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final-exam/接口与通讯技术/复习文档/8259A中断控制器.md
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接口与通讯技术
8259A
中断控制器
可编程芯片
2026-06-26 23:05

8259A 中断控制器

概述

8259A 是 Intel 公司生产的可编程中断控制器（Programmable Interrupt Controller, PIC），在全部 4 套试卷中均有出现。它负责管理和控制 8086 系统中的外部中断请求，支持 8 级优先级中断，可通过级联扩展至最多 64 级。本芯片的知识点主要集中在 初始化命令字（ICW）编写、中断响应过程 和 优先级管理 三个方面。

[!tip] 考试要点

  • ICW 写入顺序：ICW1 → ICW2 → ICW3（可选）→ ICW4（可选）
  • ICW2 与中断类型码的计算：高 5 位由程序员设定，低 3 位自动对应 IR0~IR7
  • 中断响应时序：两个 INTA 脉冲期间 8259A 分别执行什么操作
  • OCW2 EOI 命令的发送方式和端口
  • 全嵌套方式的优先级规则和适用场景
  • 级联系统的中断级数和 ICW3 设置

正文

1. 8259A 的核心功能

graph TB
    A["IR0～IR7 中断请求输入"] --> B["8259A"]
    B -- "INT 输出" --> C["CPU"]
    C -- "INTA 响应" --> B
    B -- "中断类型码" --> C
    D["优先级判别器 PR"] <--> B
    E["中断屏蔽寄存器 IMR"] <--> B
    F["中断服务寄存器 ISR"] <--> B
    G["中断请求寄存器 IRR"] <--> B
寄存器 缩写 位数 功能说明
中断请求寄存器 IRR 8 位 记录哪些 IR 引脚有pending的中断请求，某位 = 1 表示对应 IRi 有未响应的请求
中断屏蔽寄存器 IMR 8 位 某位 = 1 则屏蔽对应 IR 的中断请求（通过 OCW1 设置），= 0 则允许
中断服务寄存器 ISR 8 位 记录当前正在被 CPU 服务的中断源，用于嵌套管理；中断服务完成后需清除
优先级判别器 PR — 从 IRR 中未被 IMR 屏蔽的请求里选出最高优先级的中断

[!question] IRR、IMR、ISR 三者如何协作完成一次中断响应？

  1. 外设在 IRi 引脚产生中断请求 → IRR 对应位置 1
  2. 8259A 将 IRR 与 IMR 做按位与运算：某位 = IMR 该位的值 → 该请求被屏蔽，不可响应
  3. 未被屏蔽的请求送入 PR 进行优先级判别，选出的最高优先级候选与 ISR 比较
  4. 若候选优先级高于 ISR 中所有正在服务的中断，则 8259A 向 CPU 发出 INT 信号
  5. CPU 响应后给出两个 INTA 脉冲 → 第一个 INTA 将 ISR 对应位置 1、IRR 对应位清 0；第二个 INTA 将中断类型码送上数据总线

2. 端口地址

8259A 有两个端口地址，取决于总线地址线 A0 的值：

A0 端口用途 最小系统中地址
0 偶地址端口 — 写 ICW1、OCW2、OCW3；读 ISR / IRR 20H
1 奇地址端口 — 写 ICW2、ICW3、ICW4、OCW1 21H

[!info] 端口地址记忆法

  • A0 = 0 → 偶地址 → 20H（"偶"和"零"都联想为偶数）
  • A0 = 1 → 奇地址 → 21H（比 20H 大 1，刚好对应 A0=1）
  • 最小系统中 8259A 的端口就是 20H/21H，考试默认使用此地址

3. 初始化命令字（ICW）

8259A 上电后必须通过 ICW 完成初始化，必须按顺序写入，每个命令字占一个 I/O 写周期：

graph LR
    A["ICW1\n(偶地址端口 A0=0)"] --> B{"ICW1 的 D1 SNGL"}
    B -- "0: 级联模式" --> C["ICW2\n(奇地址端口)"]
    B -- "1: 单片模式" --> C
    C --> D["ICW3\n(仅级联时写)"]
    D --> E["ICW4\n(按需)"]
    E --> F["初始化完成"]

