前言
中断是CPU中用于处理其内外突发情况的一种机制。CPU执行完当前的指令后,检测到CPU内部或外部传送的一种特殊信息(称“中断信息”),立刻处理这些信息,处理方式即立刻跳转到中断的对应处理程序,执行完这段程序后再返回。中断机制常在CPU及操作系统提供磁盘操作、键盘输入、屏幕输出等处理程序时使用,可以视为早期16位操作系统的一种“API”,本质是一种具有特殊触发条件的函数。下面我们将详细学习几种种情况引起的中断,以及编写程序时如何利用中断机制。
中断的过程
当8086CPU收到中断信息后,处理过程如下:
(1)取得中断类型码
(2)pushf
(3)修改TF、IF值为0
(4)CS、IP入栈
(5)进入中断程序(通过修改CS、IP的值)
(6)恢复CS、IP、标志寄存器的值(从而返回程序)
需要注意的是,如果进入中断的前一条指令修改了ss寄存器的值,那么即使触发了中断条件,也不会进入中断程序。因为ss:sp是一个整体,若ss:sp值不对应则会引起中断之后的错误,所以CPU提供了这一特性。
中断向量表
8086CPU支持256个中断,为此,规定内存0000:0000~0000:03FF的1024个单元存放0~255号中断的入口,从而建立中断类型码(即中断的编号)与中断程序之间的一一映射关系。其中,每两个字存放一个中断处理程序的地址,高位存放中断处理程序的偏移地址,低位存放其段地址。由此,不难理解,当CPU获得中断类型码N后,即通过设置CS:IP的值为(N4):(N4+2)跳转到中断处理程序,中断结束后再返回原来的位置。
内中断
内中断的中断信息由CPU内部产生。对8086CPU,当发生如下四种情况时,会引起内中断:
(1)除法错误(执行div等除法指令时,除数为0)
(2)单步执行(使用debug的时候)
(3)执行into指令
(4)执行int指令
下面将分别介绍说明~
除法错误中断
除法错误中断为0号中断,用于处理div等除法指令除数为零的错误。让我们执行下面的程序:
mov ah,0
mov bh,1
div bh
可以看到,屏幕上输出了“Divide overflow!”,但我们并没有写输出字符串的程序。原因是:这里出现了除数为0的错误,从而引发0号中断,0号中断处理程序的功能即输出字符串“Divide overflow”。
单步中断
单步中断为1号中断,用于提供Debug的单步执行功能。在使用Debug调试时,我们经常需要逐条调试代码(即使用T命令),单步中断就是提供这一功能的中断。其触发条件为TF值为1。这样我们就很容易理解为什么进入中断之前要设置TF值为0了:如果进入中断前TF值为1,那么执行中断处理程序的第一条指令后,CPU检测到TF值为1,触发单步中断,进入其中断处理程序;执行完中断处理程序之后,又检测到TF值为1,又重新执行1号中断的第一条指令;陷入死循环。
into指令引发内中断
into指令检测上一条计算指令是否发生了溢出,若是,则进入4号中断。我们可以通过修改4号中断对应的程序,实现需要的功能(后面会详细介绍)。into指令的格式:
into
int指令引发内中断
int指令的功能是引发中断过程,我们前面所说的中断承载的“API”功能即主要通过int指令实现。其使用格式:
int 中断类型码
操作系统把“API”以中断形式写到内存里,应用程序通过int指令即可方便地调用。同时,int指令也可以用于不同程序间的数据互通,这对于早期的单任务操作系统尤为重要。我们之前写程序最后总有一句:
int 21h
中断类型码21H对应的中断功能即为:返回操作系统。这为应用程序提供了快速返回操作系统的方式。
接下来我们学习如何自己利用中断机制~
自己编写中断程序
我们来实现一个40h中断,包括如下功能:
(0)清理屏幕
(1)显示日期
(2)显示时间
按照汇编的惯例,一个中断里常有多个功能,在调用其中一个子功能时,一般用ah寄存器传递功能号。我们之前的程序中:
mov ax,4c00h
就是传递21h中断的参数。接下来考虑我们这个中断处理程序的实现有哪些步骤。很显然,我们需要如下的步骤:
(1)用到的寄存器入栈保存
(2)中断处理程序
(3)寄存器出栈
(4)返回
中断返回一般用iret指令,其功能相当于:
pop IP
pop CS
popf
中断程序也占用空间。我们这里只是进行练习,所以只要别让代码影响到操作系统即可。所以我们直接扔到闲置的中断向量表区,即0000:0200~0000:03FF区域。
下面开始编写~
assume cs:codesg
;安装程序
codesg segment
setup:
mov ax,cs
mov ds,ax
