第八章:中断系统与可编程中断控制器芯片8259A

§ 8.1 中断概念

中断 计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行，这一个过程被称为中断

中断源 分为外部中断源和内部中断源，谁向CPU提出中断请求，谁就是中断源。其中内部中断源CPU必须响应，NMI引脚提出的外部中断也必须响应，INTR提出的外部中断需要根据IF的值判断是否响应(IF为1响应中断,IF为0不响应中断)

中断类型号 由于外设有很多，中断源也有很多，为了让CPU把这些不同的中断源区分开，我们需要中断类型号用于识别中断源，用N表示，8086对每一个中断源都编了一个中断类型号，用8位2进制编码，所以8086一共可以管理256级中断 除法错中断:0号 单步中断:1号 NMI外部中断:2号 断点中断:3号 溢出中断:4号 INT N:N号 外设可以通过INTR引脚对CPU提出可屏蔽外部中断，该中断的中断类型号不固定，为了把中断类信号传给CPU，我们就需要在外部扩充一个8259芯片来管理这些外部可屏蔽中断源，在使用8259时，我们要把中断类信号通过OUT初始化到8259，当CPU收到中断后就会从8259获取中断类型号，有了中断号，CPU就可以找到中断向量在终端表里的位置，从而去为中断服务子程序服务

中断向量 中断服务子程序的入口地址，由4个字节组成，包含32个二进制位，高16位为16位段地址，低16位为16位偏移地址

中断向量表 为了方便管理这些中断向量方便查询，8086CPU把所有的中断向量放在一起编成了一个中断向量表，8086一共可以管理256个中断源，每一个中断源的中断向量占4个字节，一共就需要1k地址空间来存放这些中断向量，8086CPU把前1k字节设置为中断向量表，即0～1023，或0H～3FFH，这个中段向量表中存放的全是中断向量，我们以0为中断向量表的基地址，将中断类型号乘以4，就可以得到该中断的中断向量在中断向量表中的偏移地址，这里的中断向量的存放规则依然满足低地址存偏移地址，高地址存段地址

中断服务子程序 为中断源服务的程序称为中断服务子程序

中断现场 CPU在执行主程序时，收到必须响应的中断请求，执行完当前指令后，主程序的下一条指令就是中断现场， CPU在响应中断之前，要先把中断现场保护起来，会把PSW,CS,IP依次压栈，在执行完中断服务程序的IRET后(中断服务子程序的最后一条指令一定是IRET)，再将IP,CS,PSW依次出栈

中断的响应过程

• CPU在执行指令的最后一个周期才会去检测中断，所以CPU只会在当前指令执行完后响应
• 保护现场，PSW,CS,IP依次入栈
• (外部可屏蔽中断)从8259获取中断类型号N
• 屏蔽中断，清除IF和TF，如果程序员需要程序在中断请求的途中响应外部可屏蔽中断，需要手动把IF置1
• 将N乘以4，得到中断向量在中断向量表中的偏移地址，取一个字给IP，再取一个字给CS，转到中断服务子程序

如果允许CPU在执行中断的时候响应更高优先等级发中断，则称为允许中断嵌套

中断优先级:除法错中断 ＞ INT N ＞ INTO溢出中断 ＞ NMI中断 ＞ INTR中断 ＞ 单步中断

§ 8.2 8259的内部结构和工作方式

引脚及功能

8259采用双列直插式封装，一共有28个引脚

IR0～IR7：中断请求输入引脚 一片8259只有8个中断请求信号，所以一个8259只能管理8个中断源

D0～D7：双向数据引脚

为片选信号，无效时，数据引脚为高阻态，有效时，8个数据引脚处于2态，此时可以通过数据线往8259内部写命令，也可以把8259内部的数据读走

为写控制引脚

为读控制引脚

A0为片内寻址地址线，8259内部有两个端口地址，但并不代表8259内部就只有两个端口，8259内部不止两个端口，但所有端口共用两个IO地址，两个状态显然无法寻址到每一个IO端口，所以8259除了通过A0来寻址端口，还需要一些特征位来识别端口

