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第7章 中斷系統
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CPU與I/O溝通方式 程式I/O (Programmed I/O) 中斷I/O (Interrupt I/O)
直接記憶體存取 (Direct Memory Access, DMA)
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程式I/O (Programmed I/O)
當CPU 與 I/O要連繫時， CPU詢問或測試週邊裝置是否備妥(ready)，若尚未則CPU等待(wait)一段時間後，再向週邊裝置測試是否備妥；若備妥，則CPU執行所要I/O動作，完畢後再繼續原工作。 優點：完全軟體方式進行，程式簡單易寫 ，不需額外硬體，成本低。 缺點：無效率，浪費CPU時間。
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中斷定義 中斷是指電腦在執行某一程式的過程中，由於電腦系統內、外的某種原因，而必須終止原程式的執行，轉去執行相應的處理程式，待處理結束之後，再回來繼續執行被終止的原程式過程。
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中斷I/O (Interrupt I/O) CPU 執行原工作，若週邊裝置有需求，則發出中斷信號通知CPU ，待CPU知道後，暫停目前工作(依中斷信號種類，CPU可以不理會，請看下節說明)，對週邊發出中斷認可(INTA)，並依中斷來源種類，跳至中斷服務常式(Interrupt Service Routine，ISR)執行I/O動作，完畢後，CPU再繼續原工作。 優點：1.有效率，CPU執行原工作，只有週邊有需求時，才對週邊服務。 2.能做即時控制。 缺點：1.需額外電路來處理多週邊同時需求。 程式複雜度與成本較高。
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中斷處理流程 Step1: CPU 執行原工作 Step2:若週邊裝置(I/O)有需求，則對CPU 發出中斷信號
Step3:待CPU知道後，暫停目前工作，對週 邊發出中斷認可信號(INTA) Step4: CPU將目前PC值壓入stack，依中 斷來源種類，跳至適當中斷服務常式 (Interrupt Service Routine， ISR ) Step5: CPU執行I/O動作 Step6:完畢後，從stack取出舊的PC值，繼續原來 工作。
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中斷處理流程示意圖
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直接記憶體存取(Direct Memory Access，DMA)
第一與第二種方式，須藉助CPU介入彼此間連繫。所謂DMA，即允許週邊與記憶體兩者直接傳送，不必CPU介入，完全交給DMA控制器處理。 優點：資料傳送速度快，一般用在大量資料 傳送，如磁碟機與記憶體或記憶體與 記憶體之間。 缺點：1.需額外電路、成本高。 程式規劃複雜。
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中斷種類(依來源分) 外部中斷(external interrupt) 內部中斷(internal interrupt)
由外界電路所產生中斷，例如鍵盤、計時器等。 內部中斷(internal interrupt) 有時也稱程式中斷(program interrupt)，又稱陷(trap)。當程式中的指令或資料不合法或錯誤等產生，例如除以零、堆疊溢位、保護入等。 軟體中斷(software interrupt) 本中斷來自執行程式中的一種特殊呼叫指令，例如當程式要求系統OS做某些工作，執行某些監督者呼叫(supervisor call)。如同在個人電腦上呼叫BIOS(基本輸入輸出系統)或DOS。
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中斷與副程式呼叫之不同 來源不同 發生時間不同 處理事項不同 服務位址不同
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中斷種類(依CPU是否需處理分) 不可遮罩中斷(NonMaskable Interrupt，NMI)
可遮罩中斷(Maskable Interrupt Request，INT，IRQ) 可以藉助軟體(例如8088之CLI，STI指令)，控制 CPU是否要處理中斷信號。 註：在CPU內有一旗號暫存器，其中有一中斷旗號(Interrupt FLAG ，IF)，若IF=1，則當INT 中斷信號觸發，ＣＰＵ才會處理。CLI指令即清除IF=0，STI指令即設定IF=1。
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中斷服務常式(ISR)位址決定 非向量式中斷(non vectored interrupt)
