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# CH8

## **中斷與處理**

## 主要應用
* 協調I/O動作與處理
* 偵測軟體程式執行時，可能產生的意外情況
* 偵測硬體電路的意外狀況
* 提供使用者存取系統資源的管道
* 提供危機性事件的處理
* 提醒CPU定時的處理某些例行性程式

## 中斷類型
### 內部中斷(internal interrupt, TRAP)
1. CPU內部的硬體電路產生的中斷
1. 大部分16或32位元的微處理器中，當CPU內部發生異常的事件(除以0或執行一個不合法的指令)，都會產生一個硬體中斷
1. CPU轉移控制權到一個預定的ISR，做一些應急的處理
1. 例外(exception)或是TRAP
* MCS-51並未提供，只有ARM或x86/x64

#### 軟體中斷(software interrupt)
1. CPU執行一個軟體中斷指令產生的中斷
1. 大部分16或32位元的微處理器，通常提供一種特殊的軟體指令
1. 程式的控制權轉移之用
1. 指令執行後，CPU即產生一個中斷程序，而執行相關的ISR
* MCS-51並未提供，只有ARM或x86/x64
### 外部中斷(external interrupt)
#### 可抑制式中斷(maskable interrupt)
中斷信號可以被擋住(抑制)，令CPU不對其採取任何行動
* MCS-51與x86/x64
#### 不可抑制式中斷(nonmaskable interrupt)
中斷信號產生後，CPU必然會對其採取因應措施(行動)
* x86/x64中的NMI (non maskable interrupt)

**CPU在認知一個中斷後，即暫時中止目前正在執行的程式，而進入中斷服務程式繼續執行指令，以處理中斷需求的動作。**
#### 導向性中斷(vectored interrupt)
一個中斷的中斷服務程式(ISR)的起始位址，需要由產生該中斷的來源I/O裝置，提供一些(位址)資料
* x86/x64微處理器中的INTR
#### 非導向性中斷(nonvectored interrupt)
1. 一個中斷的中斷服務程式(ISR)的起始位址，只由CPU內部自行決定時
1. 每一個中斷的中斷服務程式的起始位址，在設計CPU時已經事先設定為固定的位址。
* MCS-51中的所有中斷和x86/x64中的NMI
## CPU對中斷的反應
### 中斷輸入控制線的輸入信號是否會被CPU認知
* 中斷致能旗號IE(interrupt enable flag)(EA, enable all)
* IE=0，不管該中斷輸入線是否有中斷信號產生，CPU皆不會認知此中斷
* IE=1，CPU才會認知該中斷
### 為了簡化CPU內部的硬體設計與指令執行的完整性，
* 目前指令執行週期結束，才會認知一個中斷
### CPU對中斷的反應
* 目前指令執行週期結束
* IE=1(對可抑制式中斷而言)
* 有中斷信號發生
#### 導向性中斷:
1. ***導向性中斷*中，當CPU認知一個中斷及送出中斷認知信號後，即自動地由資料匯流排中，讀取一個位元組的資訊**
* 中斷向量(interrupt vector)或中斷類型(interrupt type)
* 決定ISR的起始位址
2. **中斷向量內容可以為**
* 單位元組的指令(Z80中的RST)
* 中斷向量表的指標(x86/x64)
* 由微處理器的類型與工作模式而定
3. ***非導向性中斷***
* CPU認知一個中斷後，自動由內部硬體取得對應的中斷向量
* 決定ISR的起始位址
* MCS-51中的所有中斷均屬於此類型

