Lecture 9. IO 与中断

关于中断这一节，区分清楚 中断编号 以及 IRQ 编号，很重要。

复习：四种周期

这里补充说明一下三种周期分别是啥：

• 时钟周期 clock cycle，是时钟频率的倒数，是 CPU 最小动作单元
• 机器周期 machine cycle，就是机器循环（fetch-decode-execute-store），由若干时钟周期构成
• 指令周期 instruction cycle，就是指执行一条指令需要的时间。由于不同指令复杂程度不同，不同指令的指令周期也不一定相同，但至少是一个机器周期
• 总线周期 bus cycle，是不同组件中传输数据所需要的时间

8086 结构

先来看看 8086 的长相和引脚布局图：

8086 的内存总线是 20 位的，数据总线是 16 位的。

I/O space 是指用于与外部设备进行通信的地址范围，它跟内存是两码事儿。由于数据总线只有 16 位，所以 I/O space 只有 64K 的大小。

由于 8086 硬件引脚的局限性，内存总线和数据总线共享引脚。所以需要一条额外的控制线来区分，要访问内存还是数据。

由于 8086 的地址和数据总线多路复用了，所以处理器通过总线对外部（内存或 I/O 接口）进行一次访问，需要四个时钟周期，即：8086 的一个总线周期等于四个时钟周期。

Z80A CPU 的结构

相比 8086，Z80A 的数据总线和地址总线分开了，如图。

有一个巨大的 AND 门充当地址解码器的作用。它有 16 个输入，当且仅当 16 个输入构成了对应设备的地址，才会输出真，否则输出假。此外，还有两根控制线（绿色、紫色），表示是否要对该设备进行操作。

然后，三个值再与一下，作为控制信号传送给一个三态缓冲器。三态缓冲器的作用是，根据控制信号决定，把输入原封不动传给输出，还是高阻态。

对于输出，也差不多，只不过是三态缓冲器换成了 D 缓存器。

汇编的 IO

IN 与 OUT 指令

语法是 in/out ax/al dx/imm8，作用是从指定端口当中读取数据到累加器寄存器。

当使用 imm 的时候只可以访问 256 个不同的端口，使用 dx 可以访问 64k 个端口。

==方向反了？？==

关于权限

对外部进行读写，那肯定是需要权限的。

8086 当中有一个叫做 IOPL（Input/Output Privilege Level）的标志，长度是 2 位，表示 IO 的权限等级。一般来讲 IOPL=2 就够了（最高是 3）。

此外还有一个叫做 I/O permission bitmap 的东西。这个东西是 8 字节的，总共 64k 个布尔位，分别表示对应的 64k 个端口是否具有权限。

一些众所周知的端口地址

• 并行打印机锁存器（parallel printer latch），有两个并行端口（parallel port, LPT)，LPT1 的地址是 0x378，LPT2 的地址是 0x278。不过现在这东西不常见了，都是 usb 了
• 打印机控制锁存器（printer control latch），0x37a
• 打印机状态：0x379，一般是输入
• VDU（video display unit）颜色寄存器，用来控制 DOS 窗口颜色的显示，0x3d9

DOS 屏幕显示

屏幕左上角的地址是 B8000，即 B800:0000。每个位置占用两个子节的内存，DOS 屏幕宽度是 80 个字符，所以每行内容占用 160 字节的内存。DOS 屏幕高度只有 25 行，所以整个屏幕能显示 2000 个字符，占用 4000 字节的内存。

对于每个字符的两个字节来说，第一个字节用 ASCII 表示这个位置上的字符是谁，第二个字节用来指定显示格式，即文字颜色、背景颜色、是否闪烁、是否增亮：

Lab5 的第二道题实现了屏幕显示控制。

8259 可编程中断控制器

8086 使用两个 8259 芯片（一主一从），可以处理 0~15 共计 16 个中断。

其中，主 8259 处理中断 0~7，从 8259 芯片处理中断 8~15. 从芯片连接到主芯片的 irq2 引脚上（所以实际上相当于少一个，只能处理 15 个中断）

16 个中断都有编号，如表格。

前 8 个 irq 的 int 编号是从 08 到 0f，后 8 个的 int 编号是从 70 到 77。

int 编号	irq 编号	描述	详述
INT 08H	IRQ 0	Timer，时钟	Interrupts every 55ms (18.2 times per second)
INT 09H	IRQ 1	Keyboard，键盘	Interrupts on each press and release of a key and periodically while the key is held down. See Keyboard Ports.
INT 0aH	IRQ 2	cascade，级联从片	Connected to the secondary 8259a interrupt controller on ATs; may be used by EGA for vertical retrace. See EGA I/O Ports.
INT 0bH	IRQ 3	COM 2/4，串口 2	Interrupts when COM2 or COM4 has something to say. See Serial Ports.
INT 0cH	IRQ 4	COM 1/3，串口 1	Interrupts when COM1 or COM3 has something to say. See Serial Ports.
INT 0dH	IRQ 5	LPT 2，并口 2	AT: Interrupts when the printer on LPT2 is ready for another character (only if printer port 27aH is set up for this). See Printer Ports. PC/XT: This was used for the hard disk. See XT Hard Disk Ports.
INT 0eH	IRQ 6	diskette，软盘	Interrupts after each action of the floppy diskette controller (read, write, seek, etc). See FDC Ports.
INT 0fH	IRQ 7	LPT 1，并口 1	Interrupts when LPT1 is ready for another character (only when controller port 37aH is set up for this). See Printer Ports.
INT 70H	IRQ 8	RT Clock，实时时钟	Interrupts 1024 times per second (on AT-class or better computers). This is generated by the same hardware that handles the non-volatile data in the CMOS Memory.
INT 71H	IRQ 9	redir IRQ2，级联到主片	On AT-class computers, IRQ 2 is used as the connection to a secondary 8259a interrupt controller. Actual occurrences of IRQ 2 are redirected to IRQ 9. This IRQ may be generated by EGA/VGA. See EGA I/O Ports.
INT 72H	IRQ 10	(reserved)	There is no default device for this IRQ.
INT 73H	IRQ 11	(reserved)	There is no default device for this IRQ.
INT 74H	IRQ 12	(reserved)	There is no default device for this IRQ.
INT 75H	IRQ 13	math chip，协处理器	The 80x87 math coprocessor generates this interrupt on exceptions (errors).
INT 76H	IRQ 14	hard disk，硬盘	Interrupts when the hard disk controller finishes an operation. See AT Hard Disk Ports.
INT 77H	IRQ 15	(reserved)	There is no default device for this IRQ.

