基于Proteus的80X86 外部中断电路的设计与仿真

2020-06-18符晓玲

实验室研究与探索 2020年3期

王超，符晓玲，李斌

（昌吉学院物理系，新疆昌吉831100）

0 引言

中断技术是微机原理课程中非常重要内容，其应用可大大提高CPU的效率，Intel 80X86 系列微机有一个灵活的中断系统，可以处理256 种中断源，每个中断源又对应一定的中断类型号供CPU识别［1-3］。中断分为外部中断和内部中断两种，外部中断主要由外部设备的请求引起，具有随机性，内部中断有指令执行引起，无随机性。由于外部中断执行的随机性，造成中断执行过程的突发事件比较多，比如：无法进入中断、中断返回“跑飞”、中断嵌套无法完成等。本文利用Proteus设计了80X86 中断电路，并进行了详细的测试分析，可将抽象的中断过程直观化地展现了出来。

1 80X86 中断电路的设计

80X86 中断电路由8086CPU、数据/地址复用电路、片选电路、可屏蔽中断请求（Interrupt Request，INTR）按键请求及显示电路和非屏蔽中断请求（Non Maskable Interrupt，NMI）按键请求及显示电路组成［4-6］，主要完成INTR、NMI 的中断请求及处理，以及它们之间中断嵌套功能的实现，如图1 所示。

图1 80X86中断电路设计图

数据/地址复用电路由3 片74LS273 锁存器组成，数据线用AD［0…15］表示，地址线用A［0…19］表示，用来在不同时刻分时使用总线；片选电路由4078 或非门和74LS138 译码器组成，可根据需要配置任意地址范围的片选信号；INTR 按键请求及显示电路由8259控制器、74LS373 驱动器等组成，用来对按键S1通断的输入信号进行识别并以0 ～9 递增的顺序在数码管上显示；NMI按键请求及显示电路由8255 可编程并行接口芯片、模拟中断请求按键等组成，用来对按键S2-S4的输入信号进行识别并显示在数码管上，通过8255可扩展了多个I/O口，根据需要外接多种I/O设备。

2 程序设计

根据图1 要实现的功能，完成主程序和中断服务程序的编写。主程序完成初始化8255、8259 等任务，之后循环等待外部中断的发生，当有可屏蔽中断请求时，执行加1 操作，当有非屏蔽中断请求时显示对应的按键值，中断服务结束后返回主程序（见图2）。

图2 软件流程图

3 中断电路的调试

Proteus的虚拟仿真模式（Virtual Simulation Mode，VSM）包括交互式的动态仿真和基于仿真图表的静态仿真两种，交互式动态仿真可在线实时观察电路的仿真结果，仿真结果在运行结束后立即消失，基于图表的仿真结果可随时刷新，以图表的形式驻留在图中，可供线下进行分析。为了精确分析中断的执行过程，采用仿真图表方式来观察，在原理图中分别添加CLK、M/和READY 等探针，并在仿真图表中添加相应的量。

3.1 非屏蔽中断

非屏蔽中断由CPU 的NMI 引脚出现上升沿触发时向CPU提出中断请求，不受IF的影响，也不能由软件加以屏蔽［7-8］，要想通过仿真图表观察NMI 请求的过程，是不能和电路进行交互操作的，因此可以考虑在按键处加入一个等效的信号，使用虚拟仿真工具中的激励源来完成，如图3 所示。

图3 单脉冲激励源

图3 中，添加了一个单脉冲激励源，在60 ms时刻添加一宽度为50 μs 的脉冲，脉冲属性为高、低、高的脉冲，用来模拟按键的通断情况，并在上升沿触发NMI的中断请求。8086CPU 在当前指令执行完成后，立即无条件给予响应，中断类型号为2，CPU 响应后，在ALE的下降沿把出现在AD［0…15］上的地址信号0284H（8255 C口地址）进行锁存，在下一个T状态有效时读取总线AD［0…7］上的数据0FEH，如图4所示。

图4 NMI中断响应读时序

在经过若干个空闲周期Ti后，将要进行总线写周期，在T1 状态ALE 下降沿有效时，将出现在总线AD［0…15］上的数据0280H进行锁存，下一个T状态，在有效时将计算得到的按键显示码0F9H 通过总线AD［0…7］写入到8255 的A口，立即显示对应按键代码为“1”，如图5 所示。

图5 NMI中断响应写时序

3.2 可屏蔽中断

（1）CPU 访问外设读时序图。可屏蔽中断请求信号通过INTR引脚送给CPU，在中断允许标志IF ＝1时，CPU在结束当前指令周期后响应中断请求［9-11］，中断过程如图6 所示，在T1 状为低电平，表示CPU访问的是外设8259A，多路复用总线上发出地址信息，A［16…19］不用，保持为低电平，AD［0-15］＝02A2H，指示出要寻址的外设端口的地址，在ALE 信号的下降沿74LS273 锁存器对地址进行锁存；在T2 状态，A［16…19］＝0010B，代表CPU 的状态信号线，分别表示8086CPU与总线相连、IF ＝0（中断禁止）和正在使用的为CS段寄存器，AD［0 ～15］前期浮空，后期有有效，0060H 出现在数据总线上，该值为8259A的初始化字ICW2 ＝0110 0000 B，其功能为设置中断类型号的高5 位；在T3 状态，A［16…19］继续提供状态信息，AD［0-15］为CPU 写的数据0060H，CPU在T3 状态的下降沿采样READY信号，因该信号为高电平，表示外设8259A 已经做好接收准备，无需插入TW等待周期，直接进入T4 状态，在T4 状态和T3状态交界处，完成数据的写入操作，总线周期结束，当CPU不执行总线周期时，系统总线就处于空闲状态，执行空闲周期Ti，在这期间，A［16…19］仍然驱动上一个总线周期的状态信息，其值为0010B，AD［0…15］处于高阻状态。

