7．3．1 中断的概念
1．中断的定义和功能
中断是计算机系统中一个非常重要的概念。中断技术在微机系统中的应用，不仅可以实现CPU 与I/O 设备并行工作，而且可以及时处理系统内部和外部的随机事件，使系统能够更加有效地发挥作用。Intel 80x86系列微机的中断系统包括：CPU 中断管理机制、中断控制器8259A 和中断处理程序，它最多可以管理256种类型的中断，能够自动实现中断源识别、中断源优先权判优和中断屏蔽等功能。
所谓中断，是指CPU 在执行程序的过程中，由于某种系统外部或内部事件的发生（如I/O 设备请求向CPU 传送数据或CPU 执行程序出现了异常），CPU 暂停当前正在执行的程序，转去为该事件服务，待为该事件服务结束后，能自动地返回被中断的程序中继续执行的过程。
中断过程可以用图7.7来描述，当CPU 正在执行主程序M 时，某个事件（内部或外部）发生并请求CPU 处理，当CPU 响应中断请求后，保存当前状态，中断正在执行的程序M 而转去为该事件服务，执行中断服务程序S；当中断服务程序S执行结束后，CPU 又自动地返回到原来被中断的主程序M 中继续执行。这里将能实现中断过程的技术，称为中断技术。
图7.7 中断过程
采用查询控制方式时，CPU 必须不断地查询I/O 设备的忙/闲状态，与I/O 设备交换数据时效率很低，为提高CPU 的利用率，人们提出了中断的概念。采用中断技术后，CPU 平时可以执行主程序，只有当I/O 设备将数据准备好了，或者输出缓冲器空了，才向CPU 提出中断请求。CPU 响应中断后暂停当前程序的执行，转去为I/O 设备服务，服务完后又返回断点处，继续执行原来的程序。这样，CPU 就省掉了查询I/O 设备的时间，从而大大提高了CPU 的利用率。
2．中断源和中断分类
在计算机系统中，引起中断的原因或能发出中断请求的外设称为中断源。8086/8088系列微机系统有两种中断源，一种称为硬件中断源或外部中断源，它们从CPU 的不可屏蔽中断引脚NMI和可屏蔽中断引脚INTR 引入；另一种称为软件中断源或内部中断源，是为解决CPU 运行过程中出现的一些意外事件或便于程序调试而设置的。因此，根据不同的中断源，可以把8086/8088系列微机的中断分为硬件中断和软件中断两大类。8086/8088系列微机的中断分类和中断源如图7.8所示。
图7.8 8086/8088系列的中断分类和中断源
（1）硬件中断（外部中断）
从NMI和INTR 引脚引入的中断属于硬件中断（外部中断）。其中，从NMI引脚引入的中断称为非可屏蔽中断。非可屏蔽中断用来应对比较紧急的情况，如断电、存储器或I/O校验错、协处理器异常中断请求等，它不受中断标志IF的影响，CPU 必须马上响应和处理。非可屏蔽中断通常采用边沿脉冲触发，当8086/8088处理器的NMI引脚上接收到由低到高的电平变化时，将自动产生中断类型码为2的非可屏蔽中断。
从8086/8088处理器的INTR 引脚引入的中断请求称为可屏蔽中断。只有当CPU 的标志寄存器FLAGS的中断标志位IF＝1时，才允许响应此引脚引入的中断请求；若IF＝0，即使外部有中断请求，也不能响应中断。在8086/8088系列微机中，这类中断是通过8259A可编程中断控制器的输出引脚INT，连到CPU 的INTR 引脚上去的。中断控制器8259A的输入引脚IR0～IR7可引入8路中断，允许有时钟、键盘、串行通信口COM1和COM2、硬盘、软盘、打印机7个中断源，IR2为用户保留。经中断控制器8259A 判别后，选择中断优先级最高的设备向CPU 提出中断请求。CPU 执行当前指令，当运行到最后一个指令周期时，对INTR 线采样，若发现有中断请求信号，则将内部的中断标志位置1，在下一个总线周期便立即进入中断总线周期。
（2）软件中断（内部中断）
软件中断（内部中断）不需要硬件支持，不受IF标志控制，不执行中断总线周期，除单步中断可通过TF标志位允许或禁止外，其余都是不可屏蔽的中断。软件中断有以下几种：
①除法出错中断。当CPU 在进行除法运算时，若发现除数为0或者所得的商超过了寄存器能容纳的范围，则自动产生一个类型为0的除法出错中断。
②单步中断。如果CPU 当前的中断标志位IF＝1而且单步标志TF＝1，那么每执行完一条指令后，会自动产生类型为1的单步中断。CPU 响应单步中断后，暂停执行下一条指令，转而执行单步中断服务程序，其结果是将CPU 的内部寄存器和有关存储器的内容显示出来，便于跟踪程序的执行，实现动态排错。
8086/8088系列微机中没有直接对标志寄存器的D8位（即TF标志置1或置0）指令，但可以通过堆栈操作指令改变TF的值。
【例7.2】 如果要使TF标志置1，可使用如下汇编语言程序段实现：
用类似的方法将标志寄存器与FEFFH 相与，可以使TF 标志位清0，从而禁止单步中断。
③溢出中断。当有符号数进行算术运算时，如果溢出标志位OF＝1，则可由溢出中断指令INTO 产生中断类型号为4 的溢出中断。如果算术运算后OF＝0，则执行INTO 指令后不会产生溢出中断。因此在有符号数加、减指令后应安排一条INTO 指令，一旦出现溢出就能及时向CPU 提出中断请求，CPU 响应溢出中断后可进行相应的处理。
