计算机组成原理课程设计VC++仿真中断

1、计算机组成原理课程设计报告题目全称：VC+仿真中断课程名称：VC+仿真中断指导老师：（注：学生姓名填写按学生对该课程设计的贡献及工作量由高到底排列，分数按排名 依次递减。序号排位为“1”的学生成绩最高，排位为“ 10”的学生成绩最低。）指导老师评语:签字：Abstract摘要程序中断传送方式（中断方式）是一种I/O传送的控制方式。这种方式定义 当CPU收到随机的中断请求后，暂时中止现行程序的执行，抓取执行为该随机事 件服务的中断处理程序，处理完毕后自动回复原程序的执行。在当今的大多数计 算机中，I/O传送控制方式多采用 中断方式。了解并且掌握中断方式的机制对于理 解计算机的I/O传送控制方式有

2、着 相当重要的作用。本文利用高级语言VC+开发模拟中断控制器的中断执行过程仿真软件。该软 件可以详细地将中断整个过程给以清晰的动态界面描述，更便于理解和掌握中断 过程。关键词：中断，中断控制器目录 TOC o 1-5 h z 第一章绪论11.1选题背景及意义1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2国内外研究现状1 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 1.3主要内容2第二章课程设计的需求分析3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1环境需求3 H

3、YPERLINK l bookmark17 o Current Document 2.2功能需求3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.3性能需求3 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 2.3本章小结3第三章*的设计43.1总体设计4 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 3.2功能模块设计4 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 3.3本章小结7第四章*的实现84.1开发环境介绍8 HYPERLINK

4、l bookmark56 o Current Document 主要功能模块的实现 8 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 本章小结 12第五章测试及成果展示135.1测试环境13 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 5.2测试用例和结果135.3成果展示错误！未定义书签。本章小结 17 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 第六章总结与展望18参考文献19第一章绪论第一章绪论1.1选题背景及意义计算机的硬件部分通常包含了三大部件：CPU、存储器（主存储

5、器和外部存储器）、 I/O设备。这些部件之间必须有连接的通路，才能组成一个完整的计算机系统，以便相 互交换信息，协调一致地工作，实现计算机的基本功能，即执行程序。在主机和外设之 间如果要进行数据的交换，需要一套机制来对该交换过程提供控制信号。在当前的计算 机系统中，主机和外部设备之间的输入/输出操作可采用三种常用的技术，即直接程序 传送方式、程序中断方式、存储器直接访问（DMA）方式。其中，程序中断方式常简称 为中断方式，它是几乎所有的计算机系统都应具备的一种重要的工作机制，在实际工作 中被广泛地应用。在中断方式中需要进行一系列的隐指令操作：保存断点、读取服务程序入口地址； 以及在转入服务程序

6、后首先应执行的操作，如保护源程序的现场信息；在返回原程序前， 还需回复现场、读取返回地址等。这使得中断方式一般适用于处理中、低速的I/O操作 和随机请求，所处理的对象可以是复杂的随机事态。具体来讲，中断方式常有以下六种 典型应用：以中断方式管理中低速I/O操作，使CPU与外部设备并行工作；软中断； 故障处理；实时处理；多机通信；人机对话。在中断过程中，当外部提出中断请求后，CPU是否响应，或者存在多个中断请求时， CPU应该首先响应哪个中断请求。这两种情况决定了中断系统应该具有相应的优先级判 断逻辑和优先级动态调整的手段。中断方式由于其实质上是通过执行程序来进行对事件的服务处理，处理程序可以根

7、 据需要进行扩展，使得程序中断方式的处理能力很强，可以处理复杂事态。而在实时控 制系统中，许多实质性的功能模块就是以中断处理程序形态实现的，而主控制程序仅仅 是一个组织各个模块的框架。正是由于这一原因，使得中断控制方式在当今的计算机系 统中得到了极为广泛的应用。1.2国内外研究现状在微型计算机中，广泛使用一种中断控制器集成芯片，如Intel 8259A。它将中断 请求信号的寄存、汇集、屏蔽、排优、编码等逻辑集中在一块芯片之中。在设计中断系 统时，使用这种芯片就非常方便，不必了解芯片内究竟使用何种具体的排优逻辑。1.3主要内容本课题通过利用高级VC+语言，设计开发了一款中断过程仿真软件。其主要为

