赵中英接口大作业讲义.docx
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赵中英接口大作业讲义
接口技术大作业
---------深入理解“中断系统”
姓名：
赵中英
班级：
1003101
学号：
1090310113
指导教师：
史先俊
深入理解“中断系统”
1.中断的背景和概念
随着计算机技术的飞速发展，微处理器控制输入、输出部件或者端口的数据传送方式也在不断的进步和发展。
早期的计算机系统中．CPU对输入输出设备采取的是程序查询方式。
在这种方式下，高速的CPU和低速的输入、输出端口是串行工作。
在两者速度极度不匹配的情况下，致使CPU的绝大部分时间都处于被动的等待状态中，造成了CPU资源的极大浪费。
为了弥补这种缺陷，提高CPU的使用率，中断方式应运而生。
这种方式解决了程序查询方式下CPU循环等待的问题。
于是现代计算机系统中，都毫不例外地引入了中断系统。
那什么是中断呢？
假如你正在给朋友写信，电话铃响了，这时你放下手中的笔，去接电话。
通话完毕，再继续写信。
这个例子表现了中断及中断处理过程：
电话铃声称为“中断请求”，你暂停写信去接电话叫做“中断响应”，接电话的过程就是“中断处理”。
相应地，在计算机执行程序的过程中，由于出现某个特殊情况，使得中止现行程序，而转去执行处理一特殊事件的处理程序，处理完毕之后再回到原来程序的中断点继续向下执行，这个过程就是中断。
2.中断技术的产生的原因和优缺点
为了说明这个问题，再举一例。
假设你有一个朋友来拜访你，但是又不知何时到达，你只能在大门口等待，于是什么事也千不了。
如果在门口装一个门铃，你就不必在门口等待，去干其它的工作，朋友来了按门铃通知你，你这时才中断你手中的工作去开门，这样就避免了由等待而浪费时间。
计算机也一样，例如打印机输出，CPU传送数据的速度高，而打印机打印的速度低，如果不采用中断技术，CPU将经常处于等待状态，效率极低。
而采用了中断方式，CPU可以进行其它的工作，只在打印机缓冲区中的当前内容打印完毕发出中断请求之后，才予以响应，暂时中断当前工作转去执行向缓冲区传送数据，传送完成后又返回执行原来的程序。
这样就大大地提高了计算机系统的效
率。
由于这个原因中断技术应运而生，在中断产生之前CPU采用的都是程序查询方式，这种方式和中断方式相比：
程序查询方式，数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，优点是硬件结构比较简单，缺点是CPU效率低，中断方式是外围设备用来“主动”通知CPU，准备输入输出的一种方法，它节省了CPU时间，但硬件结构相对复杂一些。
如图1.0是程序查询方式的传送流程图
3.中断的一些基本概念介
中断源：
产生中断请求的设备或者事件称为中断源。
中断嵌套：
当CPU响应了某一个中断请求，正在执行该中断服务程序时，又有另一个中断源向CPU发出了中断请求，由于中断源具有不同的优先级别，响应将会分为两种情况：
CPU①如新来中断的优先级等于或低于当前正在响应中断的优先级，CPU将新来的中断排到中断队列中，继续执行当前的中断服务程序，执行完毕后再去执行新的中断；②但如果新来的请求的级别高于正在执行中断的级别，CPU则不得不打断正在执行的中断服务程序而去执行新的、更高一级的中断服务程序。
中断级联：
在微机系统中，可以使用8259A扩展外部中断，1片8259A能管理8级中断，通过级联用9片8259A可以构成64级主从式中断系统。
每一级中断可以屏蔽或允许，在中断响应周期，8259A可提供相应的中断类型号。
（参考图1.3）
软中断：
内部中断由CPU内部事件引起的中断，内部中断也称软件中断，包括溢出中断、除法出错中断、单步中断、断点中断和指令设置的中断。
硬中断：
外部中断是由外部硬件引起的中断，所以也叫硬件中断，是CPU外部中断请求信号引脚上输入有效的中断请求信号引起的，分为非屏蔽中断和可屏蔽中断两种。
（图1.1所示）
图1.1中断分类
中断屏蔽也是一个十分重要的功能，所谓中断屏蔽是指通过设置相应的中断屏蔽位，禁止响应某个中断。