ICW1（偶地址端口，A0=0）

D7 D6 D5  D4  D3        D2         D1        D0
[ Don't Care ] 1  LTIM: 0=边沿触发 1=电平触发   SNGL: 0=级联 1=单片    IC4: 0=不需ICW4 1=需ICW4
位 符号 含义 说明
D4 — 固定为 1 这是识别 ICW1 的标志位，若 D4=0 则视为 OCW 而非 ICW
D3 LTIM 触发方式 0 = 边沿触发（IR 上升沿有效）；1 = 电平触发（IR 高电平有效）
D2 SNGL 级联标志 0 = 多片级联（后续需要写 ICW3）；1 = 单片系统（不写 ICW3）
D0 IC4 ICW4 标志 0 = 不需要 ICW4（默认工作在 8080/8085 模式）；1 = 需要 ICW4（8086 模式下必须写）

[!example] ICW1 计算示例 要求：边沿触发、级联方式、需要 ICW4

  • D4 固定 = 1
  • LTIM = 0（边沿触发）
  • SNGL = 0（级联）
  • IC4 = 1（需要 ICW4）
  • D7~D5 可填 0

ICW1 = 0001 0001B = 11H

ICW2（奇地址端口，A0=1）

ICW2 提供 中断类型码的高 5 位（T7T3），低 3 位（T2T0）由 8259A 根据请求来源自动填入。

D7 D6 D5 D4 D3     D2 D1 D0
 T7 T6 T5 T4 T3   固定为 0 (IR 编码会自动填充)

中断类型码的计算公式：


\text{类型码} = \text{ICW2}_{[7:3]} \times 2^3 + \text{IR编号}

即：ICW2 高 5 位左移 3 位，再加上 IR 引脚号（0~7）。

[!example] ICW2 计算示例

例 1：IR0IR7 对应中断类型码 80H87H

  • 80H = 1000 0000B，高 5 位 = 10000
  • ICW2 = 80H
  • 验证：IR0 → 80H, IR1 → 81H, ..., IR7 → 87H ✓

例 2：IR0IR7 对应中断类型码 20H27H

  • 20H = 0010 0000B，高 5 位 = 00100
  • ICW2 = 20H

例 3：IR0IR7 对应中断类型码 48H4FH

  • 48H = 0100 1000B，高 5 位 = 01001
  • ICW2 = 90H （注意：取高 5 位而不是取原字节！48H 的高 5 位是 01001 = 9H，所以 ICW2 = 90H）

[!warning] 易错点 ICW2 的值不等于第一个中断类型码！ICW2 只保留高 5 位，低 3 位填 0。例如要分配 48H~4FH，ICW2 = 90H（不是 48H）。这是因为低 3 位由 IR 编号自动填入。

ICW3（奇地址端口，仅级联时需要）

ICW3 在主片和从片中有不同含义：

  • 主片 ICW3：每位对应一个 IR 引脚，某位 = 1 表示该 IR 引脚连接了从片的 INT 输出
    • 例如 IR2 和 IR5 各接一个从片 → 主片 ICW3 = 0010 0100B = 24H
  • 从片 ICW3：低 3 位表示从片的 INT 接到主片的哪个 IR 引脚（即从片的 ID 编号）
    • 例如从片接到主片 IR2 → 从片 ICW3 = 0000 0010B = 02H

[!example] 一主二从级联的 ICW3 设置

  • 主片 IR2 接从片 1，IR5 接从片 2
  • 主片 ICW3 = IR2 + IR5 = 0010 0100B = 24H
  • 从片 1 ICW3 = 2（接到主片 IR2）= 02H
  • 从片 2 ICW3 = 5（接到主片 IR5）= 05H

ICW4（奇地址端口，按需）

D7 D6 D5  D4         D3        D2          D1       D0
 0  0  0  SFNM:      BUF:      M/S:        uPM:    (保留=0)
             0=普通    0=非缓冲 0=从片       0=8080/8085
             1=特殊全嵌套 1=缓冲   1=主片     1=8086/8088
位 符号 含义
D4 SFNM Special Fully Nested Mode，特殊全嵌套方式。当系统中有多片 8259A 级联且其中一片本身也有子级联时使用，该片的 ISR 允许同级中断嵌套
D3 BUF Buffer Flag，缓冲模式标志。= 1 表示系统使用缓冲区（通常配合 82283 收发器），此时需结合 M/S 位决定选择器；= 0 为非缓冲直接连接
D2 M/S Master/Slave，仅当 BUF=1 时有效。= 1 为主片（选择器输出使能）；= 0 为从片
D0 uPM Unified Protected Mode，CPU 模式。= 1 表示 8086/8088 模式（自动 EOI 禁用）；= 0 表示 8080/8085 模式

[!warning] 8086 系统中 ICW4 必须写 8086/8088 系统下，ICW4 的 D0 = uPM = 1 是必须的。考试中常见最小初始化序列为：ICW1 → ICW2 → ICW4（跳过 ICW3）。