8、了 通过高级语言的仿真，将中断过程利用动态的界面形象地展现出来，从而更加深入地理 解和体会中断方式的处理过程。第二章课程设计的需求分析2.1环境需求PC机一台，装有VS2010.2.2功能需求能够模拟中断控制器中断过程。2.3性能需求设计中断屏蔽。在短时间内判断是否响应中断。能够进行中断判优。2.3本章小结本章说明了环境需求，功能需求，和性能需求。第三章中断控制器的设计3.1总体设计程序中断方式（中断方式）即是指：在计算机的运行过程中，如果发生某种随机事 态，CPU将暂停执行现行的程序，转去执行中断程序，为该随机事态服务，并在服务完 毕后自动回复原程序的执行。中断方式的过程具体如图所示。由其本

9、质可以推知，中断 方式具有程序切换和随机性两大重要特征。随机请求中断程序中断程序中断方式3.2功能模块设计终端系统的组成：中断系统即是与中断功能有关的硬件、软件的统称。从硬件角度而言，在接口方面， 中断接口需要具有请求、传递、判优逻辑。在CPU方面，需要有响应中断请求的响应 逻辑。而从软件角度而言，需要有服务程序、以及管理中断源的中断向量表。并且，由 于中断请求出现的随机性，无法在主程序的预定位置进行处理，需要独立地编制中断处 理程序。通过这样的软件组织方法，中断服务程序时独立于主程序实现编制的。在编制 用户主程序时，只需要提供允许中的可能（如开中断），不必细致考虑何时中断、如何 处理等问题，

10、大大地简化了设计方式。一旦发生中断请求，可以通过硬件中断请求信号 或软中断指令提供的中断号，转化为向量地址，从中断向量表中找到相应的服务程序入口地址，从而转入中断服务程序执行。中断请求的提出与传递一个中断请求的提出，需要同时具备以下两种逻辑关系：外部设备有中断请求的需要。例如“准备就绪”或者“完成了一次操作”，可以 将完成状态标志位设置为1，表示外设工作完成，有中断请求的需要。CPU没有对该中断源屏蔽，允许提出中断请求。在中断控制器中，设置了对低优 先级中断的屏蔽，如中断请求优先级低于当前正在执行的任务的优先级，则该中断会被 屏蔽，不会被送往CPU，反之，则有中断控制器发送一个公共的中断请求信

11、号INT，并 将此信号送往CPU进行下一步处理。使用中断控制器的中断系统中，中断请求的传递采用公共请求线的结构，如图2-2 所示。由中断控制器产生的中断公共信号INT通过公共的请求线传送给CPU。中断请求传递结构中断判优中断的判优主要有以下两种情况：CPU与中断请求之间的判优。第一种方法可以利用CPU的“允许中断”标志位的 手段进行CPU与中断请求之间的判优。CPU设置了一个“允许中断”标志位，指令系统 提供开中断与关中断的功能，开中断时标志位为1，关中断时标志位为0。如果关中断， 则CPU不响应任何外中断请求。反之，开中断时，可以响应外部中断请求。第二种方法 则是通过CPU设置程序状态字的优

12、先级字段，为现行的程序赋予优先级。当该优先级低 于中断请求的优先级时，CPU响应中断请求；反之，如果该优先级高于中断请求的优先 级，CPU不响应中断请求。中断请求之间的判优。按请求的性质，一般的优先顺序为：故障引发的中断请求、DMA 请求、外部设备中断请求。按中断请求要求的数据传送方向，一般的原则是让输入操作 的请求优先于输出操作的请求。然而，在目前多数的计算机中，一方面采用硬件逻辑实 现优先级判别，如利用中断控制器集中解决请求信号的接收、屏蔽、判优、编码等问题。 另一方面，计算机又可以改用软件查询方式体现优先级判别。这让计算机可以动态地调 整优先级，使得中断处理过程更加的灵活。中断响应当外设

13、有中断请求，并且没有被屏蔽，CPU处于开中断状态，一条指令（非停机指 令）结束；没有比该中断请求优先级更高的请求时，CPU即可响应该中断请求。在CPU 响应中断请求后，通过执行中断服务程序进行中断处理。服务程序实现存放在主存中， 为了转向中断服务程序，关键要获得该服务程序的入口地址。获得中断服务程序的入口 地址依照中断方式的不同主要有以下两种方法：非向量中断非向量中断是指：CPU响应中断时只产生一个固定的地址，由此读取中断查询程序 的入口地址，然后转向查询程序并执行；通过软件查询方式，确定被优先批准的中断源， 然后获取与之对应的中断服务程序的入口地址，分支进入相应的中断服务程序。向量中断向量中

