# CH5 -- 中斷
> [name=卓楷倫]
> [time=Tue, Jun 15, 2021 2:09 PM]

## 中斷
* **中斷(interrupt)**：暂停當前的程式,先執行中斷服務程式(ISR)
> ISR是輕薄短小的程式，可在短時間内執行完畢待ISR執行完畢，再接續執行剛才暫停的程式。
>
> **中斷風暴**：當中斷太頻繁時產生。

* **中斷時機**：
1. 當無法掌握I/O服務需求的時機，希望能即時處理I/O需求，又不耽誤原本的工作時。
2. 當I/O傳輸資料的速度較慢，希望能讓程式配合進行資料轉移時。
3. 當軟體執行時，發生意外(exceptions)狀況時。
4. 當硬體電路的意外狀況時。
5. 提醒CPU 處理固定時間的例行性動作。

> **中斷事件**：如電源不足的通知、印表機的處理、資料傳輸過程發生同位元檢查錯誤…等


> **中斷流程**：暫停當前的程式，先跳去ISR。ISR服務程式的最後一個指令是IRET，執行IRET指令，即可結束ISR，再返回到剛才暂停的程式並繼續執行之。


> **優先度**：執行ISR1時，ISR1可被更高優先度的中斷請求(ISR2)給中斷。

## 中斷種類

* 中斷種類大致上分為兩種：
1. **硬體中斷**：又稱為外部中斷。
2. **軟體中斷**：又稱為內部中斷，屬於 CPU 指令，用以自行產生中斷。

### 硬體中斷

* **可遮罩中斷(maskable interrupt)**：
可在中斷遮罩暫存器(interrupt mask register)中設定遮罩位元，以關閉該中斷功能。

* **不可遮罩中斷(non-maskable interrupt, NMI)**：
無法在中斷遮罩暫存器中，設定遮罩位元來關閉。

* **微處理機間的中斷(interprocessor interrupt)**：
特殊的硬體中斷，由微處理機發出，被其他微處理機接收，作為微處理機間通信或同步之用。

* **偽中斷(spurious interrupt)**：
是不希望發生的硬體中斷,而發生的原因，可能是中斷線路上的信號異常、中斷請求裝置本身出問題等。

> **重置(RESET)**：屬於NMI的一種。

### 軟體中斷

* CPU 執行狀態可分為：

1. **核心態(kernel mode)**：
CPU 可以存取記憶體的所有資料，包括週邊裝置(如硬碟、網卡等)，也可以在程式(函數)間切換。
2. **使用者態(user mode)**：
只能存取受限的記憶體，且不允許存取週邊裝置、不能搶占(preempty) CPU 等。

> 使用者程式是在使用者態下執行的，若程式裡需要執行在核心態才能做的動作(如存取硬碟資料等)，則使用者程式必須向作業系統提出需求，以程式的名義來進行這些操作。
>
> **系統呼叫(system call)**：使用者程式切換到核心態,但使用者程式不控制在核心態中執行的指令，稱為系統呼叫(system call)，而在CPU裡實現，稱為**自陷(Trap)**指令

* **系統呼叫流程**：
1. 使用者態程式將資料放在暫存器，或使用引數建立一個堆疊，以此表明需要作業系統提供的服務。

2. 使用者態程式執行自陷指令，CPU切換到核心態，並跳到位於記憶體指定位置的指令，這些指令具有記憶體保護，無法被使用者態程式存取或執行。

3. 讀取程式放入記憶體的資料引數，並執行程式請求的服務。

4. 系統呼叫完成後，作業系統將CPU恢復為使用者態，並傳回系統呼叫的結果。

### 精確中斷
* **精確中斷(precise interrupt)**：若中斷使微處理機處於確定狀態，稱為精確中斷。
* **確定狀態**：
1. 程式計數器的內容已被儲存在已知位置。

2. 程式計數器所指指令之前的所有指令，都已被執行完畢。

3. 程式計數器所指指令之後的指令，尚未被執行。

4. 在中斷信號出現後，開始執行 ISR 前，所對暫存器/記憶體的更改，都必須還原。

5. 程式計數器所指向的指令之執行狀態都已知。

## 中斷風暴(interrupt storm)

* **中斷風暴**：太過頻繁的中斷請求與回應，造成微處理機的效能降低。

## 中斷指令

* **常見的中斷指令如下**：

| 中斷指令 | 服務類別 | 功能 |
| -------- | -------- | -------- |
| INT 10 | 顯示器控制 | 可設定顯示模式的解析度、游標種類與位置、調色盤顏色等。|
| INT 16 | 鍵盤控制 | 可讀取鍵盤輸入的字元、鍵盤的狀態等。|
| INT 21 | 呼叫DOS函式 | 檔案的建立、刪除、讀取與寫入,設定、讀取系統日期與時間等。|
| INT 33 | 滑鼠控制 | 設定、讀取滑鼠的狀態與游標的位置、範圍等。|

