《中断和中断控制器》课件

中断和中断控制器中断是计算机系统中一种重要的事件驱动机制通过中断控制器,CPU可以及时响应各种外部中断请求,提高系统实时性和可靠性了解中断原理和控制器结构对于设计高效的计算机系统非常重要中断的定义即时响应改变程序流程被动触发中断是指CPU在执行正常程序时，被突发性中断会改变CPU正常的程序执行顺序，使其中断是由硬件或软件设备主动向CPU发出的事件打断，转而响应这些事件的过程转而执行相应的中断服务程序请求信号，CPU被动地响应这些请求中断的特点实时性独立性异步性中断信号能够立即打断当前程序的执行,及中断能够独立于正在执行的程序而自行发生中断的发生时间是不确定的,与正在执行的时响应外部事件,提高系统的实时性和响应,不需要程序主动发出请求程序是异步的,不受程序执行进度的影响能力中断产生的原因硬件故障外部设备需求程序执行错误定时器溢出当系统硬件出现故障或异常时外围设备在需要CPU服务时会程序在执行过程中可能会出现系统定时器在到达预设时间时，会产生中断请求，以通知产生中断请求，如鼠标点击、除零错误、访问越界等异常情会产生中断,用于时间管理和CPU进行故障诊断和处理键盘输入等况,从而产生中断调度中断分类硬件中断软件中断12由外部硬件设备或内部硬件情由程序执行过程中出现的某些况触发的中断例如键盘、鼠情况引发的中断例如除零错标、硬盘等设备产生的中断误、非法指令等外部中断内部中断34由外部硬件设备产生的中断由CPU内部产生的中断如除如I/O设备、定时器、计数器零错误、非法指令、栈溢出等等外围设备产生的中断情况触发的中断硬件中断源于外部设备快速反应至关重要独立于程序执行硬件中断是由外部硬件设备（如鼠标、硬件中断需要CPU立即响应和处理,以确硬件中断是独立于正在执行的程序之外键盘、磁盘控制器等）引发的这些设保及时完成设备操作,避免数据丢失或系的异步事件,可以中断正常的程序执行流备发生特定事件时会向CPU发出中断信统错误程号软件中断定义应用软件中断是由程序代码主动触发的中断请求程序可以通过执行软件中断常用于实现系统调用、程序异常处理和定时器等功能特殊的中断指令来产生软件中断它们为软件提供了灵活的控制和事件响应机制外部中断硬件触发电信号变化异步性外部中断由物理硬件设备触发,例如按键、当外部硬件设备发生状态变化时,会产生电外部中断是异步产生的,发生时间不可预测,鼠标、键盘等输入设备信号变化触发中断需要及时响应内部中断内部中断定时中断内存访问中断CPUCPU内部设计的中断源通过特殊的中断请求计算机系统中会周期性地产生定时中断,用当CPU访问内存时发生页面错误、段错误等线来向CPU发出中断请求,如除零错误、缓于系统定时的维护和任务调度等这类中断异常情况时,会产生内存访问中断这类中存访问错误等这类中断由CPU内部的硬件由系统内部的计时器硬件定期触发,保证了断由内存管理硬件检测到并向CPU发出,用逻辑产生,系统必须及时响应并进行相应的系统时间的准确性和任务的及时性于及时处理内存访问异常情况处理非屏蔽中断系统中断优先级最高用于处理紧急事件12非屏蔽中断具有最高的系统中断优先级,不能被任何其他中断非屏蔽中断通常用于处理系统级的紧急事件,如电源故障、硬所打断或屏蔽件错误等立即执行中断处理程序不受中断屏蔽影响34一旦产生非屏蔽中断,系统会立即暂停当前程序执行,转而执即使系统设置了中断屏蔽,非屏蔽中断仍然可以被响应和处理行专门的中断处理程序可屏蔽中断定义特点可屏蔽中断是指可以被中断控制可屏蔽中断可以被CPU通过设置器禁止的中断当系统发生此类中断屏蔽寄存器来开启或关闭,让中断时,处理器可以选择是否响应系统能够根据需要选择是否处理该中断应用可屏蔽中断通常用于一些不那么紧急的外围设备,让CPU可以根据优先级选择是否处理中断处理过程中断请求1外部设备或内部模块产生中断请求信号中断受理2中断控制器根据优先级决定是否受理中断保存现场3保存处理器当前的工作状态和现场信息中断服务4跳转到相应的中断服务程序执行中断处理过程包括中断请求、中断受理、保存现场和中断服务几个步骤首先外设或内部模块产生中断请求信号,中断控制器根据优先级决定是否受理中断如果受理,则保存当前处理器状态,跳转到对应的中断服务程序执行中断服务结束后恢复现场继续执行原有任务中断响应时间5μs快速最佳中断响应时间在5微秒左右50μs快捷大多数系统的中断响应时间在50微秒内500μs延迟一些复杂系统可能需要500微秒的中断响应时间中断响应时间是一个关键指标,体现了系统对中断事件的反应速度快速的中断响应可以保证系统及时处理关键事件,提高系统性能和实时性中断优先级在中断处理过程中,如果多个中断同时发生,就需要确定优先级通过分配不同的优先级,可以保证重要的中断先得到响应和处理通常采用固定优先级方案,即各个中断源事先被赋予一个固定的优先级中断向量中断向量是中断处理程序的入口地址每一种中断都有其唯一的向量号,系统通过这个向量号找到对应的中断服务子程序向量号中断源0除法错误1单步中断2不可屏蔽中断3断点中断4溢出中断中断寄存器48中断寄存器位数主要用于中断状态的管理和控制中断寄存器一般为8位宽度13标志位控制位用于指示中断请求的状态用于配置和控制中断的使能和优先级中断控制器中断的管理和协调中断控制器负责管理和协调来自各种外围设备的中断请求,确保它们能够按照设定的优先级得到及时响应中断信号的处理中断控制器接收、识别、屏蔽和传递中断信号,确保系统能有序地响应各种中断事件编程接口中断控制器为CPU提供编程接口,允许软件对中断行为进行配置和控制中断控制器8259A8259A是一款广泛应用的中断控制器芯片它可以管理多达8路独立的中断源,并根据预先设置的优先级进行仲裁和响应8259A提供了多种工作模式,可以灵活地适配不同的系统需求8259A通过级联连接可以扩展到更多的中断源,并提供了编程接口,允许软件动态调整中断配置这使得中断控制能够更加智能化和高效的结构8259A8259A是一款广泛应用的中断控制器芯片,其内部结构包括中断请求寄存器、中断屏蔽寄存器、中断服务寄存器、中断命令寄存器和优先级电路等模块通过这些功能模块,8259A可以实现对多个中断源的集中管理和控制8259A采用80x86兼容的编程接口,支持级联连接以扩展中断通道数量,满足计算机系统复杂多样的中断需求的工作模式8259A操作模式边缘触发操作模式电平触发128259A可以设置为边缘触发模式,当输入中断线上出现上升沿或下8259A也可以设置为电平触发模式,当输入中断线保持一定电平时,降沿时,就会产生中断请求这种模式适用于对事件变化敏感的场就会产生中断请求这种模式适用于对持续状态监测的场合合的编程接口8259A读写控制寄存器设置中断屏蔽8259A通过控制寄存器来配置其通过编程可以选择性地屏蔽某些工作模式和控制功能软件可以中断源,以免它们干扰正常的中断读取和写入这些寄存器来实现对处理流程中断控制器的编程触发中断服务程序级联管理当中断源被激活时,软件可以调用多个8259A可以通过编程实现级相应的中断服务子程序来处理中联连接,扩展中断管理的能力断请求的级联连接8259A结构Master-Slave8259A中断控制器可以采用主从级联的方式来扩展中断源的数量级联连接方式主8259A的IR0-IR7连接到从8259A的IR0-IR7上，从8259A的INT输出再连到主8259A的IR2输入编程配置主从8259A需要分别编程设置工作模式、中断屏蔽等参数，以实现整个系统的中断处理中断处理的软件实现软件中断处理算法编写中断服务子程序设置中断优先级中断处理的软件实现包括编写中断服务子程中断服务子程序是处理中断的关键所在,需合理设置中断优先级可以确保重要中断得到序、设置中断优先级和屏蔽中断等步骤,需要根据具体硬件平台和中断源编写相应的代及时响应,避免关键任务被延迟这需要深要精心设计算法以确保高效、可靠的中断响码逻辑入理解系统中断源的特性应中断服务子程序的编写确定中断源

