开发笔记:第15章外中断

引言

以前我们讨论的都是cpu对指令的执行。我们知道，cpu在计算机系统中，除了能够执行指令，进行运算以外，还应该能够对外部设备进行控制，接受他们的输入，向他们进行输出。

也就是说，cpu除了有运算能力外，还要有I/O能力。

15.1接口芯片和端口

第14章我们讲过，在pc系统的接口卡和主板上，装有各种接口芯片。这些外设接口芯片的内部有若干寄存器，cpu将这些寄存器当作端口来访问。

外设的输入不直接送入内存和cpu，而是送入相关的接口芯片的端口中。

cpu向外设的输出也不是直接送入外设，而是先送入端口中，再由相关的芯片送到外设。

cpu还可以向外设输出控制命令，而这些控制命令也是先送到相关芯片的端口中，然后再由相关的芯片根据命令对外设实施控制。

可见，cpu通过端口和外部设备进行联系。

cpu在执行完当前指令后，可以检测到发送过来的中断信息，引发中断过程，处理外设的输入。

在pc系统中，外中断源一共有两类：

1、可屏蔽中断

2、不可屏蔽中断

可屏蔽中断是cpu可以不响应的外中断。cpu是否相应可屏蔽中断，要看标志寄存器的IF位的设置。

当cpu检测到可屏蔽中断信息时：

*如果IF=1，则cpu在执行完当前指令后响应中断，引发中断过程。

如果IF=0，则不响应可屏蔽中断。

我们回忆一下内中断所引发的中断过程：

1）取中断类型码n

2）标志寄存器入栈，if=0，TF=0

3）cs、ip入栈

4）ip=n*4，cs=n*4+2

由此转去执行中断处理程序。

可屏蔽中断所引发的中断过程，除在第一步的实现上有所不同外，基本上和内中断的中断过程相同。

因为可屏蔽中断信息来自于cpu外部，中断类型码是通过数据总线送入cpu的。

而内中断的中断类型码是在cpu内部产生的。

现在，我们可以解释中断过程中将IF置为0的原因了，将IF置0的原因就是，在进行中断处理程序后，禁止其他的可屏蔽中断。

当然，如果在中断处理程序中需要处理可屏蔽中断，可以用指令将IF置1.

8086cpu提供的设置IF的指令如下：

sti  ，用于设置IF=1

cli   ，用于设置IF=0.

不可屏蔽中断是cpu必须响应的外中断。当cpu检测到不可屏蔽中断信息时，则在执行完当前指令后，立即响应，引发中断过程。

对于8086cpu不可屏蔽中断的中断类型码固定为2.所以中断过程中，不需要取中断类型码。

不可屏蔽中断的中断过程：

1）标志寄存器入栈，if=0，tf=0

2）cs、ip入栈

3）ip=8、cs=0aH

几乎所有由外设引发的外中断，都是可屏蔽中断。当外设有需要处理的事情（比如说键盘输入）发生时，相关芯片向cpu发出可屏蔽终端信息。

不可屏蔽中断是在系统中有必须处理的紧急情况发生时用来通知cpu的中断信息。

15.3 pc机键盘的处理过程

下面我们看一下键盘输入的处理过程，并以此来体会一下pc机处理外设输入的基本方法。

1、键盘输入

2、引发9号中断

3、执行int 9  中断例程

键盘上的每一个键相当于一个开关，键盘中有一个芯片对键盘上的每一个键的开关状态进行扫描。

按下一个键时，开关接通，该芯片就产生一个扫描码，扫描码说明了按下的键在键盘上的位置。扫描码被送入主板上的相关接口芯片的寄存器中，该寄存器的端口地址为60h

松开按下的键时，也产生一个扫描码，扫描码说明了松开的键在键盘上的位置。松开按键时产生的扫描码也被送入60h端口中。

一般将按下一个键时产生的扫描码为通码，松开一个键产生的扫描码为断码。

扫描码长度为1个字节，通码的第7位为0，断码的第7位为1，即：

断码=通码+80h

键盘的输入到达60h端口时，相关的芯片就会向cpu发出中断类型码为9的可屏蔽中断信息。

cpu检测到该中断信息后，如果IF=1，则响应中断，引发中断过程，转去执行int  9中断例程。

Bios提供了int 9中断例程，用来进行基本的键盘输入处理，主要的工作如下：

1）读出60h端口中的扫描码

2）如果是字符键的扫描码，将该扫描码和它所对应的字符码（即ASCII码）送入内存中的BIOS键盘缓冲区：

如果是控制键（比如ctrl）和切换键（比如CapsLock）的扫描码，则将其转变为状态字节（用二进制位记录控制键和切换键状态的字节）写入内存中存储状态字节的单元。

3）对键盘系统进行相关的控制，比如说，向相关芯片发出应答信息。

15.3 PC机键盘的处理过程

BIOS键盘缓冲区是系统启动后，BIOS用于存放int 9中断例程所接收的键盘输入的内存区。

该内存区可以存储15个键盘输入，因为int 9中断例程除了接受扫描码外，还要产生和扫描码对应的字符码，所以在BIOS键盘缓冲区中，一个键盘输入用一个字节存放，高位字节存放扫描码，低位字节存放字符码。