## 觸發信號
### 準位觸發

* **高準位觸發**：未觸發時保持低態。
* **低準位觸發**：未觸發時保持高態。


> 避免未確定狀態的發生：在觸發中斷線路設置電阻。
> **高準位觸發**：接地電阻。
> **低準位觸發**：提升電阻。

* **觸發信號後**：
1. 檢查每個共用裝置，以找到提出中斷請求的裝置，並處理之。
2. 處理完畢後，繼續偵測中斷線路，若仍為有效的觸發信號，則重複步驟 1 的操作。
> 以上步驟通常是優先檢查頻繁請求中斷的裝置，方能加快中斷處理，提升整體效能。
>
> **週邊組件互連介面(PCI)**：其週邊裝置採用準位觸發中斷。

### 邊緣觸發
為瞬間觸發信號，依中斷觸發信號脈波的邊緣,作為有效的中斷觸發信號，脈衝傳送完畢後，裝置立即釋放中斷線路，可分為：
* **升緣觸發**
* **降緣觸發**

> 而中斷線路也要應用提升/接地電阻，以確定無中斷請求時的線路狀態。若多個裝置在接近的時間內傳送脈波，將會合併成單一個觸發信號。
>
> **工業標準架構(Industry Standard Architecture, ISA)介面**：採用邊緣觸發中斷。

### 混合模式觸發
* **不可遮罩中斷(NMI)**：大都與重要的系統異常事件相關，因此，NMI 大都使用混合模式，可有效減輕錯誤中斷或遺失中斷對系統影響。

### 訊息信號觸發
* **訊息信號(message-signaled)觸發中斷**：並不直接偵測中斷線路，而是中斷裝置透過匯流排，傳送特定含義的訊息。

> 與處理邊緣觸發中斷類似，若兩個訊息相同,則可合併，包含訊息信號中斷向量(中斷服務程式的位址)也可以。
> **PCI Express(或 PCIe,為 PCI 的後續版本,改採串列式匯流排)**：採用訊息信號觸發。

## 常見應用

* **系統時鐘應用計數器**：週期性地對微處理機提出中斷,而微處理機透過特定的時鐘ISR以保持計時。當時鐘中斷時，程式計數器會被自動壓入堆疊(PUSH、POP)，並執行下一個行程(process)。
* **磁碟中斷**：標識某個磁碟裝置完成收發資料。
* **斷電中斷**：指示電腦即將斷電，而電腦可以相應中斷程式，依序進行關機動作。

## 實例
### 8086A微處理機
* **8086A**：16位元微處理機。
> **NMI 腳(17 腳)**：非可遮罩中斷接腳。
> **INTR 腳(18 腳)**：可遮罩中斷接腳，可與中斷控制器(如 8259A)相連，而中斷控制器再分別與週邊裝置的中斷請求接腳連接。

8259->CPU:INT to INTR
CPU->8259:!INTA to !INTA

> **INTA 腳(QS1，24 腳)**：決定是否處理中斷，為0時處理。


> 8086A 的 16 位元位址匯流排(配合 M/IO 腳與解碼器)及 8 位元資料匯流排，與 8259A 連接。
>
> **8282**：栓鎖器。
> **8284**：時鐘脈波產生器。
> **8286**： 8 位元雙向緩衝器。
> **8288**：匯流排控制器。

## 中斷向量表
* **中斷向量表(interrupt vector table, IVT)**：
在真實地址模式(real-address mode)中，是在記憶體位址空間中，最低的 1K 空間。

> 1K = 256*4 (256 個中斷向量，每個向量的長度為 4 Bytes)

| 中斷編號 | 中斷源名稱 |中斷向量位址 |
| -------- | -------- | -------- |
| - |系統重置(Reset) |00h |
|0 |第一個外部中斷 INT0 |03h |
|1 |第一個計時計數器中斷 T0 |0Bh |
|2 |第二個外部中斷 INT1 |13h |
|3 |第二個計時計數器中斷 T1 |1Bh |
|4 |串列埠中斷 RI/TI |23h |
|5 |第三個計時計數器中斷(8052)T2/EXF2 |2Bh|

* **中斷優先等級設定**：
8051/8052 提供簡單的中斷優先等級設定，可從其中斷優先等級(interrupt priority, IP)暫存器中，將指定的中斷項目設定為高優先等級。


