王 超， 符曉玲， 李 斌

（昌吉學(xué)院物理系，新疆昌吉831100）

0 引 言

中斷技術(shù)是微機(jī)原理課程中非常重要內(nèi)容，其應(yīng)用可大大提高CPU的效率，Intel 80X86 系列微機(jī)有一個靈活的中斷系統(tǒng)，可以處理256 種中斷源，每個中斷源又對應(yīng)一定的中斷類型號供CPU識別［1-3］。中斷分為外部中斷和內(nèi)部中斷兩種，外部中斷主要由外部設(shè)備的請求引起，具有隨機(jī)性，內(nèi)部中斷有指令執(zhí)行引起，無隨機(jī)性。由于外部中斷執(zhí)行的隨機(jī)性，造成中斷執(zhí)行過程的突發(fā)事件比較多，比如：無法進(jìn)入中斷、中斷返回“跑飛”、中斷嵌套無法完成等。本文利用Proteus設(shè)計了80X86 中斷電路，并進(jìn)行了詳細(xì)的測試分析，可將抽象的中斷過程直觀化地展現(xiàn)了出來。

1 80X86 中斷電路的設(shè)計

80X86 中斷電路由8086CPU、數(shù)據(jù)/地址復(fù)用電路、片選電路、可屏蔽中斷請求（Interrupt Request，INTR）按鍵請求及顯示電路和非屏蔽中斷請求（Non Maskable Interrupt，NMI）按鍵請求及顯示電路組成［4-6］，主要完成INTR、NMI 的中斷請求及處理，以及它們之間中斷嵌套功能的實(shí)現(xiàn)，如圖1 所示。

圖1 80X86中斷電路設(shè)計圖

數(shù)據(jù)/地址復(fù)用電路由3 片74LS273 鎖存器組成，數(shù)據(jù)線用AD［0…15］表示，地址線用A［0…19］表示，用來在不同時刻分時使用總線；片選電路由4078 或非門和74LS138 譯碼器組成，可根據(jù)需要配置任意地址范圍的片選信號；INTR 按鍵請求及顯示電路由8259控制器、74LS373 驅(qū)動器等組成，用來對按鍵S1通斷的輸入信號進(jìn)行識別并以0 ～9 遞增的順序在數(shù)碼管上顯示；NMI按鍵請求及顯示電路由8255 可編程并行接口芯片、模擬中斷請求按鍵等組成，用來對按鍵S2-S4的輸入信號進(jìn)行識別并顯示在數(shù)碼管上，通過8255可擴(kuò)展了多個I/O口，根據(jù)需要外接多種I/O設(shè)備。

2 程序設(shè)計

根據(jù)圖1 要實(shí)現(xiàn)的功能，完成主程序和中斷服務(wù)程序的編寫。主程序完成初始化8255、8259 等任務(wù)，之后循環(huán)等待外部中斷的發(fā)生，當(dāng)有可屏蔽中斷請求時，執(zhí)行加1 操作，當(dāng)有非屏蔽中斷請求時顯示對應(yīng)的按鍵值，中斷服務(wù)結(jié)束后返回主程序（見圖2）。

圖2 軟件流程圖

3 中斷電路的調(diào)試

Proteus的虛擬仿真模式（Virtual Simulation Mode，VSM）包括交互式的動態(tài)仿真和基于仿真圖表的靜態(tài)仿真兩種，交互式動態(tài)仿真可在線實(shí)時觀察電路的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果在運(yùn)行結(jié)束后立即消失，基于圖表的仿真結(jié)果可隨時刷新，以圖表的形式駐留在圖中，可供線下進(jìn)行分析。為了精確分析中斷的執(zhí)行過程，采用仿真圖表方式來觀察，在原理圖中分別添加CLK、M/和READY 等探針，并在仿真圖表中添加相應(yīng)的量。

3.1 非屏蔽中斷

非屏蔽中斷由CPU 的NMI 引腳出現(xiàn)上升沿觸發(fā)時向CPU提出中斷請求，不受IF的影響，也不能由軟件加以屏蔽［7-8］，要想通過仿真圖表觀察NMI 請求的過程，是不能和電路進(jìn)行交互操作的，因此可以考慮在按鍵處加入一個等效的信號，使用虛擬仿真工具中的激勵源來完成，如圖3 所示。

圖3 單脈沖激勵源

圖3 中，添加了一個單脈沖激勵源，在60 ms時刻添加一寬度為50 μs 的脈沖，脈沖屬性為高、低、高的脈沖，用來模擬按鍵的通斷情況，并在上升沿觸發(fā)NMI的中斷請求。8086CPU 在當(dāng)前指令執(zhí)行完成后，立即無條件給予響應(yīng)，中斷類型號為2，CPU 響應(yīng)后，在ALE的下降沿把出現(xiàn)在AD［0…15］上的地址信號0284H（8255 C口地址）進(jìn)行鎖存，在下一個T狀態(tài)有效時讀取總線AD［0…7］上的數(shù)據(jù)0FEH，如圖4所示。

