第12章 中断 罗文坚 中国科大 计算机学院 http://staff.ustc.edu.cn/~wjluo/mcps/

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1 第12章 中断 罗文坚 中国科大 计算机学院

2 本章内容 基本中断处理 硬件中断 扩展中断结构 8259A可编程中断控制器 中断实例

3 基本中断处理 中断的目的 中断（中断引脚、中断向量和专用中断） 中断指令 实模式中断操作 保护模式中断操作 中断标志位
将一个中断向量存入向量表

4 中断的目的 在与低速I/O设备进行数据传输时，中断特别有用。 例，一个典型系统中表明中断使用情况的时间线。

5 中断引脚 整个Intel系列微处理器的中断包括： 2个申请中断的硬件引脚：INTR和NMI 1个相应INTR中断申请的硬件引脚：INTA
注意：除了这些引脚外，微处理器还有： 软件中断指令INT、INTO、INT3和BOUND； 标志位IF（Interrupt Flag）和TF（Trap Flag）； 中断返回指令IRET（或在80386~Pentium4中的IRETD）。 IRET 与 IRETD 是相同操作码的助记符。IRETD 助记符（中断返回双字）用于从使用 32 位操作数大小的中断返回；不过大多数汇编器对这两种操作数大小都互换使用 IRET 助记符。

6 中断向量 中断向量表（IVT，Interrupt Vector Table）为于存储器的最低1024字节，地址为0000H~03FFH。
包含256个不同的4字节中断向量。 中断向量包含中断服务程序的地址（段和偏移）。 中断向量的内容

7 中断向量 在256个中断向量中，Intel保留前32个中断向量为Intel各种微处理器系列成员专用，后224个向量可用作用户中断向量。
在前32个中断向量中： 前5个中断向量在所有Intel系列微处理器中都是相同的。 其他中断向量存在于80286及向上兼容的80386~ Core2中，但不向下兼容8086或8088。

8 中断向量 类型0：除法出错 类型1：单步或陷阱 类型2：不可屏蔽硬件中断 类型3：断点中断 类型4：溢出中断 类型5：边界
边界指令将寄存器与存储器中的边界值相比较。如果寄存器的内容大于或等于存储器中的第一个字，并小于或等于第二个字，则不发生中断，因为寄存器的内容在边界之内。如果寄存器的内容超出边界，则发生类型5中断。

9 中断向量 类型6：无效操作码 一旦在程序中遇到未定义的操作码时发生此中断。 类型7：协处理器不存在
如果执行了ESC或WAIT指令且没有找到协处理器，则发生此中断。 类型8：双故障中断 在同一指令期间发生2个独立的中断时激活此中断。

10 中断向量 类型9：协处理器段超限 实模式下，若ESC指令（协处理器操作码）的存储器操作数超出偏移地址FFFFH，则发生该中断。
类型10：无效任务状态段 在保护模式下，由于段限区域不是002BH或更高，则TSS无效，此时发生该中断。 类型11：段不存在 当保护模式描述符中的P位（P=0）指示段不存在或无效时，发生该中断。

11 中断向量 类型12：堆栈段超限 保护模式下，如果堆栈段不存在（P=0）或堆栈段超限，则发生该中断。 类型13：一般性保护
在80286~Core2保护模式下，大多数保护机制冲突都会引起该中断。这些错误在Windows中表现为一般性保护错。 这些保护违规包括：描述符表边界超限；违反特权规则；装入了无效的描述符段类型；对被保护的代码段执行写操作；从只能执行的代码段读数据；对只读数据段的写操作；段边界超限；当执行CLTS、HLT、LGDT、LIDT、LLDT、LMSW或LTR时，CPL!=0；当执行CLI、IN、INS、LOCK、OUT、OUTS和STI时，CPL>IOPL。 CLTS—Clear Task-Switched Flag in CR0

12 中断向量 类型14：页面出错 在80386、80486和Pentium~Core2中，页故障将产生该中断。 类型16：协处理器出错
当80386、80486和Pentium~Core2的ESC或WAIT指令发生协处理器错误时，发生该中断。 类型17：对齐检查 当对齐检查允许时，指示处理器检测到一个未对齐的存储器操作数。 类型18：机器检查 在Pentium~Core2中，指示处理器检测到一个内部机器错误或一个总线错误，或外部Agent检测到一个总线错误。

13 中断指令 微处理器现有5条中断指令： INT，INT3 INTO，BOUND IRET INT n：调用入口地址存于向量号n的中断服务程序。
INTO：相当于INT 4。 INTO指令检查OF标志。如果OF=1，则INTO指令调用类型号为4号的中断服务程序。

