單片機中斷系統(tǒng)介紹

簡介　　

中斷裝置和中斷處理程序統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)。

　　中斷系統(tǒng)是計算機的重要組成部分。實時控制、故障自動處理、計算機與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了計算機效率。

　　不同的計算機其硬件結(jié)構(gòu)和軟件指令是不完全相同的，因此，中斷系統(tǒng)也是不相同的。計算機的中斷系統(tǒng)能夠加強CPU對多任務(wù)事件的處理能力。中斷機制是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施之一，它在系統(tǒng)中起著通信網(wǎng)絡(luò)作用，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)對各種外部事件的響應(yīng)和處理。中斷是實現(xiàn)多道程序設(shè)計的必要條件。 中斷是CPU對系統(tǒng)發(fā)生的某個事件作出的一種反應(yīng)。 引起中斷的事件稱為中斷源。中斷源向CPU提出處理的請求稱為中斷請求。發(fā)生中斷時被打斷程序的暫停點成為斷點。CPU暫?，F(xiàn)行程序而轉(zhuǎn)為響應(yīng)中斷請求的過程稱為中斷響應(yīng)。處理中斷源的程序稱為中斷處理程序。CPU執(zhí)行有關(guān)的中斷處理程序稱為中斷處理。而返回斷點的過程稱為中斷返回。中斷的實現(xiàn)實行軟件和硬件綜合完成，硬件部分叫做硬件裝置，軟件部分成為軟件處理程序。

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中斷系統(tǒng)的功能

1）實現(xiàn)中斷響應(yīng)和中斷返回

　　當(dāng)CPU收到中斷請求后，能根據(jù)具體情況決定是否響應(yīng)中斷，如果CPU沒有更急、更重要的工作，則在執(zhí)行完當(dāng)前指令后響應(yīng)這一中斷請求。CPU中斷響應(yīng)過程如下：首先，將斷點處的PC值（即下一條應(yīng)執(zhí)行指令的地址）推入堆棧保留下來，這稱為保護斷點，由硬件自動執(zhí)行。然后，將有關(guān)的寄存器內(nèi)容和標志位狀態(tài)推入堆棧保留下來，這稱為保護現(xiàn)場，由用戶自己編程完成。保護斷點和現(xiàn)場后即可執(zhí)行中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完畢，CPU由中斷服務(wù)程序返回主程序，中斷返回過程如下：首先恢復(fù)原保留寄存器的內(nèi)容和標志位的狀態(tài)，這稱為恢復(fù)現(xiàn)場，由用戶編程完成。然后，再加返回指令RETI，RETI指令的功能是恢復(fù)PC值，使CPU返回斷點，這稱為恢復(fù)斷點。恢復(fù)現(xiàn)場和斷點后，CPU將繼續(xù)執(zhí)行原主程序，中斷響應(yīng)過程到此為止。

2）實現(xiàn)優(yōu)先權(quán)排隊

　　通常，系統(tǒng)中有多個中斷源，當(dāng)有多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，要求計算機能確定哪個中斷更緊迫，以便首先響應(yīng)。為此，計算機給每個中斷源規(guī)定了優(yōu)先級別，稱為優(yōu)先權(quán)。這樣，當(dāng)多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，優(yōu)先權(quán)高的中斷能先被響應(yīng)，只有優(yōu)先權(quán)高的中斷處理結(jié)束后才能響應(yīng)優(yōu)先權(quán)低的中斷。計算機按中斷源優(yōu)先權(quán)高低逐次響應(yīng)的過程稱優(yōu)先權(quán)排隊，這個過程可通過硬件電路來實現(xiàn)，亦可通過軟件查詢來實現(xiàn)。

3）實現(xiàn)中斷嵌套

　　當(dāng)CPU響應(yīng)某一中斷時，若有優(yōu)先權(quán)高的中斷源發(fā)出中斷請求，則CPU能中斷正在進行的中斷服務(wù)程序，并保留這個程序的斷點（類似于子程序嵌套），響應(yīng)高級中斷，高級中斷處理結(jié)束以后，再繼續(xù)進行被中斷的中斷服務(wù)程序，這個過程稱為中斷嵌套。如果發(fā)出新的中斷請求的中斷源的優(yōu)先權(quán)級別與正在處理的中斷源同級或更低時，CPU不會響應(yīng)這個中斷請求，直至正在處理的中斷服務(wù)程序執(zhí)行完以后才能去處理新的中斷請求。