圖4 NMI中斷響應(yīng)讀時序

在經(jīng)過若干個空閑周期Ti后，將要進(jìn)行總線寫周期，在T1 狀態(tài)ALE 下降沿有效時，將出現(xiàn)在總線AD［0…15］上的數(shù)據(jù)0280H進(jìn)行鎖存，下一個T狀態(tài)，在有效時將計算得到的按鍵顯示碼0F9H 通過總線AD［0…7］寫入到8255 的A口，立即顯示對應(yīng)按鍵代碼為“1”，如圖5 所示。

圖5 NMI中斷響應(yīng)寫時序

3.2 可屏蔽中斷

（1）CPU 訪問外設(shè)讀時序圖?？善帘沃袛嗾埱笮盘柾ㄟ^INTR引腳送給CPU，在中斷允許標(biāo)志IF ＝1時，CPU在結(jié)束當(dāng)前指令周期后響應(yīng)中斷請求［9-11］，中斷過程如圖6 所示，在T1 狀為低電平，表示CPU訪問的是外設(shè)8259A，多路復(fù)用總線上發(fā)出地址信息，A［16…19］不用，保持為低電平，AD［0-15］＝02A2H，指示出要尋址的外設(shè)端口的地址，在ALE 信號的下降沿74LS273 鎖存器對地址進(jìn)行鎖存；在T2 狀態(tài)，A［16…19］＝0010B，代表CPU 的狀態(tài)信號線，分別表示8086CPU與總線相連、IF ＝0（中斷禁止）和正在使用的為CS段寄存器，AD［0 ～15］前期浮空，后期有有效，0060H 出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，該值為8259A的初始化字ICW2 ＝0110 0000 B，其功能為設(shè)置中斷類型號的高5 位；在T3 狀態(tài)，A［16…19］繼續(xù)提供狀態(tài)信息，AD［0-15］為CPU 寫的數(shù)據(jù)0060H，CPU在T3 狀態(tài)的下降沿采樣READY信號，因該信號為高電平，表示外設(shè)8259A 已經(jīng)做好接收準(zhǔn)備，無需插入TW等待周期，直接進(jìn)入T4 狀態(tài)，在T4 狀態(tài)和T3狀態(tài)交界處，完成數(shù)據(jù)的寫入操作，總線周期結(jié)束，當(dāng)CPU不執(zhí)行總線周期時，系統(tǒng)總線就處于空閑狀態(tài)，執(zhí)行空閑周期Ti，在這期間，A［16…19］仍然驅(qū)動上一個總線周期的狀態(tài)信息，其值為0010B，AD［0…15］處于高阻狀態(tài)。

圖6 CPU訪問外設(shè)讀時序圖

（2）CPU 響應(yīng)可屏蔽中斷時序圖。當(dāng)發(fā)出中斷請求后，8086CPU在現(xiàn)行指令執(zhí)行完成之后將進(jìn)行響應(yīng)，如圖7 所示，中斷響應(yīng)周期有2 個，每個響應(yīng)周期由4 個T狀態(tài)組成，在兩有效之間，插入了3個空閑周期Ti，以等待外設(shè)提供中斷類型號，每個中斷響應(yīng)周期CPU都會引腳發(fā)出1 個負(fù)脈沖，在第1 個響應(yīng)周期AD［0…7］一直處于浮空狀態(tài)，在T1狀態(tài)，ALE下降沿輸出地址鎖存信號，A［16…19］為低電平，在T2-T3 狀態(tài)，A［16…19］＝0110B，其含義為IF ＝1 表示允許中斷、CPU正在訪問CS段寄存器。在第2 個響應(yīng)周期，T1 狀態(tài)，ALE下降沿再次有效1 次，外設(shè)8259A在收后，立即將中斷類型號63H送往數(shù)據(jù)總線的低8 bit AD［0…7］上，中斷請求信號INT一直維持到結(jié)束后終止。

圖7 可屏蔽中斷響應(yīng)時序圖

（3）設(shè)置硬件斷點(diǎn)和調(diào)試彈出窗口。為了提高調(diào)試效率，以便當(dāng)硬件條件發(fā)生時單步執(zhí)行觀察代碼下一步的執(zhí)行情況，可以設(shè)置硬件斷點(diǎn)來完成，例如：想觀察非屏蔽中斷時入口地址是否正確，可以將中斷請求信號INT作為硬件斷點(diǎn)設(shè)置點(diǎn)，從模式選擇器中選擇電壓探針，單擊后放置到INT 引腳上，雙擊選擇屬性，如圖8 所示，在實(shí)時斷點(diǎn)類型選擇“數(shù)字的”，即INT引腳低電平觸發(fā)，輸入“0”作為觸發(fā)值，裝備時間選擇“1”，當(dāng)INT引腳由高電平“1”變化到低電平“0”時進(jìn)行捕獲，觀察中斷向量表中的內(nèi)容。