INT连接INTR，用于发送中断信号 连接8086的，用于接收CPU传回的响应信号，若8086响应中断，会发回两个负脉冲，第一个负脉冲告诉8259可以响应中断，第二个总线周期再发送一个负脉冲，当8259收到第二个负脉冲时，就把对应的中断信号送到数据线

8259的数据线需要和8086的低8位数据线相连

8259可以工作在非缓冲和缓冲两种工作方式 缓冲工作方式:为了防止系统总线负载过重，我们可以在8259和系统总线之间设置一个双向数据缓冲器，例如74LS245，其中74LS245的片选信号需要由引脚来提供，此时为输出引脚 非缓冲工作方式:8259的数据引脚和系统总线低8位直连，此时变为输入引脚，如果该8259的INTR直接和CPU的INTR相连，接+5V，如果该8259为级联工作时的从片，那么应该接GND

CAS0～CAS2为级联线 主片的 CAS0～CAS2 应该连接从片的 CAS0～CAS2 ，主片做输出，从片做输入。从片连接主片的一个输入端，主片再向CPU请求中断，当CPU响应中断时，只会发送两个负脉冲，并不能识别是哪一个从片发出的中断，当主片收到这两个负脉冲时，通过这三个引脚向从片发出一个信号，告诉从片们是哪一个从片发出的中断被响应了，被响应的从片才能把终端类信号送到数据线上

内部结构

中断请求寄存器IRR 直接和8个中断输入端相连，IRR也有8个请求输出，收到1个中断请求后可以锁存到输出端的对应位，输入数据的形式可以通过初始化手动设置，可以设置为高电平有效，也可以设置为上升沿有效，一般设置为上升沿有效

中断屏蔽寄存器IMR 八位寄存器，可以让IRR屏蔽掉某些位的中断请求，IMR的第n位写1，意味着8259屏蔽掉IRn输入的中断请求，当某一位被屏蔽了，IRR就不会接收这一位的数据

优先权分析器 8259一次只能输出一个中断，当同时有多个中断输入时，就要分析哪一个中断的优先级更高，优先权分析器就是用来实现这个功能的，它与IRR输出端相连，接收IRR发出的所有中断请求，并将优先权最高的中断请求输出到ISR

中断服务寄存器ISR 中断服务寄存器是一个8位寄存器，由优先权分析器控制，优先权分析器先把优先级最高的中断请求选出来，假设第n位的优先权最高，那么优先权分析器就把ISR的第n位置1。当ISR有一位置1，表明8259已经对外设服务了，但并不代表CPU也为外设服务，8259需要向CPU请求中断， CPU响应后开始执行中断服务子程序，此时才能说CPU已经对外设服务了，CPU是否可以响应外部可屏蔽中断，受IF控制

中断服务结束方式 中断服务结束方式分为两种，非机动结束和自动结束 自动结束方式中，当8259从#INTA中收到第2个负脉冲时，先把中断类型码输出到总线上，然后自动把ISR清零，结束对外设的中断服务，这种方式一般不用 非自动结束方式:8259不主动结束对外设的服务，需要程序员在IRET返回指令之前向8259发送一个EOI命令，手动将8259的ISR清零，这是常选用的一种

综上 我们知道，CPU是否响应外部可屏蔽中断受两个因素控制， CPU想要响应外部可屏蔽中断，必须保证8259的IMR没有对本位请求进行屏蔽，并且IF置1。

控制逻辑电路 在控制逻辑电路里，有四个ICW寄存器(初始化命令字)和3个OCW寄存器(操作命令字)

§ 8.2 8259的编程

通过操作ICW和OCW，可以实现对8259的编程

初始化编程

对ICW1～ICW4写命令，可以实现初始化编程

首先注意ICW和OCW是从1开始的，不是从0开始的

初始化编程流程：

ICW1： 初始化ICW1，需要先把ICW选中，保证A0=0 ICW1有D0～D7一共8位，其中D5,D6,D7这三位没用 D4位为特征位，必须写1，当A0=0且D4位为1时，8259才知道这是在对ICW1操作 D3位控制中断请求的有效类型，如果写0，说明中断请求信号的有效类型为上升沿有效，如果写1，说明中断请求的有效类型为高电平有效，在IBMPC机中，此位为0 D2位在8086系统中没有用，这一位在8085系统中才有实际作用 D1位可以反映工作状态，D1为0表示级联工作，D1为1表示单片工作，如果是级联工作，初始化ICW1后还需要初始化ICW3。如果是单片工作，不用初始化ICW3 D0位固定为1，该位写1表示要初始化ICW4，如果写0就不用初始化ICW4，但我们都要初始化ICW4，所以本位固定写1

