计组与微机控制
10.1 X86中断系统在IO应用
10.1 X86中断系统在IO应用
5.2 中断的作用
中断技术的引入，使 CPU 不必一直等待外设，而是在外设真正需要服务时才响应。
它的作用有：
提高 CPU 利用率 实现 CPU 与外设并行工作 提高系统实时性 支持多个外设同时工作 支持异常事件处理 支持操作系统多任务管理
6. 8086/8088 的中断分类（之前说的是ARM的）
8086/8088 的中断可以分为：
硬件中断 软件中断
硬件中断又可以分为：非屏蔽中断 NMI，可屏蔽中断 INTR
6.1 硬件中断
硬件中断由外部硬件电路产生，也叫外部中断。
8086/8088 有两条硬件中断请求输入线：NMI，INTR
6.1.1 NMI 非屏蔽中断 NMI 全称：Non-Maskable Interrupt非屏蔽中断
特点：
不受 IF 标志位控制 CPU 不能通过清 IF 来禁止 NMI 优先级很高 通常用于严重故障
常见用途：
掉电检测 存储器奇偶校验错误 严重硬件故障 系统紧急保护
8086 中：NMI 对应中断类型号 2
所以它的中断向量地址是：2 × 4 = 0008H
中断向量占 4 字节，因此 NMI 的向量存放在：0008H ~ 000BH
6.1.2 INTR 可屏蔽中断
INTR 是可屏蔽中断请求输入端。
特点：
受 IF 标志位控制 IF = 1 时，CPU 可以响应 INTR IF = 0 时，CPU 不响应 INTR
一般外设中断请求都通过 INTR 进入 CPU。
多个可屏蔽中断源通常要通过中断控制器管理，例如：8259A
6.2 软件中断
软件中断不是由外部硬件引脚产生，而是由指令或程序内部条件产生。
常见软件中断包括：
INT n INTO
还有一些 CPU 内部异常也属于软件中断或内部中断，例如：
除法溢出 单步中断 断点中断 溢出中断
6.3 8086/8088 的中断类型号
8086/8088 最多支持：256 种中断
中断类型号范围：0 ~ 255
每个中断类型号对应一个中断向量。
7. 中断向量
中断向量就是：中断服务程序的入口地址
在 8086/8088 中，一个中断服务程序入口地址由两部分组成：
CS：段地址 IP：偏移地址
所以一个中断向量包括：IP，CS
7.2 中断向量表
8086/8088 的中断向量表位于内存最低端：
00000H ~ 003FFH
大小：1 KB
因为：256 个中断 × 每个中断向量 4 字节 = 1024 字节 = 1 KB
7.3 每个中断向量的存放格式
每个中断向量占 4 个字节：
低地址 2 字节：IP 高地址 2 字节：CS
注意 8086 是小端方式，所以：
IP 低字节在低地址 IP 高字节在高地址 CS 低字节在低地址 CS 高字节在高地址
7.4 中断向量地址计算
公式：中断向量地址 = 中断类型号 × 4
如果中断类型号为 n，则：
IP 存放地址：4n 和 4n + 1 CS 存放地址：4n + 2 和 4n + 3
例 1：NMI 中断
NMI 类型号为 2。
向量地址 = 2 × 4 = 0008H
所以IP 存放在 0008H、0009H，CS 存放在 000AH、000BH
例 2：INT 21H
中断类型号 = 21H 向量地址 = 21H × 4 = 84H
所以：
IP 存放在 0000:0084H、0000:0085H CS 存放在 0000:0086H、0000:0087H
8. 8086/8088 前 5 个专用中断
8086/8088 中断类型号 0 ~ 4 是专用中断。
类型 5 到类型 31 是保留中断。
类型 32 到 255 通常可由用户或系统使用。
9. 硬件中断响应过程
9.1 NMI 响应
NMI 不受 IF 控制。当 NMI 引脚出现请求时：
CPU 不管 IF 是 0 还是 1，都响应 NMI。
NMI 一般用于紧急事件，例如掉电处理。
掉电时可能的处理方法：
立即保存现场数据 启动备用电源 保存关键状态 等待电源恢复后继续执行
9.2 INTR 响应条件
可屏蔽中断 INTR 要满足：
INTR 有请求 IF = 1 当前指令执行结束
CPU 才会响应。如果：IF = 0则 CPU 不响应 INTR。
9.3 INTA 中断响应周期
8086 响应 INTR 时，会通过 INTA 引脚发出中断响应信号。
教材中说：CPU 在 INTA 引脚上发两个负脉冲
过程可以理解为：
外设或中断控制器向 INTR 发请求 CPU 判断 IF = 1 CPU 执行完当前指令 CPU 发出第一个 INTA 脉冲 CPU 发出第二个 INTA 脉冲 外设或 8259A 把中断类型码送到数据总线 CPU 读取中断类型码 CPU 查中断向量表 CPU 转入中断服务程序
