外中断 | Zobin

⚠ 转载请注明出处：作者：ZobinHuang，更新日期：July 17 2021

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    Section 1. 外中断：展示了外中断的概念和类型
        1.1 概念：阐述了 CPU 外中断的概念
        1.2 可屏蔽中断：解释了可屏蔽外部中断的概念，并且解释了 CPU 可以屏蔽该类中断的原理
        1.3 不可屏蔽中断：解释了不可屏蔽外部中断的概念和原理

    Section 2. BIOS 处理键盘中断和磁盘中断的过程：以 BIOS 的键盘中断和磁盘中断为例，体会了 8086 CPU 处理外部中断的过程
        2.1 BIOS 键盘中断 int 9 例程: 处理键盘输入：展示了 8086 处理键盘输入中断的过程
        2.2 BIOS 键盘中断 int 16h 例程: 处理键盘缓冲区：展示了 8086 处理键盘缓冲区数据的过程
        2.3 BIOS 磁盘中断 int 13h 例程: 对磁盘进行读写：展示了 8086 处理磁盘读取中断的过程

1. 外中断

1.1 概念

在内中断一文中我们介绍了来自 CPU 自己内部运行的指令产生的中断。除此之外，CPU 还必须能够 handle 来自外设接口芯片发出的中断。外设芯片可以向 CPU 发出中断信息，这类来自外部设备的中断被统称为 外中断。

外设接口芯片什么时候会触发外中断呢？我们在端口一文中知道了 CPU 与外设接口芯片交互的方式是通过端口。当外部设备产生新的数据后，会把数据放到设备上的存储器或者端口上，然后就会通过中断 CPU 来使能 CPU 读取这些新数据并且进行处理。

外中断可以分为以下两类：

1.2 可屏蔽中断

顾名思义，可屏蔽中断就是 CPU 可以不响应的外部中断。CPU 响不响应一个外部中断，根据的是标志寄存器中的 IF(Interrupt Flag) 来决定的。如果 IF=1，则 CPU 在执行完当前的指令后响应外部中断；如果 IF=0，则 CPU 则忽略外部中断。

可屏蔽中断引发的中断过程如下所示：

从数据总线上获取中断类型码 n
标志寄存器入栈，IF=0, TF=0
CS, IP 寄存器入栈
IP=n*4, CS=n*4+2

回顾我们在内中断一文中描述的内部中断的引发过程，我们会看到有一个 "IF=0 TF=0" 的过程。在上面的可屏蔽中断过程中我们也看到了一样的操作，此时我们就能理解，把 IF 复位的原因就是在进入中断处理程序之后，禁止其他的可屏蔽中断。

当我们在中断处理程序中需要恢复对可屏蔽中断的响应的时候，我们应该使用 "sti" 指令来设置 IF=1，类似的我们也有指令 "cti" 指令来设置 IF=0。

1.3 不可屏蔽中断

顾名思义，此类中断就是不论 IF 标志位是置位状态还是复位状态，CPU 都必须响应的一类中断。不可屏蔽中断的中断类型码固定为 2，所以在中断的过程中不需要取类型码，因此不可屏蔽中断的中断过程为：

标志寄存器入栈，IF=0, TF=0
CS, IP 寄存器入栈
IP=n*4, CS=n*4+2

2. BIOS 处理键盘中断和磁盘中断的过程

2.1 BIOS 键盘中断 int 9 例程: 处理键盘输入

键盘的编码原理

纯粹觉得好玩，这里研究一下键盘输入是如何被编码的。

当有按键被按下或者被松开时，键盘都会产生一个扫描码 (scan code)。按下时产生的扫描码被称为通码，松开时产生的扫描码被称为断码。扫描码的长度为一个字节，对于同一个按键的通码和断码，其低 7 位是完全相等的，区别就在于第 8 位：通码第 8 位为 0，断码第 8 位为 1。于是有这样的关系：断码 = 通码 + 80H。

键盘上常见按键的通码如下所示，断码采用上面给出的关系即可以计算出来。

键盘的输入默认是到达 60H 端口。当有键盘数据输入，并且数据存储在 60H 端口时，键盘接口芯片会发出中断类型码为 9 的可屏蔽中断。CPU 收到中断之后，如果 IF 为 1，则就会响应中断。BIOS 提供了 int 9 号中断如下：

读取 60H 端口的扫描码
如果是普通字符键的扫描码，则放入内存中的 BIOS 键盘缓冲区 (i.e. 一个环形队列)；如果是控制按键 (e.g. Ctrl) 或者切换键(e.g. CapLock)，则修改内存中相应的存储状态的字节单元。