；主片
MOV AL,11H;级联工作，上升沿有效
OUT 20H,AL;20H没有超过255
；从片
MOV AL,11H
OUT 0A0H,AL

ICW2： 保证A0=1，并且要在初始化ICW1后立即初始化ICW2，才能选中本端口，在这里8259根据初始化顺序来识别本端口 向ICW2里写命令字，可以初始化主片8259的基地址(IR0的中断类型号)，对IR0的中断类型号初始化之后，IR1～IR7的中断会递增自动设置 D3～D7位写中断类型码的高5位，D0～D2可以理解为全写0

;主片
MOV AL,08H
OUT 21H,AL;保证A0为1，由此可见，8259的A0需要和CPU的A0相连
;从片
MOV AL,70H
OUT A1H,AL

ICW3： A0=1，并且必须要在初始化ICW2后立即初始化，这里也是根据顺序来判断 在单片工作时不需要ICW3，只有在级联工作时才需要设置ICW3，8位寄存器，如果是主片，就通过ICW3告诉主片哪个输入端被级联了。如果是从片，就通过ICW3告诉从片他级联在主片的哪一个输入口了。对于主片而言，最多级联8个8259，所以主片的第n位被级联了，就对第n位写1，对于从片而言，只能级联在一个主片上，最多只有8个信号，所以从片ICW3的D3～D7是没有用的，通过D2～D0来识别从片被级联到主片的哪一个输入端

;主片
MOV AL,04H
OUT 21H,AL
;从片
MOV AL,02H
OUT 0A1H,AL

ICW4： 保证A0=1 A5,A6,A7是特征位，如果这三位都是0，且A0为1，选中ICW4 D4为设置嵌套方式，D4为0就是正常嵌套方式，即固定优先级。D4如果为1，就是特殊嵌套方式，。一般都用正常嵌套方式 D0位写1 D1位选择中断结束方式，写0表示非自动中断结束，写1表示自动中断结束，一般选用非自动的结束方式，需要在IRET前对OCW2写EOI中断结束命令 D3为设置缓冲方式，一般用非缓冲工作方式，写0 D2位只有在D3为1时有效，设置该8259是从片还是主片，主片写0，从片写1，一般来说这一位我们都填0

;主片
MOV AL,01H
OUT 21H,AL
;从片
MOV AL,01H
OUT 21H,AL

操作命令字

初始化命令字是在8259工作前进行的，而操作命令字是可以在8259工作中进行操作的。

OCW1： 保证A0=1 给OCW1写命令，等价于给IMR(中断屏蔽寄存器)写命令 同样，也可以读出来，即IN AL,21H OCW1和IMR实际上是保持一种实时同步的关系

OCW2： 保证A0=0 向D5位写1，就是通知8259结束正在服务的中断，很显然，这个操作必须在非自动结束方式下才有意义，并且这个操作必须要在IRET指令之前完成，其他位的内容感兴趣自修

OCW3： OCW3可以改变8259的屏蔽方式，但在正常嵌套方式下没有用，所以不细说 A0=0

到这里可以看出8259内部的端口其实有很多，这么多的端口，共享了两个端口地址，8259需要把对这么多端口区分开，A0的状态可以区分一次，写入的8位数据的特征位可以区分一次，8259就可以把不同的端口区分开，所以8259是通过地址和特征位结合的方式来对内部端口寻址

主片8259分配的端口地址为20H和21H，从片8259分配的端口地址为A0H和A1H，系统初始化时，对主片8259中断类型号的基址默认初始化为08H，对从片8259的中断类型号的基址初始化为70H