这样作的目的，是保证在执行一些重要的程序中不响应中断以免造成迟缓而引起错误。
例如，在系统启动执行初始化程序时，就屏蔽键盘中断，使初始化程序能够顺利进行。
这时敲任何键，都不会响应，当然对于一些重要的中断是不能屏蔽的。
例如重新启动，电源故障，内存出错，总线出错等影响整个系统工作的中断是不能屏蔽的，因此，从中断是否可以被中断来看，可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断两类。
非屏蔽中断：
由NMI引脚出现中断请求信号使CPU产生中断称为非屏蔽中断，它是不可用软件屏蔽的，也就是说不受CPU中IF位的控制，当NMI引脚上出现有效高电平持续2个时钟周期以上的上升沿时，表示非屏蔽中断请求信号有效。
可屏蔽中断：
8086CPU的INTR中断请求信号来自中断控制器8259A，CPU是否响应该中断请求，取决于中断允许标志位IF的状态。
中断向量：
通常称中断服务程序入口地址为中断向量，每个中断类型对应一个中断向量。
每个中断向量为4字节（32位），用逻辑地址表示一个中断服务程序的入口地址，占用4个连续的存储单元，其中低16位（前2个单元）存放中断服务程序入口的偏移地址（IP），低位在前高位在后，高16位（后2个单元）存放中断服务程序入口的段地址（CS），同样也是低位在前高位在后。
（如图1.2所示）
中断优先级：
根据事件轻重缓急，给每个中断源确定不同的级别，也就是在实际的计算机系统中，为不同的中断源设定不同的优先级。
这样，当不同中断源的中断请求同时到来时，CPU就可以根据事先设定好的中断优先级别，将这些申请排队，先去执行那些重要任务，也就是优先级高的任务，当优先级别高的任务执行完毕后，再去执行优先级别低的任务。
中断嵌套：
当CPU响应了某一个中断请求，正在执行该中断服务程序时，又有另一个中断源向CPU发出了中断请求，由于中
断源具有不同的优先级别，响应将会分为两种情况：
CPU①如新来中断的优先级等于或低于当前正在响应中断的优先级，CPU将新来的中断排到中断队列中，继续执行当前的中断服务程序，执行完毕后再去执行新的中断；②但如果新来的请求的级别高于正在执行中断的级别，CPU则不得不打断正在执行的中断服务程序而去执行新的、更高一级的中断服务程序。
图1.4嵌套示意图
中断控制器和中断通道：
因为每个设备都要使用中断，每个设备也就需要一个传送中断请求的通道。
而CPU中只有一条接收中断请求的引脚，因此需要有一个机构来收集各个设备产生的各种中断请求，并按优先级排列送给CPU。
这个机构叫中断控制器。
PC机允许使用15个中断通道，因此用两片可接收8个中断请求信号的8259芯片连接成如图1.3电路：
由于每个设备都要占用一个中断通道，如果两个或两个以上的设备占用一个通道时就会发生冲突，使设备死机，因此在安装新的设备时，一定要选择那些还没有被占用的中断通道，以免引起冲突。
中断请求：
中断请求是中断源向CPU发出中断请求信号，一类是由于cpu内部指令或程序出错直接引发的中断；另一类是由于外部设备引起的。
对于外部设
备需要同时满足两个条件才能引起中断，其一就是该外部设备的准备工作已经完成。
即随时可以对数据进行输入，输出；另一个条件就是，系统允许该外部设备发出请求。
否则外设的中断请求会被屏蔽。
中断响应：
CPU在没有接到中断请求信号时，一直执行原来的程序（称为主程序）。
由于外设的中断申请随机发生，有中断申请后CPU能否立即服务要看中断的类型，若为非屏蔽中断申请，则CPU执行完现行指令后，做好保护现场工作即可去处理中断服务；若为可屏蔽中断申请CPU只有得到允许后才能去服务。
把从CPU接收到中断请求后到进入中断服务程序之前的这一段时间称为中断响应周期。
这期间CPU还要自动将标志寄存器内容及断点地址入栈保护，并自动寻找被响应的中断源的中断服务程序入口地址。
对可屏蔽中断，CPU通过连续发出两个中断应答信号INTA完成一个中断响应周期。
单步中断：
若CPU内的标志寄存器FLAGS中的跟踪标志TF=1且中断允许标志IF＝1，则每执行
完一条指令，CPU都将引起一次类型号为1的内部中断，称为单步中断。
