X86中断系统-中断源及PIC

1、中断源

          x86系统支持256个中断源，每个中断源使用0~255数字标识，该标识称作中断向量号（即CPU中断源的中断号，要与外部中断的中断号IRQ n相区别），CPU通过获取中断向量号识别中断源。256个中断源可以分为：

  其中：

         1）内部中断：由CPU内部事件及执行软中断指令产生，由除法中断、溢出中断、单步中断、断点中断、软件中断组成；

         2）外部中断：x86 CPU为外部中断只提供了NMI、INTR两个引脚；其中外部不可屏蔽中断如总线错误、电源错误、内存错误等引起的中断，通过NMI引脚提供给CPU；外部可屏蔽中断通过INTR引脚向CPU传递中断。

2、中断控制器

目前常见的中断控制器分为PIC（programable interrupt controller）8259A和APIC（advanced programable interrupt controller）；

2.1、8259A PIC

 我们都知道计算机可以挂接上许多外部设备，比如键盘、磁盘驱动器、鼠标、声卡……等等一系列设备，而这些设备都可能在同一时刻向CPU发出

中断信号（也就是外部中断），那么CPU到底应当响应哪一个设备的中断信号呢？这都通过另外一个芯片来控制，在IBM PC机中，这个芯片常常被称作

：可编程中断控制器（PIC）8259A，说它可编程，是因为我们可以通过编程来改变它的功能。比如我可以通过编程设定CPU应当优先响应哪一个中断，

屏蔽哪些中断等等一系列事件。

1）引脚功能介绍

• D7～D0：双向、三态数据线，与系统数据总线相连。对i8259A编程时，命令字由此写入,在第二个中断响应总线周期中，中断类型码由此传给CPU。
• RD (上划线)：读信号，输入，与系统控制总线IOR(上划线) 相连。RD (上划线) =0时，CPU对i8259A进行读操作。
• WR（上划线） ：写信号，输入，与系统控制总线IOW（上划线） 相连。当WR（上划线）=0时，CPU对i8259A进行写操作。
• A0：片内寄存器寻址信号，输入，用于对片内寄存器端口寻址。每片i8259A有两个寄存器端口，A0=0时，选中偶地址端口，A0=1时，选中奇地址端口。在与8088系统相连时，可将该引脚与地址总线的A0连接；与8086系统连接时，可将该引脚与地址总线的A1连接。
• CS (上划线)：片选信号，输入。CS (上划线) =0时，i8259A被选中。在与8088系统相连时，系统地址信号A15~A1经译码器译码后为i8259A产生片选信号。
• SP/EN(上划线) ：双功能双向信号。当8259A工作在缓冲模式时，它作为输出，用于控制缓冲器的传送方向。当数据从CPU送往i8259A时，SP/EN(上划线) 输出为高电平；当数据从i8259A送往CPU时，SP/EN(上划线) 输出为低电平。当8259A工作在非缓冲模式时，它作为输入，用于指定8259A是主片还是从片（级联方式）。SP/EN(上划线) =1的8259A为主片，SP/EN(上划线) =0的8259A为从片。

备注：在Linux中， i8259A均工作在非缓冲模式下。

• INT：中断请求信号，输出，与CPU的中断请求信号线INT相连。在级联方式下，从片的INT与主片的IR7~IR0中的某一根连接在一起。
• INTA(上划线) ：中断响应信号，输入，与CPU的中断响应信号线INTA（上划线） 相连。
• CAS2～CAS0：级联控制线，主片的CAS2～CAS0与从片的CAS2～CAS0对应相连。对于主片，CAS2～CAS0为输出信号；对于从片，CAS2～CAS0为输入信号。当从片发起的中断请求被响应时，主片通过CAS2～CAS0送出相应的编码给从片，告诉从片该中断请求被允许。
•  IR7～IR0：中断请求输入信号，由外设输入。上升沿（边沿触发方式）或高电平（电平触发方式）表示有中断请求到达。
• VCC：＋5V电源输入信号。　　 
• GND：电源地

   2）内部组成

       从图中可以看到，一个8259A芯片的组成可以分为5个主要的逻辑控件：中断屏蔽寄存器（IMR）、中断请求寄存器（IRR）、优先级仲裁单元（Prioriry Resolver）、中断向量寄存器（ISR）和控制逻辑单元（Control Logic）。一个8259A芯片有IRQ0~IRQ7七个IRQ引脚，一个IRQ对应着一个中断号，一个中断号对应着一个中断向量，一个中断向量对应着一个中断处理子程序（ISR，注意这个ISR是Interrupt Service Routine的缩写）

   3）x86计算机PIC组成

   x86计算机PIC有2片8259A芯片级联组成，一颗称作master、一颗称作slave，可以接收15个中断源（一个8259A芯片的可以接最多8个中断源），两个8259A芯片级连如下图所示。

