浅议可编程中断控制器8259A的程序设计

2012-03-15

电子世界 2012年19期

1.引言

最初，中断技术引入计算机系统，只是为了解决快速的CPU与慢速外设之间传送数据的矛盾，随着计算机技术的发展，越来越多的功能通过中断技术来实现，如计算机的故障检测与自动处理，实时信息处理，多道程序分时操作和人机交互等。中断承载越来越多的功能，具体实现相对复杂，能熟练掌握中断控制器的工作方式就尤为重要。

2.中断

中断是指CPU在执行程序过程中，由于某种外设请求或内部事件的作用，强迫CPU停止当前正在执行的程序，专去为该事件服务，待事件服务结束后，能自动的返回到被中断的程序继续执行。中断的智慧来源于生活，如我们在看DVD时，热水烧开了，我们便暂停去处理开水，回来继续。中断需要硬件和软件协同工作，构成中断系统。中断一般分为外部中断和内部中断，外部中断亦称硬件中断，又分为不可屏蔽和可屏蔽中断，分别通过CPU的NMI和INTR引脚提出请求；内部中断又称软件中断，是内部程序调试、程序异常和程序设计需要主动设置的必要中断，但对CPU来说，中断只有一种，处理过程都是去执行一个中断服务程序。

3.8259A及中断处理过程

3.1 8259A芯片

为了帮助CPU管理中断，Intel公司为80X86CPU专门设计了可编程中断控制器，该芯片有很强的中断管理功能，单片8259A可以管理8级外部中断，并对中断可以有效屏蔽、多个中断进行判优、嵌套、多种结束方式的管理，该芯片还提供级联，并且与CPU相连不需要任何额外电路。

3.2 中断处理过程

中断处理过程通常由中断请求、中断应答、判优，执行中断及返回多个环节构成，下面结合8259A的内部结构图来描述该过程：

8259A内部结构图如图1所示。

中断请求：外部中断请求通过电平或跳变触发时，通过IRi引脚记录，再通过IMR寄存器过滤，有允许的中断时通过INT引脚向CPU发出请求；

中断应答：当IF=1，且CPU执行完当前指令时检测INT引脚，如果有请求，给出请求应答信号；

判优：8259A收到应答信号之后，对IRi进行优先级的判断，将优先级最高的请求送ISR，8259A的优先级管理是众多工作方式的一种，通过OCW2进行设置；

执行中断：所有过程都为了执行中断做准备，中断服务程序可以是系统的，也可以是用户编写的，都需要妥善安排中断向量，这个过程也体现8259A管理中断的灵活性；

返回：中断服务程序执行完毕，返回原先被中断的程序上继续执行。

以上过程是连续的，需要软硬件协作完成，硬件依赖电路，软件依赖程序。

图1 8259A内部结构图

4.8259A程序设计要点

8259A的工作方式设定及运行中的控制，均由8086发来的命令字（1byte代码）决定。命令字分初始化命令字和操作命令字两种，系统向8259A两个端口之一写入，由于8259A受端口选择线A0的限制，片内寄存器只能使用两个端口地址，因此多个寄存器使用相同端口，为了区别不同寄存器，一些寄存器的设置了特征位，8259A根据接收命令字的端口号特征位及顺序决定命令字的属性，具体说来，ICW(Initialization Command Word)有严格的接收顺序的要求，OCW(Operation Command Word)有端口号的要求。

4.1 初始化过程

初始化命令字有四个：ICW1～ICW4，有接收顺序要求，关于每一个初始化命令字的具体含义本文不再赘述，以流程图的形式给出初始化过程：

8259A初始化过程如图2所示。

图2 8259A初始化过程

首先对芯片本身进行初始化，即触发方式，是否级联等，因涉及硬件设置需要提前安排，在第一步ICW1中完成设置，之后更换成奇地址，在ICW2中预置中断类型码，这里只给出高5位，D2～D0位取决于IR0～IR7中哪一个中断，组合以后的ICW2送CPU；ICW3用来设置多片级联，如果没有直接进入ICW4，如果有级联，需要在主从片初始化过程中分别写ICW3，并将二者级联位置对应；ICW4主要用来设置中断结束方式。

初始化过程涉及到中断系统的软硬件的诸多问题，一旦完成初始化，相应硬件和中断服务程序也会受其制约，所以需要对中断系统的全局有控制能力的程序员完成初始化工作，在80X86系统中，对系统的8259A的初始化编程在系统启动以后BIOS自动完成，用户在使用过程中不能对再对其进行初始化操作。

4.2 8259A命令字

操作命令字有三个，OCW1用于设置中断屏蔽，OCW2用于设置中断优先级和中断结束方式字，OCW3用于设置和清除特殊屏蔽方式和读取寄存器状态。

OCW1比较容易理解，用来设置中断屏蔽，写入IMR中，完成对外部中断信号屏蔽的作用；

OCW2相对复杂，具体格式如下：

该命令字涉及判优和结束中断两种工作方式，而且在特殊方式下需要和D2～D0位配合，情形相对复杂，大多数程序员需要参看R，SL，EOI的组合功能表来确定工作方式，我们从优先级和中断结束方式本身来看设计者在OCW2中体现出的智慧，深刻理解该命令字。

该控制字R位表示优先级的“循环”控制，EOI表示结束方式，单从控制的角度，只需要这两位配合有4种组合：00、01、10、11，分别表示优先级不循环且自动结束、优先级不循环但发结束命令、设置优先级循环但不发结束命令、优先级循环且发结束命令。从工作方式的角度，8259A优先级分为固定优先级和循环优先级，固定优先级还分为普通全嵌套方式和特殊全嵌套方式，循环优先级也分为自动循环和特殊循环，这样我们发现仅用一位R来设置只能表示两种情况，所以根据具体含义，设计者引入SL，即set level，凡是涉及“特殊方式”的都需要将SL位置1与D2～D0位配合，这样来表述这四种优先级方式；另外关于结束方式，分成两类：中断自动结束和中断非自动结束，其中非自动结束还包括普通和特殊两种，同前，特殊的含义是需要额外指定某一级中断的，这三种方式也不能用EOI一位就表示清楚，所以也需要SL配合，这里的SL就成了身兼二职，如果SL不生效，那么R和EOI都是常规方式，所以SL一旦生效，程序员一定要清楚和R配合还是和EOI配合，为了不混淆，R|SL|EOI为全1的状态被固定成“特殊优先级循环方式的初始队列最低优先级”，即SL指定的D2～D0位配合的是R，而不是EOI。

OCW3的ESMM是SMM的“使能”位，所以ESMM位为0，SMM无效；ESMM为1，SMM分两种情况，为0取消特殊屏蔽，为1设置特殊屏蔽。另外CPU可以通过读内部寄存器来了解8259的工作状态，RR为1表示读寄存器，具体读哪一个寄存器，由RIS指定，RIS取1，读ISR，RIS为0时，读IRR。