4. **任何一個微處理器通常擁有多條中斷輸入線**
* 處理每一條中斷輸入線，皆有不同的優先順序
* 中斷優先權(interrupt priority)
* 每一條輸入線相當於一個優先權層次(interrupt level)
5. **每一條輸入線皆可被外部I/O裝置用來要求中斷服務**
* 較低層次的中斷服務程式可以被另外一個較高層次的中斷所中斷
* 多層次(multilevel)中斷系統
6. **x86/x64，有兩條中斷輸入線(NMI與INTR)**
* NMI有較高的優先權
7. **MCS-51中，一共有5個中斷來源**
* 由中斷優先權(IP)暫存器動態地分成高、低兩種不同的優先權層次
* 相同優先權群中的中斷不能被另外一個中斷所中斷
### MCS-51中斷結構
#### MCS-51在取樣中斷後
* CPU檢查高、低兩個優先權中斷群中的中斷
* 事先設定好的輪呼次序，決定目前可以被服務的中斷，提供服務
* 輪呼次序是固定的，但優先權可以選擇為高或低
* 優先權由IP暫存器與輪呼共同決定
### 中斷來源控制
#### 外部中斷輸入線可由定時器控制暫存器(time control register) 中的位元IT0與IT1規劃成位準偵測(Level sensitive) 或負緣偵測(negavite edge sensitive)

#### ITx(x=1/0)為0時，$\overline{INTx}$為低位準偵測，ITx為1時，為負緣偵測

#### 負緣偵測時，外部中斷$\overline{INTx}$的信號上升為高電位的一個週期，然後下降為低電位的一個機器週期
* TCON暫存器中的中斷旗號位元IEx為1，產生中斷
* IEx在CPU進入對應中斷服務程式後，即自動被清除為0

#### 位準偵測時，$\overline{INTx}$的信號必須持續啟動(維持在低電位)直到該中斷被認知為止
* 恢復為不起動狀態，否則將再度產生中斷
* 中斷旗號位元的值與$\overline{INTx}$的反向值相同

#### 當定時器/計數器0與1(定時器0模式3除外)計時終了或計數溢位時
* 對應的中斷旗號位元TFx即設定為1，因而產生中斷
* CPU進入對應中斷服務程式後，即清除該中斷旗號位元TFx為0

#### 在串列埠中，TI(transmit interrupt)與RI(receive interrupt)共用一個中斷。
* 進入中斷服務程式後，必須判別是TI或RI產生的中斷，以提供適當的服務
* TI與RI必須由中斷服務程式清除

#### MCS-52，定時器2的中斷由TF2或EXF2產生
* 判別是TF2或EXF2產生的中斷
* 由中斷服務程式清除

#### 均可由軟體設定為1，以產生中斷，或是清除為0，清除任何懸置尚未服務的中斷

### 中斷智能暫存器
* 全體致能(Enable all, EA)位元控制所有中斷的產生與否
* EA為一般微處理器中的中斷致能(IE)
* 當EA為0，所有中斷均不被接受
* EA為1，一個中斷的接受與否，尤其各別的控制位元決定
#### 暫存器控制功能
1. ES (enable serial port) >> 串列通訊埠
1. ET1 (enable timer 1) >> 定時器1
1. EX1 (enable external interrupt 1) >> 外部中斷輸入$\overline{INT1}$
1. ET0 (enable timer 0) >> 定時器 0
1. EX0 (enable external interrupt 0) >> 外部中斷輸入$\overline{INT0}$
#### 其值為0:抑制中斷 ； 其值為1:致能中斷

#### ET2(enable timer 2)為MCS-52的定時器2的中斷控制位元

### 中斷優先權暫存器
#### MCS-51中的每一個中斷來源，均可以依據IP的內容，規畫為高優先權中斷群或是低優先權中斷群

#### 中斷優先權暫存器中的每一個位元對應一個中斷來源
* PT2(MCS-52的定時器2)
* PS(串列通訊埠)
* PT1(定時器1)
* PX1(外部中斷輸入$\overline{INT1}$)
* PT0(定時器0)
* PX0(外部中斷輸入$\overline{INT0}$)

**當其值為0，對應來源歸入低優先權；其值為1，對應來源歸入高優先權**

#### 低優先權中斷群中的中斷
* 可被高優先權中斷群中的中斷所中斷
* 不會被另一個低優先權中斷群的中斷所中斷

#### 高優先權中斷群中的中斷，則不會被任何其他的中斷所中斷。當有2個或多個中斷來源同時產生 -> 高優先權的中斷將被認知(依據事先設定好的輪呼次序)

#### 輪呼次序為$\overline{INT0}$(優先權最高)->定時器0->$\overline{INT1}$->定時器1->串列通訊埠->定時器2->(優先權最低)

#### MCS-51/52提供2個層次的中斷優先控制
1. 中斷優先權暫存器決定
1. 輪呼次序


## 中斷處理
### 中斷處理程序
#### 於每一個機器週期的S5P2時
* 取樣中斷旗號位元
* 其次的機器週期執行輪呼動作，選取一個中斷提供服務
* MCS-52的定時器2的TF2在S2P2設定，並且在產生設定時器溢位的同一個機器週期中，執行輪呼動作