ISR寫在固定位址，例如Z-80 CPU，模式1(IM1)中斷，固定跳至0038H位址執行。8048之外界中斷，固定跳至0003H位址執行。Z-80 CPU之NMI中斷，跳至0066 H。例如8051 CPU，INT0中斷跳至0003H位址 向量式中斷(vectored interrupt) ISR可寫在任意位址，在中斷過程中，不僅送中斷信號給CPU，並將一組辨識碼(identifier)或中斷向量傳給CPU，而CPU則藉此找到適當的中斷服務程式(ISR)。
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微處理機對I/O介面定址方式 隔離式I/O(isolated I/O)又稱I/O對映I/O(I/O mapped I/O)。即I/O空間(I/O space)與記憶體空間(memory space)互相獨立。 優點： 1.I/O不佔用memory空間，memory真正可用空間較大。 2.有專屬輸出入指令，如IN，OUT指令，程式容易區別I/O動作。 3.一般I/O空間較小，所以I/O解碼定址較簡單，快速。 缺點： 1.一般CPU中必須有一支接腳，以資區別是要存取I/O，或 memory(在8088中即IO/M接腳)。 2.程式較無效率，在I/O埠上只能做簡單IN，OUT動作，不能 處理，必須將資料讀入後，再做處理(例如，測試某一位元， 與某暫存器相加)，再將結果OUT到I/O上。 記憶體對映I/O(memory mapped I/O)即I/O佔用memory space一部份，利用記憶體來對映I/O埠位址。 1.I/O位址即一記憶體位址，凡是在記憶體上可做的運算， 在I/O上也可以，所以所寫程式較有效率。 2.不必M/IO區別接腳。 1.無IN，OUT指令，程式中不易區別何者在執行I/O動作。 2.解碼較慢 3.全部可用的記憶空間減少。
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SPCE061A中斷類型 軟體中斷 ：軟體中斷是由軟體指令break產生的中斷。軟體中斷的向量位址為FFF5H
異常中斷 ：異常中斷表示為非常重要的事件，一旦發生，CPU必須立即進行處理。目前SPCE061A定義的異常中斷只有‘重置Reset’一種。通常，SPCE061A系統重置可以由以下三種情況引起：上電、看門狗計數器溢位以及系統電源低於電壓低限。不論什麼情況引起重置，都會使重置腳的電位變低，進而使程式指標PC指向由一個重置向量（FFF7H）所指的系統重置程式入口位址。 事件中斷：事件中斷（可簡稱“中斷”，以下提到的“中斷”均為事件中斷）一般產生於片內部元件或由外部中斷輸入腳引入的某個事件。這種中斷的開通/禁止，由相應獨立使能和相應的IRQ或FIQ總致能控制。
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事件中斷 SPCE061A的事件中斷可採用兩種方式：快速中斷請求即FIQ中斷和中斷請求即IRQ中斷。這兩種中斷都有對應的致能控制。
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SPCE061中斷來源 中斷系統有14個中斷源分為 兩個計時器溢出中斷、 兩個外部中斷、 一個串列口中斷、 一個觸鍵喚醒中斷、
7個時基信號中斷、 一個PWM輸出中斷。
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中斷控制指令 FIQ ON FIQ OFF IRQ ON（IRQ的總中斷允許開） IRQ OFF INT
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中斷源表 中斷源 中斷優先順序 中斷向量 保留字 Fosc/1024 溢出信號 PWM INT FIQ/IRQ0 FFF6H/ FFF8H
TimerA 溢出信號 FIQ /IRQ1 FFF6H/ FFF9H _FIQ/_IRQ1 TimerB 溢出信號 FIQ /IRQ2 FFF6H/ FFFAH _FIQ/_IRQ2 外部時脈源輸入 信號 EXT2 IRQ3 FFFBH _IRQ3 信號 EXT1 觸鍵喚醒信號 4096Hz 時基信號 IRQ4 FFFCH _IRQ4 2048Hz 時基信號 1024Hz 時基信號 4Hz 時基信號 IRQ5 FFFDH _IRQ5 2Hz 時基信號 選頻信號 TMB1 IRQ6 FFFEH _IRQ6 選頻信號 TMB2 UART 傳輸中斷 IRQ7 FFFFH _IRQ7 BREAK 軟體中斷
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中斷優先順序和中斷向量 中斷向量 中斷優先順序別 FFF7H(重置向量) RESET FFF6H FIQ FFF8H IRQ0 FFF9H
FFFAH IRQ2 FFFBH IRQ3 FFFCH IRQ4 FFFDH IRQ5 FFFEH IRQ6 FFFFH IRQ7
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相關SFR P_INT_Ctrl暫存器 P_INT_Clear暫存器
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P_INT_Ctrl暫存器 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 IRQ3_KEY IRQ4_4KHz IRQ4_2KHz