和除法出错中断
类似，单步中断也不是由外部硬件或软件指令产生，而是由CPU对标志位TF的测试产生。
单步中断是一种很有用的调试方法，每执行一条指令后停下来，显示所有寄存器的内容和标志位的值以及下一条要执行的指令，以便用户检查该条指令进行了什么操作，是否得到
了预期结果。
中断请求信号：
来自中断请求信号线的信号，与CPU的INTR引脚相连，用于向CPU
发送中断请求。
中断周期：
当CPU采用中断方式实现主机与I/O交换信息时，CPU在每条指令执行阶段结束前，都要发中断查询信号，以检测是否有某个I/O提出中断请求。
如果有请求，CPU则要进入中断响应阶段，又称中断周期。
IF中断允许标志位：
IF可以屏蔽可屏蔽中断请求INTR如果外设有可屏蔽中断请求INTR，而此时CPU内IF=0，那么CPU不会响应中断只有可屏蔽中断请求INTR和IF有关系，内中断和不可屏蔽中断NMI，都不受IF的影响。
IMR中断屏蔽字：
一个外部中断请求信号通过中断请求线IRQ，传输到IMR（中断屏蔽寄存器），IMR根据所设定的中断屏蔽字，决定是将其丢弃还是接受。
如果可以接受，则8259A将IRR中代表此IRQ的位置位，以表示此IRQ有中断请求信号，并同时向CPU的INTR（中断请求）引脚发送一个信号，但CPU这时可能正在执行一条指令，因此CPU不会立即响应，而在CPU正忙着执行某条指令时，还有可能有其余的IRQ线送来中断请求，这些请求都会接受IMR的挑选，如果没有被屏蔽，那么这些请求也会被放到IRR中，也即IRR中代表它们的IRQ的相应位会被置1。
中断冲突：
举个例子来说，我们每按一下键盘，就产生一个键盘中断，CPU就要停下手边的工作来处理，记录下来哪个键被按下了，如果按下这个键要对应某一个操作，就赶快先做这个操作，做完之后，才恢复刚才的工作。
对于接在串口上的MODEM也是一样，从电话线上传来数据了，这个串口就会产生一个中断，CPU就要停下来，先将数据收下来，放到一个安全的地方。
您能够一边写文章，一边从网上下载数据，就全靠中断的正常工作。
如果键盘和MODEM的中断是冲突的，也就是键盘和MODEM共同使用了一个中断，计算机就无法判断刚刚到达的数据是来自键盘还是来自MODEM，就有可能将MODEM收来的数据当作是您从键盘上输入的，而在您正在写的文章中输入一大堆乱字符。
显卡的中断如果和IDE硬盘控制器的中断冲突了，就更危险了，所以，要想计算机正常工作，必须把中断合理分配给外围设备，让它们没有冲突。
中断路由器：
在包含PCI总线的系统中，芯片组包含四个与PCI中断分配有关的寄存器，一般称为PIRQx路由寄存器。
这四个寄存器对应PCI中断路由器的四个管脚:
INTA#,INTB#,INTC#和INTD#。
PIRQ中的值表示中断路由对应管脚所发出的中断号。
因为PIRQx只有四个，所以不管系统中有几个空闲管脚，同一时刻最多可以有四个中断供PCI设备使用。
中断共享:
大多数情况下,中断是不能共享的。
一个设备可以被设计成共享中断,在ISA总线上只有很少的设备允许这样。
PCI总线允许实现中断共享,实际是所有的PCI卡都被设置在PCI中断A上,在PCI总线上共享该中断。
MSI中断:
MSI是MessageSignaledInterrupt（MSI）的缩写，PCI设备写一个特定消息到特定地址，从而触发一个CPU中断。
传统中断的中断引脚常常被多个设备共享.当中断触发时,内核必须依次触发每个设备相应的中断处理,这必将损失系统的整体性能.每个MSI中断属于设备所独有，因此不会产生共享中断带来的性能损失。
中断处理子程序：
当中断发生时，处理器中止当前正在运行的程序，而转到处理特殊事件的程序段中去执行，这种处理中断的子程序就是中断处理程序，又称为中断服务程序。
中断描述符表：
在实地址模式中，CPU把内存中从0开始的1K字节作为一个中断向量表。
表中的每个表项占四个字节，由两个字节的段地址和两个字节的偏移量组成，这样构成的地址便是相应中断处理程序的入口地址。
但是，在保护模式下，由四字节的表项构成的中断向量表显然满足不了要求。
这是因为，?
