)。

1．軟中斷

執(zhí)行下述指令時(shí)，將產(chǎn)生或可能產(chǎn)生中斷。

??（1）DIV（除）或IDIV（整除）指令

當(dāng)執(zhí)行這些除法指令時(shí)，若除數(shù)為0或商溢出，則產(chǎn)生中斷，稱為0型中斷。

??（2）INT指令

當(dāng)執(zhí)行中斷指令I(lǐng)NT n時(shí)，則產(chǎn)生n型中斷。

??（3）INTO指令

若在指令序列執(zhí)行過程中，上條指令執(zhí)行的結(jié)果使溢出標(biāo)志位O=1，接著若執(zhí)行的是INTO指令，則引起內(nèi)部中斷，稱為4型中斷；若溢出標(biāo)志位O=0，該指令將不起作用。

??（4）單步執(zhí)行

當(dāng)標(biāo)志位T=1時(shí)，每執(zhí)行一條指令，則引起一次中斷，即指令為單步執(zhí)行方式，這種方式常用于程序的調(diào)試。單步執(zhí)行為1型中斷。

2．硬中斷

8088有兩種中斷請求線：

非屏蔽中斷NMI線和可屏蔽中斷INTR線，在這兩條線上產(chǎn)生中斷請求信號(hào)而引起的中斷稱為硬中斷。

??（1）可屏蔽中斷

出現(xiàn)在INTR線上的請求信號(hào)是電平觸發(fā)的，它的出現(xiàn)是異步的，在CPU內(nèi)部由CLK的上升沿來同步。在該線上的中斷請求信號(hào)（高電平有效）必須保持到當(dāng)前指令的結(jié)束。

在這條線上出現(xiàn)的中斷請求，CPU是否響應(yīng)要取決于標(biāo)志位I的狀態(tài)， + 若I=1，則CPU就響應(yīng)，可以認(rèn)為此時(shí)CPU處于中斷狀態(tài)；+ 若I=0，則CPU就不響應(yīng)。

I位的狀態(tài)，可以用指令STI使其置位（即開中斷）；也可用CLI指令使其復(fù)位（即關(guān)中斷）。?要注意：+ 在系統(tǒng)復(fù)位以后，標(biāo)志位I=0；此外任一種中斷（內(nèi)部中斷、NMI、INTR）被響應(yīng)后，I=0。所以必須在一定的時(shí)候用STI來開放中斷。+ CPU是在當(dāng)前指令周期的最后一個(gè)T狀態(tài)采樣中斷請求信號(hào)的，?若發(fā)現(xiàn)有可屏蔽中斷請求，且中斷允許（I=1），則CPU進(jìn)入中斷響應(yīng)周期。

（時(shí)鐘周期，又稱節(jié)拍周期，是處理器的最基本單位，晶振頻率的倒數(shù)，也稱T狀態(tài)）

??（2）非屏蔽中斷

當(dāng)NMI線上出現(xiàn)一個(gè)由低向高上跳的高電平中斷請求信號(hào)后（持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)時(shí)鐘周期），不管標(biāo)志寄存器I位的狀態(tài)如何，當(dāng)前指令執(zhí)行完成后，8088馬上轉(zhuǎn)入中斷處理。

此種類型的中斷有三種來源：+ 電源故障， + 系統(tǒng)板上隨機(jī)存儲(chǔ)器奇偶校驗(yàn)錯(cuò)， + 8087（協(xié)處理器）中斷請求和I/O通道檢查錯(cuò)。非屏蔽中斷的優(yōu)先權(quán)高于可屏蔽中斷。

3．中斷向量表

8088中有一個(gè)簡單而又多功能的中斷系統(tǒng)。上述的任何一種中斷，CPU響應(yīng)以后，都要保護(hù)現(xiàn)場（主要是標(biāo)志位）和保護(hù)斷點(diǎn)（現(xiàn)行的碼段寄存器CS和指令指針I(yè)P），然后轉(zhuǎn)入各自的中斷服務(wù)程序。在8088中各種中斷如何轉(zhuǎn)入各自的中斷服務(wù)程序呢？