[!example] ICW4 计算示例 要求：8086 模式，非缓冲方式

  • D7~D5 = 000
  • SFNM = 0（普通模式）
  • BUF = 0（非缓冲）
  • M/S = 0（不考虑，BUF=0 时无效）
  • uPM = 1（8086 模式）
  • D0 = 0（保留位）

ICW4 = 0000 0010B = 02H

要求：8086 模式，缓冲方式，主片

  • BUF = 1, M/S = 1, uPM = 1
  • ICW4 = 0000 1110B = 0EH

4. 操作命令字（OCW）

OCW 在初始化完成后、系统运行过程中根据需要写入，可随时修改：

OCW 端口 可读写 功能
OCW1 奇地址 (A0=1) 仅写 设置中断屏蔽字，直接写入 IMR。某位 = 1 屏蔽对应中断
OCW2 偶地址 (A0=0) 仅写 控制中断结束方式和优先级轮换策略
OCW3 偶地址 (A0=0) 读写 查询 RR/RIS 状态、设置特殊屏蔽方式

OCW2 — EOI 命令

D7 D6 D5  D4 D3   D2    D1   D0
  0  0  R  SL  EOI  (reserved)

三种常用操作：

操作 D1 D0 D2 说明 示例值
普通 EOI xx 0 置 EOI=1, R=SL=0 → 清除 ISR 中优先级最高的位 20H
特殊 EOI 0x 1 置 EOI=1, R=0, SL=1 → 指定清除 ISR 中 IRk 对应的位（k 由 D4~D2 指定） C0H（清除 IR0）
优先级自动循环 10 0 设 R=1, SL=0, EOI=0 → 服务完后最高优先级降为最低，次高变为最高 A0H

[!info] EOI 命令怎么发？ OCW2 写入偶地址端口（最小系统 = 20H）。在中断服务程序末尾发送 EOI 以通知 8259A 该中断处理完毕：

MOV AL, 20H    ; 普通 EOI
OUT 20H, AL    ; 发送到偶地址端口

[!question] 为什么要发送 EOI？ 发送 EOI 后，8259A 会将 ISR 中对应中断源的位清 0。不清 0 的话，8259A 认为该中断仍在服务，不会响应相同或更低优先级的中断。只有在自动 EOI 模式（某些特定配置下）才不需要手动发送 EOI。

OCW3 — 特殊屏蔽方式和读命令

OCW3 的功能较多样：

  • 设置特殊屏蔽方式（ESMM = 1）：某位 = 1 时进入特殊屏蔽方式，此时 IMR 的该位 = 1 允许同级别中断嵌套（只屏蔽比当前低的）
  • 设置 RR/RIS 读取命令：RR=1 时，下一个 INTA 脉冲读出 ISR（RR=1, RIS=1）或 IRR（RR=1, RIS=0）的内容
  • 查询 polled 命令：用于轮询方式查找最高优先级挂起中断

5. 中断响应过程

sequenceDiagram
    participant P as "外设"
    participant I as "8259A"
    participant C as "CPU"
    P->>I: "IRi 引脚产生中断请求"
    Note over I: "IRR[i] = 1"
    Note over I: "PR 判别优先级"
    I->>C: "INT = 1 (向 CPU 发中断请求)"
    C->>I: "第一个 INTA 脉冲"
    Note over I: "ISR[i] = 1<br/>IRR[i] = 0<br/>8259A 锁存当前优先级"
    C->>I: "第二个 INTA 脉冲"
    I->>C: "中断类型码 N 送上数据总线"
    Note over C: "CPU 读类型码 N"
    Note over C: "向量地址 = N × 4"
    C->>C: "从向量表读取 CS:IP<br/>转去执行中断服务程序"

[!warning] 两个 INTA 脉冲的作用截然不同

  • 第一个 INTA：8259A 内部操作 —— 将被响应当前中断置入 ISR、从 IRR 中清除对应位，并锁定当前优先级以防止同级中断干扰。此时 CPU 尚未获取类型码。
  • 第二个 INTA：8259A 将锁存的中断类型码（已拼接好的完整 8 位类型码）放到数据总线上供 CPU 读取。

