《微机原理中断技术》课件

微机原理中断技术探讨微机系统中断技术的重要特性和工作原理,为设计和开发高效的微机系统提供理论基础中断概述中断的定义中断的作用中断是指CPU在正常执行程序时中断机制可以大大提高CPU的利收到来自外部或内部的信号,发生用率和系统的响应速度,是微处理中断后CPU会暂时中止当前程序器系统实现多任务和实时性的关的执行,转而执行与中断信号对应键技术之一的中断服务程序中断的特点中断的分类中断发生时CPU会保存当前程序中断按源头可分为内部中断和外的执行环境,在中断服务程序执行部中断;按执行方式可分为软件中完毕后恢复到原程序执行状态断和硬件中断不同类型的中断中断具有异步、抢占和优先级等有各自的特点和处理方式特点中断分类定时中断硬件中断软件中断优先级中断由系统内置的定时器或时钟电由外部硬件设备产生的异步、由软件指令执行产生的中断信根据中断请求的重要性高低设路产生的周期性中断信号触发非周期性中断信号触发号触发,用于实现系统功能置不同的优先级别中断向量表中断向量的定义中断向量表的内容中断向量表的组织中断向量表是一组存储中断服务程序入口地中断向量表通常存储在固定的内存地址范围中断向量表通常被组织为一个线性数组每址的内存区域每个中断源对应一个独立的内每个中断向量占用4个字节，前两个字个中断源对应一个唯一的中断号,中断号作中断向量当接收到中断请求时，CPU根据节存储段地址，后两个字节存储偏移地址为中断向量表的索引,快速定位到对应的中中断号迅速定位到对应的中断服务程序入口中断服务程序的全地址由段地址和偏移地址断服务程序入口地址地址并跳转执行组成中断服务程序初始化1首先需要完成中断服务程序的初始化工作，包括注册中断向量、设置中断入口地址等执行任务2中断服务程序必须快速完成相应的任务处理，避免阻塞中断响应现场保护3在处理中断时需要保护现场寄存器等现场信息，确保中断返回后能正确恢复现场外部中断异步信号即时响应多样性灵活性外部中断是由外部硬件设备发当外部中断发生时,CPU必须常见的外部中断源包括键盘、外部中断可以用来实现高效的送的异步信号触发的它可以立即停止当前执行的程序,转鼠标、时钟、I/O设备等每并发I/O操作,提高系统的响应随时发生,不受程序的控制而去处理这个外部中断请求个设备都有自己的中断请求信速度和实时性号硬件电路分析实现中断的硬件电路中断所依赖的硬件电路包括CPU内部中断处理单元、中断控制器以及与外围设备相连的中断引脚这些硬件电路共同协作完成中断的整个生命周期,从中断请求的检测到中断服务程序的执行软件中断指令中断异常中断12通过特殊的CPU指令触发中断,CPU在执行指令时遇到错误或如INT指令,可以人为地发起中特殊情况时会自动触发异常中断请求断系统调用中断虚拟设备中断34应用程序通过调用系统函数触虚拟化环境下,虚拟设备的中断发中断,访问操作系统提供的服请求需要虚拟机监控器进行中务转处理中断优先级中断优先级是指当多个中断同时发生时,处理器如何确定优先级并处理这些中断的机制通过设置合理的中断优先级,可以确保关键任务优先得到服务,提高系统实时性和响应效率中断优先级说明硬件优先级通过硬件电路设计确定中断优先级,通常分为高、中、低三个级别软件优先级通过软件编程设置中断优先级,可以根据具体应用灵活调整混合优先级结合硬件和软件,采用多层次优先级机制,可以提高系统的实时性和灵活性中断屏蔽中断屏蔽寄存器选择性屏蔽12处理器内部设有中断屏蔽寄存器，用于控制各类中断的开启我们可以选择性地屏蔽某些中断源,而不屏蔽其他中断源,从或关闭而实现对中断的精细控制动态屏蔽硬件屏蔽34在中断服务程序中,我们还可以动态地设置中断屏蔽寄存器,硬件电路也可以实现对中断的屏蔽,为软件提供更加细致的中以应对复杂的中断嵌套需求断控制能力中断挂起中断挂起概述中断挂起的原因中断挂起是指一个中断请求被CPU受理但还未被执行时,另一个中中断挂起通常是由于多个外围设备同时向CPU发出中断请求,而断请求到达并被加入到待执