北交微機(jī)作業(yè)--三種CPU中斷技術(shù)對(duì)比

1、三種CPU中斷技術(shù)對(duì)比引言：中斷是一種使CPU中止正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去處理特殊事件的操作。有了中斷功能，PC系統(tǒng)就可以使CPU和外設(shè)同時(shí)工作，使系統(tǒng)可以及時(shí)地響應(yīng)外部事件，大大提高了CPU的利用率，也提高了數(shù)據(jù)輸入、輸出的速度。 另一方面，可以使CPU及時(shí)處理各種軟硬件故障。本文將X86、ARM與8051單片機(jī)的中斷系統(tǒng)做了對(duì)比，從而能更好的學(xué)習(xí)和理解中斷技術(shù)。正文：一、ARM處理器中斷1.ARM7處理器中斷ARM 是Advanced RISC Machines的縮寫，ARM 公司開發(fā)了很多系列的ARM 處理器內(nèi)核，ARM7處理器就是其中的一個(gè)系列，其中包括ARM7TDMI、ARM7TDMI

2、s、帶有高速緩存處理器宏單元的ARM720T 和擴(kuò)充了Jazelle的ARM7EJS。該系列處理器提供Thumb 16位壓縮指令集和EmbededICE軟件調(diào)試方式，多應(yīng)用于多媒體和嵌入式設(shè)備，包括Internet設(shè)備、移動(dòng)電話、PDA等。ARM7中斷工作模式：ARM7處理器具有2個(gè)中斷輸入，分別為IRQ 中斷和FIQ中斷，如下圖所示。其對(duì)應(yīng)的中斷操作模式為向量中斷IRQ模式(用于通用中斷處理)和快速中斷FIQ模式(支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或通道處理)。向量中斷請(qǐng)求(IRQ)是一個(gè)由nIRQ輸入端的低電平。所產(chǎn)生的正常中斷。IRQ的優(yōu)先級(jí)低于FIQ，對(duì)于FIQ序列它是被屏蔽的。任何時(shí)候在一個(gè)特權(quán)模式下，都

3、可通過置位當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器(CPSR)中的I位來禁止IRQ?？焖僦袛嗾?qǐng)求(FIQ)支持?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)移或通道處理，在ARM 狀態(tài)中，F(xiàn)IQ模式有8個(gè)專用的寄存器可用來滿足寄存器保護(hù)的需要，這是上下文切換的最小開銷。將nFIQ信號(hào)拉低可實(shí)現(xiàn)外部產(chǎn)生FIQ。在一個(gè)特權(quán)模式中，可通過置位當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器(cPsR)中的F標(biāo)志來禁止FIQ異常。當(dāng)F標(biāo)志清零時(shí)，ARM7處理器在每條指令結(jié)束時(shí)檢測(cè)FIQ 同步器輸出端的低電平。ARM7中斷屏蔽程序?qū)崿F(xiàn)ARM7內(nèi)核包含1個(gè)當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器(CPSR)，該寄存器中包含條件代碼標(biāo)志位、控制中斷的使能和禁止位，以及設(shè)置處理器操作模式位。當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器如下圖所示。

4、當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器的控制位中包含2個(gè)中斷禁止位 I和F位：當(dāng)I位置位時(shí)，禁止IRQ 中斷，清零時(shí)允許IRQ 中斷；當(dāng)F位置位時(shí)，禁止FIQ 中斷，清零時(shí)允許FIQ 中斷。在ARM7系列的處理器中，只有“MRS”和“MSR”兩條指令可以直接讀取和設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器(CPSR)或保存程序狀態(tài)寄存器(SPSR)。在ARM 公司提供的C編譯器中并沒用提供特殊的語(yǔ)法格式，用于指定生成這兩條指令，所以如要想將IRQ 中斷和FIQ中斷都屏蔽，就必須使用匯編語(yǔ)言來編寫函數(shù)。對(duì)于IRQ 中斷，ARM 還有另外一種管理模式，即通過向量中斷控制器(VIC)負(fù)責(zé)管理芯片的中斷源，如果是只屏蔽或打開向量中斷IRQ，