④软件中断指令INT n。软件中断指令也称为软中断指令，其中n为中断类型号，n的取值范围为0～255。软中断指令可以安排在程序的任何位置上。一般来说，利用INT n指令能以软件方式调用所有256个中断的服务程序，当然其中有些中断实际上是由硬件触发的。除了可以使用INT n指令，当需要的时候调用大量为I/O 设备服务的子程序外，还可以利用这种指令来调试各种中断服务程序。例如，可通过调用INT 2指令执行NMI中断服务程序，从而不必在NMI引脚上添加外部信号，便能对NMI子程序进行调试。
⑤断点中断。在软件中断中，还有一种类型号为3的断点中断，它是一条单字节指令，是为调试程序而专门设置的。若在程序的某个位置设置了断点，每当程序运行到断点时便产生断点中断，这时也可以像单步中断一样，查看各寄存器和有关存储单元的内容。断点可以设置在程序的任何地方并可以设置多个断点，设置的方法是在断点处插入一条INT 3指令。由于断点可以设定在程序的关键位置，断点中断调试的速度往往比单步中断调试的速度要快得多。
3．中断向量表
（1）中断响应和返回
CPU 在响应中断的时候，首先不仅要把CS和IP寄存器的值也即断点送到堆栈保护起来，还要将标志寄存器的值压入堆栈进行保护，以保证在中断服务程序执行完后，能正确恢复CPU 的状态。然后CPU 找到中断服务程序的入口地址，转去执行相应的中断服务程序。中断服务程序执行结束后，CPU 通过执行中断返回指令IRET，从堆栈中恢复中断前CPU 的状态和断点，返回源程序（主程序）继续执行。因此，寻找中断服务程序的入口地址，是中断处理过程中的一个重要环节。
（2）中断向量表
通常，将中断服务程序的入口地址称为中断向量。8086/8088系列微机可处理256种中断，类型号为0～255（0～FFH）。每种中断对应一个入口地址，需要用4个字节存储CS和IP，这样256 种中断的入口地址要占用1K 字节。中断入口地址位于内存00000～003FFH 的区域中，存储了这些地址的连续空间称为中断向量表。
8086/8088 CPU 的中断向量表如图7.9所示。对于每个中断向量，使用两个高字节存放中断服务程序入口地址的段地址（CS），使用两个低字节存放该段地址的偏移量（IP）。因为每个中断向量要占用4个字节的存储单元，所以必须将中断类型号n 乘以4才能找到此类型的中断向量。
从类型0到类型4的5个中断被定义为专用中断，它们分别是：除法出错中断、单步中断、非可屏蔽（NMI）中断、断点中断和溢出中断。专用中断的中断服务程序的入口地址分别存放在00H、04H、08 H、0CH 和10 H 开始的4个连续单元中。例如，对类型号为2的非可屏蔽中断，它的中断服务程序的入口地址存放在00008 H～0000BH 单元中，其中CS存放在0000AH 开始的字单元中，IP存放在00008H 开始的字单元中。在8086/8088系列微机中，8259A 的中断输入端IR0～IR7引入的中断类型号为08FH～0FH，将这些中断类型号乘以4就可知道它们各自对应的中断向量。
下面通过举例来说明中断类型号n与中断向量表的关系。
图7.9 8086/8088 CPU 的中断向量表
【例7.3】 在某台微型机中，如果中断类型号为n＝8（中断向量表的第9个入口地址），那么这个向量的中断服务程序的入口地址为：8×4＝32＝20H。如果类型号为8的入口地址中（00020H）＝0200H、（00022H）＝1000H，那么中断服务程序的入口地址为10200H＝1000H×16＋200H（CS＝1000 H，IP＝0200 H）。CPU 响应中断类型8的中断后，就转到地址10200H 开始的中断类型8的中断服务程序。
8086/8088系列微机开机启动后，会自动转到地址FFFF0 H 去执行启动程序，然后将存放在ROM BIOS数据区中的中断向量，装入RAM 中的指定区域（000～3FFH），在那里形成一个中断向量表。用户可通过程序修改中断向量表，也可根据需要设置新的中断向量，并运行相应的中断服务程序。不过，当微机重新启动（开机）后，中断向量表就又恢复了原来的内容。
4．中断优先级和中断嵌套
（1）中断优先级
8086/8088系列微机中有多个中断源，可能有多个中断源同时向CPU 提出中断请求，这时CPU 必须按各个中断的重要性和实时性等，为它们排列中断响应的次序，这个响应次序称为中断优先级。在8086/8088系列微机中，中断优先级从高到低的次序为
除法出错中断，类型0（软件中断）；
溢出中断，类型4（软件中断）；
INT n，类型n（软件中断）；
NMI，类型2（硬件中断）；
INTR，类型32～255（硬件中断）；
单步中断，类型1（软件中断）。
其中，可屏蔽中断INTR 由8259A 中断控制器引入，由它进一步控制8级可屏蔽中断的优先级。
（2）中断嵌套
8086/8088CPU 响应中断时，会根据中断优先级的高低，先响应优先级高的，后响应优先级低的中断请求。当CPU 正在执行某一个中断服务程序时，如果有优先级更高的中断源提出请求，CPU 会暂时挂起正在处理的中断，先为优先级更高的中断服务，服务结束后再返回到刚才被暂时挂起的较低级的中断，这就是所谓的中断嵌套。中断嵌套仅应用于可屏蔽中断之中。
CPU 进入中断服务程序之后，硬件会自动执行关中断，禁止别的中断进入。只有在中断服务程序中，用开中断指令（STI指令）将中断打开后，才允许高级中断进入，实现中断嵌套。中断服务程序结束前，要用关中断指令（CLI指令）结束该级中断，并用IRET 指令返回到中断前的断点处去继续执行原程序。
例如，如果一个系统中有三个中断源，优先权的安排为：中断1为最高，中断3为最低，其中断处理嵌套如图7.10所示。