比如，当按下 "A" 键时，CPU 检测到此时只有 "A" 键按下，没有其它控制按键按下，因此就向 BIOS 键盘缓冲区中写入 "A" 键的扫描码 1EH 和对应字母 "a" 的 ASCII 码 61H 的组合 1E61。

当按下 "Shift" 键时，CPU 检测到 "Shift" 键是一个功能按键，因此转而置位 0040:17 处的状态字节的第一位，代表 "shift" 按键被按下的状态。

此时再按下 "A" 键时，CPU 检测到此时 "A" 键按下且 "shift" 按键状态置位，因此就向 BIOS 键盘缓冲区中写入 "A" 键的扫描码 1EH 和对应字母 "A" 的 ASCII 码 41H 的组合 1E41。

当松开 "Shift" 键时，CPU 检测到 "Shift" 键是一个功能按键，因此转而复位 0040:17 处的状态字节的第一位，代表 "shift" 按键被松开的状态。

此时再按下 "A" 键时，CPU 检测到此时只有 "A" 键按下，没有其它控制按键按下，因此就向 BIOS 键盘缓冲区中写入 "A" 键的扫描码 1EH 和对应字母 "a" 的 ASCII 码 61H 的组合 1E61。

2.2 BIOS 键盘中断 int 16h 例程: 处理键盘缓冲区

在BIOS 提供给程序员的 16h 中断例程中，最重要的就是 0 号功能：从键盘缓冲区读取最早的一个输入，并且将其从缓冲区中删除。也即，运行以下指令：

1 2	mov ah, 0 int 16h

上面指令的效果就是：(1) 如果 BIOS 键盘缓冲区中有数据，则就会把数据读取到 AL 和 AH 寄存器中，其中 AL 存储 ASCII 码，AH 存储扫描码，并且将键盘缓冲区中的相应数据删除。 (2) 如果 BIOS 键盘缓冲区中没有数据，则该中断处理程序阻塞，知道有数据到来为止。

2.3 BIOS 磁盘中断 int 13h 例程: 对磁盘进行读写

HDD 的硬件原理

还是纯粹觉得好玩，这里研究一下机械硬盘的结构。

如上图所示，磁盘实际上由多个磁盘面 (platter) 组成。在每个磁盘面中由从里到外的若干条磁道 (track) 组成。根据硬盘的规格不同，磁道数可以从几百到成千上万不等。最外圈的磁道是0号磁道，向圆心增长依次为1磁道, 2磁道, ...。磁盘的数据存放就是从最外圈开始的。每个磁道可以存储数 Kb 的数据。在每条磁道中，又可以分为若干个扇区 (sector)。现在每个扇区可存储 512 Bytes 数据已经成了业界的约定。我们又把位于不同磁盘面的具有相同编号 (i.e. 位置相同) 的磁道称为柱面 (cylinder)。

需要注意的是，磁盘读写数据是按柱面进行的，磁头读写数据时首先在同一柱面内从 0 磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面(即磁头上)进行操作，只有在同一柱面所有的磁头全部读写完毕后磁头才转移到下一柱面。因为选取磁头只需通过磁盘控制器电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。数据的读写是按柱面进行的，而不是按盘面进行，所以把数据存到同一个柱面是很有价值的。

在本节的例程中，我们来看看软盘的读写汇编原理，时代的眼泪 :-)

软盘与 HDD 类似，不同的是它只有两个盘面 (i.e. 上下两面)，每面有 80 个磁道，每个磁道有 80 个扇区，每个扇区的大小同样为 512 Bytes。

BIOS 提供了 13H 中断例程用于访问磁盘。我们下面以读入数据为例，展示入口参数如下所示：

寄存器	含义
AH	int 13H 的功能号 (2 表示功能为读入扇区)
AL	读取的扇区数
CH	磁道号
CL	扇区号
DH	磁头号 (i.e. 面号)
DL	驱动器号 (i.e. 选择驱动器)
ES:BX	指向接收从扇区读入数据的内存区

返回值如下所示：

寄存器	含义
AH	操作成功时为 0；操作失败时存储出错代码
AL	操作成功时，存储读入的扇区数

通过下面的代码，我们就能够通过 13H BIOS 中断来读取数据。

# 设置数据在内存中的存储位置
mov ax, 0     
mov es, ax
mov bx, 200H

# 设置入口参数
mov al, 1 # 读取的扇区数
mov ch, 0 # 读取的磁道号
mov cl, 1 # 读取的起始扇区号
mov dl, 0 # 读取的驱动器号
mov dh, 0 # 读取的磁头号

# 触发中断
mov ah, 2 # 设置中断功能号为 2
int 13h   # 触发中断

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HDD 的硬件原理