## 優先等級
> 8051 系列單晶片微處理機的中斷優先等級，可在IP 暫存器設置。

* **中斷暫存/重啟**：
中斷 2 發生時，若微處理機正在執行與中斷 2 相同優先等級或更高優先等級的另一個中斷 1，則後來的中斷 2 將被暫存，直到前一個中斷 1 執行完畢，再重啟中斷 2，並執行之。

> **優先權**：中斷 1 > 中斷 2。

* **中斷嵌套(巢狀中斷**)：
當高優先等級的中斷 2，打斷了低優先等級的中斷 1，形成中斷嵌套，就是巢狀中斷。

> **優先權**：中斷 2 > 中斷 1。
>
> **優先等級**：通常硬體中斷的優先等級較軟體中斷的優先等級高，而 RESET 中斷又是硬體中斷裡，優先等級最高的(RESET > NMI > MI)。

## CM3 中斷優先等級

### 搶占優先等級

若中斷 A 的搶占優先等級高於中斷 B 的搶占優先等級，則中斷 A 都會搶占中斷 B，而不管其子優先等級與中斷編號為何。

### 子優先等級

當 A、B 兩個中斷的搶占優先等級相同時，而中斷 A 的子優先等級高於中斷 B 的子優先等級時：

* 當 A、B 兩個中斷同時發生或同時重啟時，優先執行 A 中斷
* 當中斷 A 發生時，正在執行中斷 B，則中斷 A 不會搶占中斷 B，而是被暫存。待中斷 B 執行完畢後，才接續執行中斷 A。

### 中斷編號

* 兩個中斷的搶占優先等級和子優先等級都相同時，若兩個中斷同時發生，則根據中斷編號進行執行，中斷編號小的優先執行。

## 中斷式資料傳輸

* 輸入資料：讀取週邊裝置資料到 CPU。
* 輸出資料：將 CPU 的資料寫入到週邊裝置。

* **輪詢式(polling) I/O**：
一直重複詢問週邊裝置的狀態，直到週邊裝置備妥，才能進一步存取動作。

* **中斷式(interrupt) I/O**：
若週邊裝置備妥後，由週邊裝置提出中斷請求，微處理機即暫停其工作，並執行週邊裝置的中斷請求。

## 常用中斷控制器晶片
* **中斷控制器**：PIC 中斷控制器用來安排週邊裝置的中斷順序。

1. 若週邊裝置有存取請求，則透過中斷請求線路對中斷對控制器提出中斷請求 IRQ。
2. 中斷控制器接受所有週邊裝置提出的 IRQ，根據其優先等級，安排其執行順序。
3. 中斷控制器再透 INT 線，對微處理機提出中斷請求。
4. 待微處理機透過 INTA 線回應中斷控制器，該週邊裝置即可透過資料匯流排傳輸資料。
### 8259A

* **8259A** ：Intel 公司針對 80 系列微處理機所設計的可程式中斷控制器(programmable interrupt controller, PIC)。


> 8259A 適用於 8080、8085、8086、8088 等微處理機。

* **IR7～IR0 腳**：中斷請求輸入接腳，由週邊裝置連接進來。
* **D7～D0 腳**：資料匯流排，連接微處理機的資料匯流排。
* **CAS2～CAS0 腳**：8259A 之串接接腳，最多可串接 8 個 8259A，64(8*8)個中斷請求輸入。
* **A0**：位址匯流排裡的一支接腳，在此被用來控制之用。
* **INT 腳**：8259A 對微處理機提出中斷請求的接腳。
* **INTA 腳**：微處理機對 8259A 中斷請求的應答。
* **SP/EN 腳**：若在非緩衝器模式時，作為主從選擇之輸入；若在緩衝器模式時，作為緩衝器輸出致能信號。
* **CS腳**：晶片選擇接腳。
* **WR 腳**：寫入控制接腳。
* **RD 腳**：讀取控制接腳。
* **VCC 腳**：電源接腳，連接+5V。
* **GND 腳**：接地接腳。

