可编程中断控制器8259A

一、问题来源？

可屏蔽中断是通过 INTR 信号线进入 CPU 的，一般可独立运行的外部设备，如打印机、声卡等，其发出的中断都是可屏幕中断，都共享这一根 INTR 信号线通知 CPU。

任务是串行在 CPU 上执行的，CPU 每次只能执行一个任务。对于多个同时发生的中断应该如何处理呢？

如果使用 CPU 来做这个事情，不仅要占用 CPU 时间，而且还要占用内存来存储中断队列。因此 8259A 这个芯片出现了。

8259A 的作用是负责所有来自外设的中断，其中就包括来自时钟的中断。8259A 用于管理和控制可屏蔽中断，他表现在屏蔽外设中断，对他们实行优先级判决，向 CPU 提供中断向量号等功能。并且可以通过编程的方式来设置这些功能。

二、介绍 8259A

Inter 处理器共支持 256 个中断，但 8259A 只可以管理 8 个中断，因此 Inter 处理器提供了一种解决方案，将多个 8259A 组合，官方术语叫做：级联。

如果采用级联的方式，最多可级联 9 个，也就是最多支持 64 个中断。N 片 8259A 通过级联可支持 7N+1 个中断源。级联时只能有一片 8259A 为主片 master，其余的均为从片 slave。来自从片的中断只能传递给主片，再由主片向上传递给 CPU，也就是说，只有主片才会向 CPU 发送 INT 中断信号。

如下图，是级联的方式

我们在来看看 8259A 芯片内部结构：

它的内部有一些信号和寄存器，8259A 共 8 个 IRQ 接口，可以用 8 位寄存器中的每一位代表 8259A 的每个 IRQ 接口。

INT：8259A 选出优先级最高的中断请求后，发信号通知给 CPU
INTA：INT Acknowledge，中断响应号。位于 8259A 中的 INTA 接收来自 CPU 的 INTA 接口的中断响应信号
IMR：Interrupt Mask Register，中断屏蔽寄存器，8 位。用来屏蔽某个外设的中断。相应位设置为 1 表示中断屏蔽。
IRR：Interrupt Request Register，中断请求寄存器，8 位，它的作用是接受经过 IMR 寄存器过滤后的中断信号并锁存，此寄存器中全是等待处理的中断，相当于 5259A 维护的未处理中断信号队列
PR：Priority Resolver，优先级仲裁器，当有多个中断同时发生，或当有新的中断请求进来时，将它与当前正在处理的中断进行比较，找出优先级更高的中断
ISR：In-Service Register，中断服务寄存器，8 位，当某个中断正在被处理时，保存在此寄存器中

8259A 的工作流程如下：

当某个外设发出一个中断信号时，由于主板已经将信号通路指向了 8259A 芯片的某个 IRQ 接口，所以该中断信号最终被送入了 8259A。
8259A 首先检查 IMR 寄存器中是否已经屏蔽了来自该 IRQ 接口的中断信息。该 IRQ 接口对应的位如果被置为 1，则说明中断屏蔽，将中断信号丢弃，否则将其送入 IRR 寄存器，将该 IRQ 接口所在 IRR 寄存器中对应的 BIT 置 1
在某个恰当时机，优先级仲裁器 PR 会从 IRR 寄存器中挑选一个优先级最大的中断。（优先级判断：IRQ 接口号越小，优先级越大）之后，8259A 会在控制电路中，通过 INT 接口向 CPU 发送 INTR 信号。
CPU 收到 INTR 信号后，于是 CPU 将手里的指令执行完后，马上通过自己的 INTA 接口向 8259A 的 INTA 接口回复一个中断响应信号，表示 CPU 已经准备好了。
8259A 在收到这个信号后，立即将刚才选出来的优先级最大的中断在 ISR 寄存器中对应的 BIT 置 1，同时，将该中断从 IRR 寄存器对应的位置置 0，也就是将该中断从“待处理中断队列” 寄存器 IRR 中去掉。
之后，CPU 在此发送 INTA 信号给 8259A，这一次是想获取中断对应的中断向量号。一般情况下，该设备的中断向量号 = "起始中断向量号" + "IRQ接口"。外部设备虽然发送中断信号，但是并不知道其内部会有中断向量号这一概念。
随后，8259A 将此中断向量号通过系统数据总线发送给 CPU，CPU 从数据总线上拿到该中断向量号后，用它查找中断向量表或者中断描述符表，找到相应的中断处理程序去执行
如果 8259A的 “EOI通知（End Of Interrupt）” 被设置为非自动模式（手工模式），中断处理程序结束时必须有向 8259A 发送 EOI 的代码，8259A 在收到 EOI 后，将当前正在处理的中断在 ISR 寄存器中对应的 BIT 置 0。如果 “EOI通知” 被设置为自动模式，在刚才 8259A 接受到第二个 INTA 信号后，也就是 CPU 向 8259A 要中断向量号的那个 INTA，8259A 会自动将此中断在 ISR 中对应的 BIT 位置 0
注意：并不是进入了 ISR 后的中断就可以被 CPU 执行，还是有可能被换下来的。比如：在 8259A 发送中断向量号给 CPU 之前，这时候又来了新的中断，且优先级较高，那么原来 ISR 中准备上 CPU 处理的旧中断，其对应的 BIT 位就得清 0，同时将它所在的 IRR 中的相应 BIT 恢复为 1，随后在 ISR 中将此优先级更高的新中断对应的 BIT 置 1，然后将此新中断的中断向量号发给 CPU。

那么，和中断相关的数据结构包括：中断描述符表和中断向量号。我们需要准备这两项。中断描述符表也称为 IDT，表中每一项都是 8 字节的描述符。中断描述符表本质上就是 “中断处理程序地址数组”，而中断向量号则是此数组的索引下标。因此，CPU 收到 8259A 送来的中断向量号后要将其乘以 8，再加上中断描述符表的起始地址，经过内存寻址，最终定位到目标中断处理程序。