圖8 硬件斷點(diǎn)設(shè)置圖

為方便觀察原理圖中某一小部分的變化情況，又不希望經(jīng)常在原理圖和VSM Studio 中來回切換，需要對調(diào)試彈出窗口進(jìn)行設(shè)置，例如：想觀察當(dāng)S1按鍵按下時可屏蔽中斷運(yùn)行結(jié)果顯示情況，可切換到ISIS 選項卡，選擇“調(diào)試彈出模式”，在原理圖中框選需要在VSM Studio 頁面中顯示的部分，這里框選了可屏蔽中斷顯示器、按鍵S1即可。按下仿真運(yùn)行按鈕，切換到VSM Studio選項卡，在IDE 的右邊顯示了剛才選擇的部分原理圖，如圖9 所示。

圖9 中，按下S1按鈕，在硬件斷點(diǎn)INT控制下，程序立即暫停至可屏蔽中斷int3 PROC NEAR 處，單擊調(diào)試/8086/Memory Dump，即可打開存儲器窗口［12-16］，通過圖7 可知，8259A 的IR3 可屏蔽中斷類型號為63H，乘以4 可以求得中斷向量表的地址為18CH，通過存儲器窗口可以觀察到在18CH 地址內(nèi)的內(nèi)容為5A 00 02 00，即IP ＝005AH，CS ＝0002H，與代碼段中可屏蔽中斷服務(wù)程序int3 的入口地址一致。

圖9 可屏蔽中斷運(yùn)行圖

3.3 中斷嵌套過程

依據(jù)x86 所規(guī)定的NMI 中斷請求的優(yōu)先級高于INTR中斷請求，為用仿真圖表觀察中斷的嵌套過程，在S1按鍵處放置一個連續(xù)時鐘激勵源，類型為高、低、高，周期為500 μs，即：每隔500 μs 向8259 發(fā)出中斷請求，在數(shù)碼管上循環(huán)遞增顯示0 ～9，用來指示進(jìn)、出INTR中斷的過程。INTR中斷運(yùn)行期間，在按鍵S2置一單脈沖激勵源信號，脈沖屬性為高、低、高，脈沖寬度為20 μs，開始時刻加在1 ms處，用來模擬NMI請求，通過仿真圖表，觀察中斷嵌套過程，如圖10 所示。

圖10 中斷嵌套處理過程

將圖10 中斷嵌套時序分成4 部分，詳細(xì)分析如下所示：

（1）此波形對應(yīng)的是8086 對8255、8259 等初始化操作過程。如圖11，圖中數(shù)據(jù)與程序中初始化數(shù)據(jù)一致。

圖11 初始化操作時序圖

（2）當(dāng)激勵源8259 有正跳變時，產(chǎn)生INTR 中斷請求。體現(xiàn)在ALE兩次有效有效，通過放大/縮小等工具發(fā)現(xiàn)該處中斷類型號為63H，如圖12。可屏蔽中斷電路數(shù)碼管接收到的字型碼為“F9”轉(zhuǎn)化為顯示字符“1”。

圖12 INTR中斷請求

（3）對應(yīng)的是在INTR 請求時，激勵源8255 有負(fù)跳變，產(chǎn)生NMI中斷請求。因NMI的中斷優(yōu)先級高于INTR信號，所以暫停INTR 過程轉(zhuǎn)去執(zhí)行NMI 中斷，體現(xiàn)在INTR中斷請求延長，ALE 兩次有效，NMI數(shù)碼管顯示“1”。NMI 執(zhí)行結(jié)束后，繼續(xù)響應(yīng)INTR 中斷，有效，ALE兩次有效，此處中斷類型碼仍是63H，可屏蔽中斷電路數(shù)碼管顯示為數(shù)字“2”，如圖13所示。

圖13 中斷嵌套

（4）對應(yīng)的是INTR中斷請求及響應(yīng)過程，與第2部分過程類似，INTR 數(shù)碼管顯示“2”，運(yùn)行過程如圖14 所示。

圖14 運(yùn)行過程圖

在仿真運(yùn)行時，也可以通過示波器觀察到中斷嵌套情況，如圖15 所示，當(dāng)不可屏蔽中斷與可屏蔽中斷同時發(fā)生時，首先執(zhí)行不可屏蔽中斷，當(dāng)其執(zhí)行完成后，執(zhí)行可屏蔽中斷請求。

圖15 示波器觀察中斷嵌套時序圖

4 結(jié) 語

使用Proteus軟件的多種功能對X86 系列微機(jī)的中斷電路進(jìn)行了設(shè)計、和仿真、分析，用Proteus仿真工具中的激勵源，實(shí)現(xiàn)了交互式動態(tài)仿真向基于圖表的靜態(tài)仿真的轉(zhuǎn)換，有利于對中斷突發(fā)事件過程的精確分析，有助于快速發(fā)現(xiàn)存在的問題，提高解決問題的能力。