5、也可以使用C語(yǔ)言來設(shè)計(jì)這兩個(gè)函數(shù)。ARM7處理器中斷：ARM 7TDMI具有常規(guī)中斷（IRQ）、快中斷（FIQ）和軟件中斷（SoftWare Interrupt）三種中方式。常規(guī)中斷和快中斷都是硬件中斷?？熘袛嗍菫橹С?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或快速數(shù)據(jù)通道而設(shè)計(jì)的，為快速處理快中斷。快中斷被設(shè)為最高中斷優(yōu)先級(jí)；在快中斷模式增設(shè)了7個(gè)私有工作寄存器，從而避免了由于主工作寄存器數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)而帶來了額外開銷；快中斷處理程序處于異常向量表的最后位置，因此可緊接異常向量表書寫快中斷處理程序，而不必進(jìn)行程序跳轉(zhuǎn)操作，避免了刷新指令流水線和高速緩存。軟件中斷是一種由用戶設(shè)置的同步中斷，由程序指令產(chǎn)生，不像硬件中斷那樣由

6、外部事件觸發(fā)。軟件中斷允許運(yùn)行在用戶模式的程序進(jìn)入監(jiān)督模式，并運(yùn)行監(jiān)督態(tài)下的函數(shù)。在ARM7TDMI的硬件調(diào)試系統(tǒng)中，應(yīng)用程序可利用軟件中斷來申請(qǐng)半自主式操作，利用軟件中斷機(jī)制，可以直觀和高效地仿真調(diào)試應(yīng)用程序。另外，軟件中斷也可用于一般性的程序控制。向量地址中斷類型工作模式優(yōu)先級(jí)返回地址0x8軟件中斷SWI模式6pc-40x18常規(guī)則中斷IRQ模式4pc-80x1C快中斷FIQ模式3pc-82.ARM中斷優(yōu)先級(jí)管理方式：S3c2440共有7組基于優(yōu)先級(jí)輪轉(zhuǎn)的沖裁機(jī)制來控制32個(gè)中斷源。說明：ARBITER6所控制的REQ0,1,2,3,4,5實(shí)際上對(duì)應(yīng)ARBITER0,1,2,3,4,5RE

7、Q0在任何情況下具有最高優(yōu)先級(jí)，REQ5具有最低優(yōu)先級(jí)；即：對(duì)ARBITER1-4來說，在任何情況下：REQ0具有最高優(yōu)先級(jí)，REQ5具有最低優(yōu)先級(jí)對(duì)ARBITER6來說，在任何情況下：ARBITER0具有最高優(yōu)先級(jí)，ARBITER5具有最低優(yōu)先級(jí)3.中斷的處理過程：ARM響應(yīng)中斷和中斷返回：（1）當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)，ARM7TDMI將執(zhí)行的操作把當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）的內(nèi)容拷貝到相應(yīng)的備份程序狀態(tài)寄存器（SPSR）。當(dāng)前工作模式、中斷屏蔽位和狀態(tài)標(biāo)志被保存下來。轉(zhuǎn)入相應(yīng)的模式，并關(guān)閉常規(guī)中斷。如響應(yīng)快中斷，則同時(shí)關(guān)閉快中斷。把程序計(jì)數(shù)器（pc）的值減4后，存入相應(yīng)的連接寄存器（1r）。將程

8、序計(jì)數(shù)器指向相應(yīng)的中斷向量。（2）由中斷返回時(shí)，ARM7TDMI將完成的操作將備份程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容拷貝到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器，恢復(fù)中斷前的狀態(tài)。清除相應(yīng)禁止中斷位（如果已設(shè)置的話）。把連接寄存器的值拷貝到程序計(jì)數(shù)器，繼續(xù)運(yùn)行原程序。4.中斷向量：中斷向量是指中斷服務(wù)程序入口地址的偏移量與段基值，一個(gè)中斷向量占據(jù)4字節(jié)空間。中斷向量表是8088系統(tǒng)內(nèi)存中最低端1K字節(jié)空間，它的作用就是按照中斷類型號(hào)從小到大的順序存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的中斷向量，總共存儲(chǔ)256個(gè)中斷向量。在中斷響應(yīng)過程中，CPU通過從接口電路獲取的中斷類型號(hào)（中斷向量號(hào)）計(jì)算對(duì)應(yīng)中斷向量在表中的位置，并從中斷向量表中獲取中斷向量，將程序流程