6. 中断向量表

8086 的中断向量表位于内存最低地址 00000H ~ 003FFH（共 1KB），可存放 256 个中断向量（每个向量 4 字节）。

中断向量地址计算公式：


\text{向量地址} = \text{中断类型号} \times 4

每个向量占 4 字节，布局为：低 2 字节 = IP（偏移地址），高 2 字节 = CS（段地址）。

向量地址 存储内容 说明
N×4 IP 低字节 跳转目标偏移
N×4+1 IP 高字节
N×4+2 CS 低字节 跳转目标段
N×4+3 CS 高字节

[!example] 中断向量表地址计算

例：中断类型码为 80H，其向量存放在哪里？

  • 向量地址 = 80H × 4 = 10000000₂ × 4 = 200H
  • 向量存放在 00000H + 200H = 00200H ~ 00203H 四个字节
  • 00200H = IP 低字节, 00201H = IP 高字节, 00202H = CS 低字节, 00203H = CS 高字节

7. 优先级管理方式

方式 特点 优先级变化 配置方法
固定优先级（默认，全嵌套） IR0 最高 → IR7 最低，永远不变 无变化 默认工作模式
自动优先级轮换 服务完的中断降为最低，原来的最低升到最高 循环移动 OCW2 = A0H（编程旋转）
特殊全嵌套 允许同级中断嵌套，用于级联系统中主片 无变化 ICW4 的 SFNM=1
特殊屏蔽方式 临时屏蔽当前优先级，只允许更低优先级中断 按需切换 OCW3 设置 ESMM + SIM

[!question] 全嵌套方式下，IRQ5 正在服务，哪些中断可以打断它？ 答：只有优先级更高的 IRQ0 ~ IRQ4 可以打断 IRQ5。IRQ6 和 IRQ7 优先级低于 IRQ5，必须等待 IRQ5 服务完成（发送 EOI 清除 ISR[5]）后，才能被调度。即使 IRQ6/IRQ7 没有被 IMR 屏蔽，也不会响应。

[!info] 全嵌套 vs 特殊全嵌套

  • 全嵌套（固定优先级）：不同优先级之间可以嵌套，但同级不能嵌套
  • 特殊全嵌套（SFNM=1）：同全嵌套一样默认不同级可嵌套，但通过 OCW3 可将某个中断设为特殊屏蔽，允许同级中断抢占——这在级联系统的从片中很重要（从片内部可能还需要处理多个同级子中断）

8. 级联扩展

配置 中断级数 IR 端口占用 说明
单片 8259A 8 级 8 IR0~IR7 均直接使用
一主一从级联 15 级 8 + 7 = 15 从片占用主片 1 个 IR（8+8-1=15）
一主二从级联 22 级 8 + 7 + 7 = 22 两个从片各占用主片 1 个 IR
四片级联（1主3从） 29 级 8 + 7×3 = 29 最多扩展到 64 级（4 片 8259A）

[!info] 为什么是 8n-1 而不是 8n？ 每增加一片从片，需要占用主片（或上级从片）的一个 IR 端口来传递从中继而来的中断请求，因此实际可用的中断级数 = 8×N - (N-1) = 7N + 1，其中 N 为 8259A 片数。第一片贡献 8 级，之后每加一片净增 7 级。

9. 典型初始化程序

以下是一个完整的初始化示例（最小系统，8086 模式）：

; ============================================================
; 8259A 初始化程序（最小系统）
; 端口地址：20H（偶地址，A0=0），21H（奇地址，A0=1）
; 条件：边沿触发、单片、中断类型码 80H~87H、8086 模式
; ============================================================

    MOV AL, 11H        ; ICW1: 边沿触发(LTIM=0), 单片(SNGL=1), 需ICW4(IC4=1)
                       ; 0001 0001B = 11H
    OUT 20H, AL        ; 写入偶地址端口

    MOV AL, 80H        ; ICW2: 中断类型码基址 = 80H（高5位=10000）
    OUT 21H, AL        ; 写入奇地址端口
                       ; IR0→80H, IR1→81H, ..., IR7→87H

    MOV AL, 02H        ; ICW4: 8086模式(uPM=1), 非缓冲
                       ; 0000 0010B = 02H
    OUT 21H, AL        ; 写入奇地址端口

    ; ---- 初始化完成 ----
    ; 此时 IMR = 00H（复位默认值），所有中断开放

中断服务程序模板

INT_ISR PROC FAR
    PUSH AX              ; 保护现场
    PUSH BX
    PUSH CX
    PUSH DX
    PUSH DS

    ; ---- 中断处理逻辑 ----
    ; ... 具体处理代码 ...

