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tags:
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- 接口与通讯技术
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- 8259A
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- 中断控制器
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- 可编程芯片
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create time: 2026-06-26 23:05
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# 8259A 中断控制器
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## 概述
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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。
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> [!tip] 考试要点
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> - **ICW 写入顺序**：ICW1 → ICW2 → ICW3（可选）→ ICW4（可选）
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> - **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
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> - **中断响应时序**：两个 INTA 脉冲期间 8259A 分别执行什么操作
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> - **OCW2 EOI 命令**的发送方式和端口
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> - **全嵌套方式**的优先级规则和适用场景
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> - **级联系统**的中断级数和 ICW3 设置
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## 正文
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### 1. 8259A 的核心功能
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```mermaid
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graph TB
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A["IR0～IR7 中断请求输入"] --> B["8259A"]
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B -- "INT 输出" --> C["CPU"]
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C -- "INTA 响应" --> B
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B -- "中断类型码" --> C
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D["优先级判别器 PR"] <--> B
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E["中断屏蔽寄存器 IMR"] <--> B
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F["中断服务寄存器 ISR"] <--> B
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G["中断请求寄存器 IRR"] <--> B
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```
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| 寄存器 | 缩写 | 位数 | 功能说明 |
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|--------|------|:----:|------|
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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> [!question] IRR、IMR、ISR 三者如何协作完成一次中断响应？
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> 1. 外设在 IRi 引脚产生中断请求 → **IRR** 对应位置 1
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> 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
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> 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
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> 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
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> 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
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### 2. 端口地址
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8259A 有两个端口地址，取决于总线地址线 **A0** 的值：
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| A0 | 端口用途 | 最小系统中地址 |
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|----|----------|:--------------:|
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| 0 | **偶地址端口** — 写 ICW1、OCW2、OCW3；读 ISR / IRR | **20H** |
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| 1 | **奇地址端口** — 写 ICW2、ICW3、ICW4、OCW1 | **21H** |
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> [!info] 端口地址记忆法
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> - A0 = 0 → 偶地址 → 20H（"偶"和"零"都联想为偶数）
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> - A0 = 1 → 奇地址 → 21H（比 20H 大 1，刚好对应 A0=1）
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> - 最小系统中 8259A 的端口就是 20H/21H，考试默认使用此地址
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### 3. 初始化命令字（ICW）
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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：
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```mermaid
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graph LR
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A["ICW1\n(偶地址端口 A0=0)"] --> B{"ICW1 的 D1 SNGL"}
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B -- "0: 级联模式" --> C["ICW2\n(奇地址端口)"]
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B -- "1: 单片模式" --> C
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C --> D["ICW3\n(仅级联时写)"]
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D --> E["ICW4\n(按需)"]
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E --> F["初始化完成"]
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```
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#### ICW1（偶地址端口，A0=0）
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```
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D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
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[ 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
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```
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| 位 | 符号 | 含义 | 说明 |
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|---|------|------|------|
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| D4 | — | **固定为 1** | 这是识别 ICW1 的标志位，若 D4=0 则视为 OCW 而非 ICW |
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| 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） |
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| 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） |
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| 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） |
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> [!example] ICW1 计算示例
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> **要求**：边沿触发、级联方式、需要 ICW4
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>
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> - D4 固定 = 1
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> - LTIM = 0（边沿触发）
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> - SNGL = 0（级联）
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> - IC4 = 1（需要 ICW4）
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> - D7~D5 可填 0
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>
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> ICW1 = `0001 0001B` = **11H**
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#### ICW2（奇地址端口，A0=1）
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ICW2 提供 **中断类型码的高 5 位**（T7~T3），低 3 位（T2~T0）由 8259A **根据请求来源自动填入**。
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```
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D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
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T7 T6 T5 T4 T3 固定为 0 (IR 编码会自动填充)
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```
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中断类型码的计算公式：
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$$
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\text{类型码} = \text{ICW2}_{[7:3]} \times 2^3 + \text{IR编号}
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$$
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即：ICW2 高 5 位左移 3 位，再加上 IR 引脚号（0~7）。
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> [!example] ICW2 计算示例
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>
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> **例 1**：IR0~IR7 对应中断类型码 80H~87H
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> - 80H = `1000 0000B`，高 5 位 = `10000`
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> - ICW2 = **80H**
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> - 验证：IR0 → 80H, IR1 → 81H, ..., IR7 → 87H ✓
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>
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> **例 2**：IR0~IR7 对应中断类型码 20H~27H
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> - 20H = `0010 0000B`，高 5 位 = `00100`
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> - ICW2 = **20H**
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>
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> **例 3**：IR0~IR7 对应中断类型码 48H~4FH
