第6章-控制器-中断系统 Interrupt

Posted 2021-07-24 可能自洽

一、概述

• 中断概念是50年代中期提出的，在这以前，计算机虽然能自动运行程序，但有两个问题不能很好解决：

1. 不能自动处理异常情况或特殊请求，如电源掉电等。
2. CPU与外设串行工作，CPU得不到充分利用。CPU是电子设备，基本操作时间为ns级，而外设大多为机电设备基本操作时间为ms，s级，CPU等待外设工作，会造成时间上的很大浪费，使CPU的效率大大降低，为改变这种状况，充分利用机器资源，提出了中断。

提出原因

1.处理异常情况或特殊请求
2.提高CPU的效率
3.实时控制需要

二、基本概念

1． 定义

• 中断指计算机在运行过程中，遇到一些异常情况或特殊请求，CPU能暂停正在执行的程序，转去为外来请求服务，并在服务结束之后，自动返回原程序的过程或功能。
• 从中断定义看，中断过程很像“转子”过程，二者有无区别？有何区别？

2. 中断与“转子”的区别

①“转子”是事先安排的，而中断多是随机的。

•“转子”是程序员编程是事先安排好的，而中断大多是由一些特殊情况引起的，这些情况是随机的。
• 只有一种中断－自愿中断是人为设置的，故用“多”字。

② 主-子程序在功能上一般有联系，而被中断的程序和中断服务程序可以没有任何联系。

③中断过程较“转子”过程复杂

• 中断功能多由硬件实现，不可能由一条或几条指令简单的解决，其过程远比“转子”复杂。

三、中断类型(按照不同的方式，对中断做不同的分类)

中断原因

强迫中断和自愿中断都属于程序中断

处理方式

程序中断：执行中断服务程序
简单中断：DMA

中断源

可屏蔽中断：CPU可以屏蔽掉中断请求，不响应。
不可屏蔽中断：CPU必须响应（电源掉电）

服务程序入口地址形成方式

向量中断：外设在提出中断请求时，通过硬件主动向主机提供服务程序的入口地址
非向量中断：不能直接提供服务程序入口地址，需用软件查询措施最后找到入口地址

四、 中断过程

1. 中断请求

中断请求信号的提出
• CPU是在现行指令周期结束后，才查询有无中断请求。
• 每个中断源，设置一个中断请求触发器IQ。
• 为控制灵活，每个中断源设置一个中断屏蔽触发器IM

2. 排队判优

• 按中断源的重要性，给每个中断源确定一个优先级，按优先级大小，给每个中断源排队，CPU响应时，先响应优先级高的中断请求。故CPU 在响应中断前，须先对中断源进行排队判优。
• 对中断源排队判优，可由硬件实现，亦可由软件实现。

3. 中断响应

中断响应：指CPU 从发现中断请求，中止现行程序到调出中断处理程序这一过程，有的说是CPU从一种程序状态到另一种程序状态的转换过程。

⑴CPU响应中断需满足的条件：

① IQ为“1“态，IM为“0”态；
② 开中断(即中断允许触发器为“1”态)
③ 一条指令执行完后（指令周期结束后）

⑵中断响应过程

要完成中断响应，需做三件事：关中断、保护旧现场、建立新现场
由中断隐指令完成（非指令系统中的指令，由硬件实现）

① 关中断

• CPU内部有一个“中断允许触发器”此触发器置“1”表示开中断－CPU可以响应中断，置“0”表示关中断—CPU不能响应中断CPU响应中断后，一开始就“关中断”，为什么？
• CPU在运行一些重要程序时，或在保护现场、恢复现场时，一般不希望外界干扰，于是就关掉中断。CPU响应中断后，要保护旧现场，因此，在保护现场前需先关中断。
注意：能用“关中断”指令来屏蔽的，只是可屏蔽中断，还有一类中断叫非屏蔽中断，象电源掉电、机器故障等，就属于这类中断，这类中断一旦发生，CPU必须马上响应，因此，不能用“关中断”来屏蔽。
问：CPU响应中断后就“关中断”，外来更高级别的中断怎么办？中断处理时再响应