14、断是指：将各个中断服务程序的入口地址（包括状态字）组织成中断向量表； 响应中断时，由硬件直接产生对应于中断源的向量地址；按该地址访问中断向量表，从 中读取服务程序的入口地址，并由此转向服务程序。这种方式可以根据中断请求信号快 速地直接转向对应的中断服务程序。在获取了中断服务程序的入口地址之后，CPU就可转向程序运行状态，以开始执行 中断服务程序。整体的响应过程如图所示。中断响应过程中断处理当进入中断服务服务程序之后，CPU通过执行程序，按照中断请求的需要进行相应 的处理。如保护现场、开/关中断、多重中断与单级中断、恢复现场与返回等。对于单级中断，CPU相应后只处理一个中断源的请求，处理完毕后才

15、能响应新的中 断请求。而对于多重中断，在某次中断服务过程中，允许CPU响应处理更高级别的中断 请求。它们的具体处理流程如图所示。倒户现场辰蔽字、开中断I酣贩 II逐服务处理II具体服醐理II 卑断 II II恢夏现Xuy同a &I开中断、矣回一|I 开中断、返回 I单级中断处理流程多重中断处理流程3.3本章小结本章介绍了中断控制器的总体设计和各个功能模块的设计。第四章中断控制器的实现4.1开发环境介绍PC机一台，装有VS2010O4.2主要功能模块的实现数据结构：中断开关bool IF中断请求信号class INTRpublic:string Source;中断源int Time;中断执行时间

16、int PRI;中断优先级中断请求：中断请求采用按键盘中断的方式。中断屏蔽判断IF的值，IF为0时关中断，IF为1时开中断。只有在运行系统时才允许 开关中断。比较当前运行程序与中断请求优先级，如中断请求优先级高于当前程序，则执 行中断程序，反之屏蔽中断。代码：主函数：int main()srand(time(0);string c_in;int n_in;cout* endl;coutendl 开中断在中断源处输入OPEN;coutendl关中断在中断源处输入CLOSE;coutendl(任意键继续)endlendl;cout* endl;getch();system(cls)；while(1

17、)Display();if (kbhit()CleanKB();/用于清除键盘缓冲区cout* endl;coutendl输入中断源和运行时间endlendl;coutc_in;开关中断if(c_in = OPEN” | | c_in = CLOSE)if (c_in = OPEN)IF = 1;system(cls);cout*endl;coutendl开中断成功！ endlendl;cout*endl;Sleep(1000);system(cls);elseIF = 0;system(cls);cout*endl;coutendl关中断成功！ endlendl;cout*endl;Slee

18、p(1000);system(cls);continue;coutn_in;判断是否开中断if(IF = 0)system(cls)；cout*endl;coutendl系统为关中断状态！;coutendl 不能响应中断！ endlendl;cout*endl;Sleep(1000);system(cls)； continue;建立中断请求信号INTR t(c_in, n_in, RandInt(1,10)/ 随机产生 110 的优先级coutendl;cout* endl;Sleep(500);system(cls)；/中断Break(t);return 0;中断函数：void Break(

19、INTR &t)string c_in;int n_in;cout* endl;coutendl 开始执行中断程 序zendlendl;cout* 0; t.Time-) if (kbhit()CleanKB();/用于清除键盘缓冲区建立中断请求信号cout* endl;coutendl输入中断源和运行时间endlendl;coutc_in;coutn_in;coutendl;cout* endl;Sleep(500);system(cls)；INTR t2(c_in, n_in, RandInt(1,10)/随机产生 110的优先级中断判优if (Higher(t2, t)执行中断Break

20、(t2);elsecout*endl;coutendl中断程序优先级低于当前程序！；coutendl 不能响应中断！ endlendl;cout*endl;Sleep(1000);system(cls)；cout*endl;cout中断程序正在执行.endl;cout (按任意键中断)endl;cout 中断源：t.Sourceendl 剩余时间：t.Timeendl;cout 优先级：t.PRIendl;cout*endl;Sleep(1000);system(cls);cout* endl;coutendl继续执行中断前程 序 endlendl;cout* b.PRI;工具函数：用于产生i-j的随机数。在随机生成中断优先级时用到。int RandInt(int i, int j)return rand()%(j+i-1)+i;由于使用kbhit()函数判断是否中断，此用于清除键盘缓冲区。void CleanKB()/用于清除键盘缓冲区while(kbhit()getch();4.3本章小结本章详细介绍了开发环境、中断控制器的各个功能和详细实现。第五章测试及成果展示5.1测试环境PC机一台，装有VS2010O5.2测试用例和结果此时系统允许中断。测试关中断功能：C:Windows输入中断源和运行时间中断源：CLOSE关中断成功，此时IF为0,不能响应中断