mov si,offset code
mov ax,0
mov es,ax
mov di,200h
mov cx,offset codeend-offset code
cld
rep movsb
mov ax,0
mov ds,ax
mov word ptr [4*40h],200h
mov word ptr [4*40h+2],0
mov ax,4c00h
int 21h
;中断处理程序
code:
cmp ah,2
jae codeback
mov bx,ax
shl bx
jmp word ptr codetable[bx]
run0:
push cx
mov cx,4000
push ax
push ds
mov ax,0b800h
mov ds,ax
rep mov byte ptr [cx],0
pop ds
pop ax
pop cx
run1:
push cx
mov cx,3
push ax
push bx
push dx
mov ax,cs
mov ds,ax
mov ax,0b800h
mov es,ax
mov bx,14
run1_loop:
mov al,codedata1[cx]
out al,70h
in 71h,al
mov ah,al
shr ah,4
and al,00001111b
add al,30h
add ah,30h
mov byte ptr es:[bx],al
sub bx,2
mov byte ptr es:[bx],ah
sub bx,4
loop run1_loop
mov byte ptr es:[4],'/'
mov byte ptr es:[10],'/'
pop dx
pop bx
pop ax
pop cx
iret
run2:
push cx
mov cx,3
push ax
push bx
push dx
mov ax,cs
mov ds,ax
mov ax,0b800h
mov es,ax
mov bx,14
run2_loop:
mov al,codedata2[cx]
out al,70h
in 71h,al
mov ah,al
shr ah,4
and al,00001111b
add al,30h
add ah,30h
mov byte ptr es:[bx],al
sub bx,2
mov byte ptr es:[bx],ah
sub bx,4
loop run2_loop
mov byte ptr es:[4],':'
mov byte ptr es:[10],':'
pop dx
pop bx
pop ax
pop cx
iret
codeback:iret
codetable dw run0,run1,run2
codedata1 db 9,8,7
codedata2 db 4,2,0
codeend:nop
codesg ends
end setup
执行过上述程序之后,40h号中断即安装进了系统,我们执行下面的指令即可调用:
mov ah,1;这里以1号功能为例,会显示日期
int 40h
外中断
外中断是用于外部硬件引发的中断,通常用来处理硬件相关的信息。外部设备全部通过端口接入PC机,而外中断就是在某些端口的信息送达CPU时引发的中断。下面我们来了解外中断。
首先,外接设备多种多样,而主板本身并没有这么多的端口来接入各种外部设备。况且对于外中断,在一般情况下都应该立刻作出反应。因此,我们需要一个中介,连接主板与外部设备,并向CPU发送外接设备的中断类型码。这个设备就是中断控制芯片。我们以8259A中断控制芯片为例(因为它是8086机上最常见的)。8259A上有8个端口,以接入8种不同的设备。当外部中断(如键盘输入)发生时,它通过预先设定好的外部中断-中断类型码映射关系,找到键盘中断对应的信息,并传递给CPU。然后,CPU执行中断处理程序。
BIOS中的9号中断有基本的键盘处理程序,以进行基本的输入输出处理,包括:
(1)读入扫描码
(2)如果该扫描码代表字符键,刚将该扫描码与对应的ASCLL码送入BIOS键盘缓冲区(该缓冲区由16h号中断管理);如扫描码代表控制键或切换键,则将其转变为状态字节,写入内存的0040:0017单元。
(3)完成对硬件系统的应答
其中最后一步是普遍适用于所有外中断的。它向8259A发送中断处理完毕的信息,从而继续工作。其实现如下:
mov al,0x20
out 0x20,al
out 0xa0,al
iret
这段代码向8259A发送EOI信息,以使其继续工作。
之后的内容我们会进一步学习各种硬件中断的具体实现,这里只作基本了解~