② 保护旧现场

（PC中）程序的断点地址
（PSW中）断点处有关状态信息
断点地址：程序间断处下一条指令的地址

③ 建立新现场

即把获得优先处理权的中断服务程序运行所需的环境建立起来
中断服务程序入口地址→PC
中断服务程序有关状态标志→状态字寄存器PSW

中断服务程序入口地址的寻找：
• 硬件向量法（向量中断）
中断向量：服务程序的入口地址,服务程序的处理机状态字
向量地址：存放中断向量的地址,中断服务程序入口地址的地址
向量中断：利用硬件线路形成中断源的向量地址的方法
• 软件查询法
软件编程按中断源的优先级查询
• 二者的比较：
扩展：
向量中断------由硬件提供中断服务程序入口地址
非向量中断------由软件提供中断服务程序入口地址
向量中断：CPU读取位于0x18处的IRQ中断指令时，系统自动读取对应于中断源确定地址上的指令取代0x18处的指令，通过跳转指令，系统直接跳转到对应地址函数中。
例如 ADC 中断的向量地址为0xC0，则在0xC0处放如下代码：
ldr PC,=HandlerADC ；
ADC中断产生时，系统会自动跳转到HandlerADC函数中处理中断
非向量中断：当系统产生中断时，系统将INTPND寄存器中对应标志位置位，然后跳转到位于0x18处的统一中断函数中；该函数通过读取INTPND寄存器中对应标志位来判断中断源，并根据优先级关系再跳到对应中断源的处理代码中处理中断。

4. 中断处理

• 运行中断服务程序，一般做以下几件事情：
① 开中断:在保护旧现场前，CPU关了中断，旧现场已保护完，新现场已建立完，现在要运行服务程序，就要开中断，以便在运行服务程序时，能响应更高级别的中断请求（多级中断）
② 运行中断服务程序
③ 关中断
④ 恢复现场:将被中断程序的断点，状态字恢复，以备返回时用。

5. 中断返回

• 中断服务程序的最后一条指令，一般是一条中断返回指令，以便返回到被中断的程序继续运行。

例题

外部中断包括不可屏蔽中断（NMI）和可屏蔽中断，下列关于外部中断的叙述中错误的是：
A、CPU处于关中断状态时也能响应NMI请求；
B、一旦可屏蔽中断请求信号有效，CPU将立即响应；
C、不可屏蔽中断的优先级比可屏蔽中断的优先级高；
D、可通过中断屏蔽字改变可屏蔽中断的处理优先级。
答案：B

五、多重中断（中断嵌套）

1．实现多重中断的条件

①CPU响应中断后，再“开中断”，以备响应更高级别的中断请求
②只有优先级高的中断源才能中断优先级低的
• 要保证这一点，须使优先级别低的中断请求传不给CPU，只有优先级别高的才能传过来——屏蔽技术。

2．屏蔽技术

• 前面讲过，每一个中断源都有一个屏蔽触发器，每个屏蔽触发器合在一起，可以组成一个屏蔽寄存器，屏蔽寄存器的内容，叫一个屏蔽字。通过屏蔽字，可以看出中断源的处理优先级。

如：4个中断源，要求其中断处理顺序为1→2→3→4，屏蔽字如何设置？若要求其处理顺序为1→3→4→2，屏蔽字又如何设置？

3. 中断优先级的动态分配

优先级：

响应优先级：优先响应哪个中断请求（硬件排队）
处理优先级：优先执行哪个服务程序
• 硬件线路固定，响应优先级固定，要改变，只有改变硬件线路，而处理优先级可以通过屏蔽技术来改变，处理顺序可与响应次序一致，也可不一致，故屏蔽字提供一种手段，它能动态调度中断处理优先级的次序，使中断系统具有灵活性。

如：响应优先级：1→2→3→4 处理优先级：3→1→2→4CPU为主程序服务时，同时来了2、3的请求

例1：中断响应顺序1→2→3→4，CPU在为1服务时，来了2的请求，为2服务时，来了3的请求，依此类推。处理优先次序为：1→3→4→2，如何处理？

例2：机器共有4级中断，中断响应次序为1→2→3→4，处理次序为1→3→4→2，CPU在为中断1服务时，同时来了2、4的请求，在处理4未完时，又来了3的请求，画出中断过程示意图。

例3：机器共有4级中断，中断响应次序为1→2→3→4，若处理顺序为1→4→2→3，CPU在为1服务时，同时来了2、3、4的请求，画出中断过程示意图。