[汇编]《汇编语言》第15章 外中断

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，接收它们的输入，向它们进行输出。

CPU除了有运算能力外，还要有I/O（Input/Output，输入/输出）能力。比如，我们按下键盘上的一个键，CPU最终要能够处理这个键。在使用文本编辑器时，按下a键后，我们可以看到屏幕上出现“a”，是CPU将从键盘上输入的键所对应的字符送到显示器上的。

要及时处理外设的输入，显然需要解决两个问题：

① 外设的输入随时可能发生，CPU如何得知？ ② CPU从何处得到外设的输入？

这一章中，我们以键盘输入为例，讨论这两个问题。

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。

现在我们知道了外设的输入被存放在端口中，可是外设的输入随时都有可能到达， CPU如何及时地知道，并进行处理呢？

更一般地讲，就是外设随时都可能发生需要CPU及时处理的事件，CPU如何及时得知并进行处理？

CPU提供中断机制来满足这种需要。前面讲过，当CPU的内部有需要处理的事情发生的时候，将产生中断信息，引发中断过程。这种中断信息来自CPU的内部。

还有一种中断信息，来自于CPU外部，当CPU外部有需要处理的事情发生的时候，比如说外设的输入到达，相关芯片将向CPU发出相应的中断信息。

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，外中断源一共有以下两类。

1、可屏蔽中断

可屏蔽中断是CPU可以不响应的外中断。CPU是否响应可屏蔽中断，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)=(n4)，(CS)=(n4+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1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，在进入中断处理程序后，禁止其他的可屏蔽中断。

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,设置 IF=1； cli,设置 IF=0。

2、不可屏蔽中断

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。则不可屏蔽中断的中断过程为：

（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件(比如说键盘输入)发生时，相关芯片向CPU发出可屏蔽中断信息。

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。在我们的课程中主要讨论可屏蔽中断。

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

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称为通码，松开一个键产生的扫描码称为断码。扫描码长度为一个字节，通码的第7位为0，断码的第7位为1，即：

断码=通码+80h

比如，g键的通码为22h，断码为a2h。

表15.1是键盘上部分键的扫描码，只列出通码。断码=通码+80h。

2. 引发9号中断

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int9中断例程。

3. 执行int9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。

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中断例程除了接收扫描码外，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单元存放，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。

0：右Shift状态，置1表示按下右Shift键； 1：左Shift状态，置1表示按下左Shift键； 2：Ctrl状态，置1表示按下Ctrl键； 3：Alt状态，置1表示按下Alt键； 4：ScrollLock状态，置1表示Scroll指示灯亮； 5：NumLock状态，置1表示小键盘输入的是数字； 6：CapsLock状态，置1表示输入大写字母； 7：Insert状态，置1表示处于删除态。

从上面的内容中，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； ④CPU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的处理程序，因为要涉及一些硬件细节，而这些内容脱离了我们的内容主线。

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

这点比较简单，因为BIOS提供的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的中断例程中调用BIOS的int 9中断例程就可以了。

编程：在屏幕中间依次显示"a"~"z"，并可以让人看清。在显示的过程中，按下Esc键后改变显示的颜色。

我们先来看一下如何依次显示"a"~"z"。

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。

应该在每显示一个字母后，延时一段时间让人看清后，再显示下一个字母。那么如何延时呢？

我们让CPU执行一段时间的空循环。因为现在CPU的速度都非常快，所以循环的次数一定要大，用两个16位寄存器来存放32位的循环次数。如下：

上面的程序，循环100000h次。我们可以将循环延时的程序段写为一个子程序。 现在我们的程序如下：

显示“a”~“z”，并可以让人看清，这个任务己经实现。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int 9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。

下面对这些功能的实现一一进行分析。

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。

则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，就可以在ds:[0]、ds:[2]单元中找到它的入口地址。

有了入口地址后，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)=(n4), (CS)=(n4+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己经知道。所以我们用别的指令模拟int指令时，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 ;IF和TF为标志寄存器的第9位和第8位 push ax popf