8088在內(nèi)存的前1KB（地址為00000H～003FFH）建立了一個(gè)中斷向量表，可以容納256個(gè)中斷向量（或256個(gè)中斷類型），每個(gè)中斷向量占用4B。（這個(gè)應(yīng)該是）

在這4B中，包含著這個(gè)中斷向量（或這個(gè)中斷類型）的服務(wù)程序的入口地址——前兩個(gè)字節(jié)為服務(wù)程序的IP，后兩個(gè)字節(jié)為服務(wù)程序的CS，如圖10所示。(CS：IP)

其中前5個(gè)中斷向量（或中斷類型）由Intel專用，系統(tǒng)又保留了若干個(gè)中斷向量，余下的就可以由用戶自己使用，作為中斷源的向量。

4．8088中的中斷響應(yīng)和處理過程

8088中各種中斷的響應(yīng)和處理過程是不相同的，但主要區(qū)別在于如何獲取相應(yīng)的中斷類型碼（向量號(hào)）。

對于硬件（外部）中斷，CPU在當(dāng)前指令周期的T狀態(tài)采樣中斷請求信號(hào)，

??如果有可屏蔽中斷請求，且CPU處在開中斷狀態(tài)（I標(biāo)志為1），則CPU轉(zhuǎn)入兩個(gè)連續(xù)的中斷響應(yīng)周期，在第二個(gè)中斷周期的T4狀態(tài)前沿，采樣數(shù)據(jù)線獲取由外設(shè)輸入的類型碼；

C.PU在T1、T2、T3、T4這四個(gè)狀態(tài)完成一個(gè)總線周期。
在T1狀態(tài)，把地址信息從地址線A19～A16，A15～A8和AD7～AD0上輸出，且立即發(fā)出地址鎖存信號(hào)ALE，把在A19～A16上出現(xiàn)的高4位地址和在AD15～AD0（8088則是AD7～AD0）上出現(xiàn)的地址，在外部地址鎖存器上鎖存。

在T2狀態(tài)，CPU發(fā)送讀寫等控制命令。

在T3、T4狀態(tài)，CPU發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，并在T4狀態(tài)結(jié)束此總線周期。

當(dāng)外部存儲(chǔ)器或I/O端口的時(shí)序不能與CPU的時(shí)序相配合時(shí)，就需要插入TW周期。

**因此，在CPU中設(shè)計(jì)了一條準(zhǔn)備就緒READY輸入線，即存儲(chǔ)器或I/O端口輸給CPU的狀態(tài)線。**

CPU在T3采樣READY線，若為高電平，則在T3狀態(tài)后進(jìn)入T4狀態(tài)。

若存儲(chǔ)器或I/O端口來不及在T4狀態(tài)的前沿把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，則當(dāng)CPU在T3狀態(tài)采樣時(shí)應(yīng)使READY線為低電平，并在T3狀態(tài)后插入一個(gè)等待狀態(tài)TW。

??若是采樣到非屏蔽中斷請求，則CPU不經(jīng)過上述的兩個(gè)中斷響應(yīng)周期，而在內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生中斷類型碼2。

對于軟件中斷，中斷類型碼也是自動(dòng)形成的。對于INT n指令，則類型碼即為指令中給定的n。8088在取得了類型碼后的處理過程是一樣的，其順序?yàn)椋?/p>

??① 將類型碼乘4，作為中斷向量表的指針；

??② 把CPU的標(biāo)志寄存器入棧，保護(hù)各個(gè)標(biāo)志位，此操作類似于PUSH F指令；

??③ 復(fù)制追蹤標(biāo)志T的狀態(tài)，接著清除I和T標(biāo)志，屏蔽新的INTR中斷和單步中斷；

??④ 保存主程序中的斷點(diǎn)，即把主程序斷點(diǎn)處的IP和CS的值推入堆棧保護(hù)，先推入CS的值，再推入IP的值；

??⑤ 從中斷向量表中取中斷服務(wù)程序的入口地址，分別送至CS和IP中，先取CS的值；

??⑥ 按新地址執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

在中斷服務(wù)程序中，通常要保護(hù)CPU內(nèi)部寄存器的值（保護(hù)現(xiàn)場）及開中斷（若允許中斷嵌套的話）。

在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完后，要恢復(fù)現(xiàn)狀，最后執(zhí)行中斷返回指令I(lǐng)RET。