9、轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序的入口地址。ARM中斷向量：在32位ARM系統(tǒng)中，一般都是在中斷向量表中放置一條分支指令或PC寄存器加載指令，實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)例程的功能。一般ARM嵌入式系統(tǒng)的程序都是固化在從00000000H開始的低端ROM空間中，中斷向量表VectorTable也是固化在ROM中，所以無法在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)隨機(jī)修改中斷向量表，在ARM 向量表中存放的是與中斷服務(wù)例程入口有關(guān)的一條分支指令，設(shè)置中斷向量都相當(dāng)繁瑣，必須修改ARM的C程序的啟動(dòng)代碼。表面上看，在ARM中斷向量設(shè)置方法的向量表VectorTable中也是純地址數(shù)據(jù)，不含指令代碼，似乎可以把VectorTable設(shè)置在 RAM

10、數(shù)據(jù)段中。然而一般ARM體系的ROM代碼段和RAM數(shù)據(jù)段間的偏移遠(yuǎn)大于2 12，故超出了LDR使用PC為基址的相對(duì)尋址范圍。二、X86處理器中斷1. X86處理器中斷：中斷是指CPU在正常執(zhí)行程序的過程中，由于某個(gè)外部或內(nèi)部事件的作用，強(qiáng)迫CPU停止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去為該事件服務(wù)（稱為中斷服務(wù)），待服務(wù)結(jié)束后，又能自動(dòng)返回到被中斷的程序中繼續(xù)執(zhí)行。80x86中斷結(jié)構(gòu)及類型： 2.中斷源中斷X86 CPU支持256個(gè)中斷向量，中斷號(hào)00H-0FFH 。019是系統(tǒng)預(yù)定義的異常和NMI，2031被Intel保留，如表所示。所以，外部中斷從32開始。CPU處理的流程都一樣，在執(zhí)行完當(dāng)前指令后，

11、根據(jù)中斷源提供的中斷向量，在IDT中找到并調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)例程。 X86 CPU中斷分為內(nèi)部中斷和外部中斷。內(nèi)部中斷分為：軟中斷，內(nèi)部中斷和異常，異常分為3種：Fault：可以被更正的錯(cuò)誤，異常處理程序的返回地址是產(chǎn)生fault的指令。Trap：執(zhí)行trap指令(例如 INT 3)后被報(bào)告的異常，異常處理程序的返回地址是產(chǎn)生trap指令的后一條指令。Abort：嚴(yán)重錯(cuò)誤，無法繼續(xù)執(zhí)行。外部中斷分為：不可屏蔽硬件中斷和可屏蔽硬件中斷。不可屏蔽硬件中斷（02H）：由NMI端引入的中斷請(qǐng)求， 中斷請(qǐng)求不可被屏蔽；可屏蔽硬件中斷請(qǐng)求：由INTR端引入，中斷請(qǐng)求可由IF=0進(jìn)行屏蔽，使中斷請(qǐng)求不進(jìn)入。3.

12、 80x86中斷優(yōu)先級(jí)管理方式：80x86CPU工作在實(shí)地址模式下時(shí)，多個(gè)中斷請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生，高級(jí)中斷可以打斷低級(jí)中斷，反之則不然，響應(yīng)順序按優(yōu)先級(jí)從高到低排列為：內(nèi)部中斷和異常，軟件中斷，外部不可屏蔽中斷，外部可屏蔽中斷，單步中斷。4.中斷的處理過程80x86中斷請(qǐng)求：當(dāng)外設(shè)需要中斷服務(wù)時(shí)，由硬件產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)INTR發(fā)送給CPU；CPU在當(dāng)前指令結(jié)束時(shí)檢測(cè)INTR引腳，判斷是否有中斷請(qǐng)求。中斷響應(yīng)：當(dāng)檢測(cè)到有中斷請(qǐng)求且IF=1時(shí)，總線周期信號(hào)M/IO， D/C ，W/R為000，通過總線控制邏輯發(fā)中斷響應(yīng)信號(hào)。INTA給中斷請(qǐng)求設(shè)備表示應(yīng)答：中斷請(qǐng)求設(shè)備將中斷號(hào)送上數(shù)據(jù)總線；系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)