行队列中的情况此时较早的中断请CPU只能依次处理这些中断在完成一个中断请求之前,新的中断求会被暂时挂起,等待稍后执行请求将被暂时挂起嵌套中断中断嵌套1中断服务程序运行时可能发生新的中断请求中断优先级2根据中断优先级确定新中断是否可以中断当前服务程序硬件支持3CPU硬件提供对嵌套中断的支持嵌套中断是指在处理一个中断时,又发生了新的中断请求当前中断服务程序可能需要暂时中断,转而去处理优先级更高的新中断这需要CPU硬件提供保护现场和恢复现场的能力,以确保各个中断服务程序能够顺利执行中断控制器中断控制器是计算机系统中用于管理和处理各种中断源的关键硬件部件它负责接收、分类、优先级判断和响应各种中断请求中断控制器确保了中断处理的有序、高效和实时性常见的中断控制器包括8259A、APIC等,它们提供了丰富的中断管理功能,如中断屏蔽、中断嵌套、中断优先级等合理配置和编程中断控制器是实现高性能中断响应的关键中断控制器8259A多级中断优先级编程8259A可以支持多级中断请求，8259A内置了可编程的优先级控提供了7个可编程的中断输入引脚制电路，可根据需求设置各输入中断的优先级多种工作模式灵活配置8259A支持边沿触发、电平触发8259A通过编程控制可以实现对等多种工作模式，适应不同的中各中断输入的灵活配置和管理断源的编程8259A编程概述8259A18259A芯片是一款多功能的可编程中断控制器编程步骤8259A2包括初始化、中断屏蔽、优先级设置等口编程I/O3通过软件对8259A的I/O口进行编程控制中断向量表编程4设置各中断向量的入口地址8259A芯片是常见的可编程中断控制器,广泛应用于微处理器系统中编程时需要包括初始化、中断屏蔽、优先级设置等步骤,并通过对I/O口和中断向量表的编程来完成对8259A的控制这些编程技术是掌握微机中断机制的关键所在中断处理过程中断请求外部设备或内部软硬件条件触发中断请求信号中断响应CPU检测到中断请求后，暂停当前指令执行并准备响应中断中断保护CPU保存当前程序执行环境寄存器、指令指针等以便中断后恢复中断转移CPU通过中断向量表确定中断服务程序的入口地址并转移执行中断服务执行中断服务程序以处理中断事件,完成相关任务中断返回中断服务程序执行完毕后,CPU恢复之前保存的现场并继续执行原程序中断响应时间快速响应关键指标12微处理器在收到中断请求后，中断响应时间是衡量微处理器必须在最短时间内切换到中断处理中断性能的重要指标之一，服务程序并开始执行这个从它决定了微处理器对实时事件收到中断到开始执行中断服务的响应速度程序的时间间隔称为中断响应时间影响因素3中断响应时间受到指令执行时间、中断处理流程、中断优先级等多方面因素的影响需要进行优化设计才能实现快速响应中断潜伏期5μs中断触发到处理开始20μs完成响应中断服务程序50μs处理完成返回主程序中断潜伏期即从中断触发到CPU开始执行中断服务程序之间的时间延迟这个延迟由多个因素决定,如中断向量表查找、寄存器保护等,通常在5-50微秒之间快速响应中断是实时系统的关键需求中断延迟5μs最快响应50μs典型响应500μs最慢响应中断延迟指从中断发生到处理程序执行的时间,这决定了系统对外部事件的响应速度快速响应时间对实时系统尤为重要,可确保系统能及时处理紧急事件并做出适当反应影响中断延迟的因素包括中断处理过程、软硬件体系结构以及系统负载等中断源检测电路检测通过检测相关电路的电平变化来确定中断源这需要开发针对特定硬件的检测逻辑标志检测利用软件设置的中断标志位来判断发生了哪种类型的中断这需要在硬件和软件层面配合使用优先级判断根据中断源的优先级来确定处理顺序优先级由硬件设计或软件配置决定中断应答确认中断保存现场调用处理程序清除中断系统检查所有可能的中断源,保存中断发生时CPU的状态,根据中断类型,调用相应的中处理完成后,清除中断挂起标确认中断类型并准备进行应答为后续中断服务程序的执行做断服务程序进行处理志,为下一次中断做好准