IRET指令按次序恢復(fù)斷點(diǎn)處的IP和CS的值，恢復(fù)標(biāo)志寄存器（相當(dāng)于POP F）。

于是程序就恢復(fù)到斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。8088的中斷響應(yīng)和處理過程可用如圖11所示的流程圖來表示。

6、IBM PC/XT的中斷方式

1．IBM PC/XT的中斷類型

在IBM PC/XT中有三種類型的中斷。

??（1）內(nèi)部中斷即軟中斷

包括被0除、單步執(zhí)行、溢出和中斷指令（包括斷點(diǎn)中斷）等。這是由8088執(zhí)行指令產(chǎn)生的中斷。

??（2）非屏蔽中斷NMI

在IBM PC/XT中若存儲(chǔ)器的讀/寫奇偶校驗(yàn)錯(cuò)，或者是由8087（協(xié)處理器）的異常所產(chǎn)生的中斷，都送至8088的NMI輸入端要求處理。

??（3）可屏蔽中斷INTR

在IBM PC/XT系統(tǒng)中，可能有多個(gè)外部設(shè)備中斷請求信號(hào)，而8088 CPU的可屏蔽中斷輸入信號(hào)只有一個(gè)INTR。

為此，在IBM PC/XT系統(tǒng)中，采用中斷控制器（8259）將外部設(shè)備中斷請求信號(hào)擴(kuò)充到8個(gè)。

IBM PC/XT系統(tǒng)中可屏蔽的中斷源及其相應(yīng)的類型碼如表1所示。

表1 可屏蔽的中斷源及其相應(yīng)的類型碼

2．IBM PC/XT中系統(tǒng)保留的中斷

8088 CPU最多能處理256種不同的中斷，其中有5個(gè)保留為CPU專用；又有相當(dāng)一部分是由磁盤操作系統(tǒng)DOS保留為系統(tǒng)用的。

所有已經(jīng)保留的中斷類型，用戶就不能再使用了，但可使用的仍然有近200個(gè)中斷，這對于絕大部分用戶來說已經(jīng)是足夠了。

IBM PC/XT中保留的中斷（所用的DOS的版本號(hào)不同會(huì)有一些不同）中，前5個(gè)中斷類型是8088規(guī)定的專用中斷。BIOS的中斷類型號(hào)為0～1F，其功能如表2所示：

表2 IBM PC/XT中保留的BIOS中斷

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在這些類型的中斷中，

??類型號(hào)8～F就是上述通過8259的八級硬件中斷；

??類型號(hào)5和10～1A是基本外部設(shè)備的輸入/輸出驅(qū)動(dòng)程序和BIOS中調(diào)用的有關(guān)程序；

??類型號(hào)1B和1C由用戶設(shè)定，1D～1F指向3個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域。

中斷類型號(hào)20～3F由DOS操作系統(tǒng)使用，用戶程序也可以調(diào)用其中的20～27號(hào)中斷。

這些中斷功能安排如表3所示。

表3 IBM PC/XT中保留的DOS中斷

40號(hào)以后的中斷類型可由用戶程序安排使用。

本章我們借助8088這個(gè)基礎(chǔ)的中斷控制器，讓我們對中斷的硬件電路有了基礎(chǔ)的認(rèn)知，這里我們來看兩個(gè)當(dāng)下非常常用和流行的中斷控制管理器8259A、APIC。

當(dāng)然ARM的GIC肯定也是會(huì)有的哦。

審核編輯：黃飛
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