微机原理 8259A 可编程中断控制器

lIntel 8259中断控制器是集合中断源识别、中断屏蔽、中断优先权排队、中断类型号提供等功能的，专用于微机系统INTR类中断管理的大规模集成电路芯片。

8259A的主要功能：

中断源管理：单片8259可管理8级中断，最多可扩展管理64级，主从式的中断管理

中断类型号：当8259中断响应时，可提供相应的中断类型号，中断类型号可以是由用户设定的8个连续类型号。

中断屏蔽管理：8259对任何一级中断源可屏蔽/允许

中断优先管理： 8259可选择多种中断优先权排队模式。 8259可以通过编程设定各种工作方式

8259A 引脚以及结构

1. 引脚信号

D7～D0 ：双向数据总线，用于与 CPU 传送命令、状态和中断类型号。（Data Bus lines）
A0 ：地址线，接系统地址总线，用于选择内部寄存器。（Address line）
：片选信号，由高位地址译码产生。（Chip Select）
、：读、写控制信号，配合 A0、CS 完成寄存器访问。（Read、Write）
INT：中断请求输出，接 CPU 的 INTR 引脚。（Interrupt）
：中断响应输入，接收 CPU 发出的两个负脉冲。（Interrupt Acknowledge）
IR0～IR7：8 级中断请求输入，可设为边沿或电平触发。（Interrupt Request lines）
CAS0～CAS2：级联总线，主从片通信用。主片为输出，从片为输入。（Cascade lines）
、：双功能引脚。非缓冲方式下作输入，主片接高电平，从片接地；缓冲方式下作输出，控制数据总线缓冲器。（Slave Program / Enable）

非缓冲方式：直接连到 CPU 的系统数据总线

缓冲方式：不再直连系统总线，而是先连到一个双向总线收发器上（如 74LS245），再由收发器连到系统数据总线。

2. 内部结构组成

中断请求寄存器（IRR） ：存放来自外设的中断请求信号IR0～IR7。有上升沿和"高电平"电平触发两种触发方式。高电平状态须保持到第一个中断响应信号**** 变为有效后，否则将丢失中断请求信号。
中断屏蔽寄存器（IMR）：存放中断屏蔽字，若某位置为1 则屏蔽对应 IR 请求。
优先级分析器（PR）：选出 IRR 中未被屏蔽的最高优先级请求，将优先级最高的中断服务送入ISR。

根据CPU送入命令定义或修改IR0～IR7优先级。默认IR0最高（0级）、IR7最低（7级），可通过软件修改。

多个中断请求同时出现，分析哪个中断优先级最高。

判别是否可进入多重中断，即新中断源的优先级是否高于正在处理的中断级。

当一个中断请求被判别为较高优先级，通过控制逻辑向CPU发出中断请求信号INT。当CPU响应中断获得响应信号INTA#，使ISR相应位置为1 。

中断服务寄存器（ISR）：记录当前正在被服务的中断级，被响应后对应位置为1。

当CPU正为某个中断源服务时，8259A使ISR中相应位置为1 ，当ISR为全0时，表示CPU正在执行正常的主程序，无任何中断服务。

如果有新的中断申请，当前服务的中断要发回PR重新进行中断优先级比较，所以ISR和PR之间是双向数据线。

控制逻辑(Control Logic)：接收 CPU 命令，完成时序控制。

将根据的请求向CPU发出中断请求信号INT，该信号连接到8086/8088 CPU 的可屏蔽中断INTR引脚；同时接收CPU的中断响应信号，并作出相应的处理，如置位ISR 的相应位、释放中断类型码到总线D7～D0、清除INT信号等。

包含有4个初始化命令寄存器和3个操作命令寄存器，用于存放4个初始化命令字ICW1～ICW4和3个操作命令字OCW1～OCW3。

数据总线缓冲器：在读写逻辑的控制下实现CPU与8259A之间的信息交换.

8位三态双向缓冲器，通常和CPU 系统总线中的D7～D0相连接。

读/写控制逻辑 ：根据CPU送来的读写信号（、）和地址信息（A0、），通过数据总线缓冲器完成CPU对8259A的所有写操作和读操作。

8259A只有两个I／O 端口地址，由**** 和A0输入的地址信息决定，一般****应连接到I／O 地址译码器的输出端，而A0端通常是和地址总线A0或A1相连接。

级联缓冲/比较器：存放和比较级联标识，主片向从片送出标识，从片比较相符时送出中断类型号。

为实现多片8259A的级联应用而设计。在级联应用中只有一片8259A为主片，其他均为从片，但最多不能超过9片（包括主片）。

级联时，主片要拿出几个 IR 引脚来连接从片的 INT 输出，这些被占用的引脚就不能再接普通中断源了。

总中断源数量 = 主片可用 + 从片可用

$8-(N-1)$ +8(N−1)=7N+1 $8-(N-1)$ +8(N−1)=7N+1

比如中断源有25个，就需要4个8259芯片。

主8259A在第一个响应周期内通过CAS0～2送出3位识别码，与此识别码相符的从8259A将在第二个响应周期内释放中断类型码到数据总线，使CPU进入相应的中断处理程序。