       8259A是可编程中断控制器，可以通过端口0x20（主芯片端口号）、0xA0（从芯片端口号），对两片PIC进行配置，BIOS程序可通过写该控制器控制IRQ中断线对应的中断向量号（INT 号），通过配置8259A中寄存器可设置IRQ0对应的中断向量号（INT值），IRQ1、IRQ2。。。IRQ7对应的中断向量号依次加1，IRQ8~IRQ15对应的中断向量号采用同样的方法。（虽然可以动态改变IRQ对应的中断号，但是约定俗成的是IRQ0对应中断向量号为0x08、IRQ1对应0x09。。。）

4）中断响应过程

      也许你已经对硬件级的中断处理过程猜到个大概了，当一个IRQ接收到一个外部中断信号后处理的流程应该是以下几个步骤：

      1.IMR判断该中断是否被屏蔽掉（IMR中相应的位置1）了，如果被屏蔽掉了结束处理，否则跳转到第2步；

      2.将收到的中断请求保存到IRR中（IRR中相应的位置1，IRR相当于一个缓存，用来保存等待CPU处理的中断信号），等待CPU当前指令执行结束后向8259A发送INTA信号，表示现在CPU可以处理中断请求了，此时IRR相应位被reset，然后跳转到第3步；

      3.PR根据等待处理的中断信号对应的IRQ，选择最高优先级的中断信号进行处理，IRQ0优先级最高，接着是IRQ1、IRQ2……然后跳转到第4步；

      4.CPU向8259A发送INTA信号，要求被告知IRQ对应的中断向量号（INT号），然后根据中断向量号到IDT（interrupt description table）中找到相应的中断向量，跳转到对应的中断处理子程序入口地址开始执行，此时中断向量号对应的ISR中位被set（IRR被reset和ISR被set的过程是对应的），如果此时有更高优先级的中断信号等待处理，跳转到第3步。

      5）x86系统中断源及中断向量号（INT xx）

CPU中断向量

I/O ADDR

INT TYPE

FUNCTION

00 ~ 03

0

除法溢出中断

04 ~ 07

1

单步(用于DEBUG)

08 ~ 0B

2

非屏蔽中断(NMI)

0C ~ 0F

3

断点中断(用于DEBUG)

10 ~ 13

4

溢出中断

14 ~ 17

5

打印屏幕

18 ~ 1F

6,7

保留

8259中断向量

I/O ADDR

INT TYPE

FUNCTION

20 ~ 23

8

定时器(IRQ0)

24 ~ 27

9

键盘(IRQ1)

28 ~ 2B

A

彩色/图形(IRQ2)

2C ~ 2F

B

串行通信COM2 (IRQ3)

30 ~ 33

C

串行通信COM1 (IRQ4)

34 ~ 37

D

LPT2控制器中断(IRQ5)

38 ~ 3B

E

磁盘控制器中断(IRQ6)

3C ~ 3F

F

LPT1控制器中断(IRQ7)

BIOS中断向量

I/O ADDR

INT TYPE

FUNCTION

40 ~43

10

视频显示I/O

44 ~ 47

11

设备检验

48 ~ 4B

12

测定存储器容量

4C ~ 4F

13

磁盘I/O

50 ~ 53

14

RS-232 串行口I/O

54 ~ 57

15

系统描述表指针

58 ~ 5B

16

键盘I/O

5C ~ 5F

17

打印机I/O

60 ~ 63

18

ROM BASIC 入口代码

64 ~ 67

19

引导装入程序

68 ~ 6B

1A

日时钟

提供给用户的中断

I/O ADDR

INT TYPE

FUNCTION

6C ~ 6F

1B

Ctrl - Break控制的软中断

70 ~ 73

1C

定时器控制的软中断

参数表指针

I/O ADDR

INT TYPE

FUNCTION

74 ~ 77

1D

视频参数块

78 ~ 7B

1E

软盘参数块

7C ~ 7F

1F

图形字符扩展码

DOS中断向量

I/O ADDR

INT TYPE

FUNCTION

80 ~ 83

20

DOS中断返回

84 ~ 87

21

DOS系统功能调用

88 ~ 8B

22

程序中止时DOS返回地址(用户不能直接调用)

8C ~ 8F

23

Ctrl - Break 处理地址(用户不能直接调用)

90 ~ 93

24

严重错误处理(用户不能直接调用)

94 ~ 97

25

绝对磁盘读功能

98 ~ 9B

26

绝对磁盘写功能

9C ~ 9F

27

终止并驻留程序

A0 ~ A3

28

DOS安全使用

A4 ~ A7

29

快速写字符

A8 ~ AB

2A

Microsoft 网络接口

B8 ~ BB

2E

基本 SHELL程序装入

BC ~ BF

2F

多路服务中断

CC ~ CF

33

鼠标中断

104 ~ 107

41

硬盘参数块

118 ~ 11B

46

第二硬盘参数块

11C ~ 3FF

47 ~ FF

BASIC 中断