14 中断指令 BOUND reg, src：比较寄存器和2个字存储器数据。 例，BOUND AX, DATA IRET：中断返回
用于软件和硬件中断的返回。 如果工作在实模式下，则使用IRET指令。 在80386~Core2保护模式下，用IRETD指令，因为这些微处理器将EIP/CS/EFLAG压入堆栈。 在Pentium 4的64位模式下，使用IRETQ指令。

15 实模式中断操作 当微处理器执行完当前指令后，按下列顺序判断是否有中断发生： 指令执行情况； 单步中断； NMI； 协处理器段超限；
INTR； INT 指令。

16 实模式中断操作 如果有中断发生，则按下列顺序处理： 将标志寄存器入栈； 清除IF、TF标志； CS入栈； 指令指针IP入栈；
取出中断向量内容，送入IP和CS。

17 实模式中断操作 关于返回地址： 有时，返回地址为程序中的下一条指令。 有时指向程序中发生中断的地方。
中断类型0、5、6、7、8、10、11、12和13压入堆栈的返回地址是指向错误指令，而不是下一条指令。 使得中断服务程序在某些错误情况下有可能重新执行该指令。 一些保护模式中断（类型8、10、11、12和13）将错误代码紧跟返回地址压入堆栈。错误代码识别引起中的选择符（Selector）。如果不包括选择符，则错误代码为0。

18 保护模式中断操作 保护模式下的中断与实模式几乎完全相同，但中断向量表不同。
保护模式使用一组存储在中断描述符表（IDT）中的256个中断描述符取得中断向量。每个描述符占8个字节。 中断描述符表占256×8=2KB字节。

19 保护模式中断操作 中断描述符 中断服务程序的地址：Segment Selector和Offset 描述符是在内存中：P 描述符特权级：DPL

20 保护模式中断操作 除了IDT和中断描述符，保护模式中断像实模式中断一样发挥功能。 用IRET或IRETD指令从两种中断返回。
64位模式下，用IRETQ从中断返回。 实模式的中断向量可以转换成保护模式中断。 复制中断向量表中的中断服务程序地址，并将其转换成存储于中断描述符中的32位偏移地址。 全局描述符表将存储器的前1MB标识为中断段，相应的选择符和段描述符可放在全局描述符表中。

21 中断标志位 IF：中断允许标志 STI、CLI指令 TF：陷阱标志
没有特殊的指令来置位和清除陷阱标志。 PUSHF/PUSHFD，POPF/POPFD

22 置位TF 例，置位TF的一个中断服务程序。 TRON PROC FAR USES AX BP MOV BP, SP
MOV AX, [BP+8] OR AH, 1 MOV [BP+8], AX IRET TRON EDNP

23 清除TF 例，清除TF的一个中断服务程序。 TRON PROC FAR USES AX BP MOV BP, SP
MOV AX, [BP+8] AND AH, 0FEH MOV [BP+8], AX IRET TRON EDNP

24 跟踪过程 假定INT 40H指令访问TRON，INT 41H访问TROFF。下面的程序用于跟踪一个紧跟在INT 40H指令后的程序，对应于中断类型1或陷阱中断。

25 本章内容 基本中断处理 硬件中断 扩展中断结构 8259A可编程中断控制器 中断实例

26 硬件中断 微处理器有2个硬件中断输入： NMI、INTR 所有型号的Intel微处理器上的中断引脚

27 硬件中断 NMI：一旦激活NMI输入，就发生类型2中断。 INTR：INTR的输入必须外部译码，以选择一个中断向量。
INTR引脚可以选择任何中断向量，但通常只使用20H~FFH之间的中断向量。 Intel保留00H~1FH之间的中断。 INTA#：用于响应INTR输入的一个输出引脚，将向量类型号加载到数据总线D7~D0上。

28 硬件中断 NMI：边沿触发，在上升沿申请中断。 在上升沿之后，NMI引脚必须保持逻辑1，直到微处理器识别它。
响应这种类型的中断时，微处理器将所有内部寄存器存于使用电池的备份存储器或EEPROM中。

29 硬件中断 INTR是电平敏感的，必须保持在逻辑1电平直到被识别为止。 INTR和INTA的时序图

30 硬件中断 INTA#的响应

31 硬件中断 将INTR转换为边沿触发

32 82C55键盘中断

33 82C55键盘中断 读取按键的中断服务程序

34 82C55键盘中断 从FIFO队列读出数据的过程

35 本章小结 基本中断处理 中断向量，标志位，实模式中断，保护模式中断 硬件中断 引脚，特点

36 作业 习题13，习题27