除了两个字节的段描述符，偏移量必用四字节来表示；‚要有反映模式切换的信息。
因此，在保护模式下，中断向量表中的表项由8个字节组成，中断向量表也改叫做中断描述符表IDT（InterruptDescriptorTable）。
其中的每个表项叫做一个门描述符（gatedescriptor），“门”的含义是当中断发生时必须先通过这些门，然后才能进入相应的处理程序。
异常：
异常是由当前正在执行的进程产生。
异常包括很多方面，有出错（fault），有陷入（trap），也有可编程异常（programmableexception）。
出错（fault）和陷入（trap）最重要的一点区别是他们发生时所保存的EIP值的不同。
出错（fault）保存的EIP指向触发异常的那条指令；而陷入（trap）保存的EIP指向触发异常的那条指令的下一条指令。
因此，当从异常返回时，出错（fault）会重新执行那条指令；而陷入（trap）就不会重新执行。
这一点实际上也是相当重要的，比如我们熟悉的缺页异常（pagefault），由于是fault，所以当缺页异常处理完成之后，还会去尝试重新执行那条触发异常的指令（那时多半情况是不再缺页）。
陷入的最主要的应用是在调试中，被调试的进程遇到你设置的断点，会停下来等待你的处理，等到你让其重新执行了，它当然不会再去执行已经执行过的断点指令。
中断门：
中断门是x86的一种指向（code，data,stack）段描述符的一种特殊的段描述符，也就是systemsegment,而code,data,stack则为usersegment.当中断产生的时候，中断向量在IDT表中获得中断门，然后根据中断门中对应的segmentselector定位获得GDT或LDT中的codesegment，获得中断服务历程的entry地址。
OS的事件：
强迫性中断事件：
包括硬件故障中断，程序性中断，外部中断和输入输出中断等。
自愿性中断事件：
是由正在运行的进程执行一条访管指令用以请求系统调用而引起的中断，这种中断也称为"访管中断"。
4.中断资源包括外部中断、定时计数器中断、AD模块中断、USART接收发射中断、SPI、I2C接受发射中断、看门狗中断等算机中断资源的分配和占用情况的报告在MS-DOS下，可以通过运行MSD程序获得。
在Windows95下，可以通过系统诊断功能方便获得，当然也可以采用第三方系统测试和诊断软件如WinBench97等。
以Windows95中文版为例，具体方法如下：
----在“我的电脑”上单击鼠标右键，选择“属性”项，显示“系统属性”窗口，在“设备管理”标签上单击左键，出现本机器配置硬件设备一览表。
在“计算机”上双机鼠标，进入如下图1所似的窗口设置：
如图1.5所示资源占用情况。
RQ0-15中断请求外的其他是指IRQ的数目有限，一部电脑虽然一共有16个IRQ（从IRQ0至IRQ15），但是其中很多IRQ已经预先分配给特定的硬件，具体如下：
IRQ0：
系统计时器IRQ1：
键盘IRQ2：
可设置中断控制卡IRQ3：
COM2（串行接口2）IRQ4：
COM1（串行接口1）IRQ5：
未预先配置IRQ6：
磁盘机IRQ7：
并行接口IRQ8：
CMOS/时钟IRQ9：
未预先配置IRQ10：
未预先配置IRQ11：
未预先配置IRQ12：
PS/2鼠标IRQ13：
算术处理器（ArithmeticProcessor）IRQ14：
Primary（主）IDE控制器IRQ15：
Secondary（从）IDE控制器 由上可见，IRQ5、IRQ9、IRQ10和IRQ11都是空置的。
但大家不要以为这就代表着有多余的IRQ可以使用。