13、入中斷響應(yīng)周期，由硬件完成關(guān)中斷、保存斷點(diǎn)、取中斷服務(wù)的入口地址（N*4）等一系列操作，而后轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序執(zhí)行中斷處理。中斷處理：執(zhí)行中斷服務(wù)程序中規(guī)定的操作。中斷返回：將壓棧的斷點(diǎn)從堆棧中彈出，開中斷，CPU轉(zhuǎn)向被中斷的主程序繼續(xù)執(zhí)行5.中斷向量8086中斷矢量表：存放中斷服務(wù)程序入口地址的存儲(chǔ)空間。實(shí)模式下存放于存儲(chǔ)器的低端00000H-003FFH，共1K字節(jié)，每一個(gè)中斷號(hào)占據(jù)4字節(jié)的空間，低2字節(jié)存放對(duì)應(yīng)中斷入口子程序的偏移地址，高2字節(jié)存放對(duì)應(yīng)中斷入口子程序的段基址。保護(hù)模式下，稱中斷描述符表，可存放于存儲(chǔ)器的任意位置，由中斷描述符表寄存器IDTR標(biāo)識(shí)其在物理存儲(chǔ)器中的位置，每個(gè)中

14、斷描述符由8字節(jié)組成。當(dāng) 80x86微機(jī)啟動(dòng)時(shí)，ROM BIOS中的程序會(huì)在物理內(nèi)存開始地址0x0000:0x0000處初始化并設(shè)置中斷向量表，而各中斷的默認(rèn)中斷服務(wù)程序則在BIOS中給出。由于中斷向量表中的向量是按中斷號(hào)順序排列，因此給定一個(gè)中斷號(hào)N，那么它對(duì)應(yīng)的中斷向量在內(nèi)存中的位置就是0x0000:N×4，即對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口地址保存在物理內(nèi)存0x0000:N×4位置處。在X86體系結(jié)構(gòu)的PC系統(tǒng)中，不論是用匯編還是用C語(yǔ)言，都可以動(dòng)態(tài)隨機(jī)地設(shè)置、修改中斷向量表只需要簡(jiǎn)單地把中斷程序例程的入口地址寫入到中斷向量表數(shù)據(jù)區(qū)，即可完成向量表的設(shè)置。80x86中斷向量表：

15、三、8051單片機(jī)中斷1.8051單片機(jī)中斷簡(jiǎn)介8051單片機(jī)有五個(gè)中斷請(qǐng)求源，四個(gè)用于中斷控制的寄存器IE.IP.TCON和SCON,用于控制中斷的類型，中斷允許，中斷起停和各種中斷源的優(yōu)先級(jí)別。2.中斷源中斷80C51的中斷系統(tǒng)包括中斷源、中斷允許寄存器IE、中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP、中斷矢量等。在80C51中，只有兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)。如圖是80C51的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。80C51有5個(gè)中斷源分別為：兩個(gè)外部中斷源INT0、INT1和三個(gè)內(nèi)部中斷源T0、T1定時(shí)/計(jì)數(shù)謚出中斷源和串行口發(fā)送或接收中斷源。外部中斷是由外部信號(hào)引起的，它們的中斷請(qǐng)求信號(hào)分別從引腳INT0和INT1上引入3.中斷優(yōu)先級(jí)