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中斷源分類

　　中斷源是指能夠引起中斷的原因。一臺處理機可能有很多中斷源,但按其性質(zhì)和處理方法,大致可分為如下五類。

　?、佟C器故障中斷。

　　②　程序性中斷?，F(xiàn)行程序本身的異常事件引起的，可分為以下三種：一是程序性錯誤，例如指令或操作數(shù)的地址邊界錯，非法操作碼和除數(shù)為零等；二是產(chǎn)生特殊的運算結(jié)果，例如定點溢出；三是程序出現(xiàn)某些預(yù)先確定要跟蹤的事件，跟蹤操作主要用于程序調(diào)試。有些機器把程序性中斷稱為“異?！?，不稱為中斷。

　?、邸≥斎耄敵鲈O(shè)備中斷。

　?、堋⊥庵袛?。來自控制臺中斷開關(guān)、計時器、時鐘或其他設(shè)備，這類中斷的處理較簡單，實時性強。

　?、荨≌{(diào)用管理程序。用戶程序利用專用指令“調(diào)用管理程序”發(fā)中斷請求，是用戶程序和操作系統(tǒng)之間的聯(lián)系橋梁。

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中斷優(yōu)先權(quán)

　　幾個中斷請求可能同時出現(xiàn)，但中斷系統(tǒng)只能按一定的次序來響應(yīng)和處理?？勺钕缺豁憫?yīng)的中斷具有最高優(yōu)先權(quán)，按優(yōu)先級別順序進行處理。優(yōu)先權(quán)高低是由中斷部件的中斷排隊線路確定的。

中斷級

　　當(dāng)機器設(shè)置很多中斷源時，為了簡化設(shè)計，對中斷源分組管理。具有相同中斷優(yōu)先權(quán)的中斷源構(gòu)成一個中斷級。同一級中斷使用同一個中斷控制程序起點。

中斷屏蔽

　　對應(yīng)于各中斷級設(shè)置相應(yīng)的屏蔽位。只有屏蔽位為1時,該中斷級才能參加中斷優(yōu)先權(quán)排隊。中斷屏蔽位可由專用指令建立，因而可以靈活地調(diào)整中斷優(yōu)先權(quán)。有些機器針對某些中斷源也設(shè)置屏蔽位，只有屏蔽位為1時，相應(yīng)的中斷源才起作用。

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中斷響應(yīng)和處理

　　大多數(shù)中斷系統(tǒng)都具有如下幾方面的操作，這些操作是按照中斷的執(zhí)行先后次序排列的。①接收中斷請求。②查看本級中斷屏蔽位,若該位為1則本級中斷源參加優(yōu)先權(quán)排隊。③中斷優(yōu)先權(quán)選擇。④處理機執(zhí)行完一條指令后或者這條指令已無法執(zhí)行完，則立即中止現(xiàn)行程序。接著，中斷部件根據(jù)中斷級去指定相應(yīng)的主存單元，并把被中斷的指令地址和處理機當(dāng)前的主要狀態(tài)信息存放在此單元中。⑤中斷部件根據(jù)中斷級又指定另外的主存單元，從這些單元中取出處理機新的狀態(tài)信息和該級中斷控制程序的起始地址。⑥執(zhí)行中斷控制程序和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。⑦執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，利用專用指令使處理機返回被中斷的程序或轉(zhuǎn)向其他程序。

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程序狀態(tài)字和向量中斷

　　這是兩個與中斷響應(yīng)和處理有密切關(guān)系的概念。

　　①　程序狀態(tài)字：每個程序均有自己的程序狀態(tài)字?，F(xiàn)行程序的程序狀態(tài)字放在處理機的程序狀態(tài)字寄存器中。程序狀態(tài)字中最主要的內(nèi)容有指令地址、條件碼、地址保護鍵，中斷屏蔽和中斷響應(yīng)時的中斷源記錄等。中斷響應(yīng)和處理操作的第④步和第⑤步就是交換程序狀態(tài)字操作。

　?、凇∠蛄恐袛?對應(yīng)每一級中斷都有一個向量,這些向量順序存放在主存的指定單元中。向量的內(nèi)容是：相應(yīng)的中斷服務(wù)程序起始地址和處理機狀態(tài)字（主要是指令地址）。在中斷響應(yīng)時，由中斷部件提供中斷向量的地址，就可取出該向量。中斷響應(yīng)和處理操作的第⑤步就是取中斷向量操作。在采用向量中斷的機器中一般不再使用程序狀態(tài)字。