IRQ5_4Hz IRQ5_2Hz IRQ6_TMB1 IRQ6_TMB2 b15 b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 FIQ_Fosc/ 1024 IRQ0_Fosc/ FIQ_TMA IRQ1_TMA FIQ_TMB IRQ2_TMB IRQ3_EXT2 IRQ3_EXT1
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P_INT_Clear暫存器 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 IRQ3_KEY IRQ4_4KHz IRQ4_2KHz
IRQ5_4Hz IRQ5_2Hz IRQ6_TMB1 IRQ6_TMB2 b15 b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 FIQ_Fosc/ 1024 IRQ0_Fosc/ FIQ_TMA IRQ1_TMA FIQ_TMB IRQ2_TMB IRQ3_EXT2 IRQ3_EXT1
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中斷服務副程式流程(ISR寫法)
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中斷控制的內建常數 C_IRQ6_TMB2 Timer B IRQ6 (b0) C_IRQ6_TMB1 Timer A IRQ6 (b1)
C_IRQ5_2Hz IRQ5 2 Hz (b2) C_IRQ5_4Hz IRQ5 4 Hz (b3) C_IRQ4_1KHz 1024Hz IRQ4 (b4) C_IRQ4_2KHz 2048Hz IRQ4 (b5) C_IRQ4_4KHz 4096Hz IRQ4 (b6) C_IRQ3_KEY Key Change IRQ3 (b7) C_IRQ3_EXT1 Ext1 IRQ3 (b8) C_IRQ3_EXT2 Ext2 IRQ3 (b9) C_IRQ2_TMB Timer B IRQ2 (b10) C_FIQ_TMB Timer B FIQ (b11) C_IRQ1_TMA Timer A IRQ1 (b12) C_FIQ_TMA Timer A FIQ (b13) C_IRQ0_PWM PWM IRQ0 (b14) C_FIQ_PWM PWM FIQ (b15)
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規劃允許2Hz時基中斷 asm("INT OFF"); // 關閉所有中斷 *P_INT_Ctrl = C_IRQ5_2Hz;
asm("INT IRQ"); //允許所有IRQ中斷
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規劃允許外部中斷1 asm("INT OFF"); // 關閉所有中斷
Init_B_Port(); //規劃B Port bit 2為具上拉電阻的輸入 *P_INT_Ctrl = C_IRQ3_EXT1; //允許 EXT1 中斷 asm("INT IRQ"); //允許所有IRQ中斷
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規劃允許外部中斷1與2 asm("INT OFF"); // 關閉所有中斷 //允許 EXT1及EXT2 中斷
*P_INT_Ctrl = C_IRQ3_EXT1 | C_IRQ3_EXT2; //允許 EXT1及EXT2 中斷 asm("INT IRQ"); //允許所有IRQ中斷
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規劃計時器A定時2秒中斷 asm("INT OFF"); // 關閉所有中斷
*P_TimerA_Ctrl = C_SourceA_8192Hz+C_SourceB_1; //TimerA:8192Hz *P_TimerA_Data = 0xffff -0x4000 ; //2sec時間常數 *P_INT_Ctrl=C_IRQ1_TMA; //允許TimerA_IRQ1中斷 __asm("INT IRQ"); //允許所有IRQ中斷
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中斷副程式 void IRQ5(void) __attribute__ ((ISR)); void IRQ5(void) {
if ( *P_INT_Ctrl & 0x0004 ) { //IRQ5_2Hz *P_IOA_Data = data; data ^= 0xffff; *P_INT_Clear = 0x0004; // 清除中斷旗號 } else { //IRQ5_4Hz *P_INT_Clear=0x0008; // 清除中斷旗號
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範例 7-1 2Hz時基中斷 7-2 外部1中斷 7-3 外部1及外部2中斷 7-4 外部1及外部2中斷與上下數 7-5 觸鍵喚醒中斷
7-6 TimerA—IRQ1中斷 7-7 多來源—相同進入點 7-8 多來源—不同進入點
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