#### 認知一個中斷後，若無下列一個狀況發生時，CPU即執行一個硬體的LCALL副程式呼叫動作，跳到ISR中執行，並抑制相同優先權層次的其他中斷產生中斷，稱為 ***中斷處理程序(中斷程序)***
* 已經有一個較高或是相同優先權層次的中斷服務程式正在執行
* 目前的輪呼動作不是在一個執行中的指令的最後一個週期
* 目前正在執行中的指令為RETI指令或是任何寫入IE或是IP暫存器的指令
#### 三條件中任一情況發生時: 暫停產生硬體的LCALL副程式呼叫動作
#### 狀況2: 確保在進入一個中斷服務程式之前，已經完成目前正在進行中的指令之動作
#### 狀況3: 確保在進入一個ISR之前，若目前正在進行中的指令為RETI或是任何寫入IE或IP暫存器的指令時，至少能在繼續執行一個指令。

* **輪呼動作** -> 每一個機器週期均重複一次
* 一個中斷旗號啟動後，因上述狀況而其ISR無法被執行，並且在狀況解除之後，該中斷旗號也不再啟動時，該中斷將不被服務。
* 每一個中斷向量皆**配置8個位元組** -> 較複雜的應用中，ISR多於8個位元組，可以在此位置上置放一個LJMP指令

### 中斷遲滯時間
* 中斷的需求產生到進入ISR，開始執行指令的時間
* 關鍵的因素

#### 當進入一個ISR後，除非被中斷的程式至少執行一個指令，否則將不再進入該ISR
* 利用此一特性，MCS-51可以單步執行指令，其做法為設定$\overline{INT0}$為位準啟動方式，並設定該ISR為:

#### 若$\overline{INT0}$(P3.2)正常為低電位
* CPU 進入$\overline{INT0}$ISR，等待$\overline{INT0}$上升為高電位，然後下降為低電位
* 接著執行RET1指令，回到程式中執行一個指令，再進入$\overline{INT0}$ISR，重複上述動作。

#### 每一個$\overline{INT0}$的高電位脈波將促使程式執行一個指令

### 中斷服務程式
#### ISR的結構與副程式的結構類似
* 運用CALL呼叫副程式，RET則由副程式回到主程式
#### CPU認知一個中斷後，呼叫該中斷的ISR
* ISR欲回到主程式，使用RET

#### 設計一個ISR，需遵守下列三步驟:
***撰寫ISR***
1. 在中斷向量表中的適當位置內填入ISR，或是在該位置中填入LJMP指令，使其跳到ISR中執行
1. 若需要，設定IP暫存器
1. 設定適當的中斷致能位元

### 巢路中斷
$\overline{INT1}$產生中斷，中斷向量為13H

### 系統重置
#### 系統重製為讓CPU回到一個已知的初始狀態
* 恢復內部的SFR內容為預先設定的值，然後重新執行開機程式
#### 功率控制為適當管理功率消耗(Power consumption)
* 在一特定的應用中，僅需最小的功率消耗
#### 如何重置MCS-51系統?
* 啟動RST信號完成
* 時脈信號啟動後，RST設為高電位，且延續兩個機器週期以上時，即系統重置。
#### SFR的初值
* PC、ACC、暫存器B、DPTR & PSW均清除為0。(CPU由0000H位址開始執行指令)
* SP設為07H
* I/O port設為0FFH
* IP為xxx00000B，IE為0xx00000B (MCS-51)
* IP為xx000000B，IE為0X000000B (MCS-52)
* 定時器暫存器與SCON均清除為0，SBUF則為未定值(xxH)
* PCON為0xxx0000B

### 電源控制



***END***