    MOV AL, 20H          ; 普通 EOI 命令
    OUT 20H, AL          ; 发送到 8259A（偶地址端口）

    POP DS               ; 恢复现场
    POP DX
    POP CX
    POP BX
    POP AX
    IRET                 ; 中断返回（从栈中恢复 CS:IP 和 FLAGS）
INT_ISR ENDP

[!info] IRET vs RET 的区别

  • RET：普通子程序返回，只弹出 IP
  • IRET：中断返回，依次弹出 IP → CS → FLAGS，恢复中断前的完整上下文

10. 考试综合例题

[!example] 【真题型】设计 8259A 初始化程序

题目：某 8086 系统中使用单片 8259A，端口地址 20H/21H，要求：

  • 边沿触发
  • 中断类型码起始于 70H
  • 工作在 8086 模式
  • 初始化后允许所有中断

解答：

    MOV AL, 70H        ; ICW2: 中断类型码基址 = 70H（高 5 位 = 01110）
                       ; IR0→70H, IR1→71H, ..., IR7→77H
    OUT 21H, AL

    MOV AL, 02H        ; ICW4: 8086 模式 (uPM=1), 非缓冲
    OUT 21H, AL

    MOV AL, 00H        ; OCW1: 不屏蔽任何中断（所有中断开放）
    OUT 21H, AL

[!tip] ICW2 取值要点 ICW2 的值就是 IR0 对应的中断类型码。例如题目要求中断类型码从 70H 开始，ICW2 直接设为 70H 即可。这是因为 ICW2 的高 5 位构成类型码的高 5 位，低 3 位自动为 0，恰好对应 IR0（编号为 0）。

[!question] 【综合题】多片级联系统初始化

题目：某 8086 系统采用一主两从级联方式，端口地址 20H/21H，要求：

  • 边沿触发
  • 主片 IR2 接从片 1，IR5 接从片 2
  • 所有芯片中断类型码分别起始于 40H、50H、60H
  • 工作在 8086 模式、缓冲方式

解答：

主片初始化：

    MOV AL, 13H        ; ICW1: 边沿(0), 级联(0), 需ICW4(1) → 0001_0011B = 13H
    OUT 20H, AL
    MOV AL, 40H        ; ICW2: 主片类型码基址 = 40H
    OUT 21H, AL
    MOV AL, 24H        ; ICW3: IR2+IR5 = 0010_0100B = 24H
    OUT 21H, AL
    MOV AL, 0EH        ; ICW4: 8086模式(uPM=1), 缓冲(BUF=1), 主片(M/S=1) = 0000_1110B = 0EH
    OUT 21H, AL

从片 1 初始化：

    MOV AL, 11H        ; ICW1: 边沿(0), 单片(1), 需ICW4(1) = 0001_0001B = 11H
    OUT 20H, AL
    MOV AL, 50H        ; ICW2: 从片1类型码基址 = 50H
    OUT 21H, AL
    MOV AL, 02H        ; ICW3: 接主片IR2 → ID=2 = 00H
    OUT 21H, AL
    MOV AL, 0AH        ; ICW4: 8086模式, 缓冲, 从片(M/S=0) = 0000_1010B = 0AH
    OUT 21H, AL

从片 2 初始化：

    MOV AL, 11H        ; ICW1: 同从片1
    OUT 20H, AL
    MOV AL, 60H        ; ICW2: 从片2类型码基址 = 60H
    OUT 21H, AL
    MOV AL, 05H        ; ICW3: 接主片IR5 → ID=5 = 05H
    OUT 21H, AL
    MOV AL, 0AH        ; ICW4: 8086模式, 缓冲, 从片(M/S=0) = 0AH
    OUT 21H, AL

[!info] 解题思路

  1. 先确认级联方式 → SNGL=0 → 需要 ICW3
  2. 确定 ICW2 = 各芯片中断类型码的起始值（IR0 对应的类型码）
  3. 主片 ICW3 = 连接从片的 IR 引脚编号之和
  4. 从片 ICW3 = 连接到主片的 IR 引脚编号（即自身 ID）
  5. 缓冲模式下，ICW4 中 BUF=1，M/S 区分主从片

[!question] 【选择题风格】8259A 在最小系统中的端口地址是多少？ A) 20H/21H B) 22H/23H C) 28H/29H D) 30H/31H

答：A) 20H/21H。这是标准答案，考试默认使用该地址。

附录：快速复习卡

[!summary] 核心口诀

  • ICW 顺序记心中：ICW1 → ICW2 → ICW3(级联) → ICW4(8086必写)
  • 奇偶分清单又明：偶地址(20H)写 ICW1/OCW2/OCW3，奇地址(21H)写 ICW2/3/4 和 OCW1
  • ICW2 高位我设定：高 5 位自己填，低 3 位自动对应 IR 号
  • EOI 必须手动发：OCW2=20H 送 20H，别忘写在 ISR 末尾
  • 全嵌套高低分明：IR0 永远最高，IR7 永远最低

关联笔记

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