因为要使用IRQ的周边设备实在是太多了，例如声卡、网卡等PCI或ISA设备都需要配置一个IRQ。
如果有两个设备配置了同一个IRQ的话，就会出现IRQ冲突的问题，从而使两者都不能正常工作。
整个中断过程的完成：
（如图1.6所示）
一个完整的中断处理过程应该包括：
中断请求、中断排队或中断判优、中断响应、中断处理和中断返回等环节，下面分别进行讨论。
1．中断请求
中断请求是由中断源向CPU发出中断请求信号。
外部设备发出中断请求信号要具备以下两个条件：
（1）外部设备的工作已经告一段落。
例如输入设备只有在启动后，将要输入的数据送到接口电路的数据寄存器（即准备好要输入的数据）之后，才可以向CPU发出中断请求。
（2）系统允许该外设发出中断请求。
如果系统不允许该外设发出中断请求，可以将这个外设的请求屏蔽。
当这个外设中断请求被屏蔽，虽然这个外设准备工作已经完成，也不能发出中断请求。
2．中断排队
中民申请是随机的，有时会出现多个中断源同时提出中断申请。
但CPU每次只能响应一断源的请求，那么究竟先响应哪一个中断源的请求呢？
这就必须根据各中断源工作性质的轻重缓急，预先安排一个优先级顺序，当多个中断源同时申请中断时，即按此优先级顺序进行排队，等候CPU处理。
一般是把最紧迫和速度最高的设备排在最优先的位置上。
CPU首先响应优先级别最高的中断源。
当中断处理完毕，再响应级别低的中断申请。
中断排队可以采用硬件的方法，也可以采用软件的方法。
前者速度快，但需要增加硬设备；后者无需增加硬设备，但速度慢，特别是中断源很多时尤为突出。
软件优用查询技术。
当CPU响应中断后，就用软件查询以确定是哪些外设申请中断，并判断它们的优先权。
一个典型的软件优先权排队接口电路，把8个外设的中断请求触发器组合起来，作为一具端口，并赋以设备号。
把各个外设的中断请求信号相“或”后，作为INTR信号，故其中任一外设有中断请求，都可向CPU送出INTR信号。
当CPU响应中断后，把中断寄存器的状态作为一个外设读入CPU，逐位检测它们的状态，若哪一位为1，则该位对应的外设有中断请求，应转到相应的服务程序的入口。
其流程如图6－11所示。
相应的查询XORAL，AL；CF清0
INAL，20H；输入中断请求触发器的状态
RCLAL，1；左移一位，检测最高位是否有请求
JCPOW；有，转相应服务程序
RCLAL，1；否，检测下一位
JCDISS
…
查询方法的优点是：
（1）询问的次序，即优先权的次序。
显然，最先询问的，优先权的级别最高。
（2）省硬件。
不需要有判断与确定优先权的硬件排队电路。
缺点是：
由询问转至相应的服务程序入口的时间长，尤其是在中断源较多的情况下。
硬件优先权排队电路，目前均采用专用中断管理接口芯片如8259A等。
3．中断响应
经中断排队后，CPU收到一个当前申请中断的中断源中优先级别最高的中断请求信号，如果允许CPU响应中断（IF＝1），在执行完一条指令后，就中止执行现行程序，而响应中断申请。
此时首先由硬件电路保护断点，即将当前正在执行的程序的段地址（CS）和偏移地址（IP）以及标志寄存器（FR）压入堆栈；然后关闭CPU内的允许中断触发器IF（可屏蔽中断时）；接下来就是寻找中断服务程序的入口地址。
寻找中断服务程序入口地址的方法分软件和硬件两种。
软件方法即为上述的查询方式。
在硬件方式中，目前均采用矢量中断方式。
所谓矢量中民即当CPU响应中断后，由提出中断请求的中断源向CPU发去一个中断矢量，CPU根据这个中断矢量找到中断程序的入口地址，而转到相应的中断服务程序。
以Intel为CPU的PC系列微型计算机系统就采用矢量中断方式。
4．中断处理
程序如下：
中断响应后，进入中断处理，即执行中断服务程序。