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> - 48H = `0100 1000B`，高 5 位 = `01001`
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> - 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）
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> [!warning] 易错点
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> 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。
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#### ICW3（奇地址端口，仅级联时需要）
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ICW3 在主片和从片中有不同含义：
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- **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
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- 例如 IR2 和 IR5 各接一个从片 → 主片 ICW3 = `0010 0100B` = **24H**
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- **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）
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- 例如从片接到主片 IR2 → 从片 ICW3 = `0000 0010B` = **02H**
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> [!example] 一主二从级联的 ICW3 设置
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>
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> - 主片 IR2 接从片 1，IR5 接从片 2
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> - 主片 ICW3 = IR2 + IR5 = `0010 0100B` = **24H**
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> - 从片 1 ICW3 = 2（接到主片 IR2）= **02H**
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> - 从片 2 ICW3 = 5（接到主片 IR5）= **05H**
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#### ICW4（奇地址端口，按需）
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```
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D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
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0 0 0 SFNM: BUF: M/S: uPM: (保留=0)
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0=普通 0=非缓冲 0=从片 0=8080/8085
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1=特殊全嵌套 1=缓冲 1=主片 1=8086/8088
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```
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| 位 | 符号 | 含义 |
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|---|------|------|
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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> [!warning] 8086 系统中 ICW4 必须写
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> 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）。
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> [!example] ICW4 计算示例
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> **要求**：8086 模式，非缓冲方式
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> - D7~D5 = 000
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> - SFNM = 0（普通模式）
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> - BUF = 0（非缓冲）
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> - M/S = 0（不考虑，BUF=0 时无效）
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> - uPM = 1（8086 模式）
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> - D0 = 0（保留位）
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>
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> ICW4 = `0000 0010B` = **02H**
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>
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> **要求**：8086 模式，缓冲方式，主片
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> - BUF = 1, M/S = 1, uPM = 1
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> - ICW4 = `0000 1110B` = **0EH**
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### 4. 操作命令字（OCW）
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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：
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| OCW | 端口 | 可读写 | 功能 |
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|-----|------|:------:|------|
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| **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 |
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| **OCW2** | 偶地址 (A0=0) | 仅写 | 控制中断结束方式和优先级轮换策略 |
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| **OCW3** | 偶地址 (A0=0) | 读写 | 查询 RR/RIS 状态、设置特殊屏蔽方式 |
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#### OCW2 — EOI 命令
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```
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D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
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0 0 R SL EOI (reserved)
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```
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三种常用操作：
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| 操作 | D1 D0 | D2 | 说明 | 示例值 |
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|------|:-----:|:--:|------|:------:|
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| **普通 EOI** | xx | 0 | 置 EOI=1, R=SL=0 → 清除 ISR 中优先级最高的位 | **20H** |
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| **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）|
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| **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** |
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> [!info] EOI 命令怎么发？
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> 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：
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> ```asm
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> MOV AL, 20H ; 普通 EOI
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> OUT 20H, AL ; 发送到偶地址端口
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> ```
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> [!question] 为什么要发送 EOI？
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> 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。
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#### OCW3 — 特殊屏蔽方式和读命令
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OCW3 的功能较多样：
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- **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）
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- **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
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- **查询 polled 命令**：用于轮询方式查找最高优先级挂起中断
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### 5. 中断响应过程
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant P as "外设"
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participant I as "8259A"
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participant C as "CPU"
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P->>I: "IRi 引脚产生中断请求"
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Note over I: "IRR[i] = 1"
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Note over I: "PR 判别优先级"
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I->>C: "INT = 1 (向 CPU 发中断请求)"
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C->>I: "第一个 INTA 脉冲"
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Note over I: "ISR[i] = 1<br/>IRR[i] = 0<br/>8259A 锁存当前优先级"
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C->>I: "第二个 INTA 脉冲"
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I->>C: "中断类型码 N 送上数据总线"
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Note over C: "CPU 读类型码 N"
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Note over C: "向量地址 = N × 4"
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C->>C: "从向量表读取 CS:IP<br/>转去执行中断服务程序"
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```
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> [!warning] 两个 INTA 脉冲的作用截然不同
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> - **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。
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> - **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。
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### 6. 中断向量表
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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）。
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中断向量地址计算公式：
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$$
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\text{向量地址} = \text{中断类型号} \times 4
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$$
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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）**。
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| 向量地址 | 存储内容 | 说明 |