图6 CPU访问外设读时序图

（2）CPU 响应可屏蔽中断时序图。当发出中断请求后，8086CPU在现行指令执行完成之后将进行响应，如图7 所示，中断响应周期有2 个，每个响应周期由4 个T状态组成，在两有效之间，插入了3个空闲周期Ti，以等待外设提供中断类型号，每个中断响应周期CPU都会引脚发出1 个负脉冲，在第1 个响应周期AD［0…7］一直处于浮空状态，在T1状态，ALE下降沿输出地址锁存信号，A［16…19］为低电平，在T2-T3 状态，A［16…19］＝0110B，其含义为IF ＝1 表示允许中断、CPU正在访问CS段寄存器。在第2 个响应周期，T1 状态，ALE下降沿再次有效1 次，外设8259A在收后，立即将中断类型号63H送往数据总线的低8 bit AD［0…7］上，中断请求信号INT一直维持到结束后终止。

图7 可屏蔽中断响应时序图

（3）设置硬件断点和调试弹出窗口。为了提高调试效率，以便当硬件条件发生时单步执行观察代码下一步的执行情况，可以设置硬件断点来完成，例如：想观察非屏蔽中断时入口地址是否正确，可以将中断请求信号INT作为硬件断点设置点，从模式选择器中选择电压探针，单击后放置到INT 引脚上，双击选择属性，如图8 所示，在实时断点类型选择“数字的”，即INT引脚低电平触发，输入“0”作为触发值，装备时间选择“1”，当INT引脚由高电平“1”变化到低电平“0”时进行捕获，观察中断向量表中的内容。

图8 硬件断点设置图

为方便观察原理图中某一小部分的变化情况，又不希望经常在原理图和VSM Studio 中来回切换，需要对调试弹出窗口进行设置，例如：想观察当S1按键按下时可屏蔽中断运行结果显示情况，可切换到ISIS 选项卡，选择“调试弹出模式”，在原理图中框选需要在VSM Studio 页面中显示的部分，这里框选了可屏蔽中断显示器、按键S1即可。按下仿真运行按钮，切换到VSM Studio选项卡，在IDE 的右边显示了刚才选择的部分原理图，如图9 所示。

图9 中，按下S1按钮，在硬件断点INT控制下，程序立即暂停至可屏蔽中断int3 PROC NEAR 处，单击调试/8086/Memory Dump，即可打开存储器窗口［12-16］，通过图7 可知，8259A 的IR3 可屏蔽中断类型号为63H，乘以4 可以求得中断向量表的地址为18CH，通过存储器窗口可以观察到在18CH 地址内的内容为5A 00 02 00，即IP ＝005AH，CS ＝0002H，与代码段中可屏蔽中断服务程序int3 的入口地址一致。

图9 可屏蔽中断运行图

3.3 中断嵌套过程

依据x86 所规定的NMI 中断请求的优先级高于INTR中断请求，为用仿真图表观察中断的嵌套过程，在S1按键处放置一个连续时钟激励源，类型为高、低、高，周期为500 μs，即：每隔500 μs 向8259 发出中断请求，在数码管上循环递增显示0 ～9，用来指示进、出INTR中断的过程。INTR中断运行期间，在按键S2置一单脉冲激励源信号，脉冲属性为高、低、高，脉冲宽度为20 μs，开始时刻加在1 ms处，用来模拟NMI请求，通过仿真图表，观察中断嵌套过程，如图10 所示。

图10 中断嵌套处理过程

将图10 中断嵌套时序分成4 部分，详细分析如下所示：

（1）此波形对应的是8086 对8255、8259 等初始化操作过程。如图11，图中数据与程序中初始化数据一致。

图11 初始化操作时序图

（2）当激励源8259 有正跳变时，产生INTR 中断请求。体现在ALE两次有效有效，通过放大/缩小等工具发现该处中断类型号为63H，如图12。可屏蔽中断电路数码管接收到的字型码为“F9”转化为显示字符“1”。

图12 INTR中断请求

（3）对应的是在INTR 请求时，激励源8255 有负跳变，产生NMI中断请求。因NMI的中断优先级高于INTR信号，所以暂停INTR 过程转去执行NMI 中断，体现在INTR中断请求延长，ALE 两次有效，NMI数码管显示“1”。NMI 执行结束后，继续响应INTR 中断，有效，ALE两次有效，此处中断类型码仍是63H，可屏蔽中断电路数码管显示为数字“2”，如图13所示。