在中断服务程序中，首先要保护现场，把中断服务程序中所要使用到的寄存器内容保护起来，如将经们的内容压入堆栈，然后才进行与此次中断有关的相应服务处理。
处理完毕要恢复现场，即恢复中断前各寄存器的内容。
如果在中断服务程序中允许嵌套（可屏蔽中断方式时），还应用STI指令将IF＝1（即开中断）。
5．中断返回
通常，中断服务程序的最后一条指令是一条中断返回指令。
当CPU执行这条指令时，把原来程序被中断的断点地址从堆栈中弹回CS和IP中，原来的FR弹回FR。
这样，实中断的程序就可以从断点处继续执行下去。
CPU从中断服务程序又回到了被中断的主程序。
在实际应用系统中，中断可以嵌套，即可以有多重中断。
所谓多重中断，就是在CPU执行某一中断服务程序时，又有优先级别更高的中断源申请断，此时，CPU应当暂停止这个中断服务，而去处理优先级别比它高的中断申请。
处理完毕再返回中断占，继续处理较低优先级别的中断。
这种在低级中断中还嵌套有高级中断的多重中断方式，对实时处理系统是很有用的。
当用户按键时，键盘接口会得到一个代表该按键的键盘扫描码，同时产生一个中断请求。
键盘中断服务程序先从键盘接口取得按键的扫描码，然后根据其扫描码判断用户所按的键并作相应的处理，最后通知中断控制器本次中断结束并实现中断返回。
中断请求是由中断源向CPU发出中断请求信号，这个信号然后这个响应按照优先级顺序进行排队，等候CPU处理。
CPU马上就从地址FFFF0H处开始执行指令，从前面的介绍可知，这个地址实际上在系统BIOS的地址范围内，无论是AwardBIOS还是AMIBIOS，放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正的启动代码处.第二步：
系统BIOS的启动代码首先要做的事情就是进行POST（Power－OnSelfTest，加电后自检），POST的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作，例如内存和显卡等设备。
第三步：
接下来系统BIOS将查找显卡的BIOS，前面说过，存放显卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常设在C0000H处，系统BIOS在这个地方找到显卡BIOS之后就调用它的初始化代码，由显卡BIOS来初始化显卡，此时多数显卡都会在屏幕上显示出一些初始化信息，介绍生产厂商、图形芯片类型等内容，不过这个画面几乎是一闪而过。
第四步：
查找完所有其它设备的BIOS之后，系统BIOS将显示出它自己的启动画面，其中包括有系统BIOS的类型、序列号和版本号等内容第五步：
接着系统BIOS将检测和显示CPU的类型和工作频率，然后开始测试所有的RAM，并同时在屏幕上显示内存测试的进度，我们可以在CMOS设置中自行决定使用简单耗时少或者详细耗时多的测试方式第六步：
内存测试通过之后，系统BIOS将开始检测系统中安装的一些标准硬件设备，包括硬盘、CD－ROM、串口、并口、软驱等设备，另外绝大多数较新版本的系统BIOS在这一过程中还要自动检测和设置内存的定时参数、硬盘参数和访问模式等第七步：
标准设备检测完毕后，系统BIOS内部的支持即插即用的代码将开始检测和配置系统中安装的即插即用设备，每找到一个设备之后，系统BIOS都会在屏幕上显示出设备的名称和型号等信息，同时为该设备分配中断、DMA通道和I/O端口等资源第八步：
到这一步为止，所有硬件都已经检测配置完毕了，多数系统BIOS会重
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