备好准备中断服务程序编写确定中断源1首先要确定是哪种类型的中断触发了中断服务程序的执行这通常需要读取中断控制器的状态寄存器保存现场2在执行实际的中断处理逻辑之前,需要保存CPU的现场环境,包括程序计数器、寄存器等执行处理3根据中断源的类型,编写针对性的中断处理逻辑,完成相应的任务这可能涉及数据采集、状态更新等操作恢复现场4中断服务程序执行完毕后,需要恢复之前保存的CPU现场环境,确保程序能够正常继续执行返回主程序5最后,中断服务程序需要通过IRET指令返回到主程序的执行点,完成整个中断处理过程中断处理流程中断检测1监测各种中断源是否发生中断请求中断响应2根据中断优先级进行响应和处理现场保护3保存当前程序状态以便恢复中断处理4执行中断服务程序进行相应操作现场恢复5恢复现场并返回到被中断程序中断处理流程主要包括中断检测、中断响应、现场保护、中断处理和现场恢复等关键步骤通过这些步骤可以确保中断能够被及时、正确地处理，避免对原有程序的运行造成影响中断重入硬件层面的中断重入软件层面的中断重入多任务环境下的中断重入当一个中断请求正在被处理时,如果另一个在中断服务程序内部,如果存在嵌套调用或在多任务操作系统中,中断处理需要与任务中断请求到达,就会导致中断重入这需要者复杂的分支逻辑,也会导致中断重入这切换协调,避免中断重入导致的数据竞争和硬件电路设计来解决,确保中断请求的正确需要仔细设计中断服务程序的软件逻辑来避系统崩溃这需要操作系统的中断管理机制处理免来解决中断服务程序保护隔离中断服务程序禁止嵌套中断保存现场状态安全退出中断在执行中断服务程序时,应该在中断服务程序中,应该禁止在进入中断服务程序之前,需中断服务程序结束时,需要先将其与主程序隔离开来,避免响应其他中断,避免发生嵌套要保存当前程序的寄存器和栈恢复现场状态,再通过中断返相互干扰可以使用独立的堆中断这可以通过设置中断屏指针等状态信息,以便在中断回指令退出这可以确保程序栈和寄存器空间来保护程序状蔽位来实现返回时恢复现场正确地切换回主程序态中断技术应用实时系统应用嵌入式系统应用操作系统应用中断技术在实时系统中广泛应用,如工业控嵌入式系统通过中断机制管理传感器、键盘、现代操作系统广泛使用中断技术来实现进程制、航天航空等领域,确保快速响应和高性网络等各种外设,提高了系统效率和响应速切换、I/O服务、定时等功能,保证系统可靠能度性和实时性中断编程实践中断初始化1配置中断向量表,建立中断服务程序中断注册2将中断服务程序与中断向量关联中断启用3开启中断控制器和处理器中断标志中断处理4在中断服务程序中执行相应操作中断编程实践需要先初始化中断系统,建立中断服务程序并将其注册到中断向量表然后启用中断控制器和处理器中断标志,在中断服务程序中执行相应的中断处理逻辑整个过程需要对硬件和软件进行细致的配置和编程典型案例分析以8259A中断控制器为例,深入分析其内部结构和工作原理通过源码分析和典型电路设计,解析8259A的编程接口及其与单片机的集成应用同时结合具体项目案例,展示8259A在现实中的应用场景和实现细节,为学员提供实战经验和应用洞见小结和思考综合应用灵活性和复杂性中断技术在微处理器系统中广泛中断机制设计灵活,但处理中断的应用,能够提高系统的响应能力和复杂性也增加了系统设计和调试实时性的难度软硬件协作中断处理需要软硬件协同工作,必须全面考虑各种因素以确保系统稳定可靠答疑交流这个课程涵盖了多方面的中断技术知识,如果在学习过程中遇到任何疑问,欢迎大家积极提出我们将花时间对这些问题进行深入探讨,助力大家更好地理解和掌握中断的相关概念通过这个环节,讲师可以了解同学们的学习情况和需求,及时调整教学重点和讲解方式,确保知识点传授到位同时,同学们也可以相互交流,互帮互助,增进对中断技术的认知课堂总结我们深入学习了微机原理中断技术的各个重要概念和应用,从基础到实践,全面掌握了中断系统的工作原理和编程实践通过典型案例分析,学生对相关知识有了更加深入的理解。