则模拟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为:

pushf ;标志寄存器入栈

pushf pop ax and ah,11111100b push ax popf ;IF=0, TF=0

call dword ptr ds:[0] ;CS、IP入栈；(IP)=((ds)x16+0)，(CS)=((ds)x16+2)

3. 如果是Esc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：16012+402。

所以字符的ASCII码要送入段地址b800h，偏移地址16012+402处。而段地址b800h，偏移地址16012+402+1处是字符的属性，只要改变此处的数据就可以改变在段地址b800h，偏移地址16012+402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。

经过分析，完整的程序如下。

注意，本章中所有关于键盘的程序，因要直接访问真实的硬件，则必须在DOS实模式下运行。在Windows 2000的DOS方式下运行，会岀现一些和硬件工作原理不符合的现象。

我们安装一个新的int 9中断例程，使得原int 9中断例程的功能得到扩展。

任务：安装一个新的int 9中断例程。 功能：在DOS下，按F1键后改变当前屏幕的显示颜色，其他的键照常处理。

我们进行一下分析。

（1）改变屏幕的显示颜色

改变从B8000H开始的4000个字节中的所有奇地址单元中的内容，当前屏幕的显示颜色即发生改变。程序如下：

（2）其他键照常处理

可以调用原int 9中断处理程序，来处理其他的键盘输入。

（3）原int 9中断例程入口地址的保存

因为在编写的新int 9中断例程中要调用原int 9中断例程，所以要保存原int 9中断例程的入口地址。保存在哪里？

显然不能保存在安装程序中，因为安装程序返回后地址将丢失。我们将地址保存在0:200单元处。

（4）新int 9中断例程的安装

这个问题在前面己经详细讨论过。我们可将新的int 9中断例程安装在0:204处。

完整的程序如下。

这一章中，我们通过对键盘输入的处理，讲解了CPU对外设输入的通常处理方法。即：

(1) 外设的输入送入端口; (2) 向CPU发出外中断(可屏蔽中断)信息； (3) CPU检测到可屏蔽中断信息，如果IF=1，CPU在执行完当前指令后响应中断，执行相应的中断例程； (4) 可在中断例程中实现对外设输入的处理。

端口和中断机制，是CPU进行I/O的基础。

指令系统总结

我们对8086CPU的指令系统进行一下总结。读者若要详细了解8086指令系统中的各个指令的用法，可以查看有关的指令手册。

8086CPU提供以下几大类指令。

1. 数据传送指令

比如mov、push、pop、pushf、popf、xchg等都是数据传送指令，这些指令实现寄存器和内存、寄存器和寄存器之间的单个数据传送。

2. 算术运算指令

比如add、sub、adc、sbb、inc、dec、cmp、imul、idiv、aaa等都是算术运算指令，这些指令实现寄存器和内存中的数据的算数运算。它们的执行结果影响标志寄存器的sf、zf、of、cf、pf、af位。

3. 逻辑指令

比如and、or、not、xor、test、shl、shr、sal、sar、rol、ror、rcl、rcr等都是逻辑指令。除了not指令外，它们的执行结果都影响标志寄存器的相关标志位。

4. 转移指令

可以修改IP，或同时修改CS和IP的指令统称为转移指令。转移指令分为以下几类。

（1）无条件转移指令，比如，jmp； （2）条件转移指令,比如，jcxz、je、jb、ja、jnb、jna等; （3）循环指令，比如，loop； （4）过程，比如，call、ret、retf； （5）中断，比如，int、iret。

5. 处理机控制指令

这些指令对标志寄存器或其他处理机状态进行设置，比如，cld、std、ch、sti、nop、clc、cmc、stc、hit、wait、esc、lock等都是处理机控制指令。

6. 串处理指令

这些指令对内存中的批量数据进行处理，比如，movsb、movsw、cmps、scas、lods、stos等。若要使用这些指令方便地进行批量数据的处理，则需要和rep、repe、repne等前缀指令配合使用。