16、管理方式在80C51中有高、低兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，通過IP來設(shè)定，IP寄存器中各位設(shè)置為0時(shí)，為低中斷優(yōu)先級(jí)，為1時(shí)，設(shè)為高中斷優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)復(fù)位后IP寄存器中各位均為0，全部設(shè)定為低中斷優(yōu)先級(jí)。IP寄存器如下：中斷優(yōu)先級(jí)控制，還有兩個(gè)不可尋址的優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器，一個(gè)用于指示某一高優(yōu)先級(jí)中斷正在進(jìn)行服務(wù)，而屏蔽其它高優(yōu)先級(jí)中斷；另一個(gè)用于指示某一低優(yōu)先級(jí)中斷正在進(jìn)行服務(wù)，從而屏蔽其它低優(yōu)先級(jí)中斷，但不能屏蔽高優(yōu)先級(jí)中斷。中斷優(yōu)先級(jí)由高到低為：外部中斷0， 定時(shí)器T0中斷 ， 外部中斷1，定時(shí)器T1中斷， 串行口中斷，定時(shí)器T2中斷。4.中斷的處理過程80C51外部中斷請(qǐng)求有兩種信號(hào)觸發(fā)方式?？赏ㄟ^設(shè)

17、置有關(guān)控制位進(jìn)行定義。 當(dāng)設(shè)定為電平有效方式時(shí)，若INT0或INT1引腳上采樣到有效的低電平，則向CPU提出中斷請(qǐng)求；當(dāng)設(shè)定為跳變有效方式時(shí)，若INT0或INT1引腳上采樣到有效負(fù)跳變，則向CPU提出中斷請(qǐng)求。 中斷采樣：針對(duì)外部中斷請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行的，而內(nèi)部中斷請(qǐng)求都發(fā)生在芯片內(nèi)部，可以直接置位TCON或SCON中的中斷請(qǐng)求標(biāo)志。在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間，各中斷標(biāo)志采樣相應(yīng)的中斷源，并置入相應(yīng)標(biāo)志。中斷查詢：若查詢到某中斷標(biāo)志為1，則按優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行處理，即響應(yīng)中斷。80C51的中斷請(qǐng)求都匯集在TCON和SCON中。而CPU則在下一機(jī)器周期的S6期間按優(yōu)先級(jí)的順序查詢各中斷標(biāo)志。先查詢高級(jí)

18、中斷，再查詢低級(jí)中斷。同級(jí)中斷按內(nèi)部中斷優(yōu)先級(jí)序列查詢。如果查詢到有中斷標(biāo)志位為“1” ，則表明有中斷請(qǐng)求發(fā)生，接著從相鄰的下一個(gè)機(jī)器周期的S1狀態(tài)開始進(jìn)行中斷響應(yīng)。中斷響應(yīng)：硬件自動(dòng)生成長(zhǎng)調(diào)用指令為L(zhǎng)CALL addr16，而addr16就是各中斷源的中斷矢量地址，如下表所示。中斷源 中斷矢量地址 外部中斷0（INT0） 0003H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0（T0）000BH外部中斷1（INT1） 0013H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1（T1） 001BH串行口（RI、TI） 0023H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 002BH中斷響應(yīng)是有條件的，在接受中斷申請(qǐng)時(shí)，如遇下列情況之一時(shí)，硬件生成的長(zhǎng)調(diào)用指令“LCALL”將被封鎖： CPU正在執(zhí)行同級(jí)或高一級(jí)的中斷服務(wù)程序中。因?yàn)楫?dāng)一個(gè)中斷被響應(yīng)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的中斷優(yōu)先級(jí)觸發(fā)器被置“1”，封鎖了同級(jí)和低級(jí)中斷； 查詢中斷請(qǐng)求的機(jī)器周期不是執(zhí)行當(dāng)前指令的最后一個(gè)周期。 當(dāng)前正在執(zhí)行RETI指令或執(zhí)行對(duì)IE、IP的讀寫操作指令。80C51中斷系統(tǒng)的特性規(guī)定，在執(zhí)行完這些指令之后，必須再繼續(xù)執(zhí)行一條指令，然后才能響應(yīng)中斷。5.中斷向量80C51矢量中斷：當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時(shí)，由硬件直接產(chǎn)生一個(gè)固定的地址，即矢量地址，由矢量地址指出每個(gè)中斷源設(shè)備的中