9.4 CPU 响应可屏蔽中断后做的事
CPU 响应外部中断时，会自动完成一部分操作：
1. 从数据总线读取中断类型号 2. 将标志寄存器 FLAGS 压入堆栈 3. 清除 IF 和 TF 4. 将当前 CS 压入堆栈 5. 将当前 IP 压入堆栈 6. 根据中断类型号查中断向量表 7. 取出新的 IP 和 CS 8. 转到中断服务程序执行
注意：IF 被清除后，CPU 暂时不再响应新的可屏蔽中断。 TF 被清除后，避免进入单步调试中断。
10. 本节重点总结
10.1 I/O 接口重点
I/O 接口是 CPU 和外设之间的桥梁。 它负责数据缓冲、格式转换、速度匹配、状态保存和控制信号产生。
10.2 四种 I/O 方式重点
无条件传送：不查状态，直接传送，简单但不可靠。 查询传送：CPU 反复查状态，可靠但浪费 CPU。 中断方式：外设主动请求 CPU，效率高、实时性好。 DMA 方式：外设和内存直接传送，适合高速大批量数据。 I/O 处理机方式：专用处理器管理 I/O，CPU 负担最小。
10.3 编址方式重点
统一编址：I/O 和内存共用地址空间，用访存指令访问。 独立编址：I/O 和内存分开编址，用 IN/OUT 指令访问。
10.4 中断系统重点
中断 = CPU 暂停当前程序，转去处理中断服务程序，完成后返回原程序。 8086/8088 有 256 种中断。 中断向量表位于 00000H ~ 003FFH。 每个中断向量占 4 字节，低 2 字节为 IP，高 2 字节为 CS。 中断向量地址 = 中断类型号 × 4。 NMI 类型号为 2，不受 IF 控制。 INTR 是可屏蔽中断，受 IF 控制。
11. 常考简答题模板
1. 为什么 CPU 和外设之间需要 I/O 接口？
因为 CPU 与外设在速度、数据格式、电平、功率、时序和控制方式等方面通常不匹配，不能直接可靠通信。I/O 接口位于 CPU 和外设之间，负责数据缓冲、格式转换、速度匹配、电平和功率匹配、状态保存以及控制信号产生，从而保证 CPU 与外设之间能够正确交换信息。
2. 程序查询方式和中断方式有什么区别？
程序查询方式是 CPU 主动反复读取外设状态寄存器，判断外设是否准备好，若准备好则进行数据传送，否则继续等待。这种方式硬件简单，但浪费 CPU 时间。中断方式是外设准备好后主动向 CPU 发出中断请求，CPU 响应后转去执行中断服务程序，完成数据传送后再返回原程序。中断方式提高了 CPU 利用率和实时性，适合随机发生的外设请求。
3. 什么是 DMA？它有什么优点？
DMA 是直接存储器存取方式，指在 DMA 控制器的控制下，外设和内存之间直接进行数据传送，而不需要 CPU 逐字节执行输入输出指令。DMA 控制器负责地址修改、计数控制和读写控制信号的产生。DMA 的优点是传送速度快、CPU 负担小，适合大批量高速数据传输。
4. 统一编址和独立编址有什么区别？
统一编址是把 I/O 接口寄存器和存储器统一安排在同一地址空间中，CPU 可以用普通访存指令访问 I/O 端口，编程灵活，但 I/O 会占用内存地址空间。独立编址是把 I/O 端口和存储器分开编址，CPU 使用专门的 IN 和 OUT 指令访问 I/O 端口，I/O 不占用内存地址空间，但指令功能相对受限。
5. 什么是中断？中断有什么作用？
中断是指 CPU 在执行当前程序时，由于外部设备请求或内部事件发生，暂时停止当前程序，转去执行相应的中断服务程序，服务完成后再返回原程序断点继续执行。中断可以提高 CPU 利用率，使 CPU 与外设并行工作，提高系统实时性，并支持多外设、多任务和异常处理。
6. 8086/8088 的中断向量表位于哪里？如何计算中断向量地址？
8086/8088 的中断向量表位于内存最低端 00000H 到 003FFH，共 1 KB。系统支持 256 种中断，每个中断向量占 4 字节，其中低 2 字节存放中断服务程序入口的 IP，高 2 字节存放 CS。若中断类型号为 n，则该中断向量的起始地址为 n × 4。
7. NMI 和 INTR 有什么区别？
NMI 是非屏蔽中断，不受中断允许标志 IF 的控制，优先级高，通常用于掉电、硬件故障等紧急事件。INTR 是可屏蔽中断，受 IF 标志控制，只有当 IF=1 且 CPU 执行完当前指令后才会响应。一般外部设备的中断请求通过 INTR 输入，并常由中断控制器统一管理。
I/O 接口负责连接 CPU 和外设； 数据传送方式从低级到高级依次是：程序控制、中断、DMA、I/O 处理机； 中断系统的核心是：中断请求 → 中断响应 → 查中断向量表 → 执行中断服务程序 → 返回原程序。