0040：17单元存储键盘状态字节，该字节记录了控制键和切换键的状态。键盘状态字节各位记录的信息如下：

 从上面的内容中，我们可以看出键盘输入的处理过程：

1）键盘产生扫描码

2）扫描码送入60h端口

3）引发9号中断

4）cpu执行int  9中断例程处理键盘输入。

上面的过程中，第1、2、3步都是由硬件系统完成的。我们能够改变的只有int  9中断处理程序。

我们可以重新编写int 9中断例程，按照自己的意图来处理键盘的输入。

但是，在课程中，我们不准备完整地编写一个键盘中断地处理程序，因为要涉及到一些硬件细节，而这些内容脱离了我们地内容主线。

但是，我们却还要编写新的键盘中断处理程序，来进行一些特殊地工作，那么这些硬件细节如何处理呢？

这点比较简单，因为BIOS提供地int  9中断例程已经对这些硬件细节进行了处理。

我们只要在自己编写地中断例程中调用BIOS的int 9中断例程就可以了。

在上面的程序的执行过程中我们无法看清屏幕上的显示。

因为一个字母刚显示到屏幕上，cpu执行几条指令后，就又变成了另一个字母，字母之间切换得太快，无法看清。

此时，我们让cpu执行一段时间得空循环，这样就能延时一段时间。

 显示a~z，并可以让人看清，这个任务已经实现。

那么如何实现，按下Esc键后，改变显示的颜色呢？

键盘输入到达60h端口后，就会引发9号中断，cpu则转去执行int 9中断例程。

我们可以编写int 9中断例程，功能如下：

1）从60h端口读出键盘的输入

2）调用BIOS的int9中断例程，处理其他硬件细节

3）判断是否为Esc的扫描码，如果是，改变显示的颜色后返回，如果不是则直接返回。

下面一一实现

1、从端口60h读出键盘的输入。

in  al，60h

2、调用BIOS的int  9中断例程

有一点要注意的是，我们写的中断处理程序要成为新的int 9中断例程，主程序必须要将中断向量表中的int 9中断例程的入口地址改为我们写的中断处理程序的入口地址。

那么在新的中断处理程序中调用原来的int 9中断例程时，中断向量表中的int 9中断例程的入口地址却不是原来的int  9中断例程的地址。

所以我们不能使用int  指令直接调用。

要能在我们写的新中断例程中调用原来的中断例程，就必须在将中断向量表中的中断例程的入口地址改为新地址之前，将原来的入口地址保存起来。

这样，在需要调用的时候，我们才能找到原来的中断例程的入口。

对于我们现在的问题，假设我们将原来int 9中断例程的偏移地址和段地址保存在ds：[0]和ds：[2]单元中。

那么我们在需要调用原来的int 9中断例程时候，就可以在ds:[0]、ds：[2]单元中找到它的入口地址，

那么，有了入口地址后，我们如何进行调用呢？

当然不能使用指令int  9来调用。我们可以用别的指令来对int 指令进行一些模拟，从而实现对中断例程的调用。

我们来看，int指令在执行的时候，cpu进行下面的工作：

1）取中断类型码n

2）标志寄存器入栈

3）IF=0，TF=0

4）CS、IP入栈

5）IP=n*4，CS=n*4+2

取中断类型码是为了定位中断例程的入口地址，在我们的问题中，中断例程的入口地址已经知道。

所以，我们用别的指令模拟int指令时候，不需要做第1步

在假设要调用的中断例程的入口地址在ds：0和ds：2单元中的前提下，我们将int过程用下面几步模拟。

1）标志寄存器入栈

2）IF=0，TF=0

3）CS、IP入栈

4）IP=ds*16+0

　  CS=ds*16+2

可以注意到第3、4步和call  dword  ptr ds：[0]的功能一样。

call  dword  ptr  ds:[0]的功能也是：

1）cs、ip入栈

2)ip=ds*16+0

   cs=ds*16+2

所以int 过程的模拟过程变为：

1）标志寄存器入栈

2）IF=0，TF=0

3）call  dword  ptr  ds：[0]

对于1）可用pushf实现

对于2），可用下面的指令实现

pushf

pop ax

and ah,11111100b

push ax

pop f

这样模拟int指令的调用功能，调用入口地址在ds：0、ds：2中的中断例程的程序如下

pushf

pushf

pop  ax

and ah,11111100b

push ax

popf 

call dword ptr ds:[0]

3、如果是Esc键的扫描码，改变显示的颜色后返回

如何改变显示的颜色

显示的位置是屏幕的中间，即第12行40列，显存中的偏移地址为：160*12+40*2

所以字符的ASCII码要送入b800：160*12+40*2处。

而b800:160*12+40*2+1处是字符的属性，我们只要改变此处的数据就可以该百年在b800：160*12+40*2处显示的字符的颜色了。

该程序的最后一个问题是，要在程序返回前，将中断向量表中的int  9中断例程的入口地址恢复为原来的地址。否则程序返回后，别的程序将无法使用键盘。

完整代码如下：