在 int 08h 之前，就是级别更高的中断，比如除以零、NMI、单步调试等。所以课件上说，中断编号 0~7 的（不是 irq 0~7），不归 8259 管。

编号	描述
INT 00h	(0)Divide by 0
INT 01h	(1)Single Step
INT 02h	(2)Non-Maskable Interrupt (NMI)
INT 03h	(3)Breakpoint
INT 04h	(4)Overflow
INT 05h	(5)Print Screen

顺带一提，主 8259 占用地址 0x20~0x3f，从 8259 占用地址 0xa0~0xbf。~~虽然不知道这个有啥用，但是可能需要记住~~。

中断

就是程序运行期间，被一些外部信号或特殊指令打断，从当前执行的程序，转为去执行 interrupt handler，也叫做 ISR（interrupt service routine）。执行完之后再回来。

8086 当中有三种类型的中断：

• 硬件中断，INTR 引脚接收到一个外部的信号引起，或者是处理器的 NMI 引脚引起
• 异常中断，比如遇到了除以零的情况
• 软件中断，即汇编代码当中的 int 指令，类似于调用了一个 BIOS 的函数

中断向量表

对于 8086：

• 中断向量表的地址是从 0000:0000 到 0000:03ff，换算成十进制一共是 1024 个字节，即内存中最前面的 1k 个字节
• 中断向量表当中的每一个 item 都是 4 字节：用两个字节描述 CS，另外两个字节描述 IP。合起来的 CS:IP 就是 ISR 的地址。因此，中断向量表最多存储 256 个中断。IP 是低位，CS 是高位。

8086 中断向量表的节选如下：

CPU 处理中断的详细流程

1. 硬件如果想触发一个中断，就把 IRQx 弄成 low
2. 然后 8259A 通过 INTR 线，把信号传给 CPU
3. CPU 作出响应（INTA，interrupt acknowledge 信号）
4. 8259A 看到 INTA 信号之后，把中断的编号（0~255）放到数据总线上
5. CPU 读取中断的编号信息
6. CPU 把当前的 CS:IP、SP、Flag 寄存器等内容保存到栈里
7. CPU 根据编号，计算出 ISR 在中断向量表里的位置，更新 CS:IP 为 ISR 的。计算方法是：中断编号乘以四。
8. 然后 ISR 就开始执行了，遇到 IRET 则结束 ISR，把之前保存到栈的东西恢复
9. 回到刚刚执行的地方继续执行

IRQ 编号较小的通常具有更高优先级。因此可以产生如图所示的嵌套中断：

杂项

中断 flag

就是 flag 寄存器当中的一个位，表示是否响应中断。

若 IF=1，则表示处理器响应中断；若 IF=0，表示处理器屏蔽中断。

然而对于 NMI（不可屏蔽中断），不管 IF 取值如何，处理器都会相应。

STI 和 CLI 命令可以用于设置这个 flag 的值。

中断屏蔽（mask）

在 21h 和 a1h 的两个字节的 16 个 bit，可以分别表示，是否启用 0~15 共计 16 个中断。取值 1 表示禁用该中断，取值 0 表示不禁用。

; 屏蔽掉 0 号、3 号、7 号共计三个中断
mov al, 10001001b
mov dx, 021h
out dx, al

ISR 的最后

ISR 结束之前，必须要有以下几行代码，告知控制器，哦，这个 ISR 要结束了！

; end_of_ISR:
    mov al, 020h
    mov dx, 020h
    out dx, al

自定义 ISR

像 IRQ0（int 08h），每隔 50ms 左右就会自动执行一次。如果我把 IRQ0 的 ISR 地址改成我自己的一个 ISR 的地址，那么就相当于，每隔 50ms 左右，我自己的那个玩意儿自动执行一次。

TSR

TSR（Terminate and Stay Resident programs），说白了就是在后台运行的东西。比如 Lab5 第三题那玩意儿。

TSR 可以用于创建屏幕单词拼写检查器之类的东西。

但是，如果后台有一个 TSR 在运行，那么可能你进行一些其他的操作（尤其是 critical 的操作）的时候，可能就会出现一些奇奇怪怪的意想不到的问题。解决办法就是重启电脑，这样 TSR 就被自动关闭了。

Win95 采用了一个叫做事件管理器的东西来通知相应的程序。这比 8086 的 TSR 靠谱多了。