1.1首先需要确定是哪一种中断触发了该中断服务子程序可以通过读取中断寄存器的值来判断保存现场

2.2在进入中断服务子程序时，需要保存当前CPU的寄存器和标志位等现场信息处理中断

3.3根据中断源的不同，编写相应的中断处理逻辑这是中断服务子程序的核心部分恢复现场

4.4中断服务子程序处理完毕后，需要恢复之前保存的CPU寄存器和标志位等现场信息返回

5.5最后，通过IRET指令返回到中断发生前的位置，继续执行原有程序中断嵌套的处理确定中断优先级1及时评估多个中断请求的重要性级别保存中断现场2存储必要的寄存器值以便中断返回执行中断处理3根据优先级顺序依次处理各个中断请求恢复现场4在中断服务程序结束时恢复寄存器值返回上层中断5确保中断处理完成后能正确返回当系统出现多个中断请求时,需要先确定各中断的优先级,以便按序执行中断服务程序同时要及时保存中断现场,以便在中断服务结束时能够正确恢复现场,并顺利返回上层中断整个过程需要严格的中断管理与调度机制,确保关键任务能够及时响应和处理中断的屏蔽与恢复中断屏蔽中断恢复12可以通过设置中断屏蔽寄存器当中断服务程序执行完毕后,需来暂时屏蔽某些中断源,避免中要及时恢复中断屏蔽寄存器,以断嵌套导致系统崩溃使其他中断能够正常响应嵌套中断处理中断管理策略34通过合理设置中断优先级,可以需要综合考虑中断产生的频率避免中断嵌套导致的系统死锁,、重要性和响应时间,制定合理确保系统稳定运行的中断管理策略总结与思考中断机制总结未来的发展趋势中断是计算机系统中重要的异步通信机制，可以提高系统的响应随着计算机系统向高性能、多核、实时等方向发展，中断机制也速度和实时性通过中断控制器的协调管理，可以实现多种中断将不断优化和创新未来可能会出现更加智能和自适应的中断控类型的高效处理制技术参考文献课本资料参考了《计算机组成原理》等教材中有关中断和中断控制器的相关章节实验报告针对中断的实验环节,参考了同学们的实验报告和心得体会学术论文查阅了一些相关的学术论文,了解了最新的研究进展。