工作方式

1. 触发方式 (ICW1 的 LTIM 位)

边沿触发：由低到高的上升沿触发，请求被 IRR 锁存，直到被响应。
电平触发：高电平有效，IRR 不锁存，请求信号必须保持到响应，否则会丢失中断。

2. 屏蔽方式

普通屏蔽方式：由 OCW1 写 IMR，置 1 则屏蔽对应中断。

允许比该优先级高的中断源申请中断，不允许同级或低级中断源申请中断。

特殊屏蔽方式：允许在服务某级中断时，动态开放对低级中断的响应。
- 先通过 OCW3 设为特殊屏蔽（ESMM=1, SMM=1），再修改 IMR 屏蔽当前高级中断，此时 ISR 屏蔽作用被忽略。低级中断完成后需恢复。

屏蔽同级,允许级别比他高的或比他低的中断源申请中断。

3. 优先级管理方式

完全嵌套方式：固定优先级 IR0 最高、IR7 最低。ISR 某位置位后，同级及低级中断均被封锁。
特殊完全嵌套方式：主要用于级联的主片。允许同级中断请求（来自同一从片的更高优先级请求）打断当前服务。
自动循环优先级：某级服务结束后自动降为最低，相邻高一级变为最高。
指定循环优先级：通过 OCW2 指定最低优先级，其余顺次排列。
查询方式：CPU 写 OCW3（P=1）后读 A0=0 端口，获得最高优先级请求。此时不使用 INT 引脚。

4. 中断结束方式（EOI）

自动结束（AEOI） ：在第二个脉冲结束时自动清除 ISR 对应位。可能引发重复中断或同级嵌套，一般不用于全嵌套系统。
非自动结束（EOI）：需程序发结束命令。
- 普通 EOI：自动清除当前 ISR 最高优先级位。
- 特殊 EOI：由 L2～L0 指定清除 ISR 哪一位。
- 自动循环 EOI：清除当前最高优先级位，并将其优先级降为最低。
- 特殊循环 EOI：清除指定 ISR 位，并将该优先级降为最低。

5. 连接系统总线方式

非缓冲方式：SP/EN 作输入，决定主/从。
缓冲方式：SP/EN 作输出使能，主/从由 ICW4 的 M/S 位确定。

中断响应过程

1. 单片或非级联响应步骤

① 外设通过 IRi 发出请求，8259 将 IRR 对应位置 1。

② 经过 IMR 屏蔽及优先级分析，若条件满足，8259 由 INT 引脚向 CPU 发中断请求。

③ CPU 若 IF=1 且当前指令执行完，发出两个脉冲作为响应。

④ 第一个 脉冲：8259 冻结优先级，清除被选中的 IRR 位，置位对应的 ISR 位（禁止同级及低级中断）。边沿触发下请求被清除。若级联，主片还在 CAS 上送出从片标识。

⑤ 第二个 脉冲：8259（或选中的从片）将 8 位中断类型号送上数据总线，CPU 读取后自动保护现场，转入中断服务程序。若 AEOI=1，此时 ISR 位自动清零。

⑥ 中断服务程序结束时，需发 EOI 命令（若非 AEOI）清除 ISR 位，开放后续中断。

2. 中断类型号形成

上图左部分多框了一位

由 ICW2 的高 5 位作基值，低 3 位由请求引脚 IR0～IR7 的编码自动填入。
CPU 将类型号 n×4 得中断向量表地址，取出服务程序入口 CS:IP。

编程

1. I/O 端口寻址

A0	操作	写入（WR）	读出（RD）
0	偶地址	ICW1, OCW2, OCW3	IRR, ISR (先写 OCW3 选择), 查询字
1	奇地址	ICW2~ICW4, OCW1	IMR

特征位区分：

A0=0, D4=1 → ICW1
A0=0, D4=0, D3=0 → OCW2
A0=0, D4=0, D3=1 → OCW3
A0=1 → ICW2、ICW3、ICW4、OCW1（按顺序及写入时刻区分）