> 預設的中斷請求優先順序為IR0>IR1>………>IR7
> !SP=0時為主 ; 反之為從。
### 8259A 中斷式I/O

1. 週邊裝置向 8259A 發出中斷請求 ( 週邊裝置-> 8259A )。

2. 8259A 向 8086A 的 INTR 接腳傳送中斷信號( 8259A -> 8086A )。
3. 8086A 通過 INTA 接腳通知 8259A 中斷有效( 8086A -> 8259A )，這個過程包括對此 8259A 的定址。
4. 8259A 透過位址匯流排將對應接腳 n 的中斷類型碼傳送給 8086A( 8259A -> 8086A )。
5. 8086A 得到中斷類型碼後，先進行現場保護，主要包括：
* 狀態旗標暫存器(FLAGS)壓入堆疊儲存之。
* 關閉中斷(將狀態旗標暫存器的 IF 旗標清除為 0)。
* 將目前程式碼段暫存器 CS 和程式計數器 IP 壓入堆疊儲存之。
6. 現場保護完成後，8086A 按照前述的兩步驟算出 ISR 之入口位址。
7. 得到 ISR 位址後，8086A 會再檢查 NMI 腳是否有信號，以防忽略了可能的 NMI 中斷。
8. ISR 將各暫存器之內容壓入堆疊儲存之(除了 IP 和 CS，此二暫存器現已指向目前中斷程式)。
9. 在 ISR 程式結束時，彈出(POP)堆疊內各暫存器的值。而 ISR 程式的最後指令為 IRET，此指令將堆疊上方 6 Bytes分別彈出，並存入 IP、CS 和 FLAGS 暫存器，以還原現場。

### 8259A 中斷動作時序


1. IR7～IR0 任一腳動作(低態)，代表週邊裝置提出中斷請求，8259A將該中斷請求，儲存在中斷請求暫存器(Interrupt Request Register, IRR)的相對應位元。( 週邊裝置 -> 8259A )

2. 8259A 隨判斷此中斷請求是否有效？若有效，隨即透過 INT 接腳向微處理機提出中斷請求(高態動作)。( 8259A -> 微處理機 )
3. 微處理機收到 8259A 的 INT 信號後，隨即透過 INTA 腳回應，並在資料匯流排上送出三組資料(8080/8085)或一組資料(8086/8088)。( 微處理機 -> 8259A ) 8259A 收到 INTA 腳的回應後，隨即重置 IRR 中斷請求暫存器。
3. 微處理機送出第一組資料，即 CALL 指令碼。若是 8086/8088 模式時，仍為高阻抗。( 微處理機 -> 8259A )
4. 若在 8080/8085 模式時，第二組資料為中斷服務程式位址的低八位元組。若在 8086/8088 模式時，第二組資料為中斷向量表的指位。( 微處理機 -> 8259A )
6. 若在 8080/8085 模式時，第三組資料為中斷服務程式位址的高八位元組。若在 8086/8088 模式時，沒有第三組資料，仍為高阻抗。( 微處理機 -> 8259A )

### MC6828
* **MC6828**：Motorola 公司針對 68 系列微處理機所設計的中斷優先等級。


* **IN7～ IN0腳**：8 個週邊裝置的中斷請求輸入。
* **Stretch 腳**:與高速 CPU 連接的信號。
* **A4～A1**:位址匯流排。
* **Z4～Z1**：修改後的位址匯流排。
* **E、R/W、CS0、CS1接腳**：控制信號。

> 68系列微處理機與 80 系列微處理機其位址與編碼呈現相反的狀態。


> MC6800 透過φ2、VMA、 R/W與 A15～A1 接腳來設定 MC6828 的中斷遮罩與中斷優先等級。
> A15～A5 必須全部為 1， CS0才會為 0。
> MC6800 的φ2、VMA、 R/W腳，連接到 MC6828 的 E、CS1、 R/W腳。
> MC6800 的 A4～A1 腳連接到 MC6828 的A4～A1 腳。

## 彙總
1. 微處理機探知週邊裝置的需求，有**輪詢**與**中斷**兩種方式。

2. 中斷包括**硬體中斷**或**軟體中斷**，而根據進行中斷時的狀態，可分為**精確中斷**與**非精確中斷**。若中斷太過頻繁，將導致**中斷風暴**
3. 8086A 微處理機的 **NMI 腳為不可遮罩中斷接腳**，**INTR 腳為可遮罩中斷接腳**
4. 8086A 微處理機，在真實地址模式時，最低的 1K 空間(00000h 到 003FFh)。包括 **256 個中斷向量**，每個**向量的長度為 4 Bytes**，為中斷服務程式的入口地址。
5. 中斷嵌套就是巢狀中斷，也就是中斷之中，又有中斷。
6. **80 系列**微處理機之中斷，中斷向量表在記憶體的**最底部(由 0000h 開始)**，**中斷編號越小，優先等級越高**。
7. **68 系列**微處理機之中斷，中斷向量表在記憶體的**最頂部(由 FFFFh 開始)**，**中斷編號越小，優先等級越低**。
8. 8051/8052 系列單晶片微處理機可在其**中斷優先等級暫存器(IP)**，**設定中斷優先等級**。
9. **8259A** 是 Intel 公司**針對 80 系列微處理機所設計的可程式中斷控制器**，適用於 8080、8085、8086、8088 等微處理機。
10. 透過 **CAS2～CAS0 接腳**，最多可**串接 8 個 8259A**，**64 個中斷請求**輸入。