2. 初始化命令字（必须按顺序写入）

ICW1 （A0=0，D4=1）：中断请求信号，单片和级联的选择

|---|---|---|---|------|---|------|-----|
| | | | 1 | LTIM | | SNGL | IC4 |

D3（LTIM）：1 电平触发，0 边沿触发。
D1（SNGL）：1 单片使用，0 级联。
D0（IC4）：1 需要写入 ICW4，0则无需写入 ICW4。

ICW2 （A0=1）：设置对应的中断类型码

|---|---|---|---|---|---|---|---|
| T | T | T | T | T | | | |

高 5 位为中断类型号基值，低 3 位由用户编程时写入，基于𝑰𝑹_𝟎~𝑰𝑹_𝟕的引脚序号自动形成，初始化的时候无需设值。

为什么 08H ~ 0FH 都行？

已知硬盘接在 IR5 ，要求其中断类型码为 0DH (即 00001101)。

设 ICW2 写入值为 X，则：
中断类型码=(X 的高 5 位)×8+5=0DH中断类型码=(X 的高 5 位)×8+5=0DH

解出高 5 位对应的基值 = 0DH - 5 = 08H，即基值必须是 08H。

08H 的二进制是 00001 000，高 5 位是 00001。观察：

08H = 00001 000

09H = 00001 001

0AH = 00001 010

0BH = 00001 011

0CH = 00001 100

0DH = 00001 101

0EH = 00001 110

0FH = 00001 111

高 5 位都是**00001**，只有低 3 位在变化。

而 8259A 在形成中断向量时，不会看低 3 位，会用 IR5 的编码 101 强制替换。

因此，只要写入的值高 5 位为 00001，即08H ~ 0FH 中的任何一个，效果完全一样。

ICW3 （A0=1，仅级联时写入）：主/从片初始化命令

主片：哪根 IR 引脚接有从片，对应位写 1（如 IR2 接从片，写 04H，直接映射，即D2=1）。
从片：D2～D0（ID0～ID2）表示该从片连到主片哪根 IR 线（如连在 IR2，写 02H，二进制映射，即D1=1）。

在传统的 IBM PC/AT 架构中：

主片 8259A 占用 I/O 地址：20H（命令端口）、21H（数据/掩码端口）

从片 8259A 通常占用：0A0H（命令端口）、0A1H（数据/掩码端口）

这里 21H 是主片的数据端口 （用于写 ICW2、ICW3、ICW4 以及 OCW1）。

0A1H 是从片的数据端口（类似作用）。

这里为了支持第二个从片，硬件设计时通常会把第二个从片映射到 0A2H（命令）/ 0A3H（数据），即+2。

ICW4（A0=1，当 ICW1 的 IC4=1）：设定8259A在级联方式下的优先级管理方式

|---|---|---|------|-----|-----|------|-----|
| 0 | 0 | 0 | SFNM | BUF | M/S | AEOI | μPM |

D4（SFNM）：1 特殊完全嵌套，0 普通完全嵌套。

D3（BUF）：1 缓冲方式，0 非缓冲方式。
D2（M/S）：1 主片，0 从片。
D1（AEOI）：1 自动中断结束，0 非自动结束中断方式。

**非自动结束中断方式：**需要软件在中断服务程序结束前发送清ISR对应位的命令，具体是正常清ISR中最高置1位还是清ISR中的指定位由后续具体的操作命令字OCW2来决定。这种方式下如果不通过软件来清ISR对应位，则8259A会一直处于等待状态。

D0（μPM）：1 8086/8088 模式（>=16位微机），0 8080/8085 模式（8位微机）。

3. 操作命令字

OCW1 （A0=1）：设置中断源的屏蔽状态，即对8259A内的中断屏蔽寄存器IMR中的各位进行动态地置1或复0操作选择（直接映射）。

|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|
| 𝑴****𝟕 | 𝑴****𝟔 | 𝑴****𝟓 | 𝑴****𝟒 | 𝑴****𝟑 | 𝑴****𝟐 | 𝑴****𝟏 | 𝑴****𝟎 |

𝑴𝒙=𝟏,表示𝑰𝑹𝒙被屏蔽

𝑴𝒙=0,表示𝑰𝑹𝒙****不被屏蔽

OCW2（A0=0, D4=0, D3=0）：设置中断结束方式和修改中断优先级管理方式。

|---|----|-----|---|---|----|----|----|
| R | SL | EOI | 0 | 0 | L2 | L1 | L0 |

R：1表示循环优先级；0表示固定优先级。
SL：1表示L2～L0有效，0表示L2～L0无效。
EOI：1表示发送非自动结束中断结束命令；0表示该命令与中断结束命令无关，是设置优先级的命令。
SL=1时，L2～L0 对应R、EOI的定义：

R EOI=10 设定循环优先级最低位；

R EOI=01 指定清除ISR的位；

R EOI=11 先清除指定的ISR位，再以设定循环优先级最低位。

OCW3（A0=0, D4=0, D3=1）

|---|------|-----|---|---|---|----|-----|
| | ESMM | SMM | 0 | 1 | P | RR | RIS |

D6（ESMM）、D5（SMM）：置/复位特殊屏蔽方式。

ESMM=1为允许特殊屏蔽方式；

SMM=1为特殊屏蔽方式。

D2（P）：1 发送查询命令，下次读 A0=0 端口可得查询字。

P=1为查询工作方式，此时读出的端口值D7位为1表示有中断，D0到D2用来表示哪一根引线有中断源。

D1（RR）：读IRR控制，1为IRR；0为ISR
D0（RIS）：读ISR控制，1为允许；0为禁止

级联

主片 INT 接 CPU 的 INTR，从片 INT 接主片的某根 IR 线。
主片需设为特殊完全嵌套（SFNM=1），以保证从片内部多级中断的正常嵌套。
中断响应时，主片在第一个 INTA 期间通过 CAS0～CAS2 送出从片标识，对应从片在第二个 INTA 将自身的中断类型号送上数据总线。
从片送出的中断类型号由其自身的 ICW2 决定，而不是主片 ICW2。
结束级联中断时，需向从片和主片各发一次 EOI 命令（自动结束方式除外）。

参考文献

8259A可编程中断控制器 | MeAlert的笔记网站