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|---------|----------|------|
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| N×4 | IP 低字节 | 跳转目标偏移 |
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| N×4+1 | IP 高字节 | |
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| N×4+2 | CS 低字节 | 跳转目标段 |
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| N×4+3 | CS 高字节 | |
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> [!example] 中断向量表地址计算
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>
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> **例**：中断类型码为 80H，其向量存放在哪里？
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> - 向量地址 = 80H × 4 = `10000000₂` × 4 = **200H**
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> - 向量存放在 **00000H + 200H = 00200H ~ 00203H** 四个字节
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> - 00200H = IP 低字节, 00201H = IP 高字节, 00202H = CS 低字节, 00203H = CS 高字节
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### 7. 优先级管理方式
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| 方式 | 特点 | 优先级变化 | 配置方法 |
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|------|------|-----------|---------|
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| **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 |
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| **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） |
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| **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 |
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| **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 |
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> [!question] 全嵌套方式下，IRQ5 正在服务，哪些中断可以打断它？
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> 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**。
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> [!info] 全嵌套 vs 特殊全嵌套
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> - **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**
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> - **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）
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### 8. 级联扩展
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| 配置 | 中断级数 | IR 端口占用 | 说明 |
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|------|:--------:|------------|------|
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| 单片 8259A | **8 级** | 8 | IR0~IR7 均直接使用 |
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| 一主一从级联 | **15 级** | 8 + 7 = 15 | 从片占用主片 1 个 IR（8+8-1=15） |
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| 一主二从级联 | **22 级** | 8 + 7 + 7 = 22 | 两个从片各占用主片 1 个 IR |
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| 四片级联（1主3从） | **29 级** | 8 + 7×3 = 29 | 最多扩展到 64 级（4 片 8259A） |
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> [!info] 为什么是 8n-1 而不是 8n？
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> 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。
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### 9. 典型初始化程序
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以下是一个完整的初始化示例（最小系统，8086 模式）：
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```asm
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; ============================================================
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; 8259A 初始化程序（最小系统）
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; 端口地址：20H（偶地址，A0=0），21H（奇地址，A0=1）
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; 条件：边沿触发、单片、中断类型码 80H~87H、8086 模式
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; ============================================================
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MOV AL, 11H ; ICW1: 边沿触发(LTIM=0), 单片(SNGL=1), 需ICW4(IC4=1)
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; 0001 0001B = 11H
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OUT 20H, AL ; 写入偶地址端口
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MOV AL, 80H ; ICW2: 中断类型码基址 = 80H（高5位=10000）
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||
OUT 21H, AL ; 写入奇地址端口
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||
; IR0→80H, IR1→81H, ..., IR7→87H
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||
MOV AL, 02H ; ICW4: 8086模式(uPM=1), 非缓冲
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; 0000 0010B = 02H
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||
OUT 21H, AL ; 写入奇地址端口
|
||
|
||
; ---- 初始化完成 ----
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||
; 此时 IMR = 00H（复位默认值），所有中断开放
|
||
```
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||
|
||
#### 中断服务程序模板
|
||
|
||
```asm
|
||
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 ...
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|
||
MOV AL, 20H ; 普通 EOI 命令
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||
OUT 20H, AL ; 发送到 8259A（偶地址端口）
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|
||
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）
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INT_ISR ENDP
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> [!info] IRET vs RET 的区别
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> - **RET**：普通子程序返回，只弹出 IP
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> - **IRET**：中断返回，依次弹出 IP → CS → FLAGS，恢复中断前的完整上下文
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### 10. 考试综合例题
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> [!example] 【真题型】设计 8259A 初始化程序
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> **题目**：某 8086 系统中使用单片 8259A，端口地址 20H/21H，要求：
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> - 边沿触发
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> - 中断类型码起始于 70H
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> - 工作在 8086 模式
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> - 初始化后允许所有中断
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>
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> **解答**：
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> ```asm
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> MOV AL, 70H ; ICW2: 中断类型码基址 = 70H（高 5 位 = 01110）
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> ; IR0→70H, IR1→71H, ..., IR7→77H
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> OUT 21H, AL
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>
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> MOV AL, 02H ; ICW4: 8086 模式 (uPM=1), 非缓冲
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> OUT 21H, AL
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>
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> MOV AL, 00H ; OCW1: 不屏蔽任何中断（所有中断开放）
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> OUT 21H, AL
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> ```
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> [!tip] ICW2 取值要点
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> 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）。
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> [!question] 【综合题】多片级联系统初始化
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> **题目**：某 8086 系统采用一主两从级联方式，端口地址 20H/21H，要求：
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> - 边沿触发
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> - 主片 IR2 接从片 1，IR5 接从片 2
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> - 所有芯片中断类型码分别起始于 40H、50H、60H
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> - 工作在 8086 模式、缓冲方式
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>
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> **解答**：
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>
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> **主片初始化**：
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> ```asm
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> MOV AL, 13H ; ICW1: 边沿(0), 级联(0), 需ICW4(1) → 0001_0011B = 13H
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> OUT 20H, AL
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> MOV AL, 40H ; ICW2: 主片类型码基址 = 40H
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> OUT 21H, AL
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> MOV AL, 24H ; ICW3: IR2+IR5 = 0010_0100B = 24H
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> OUT 21H, AL
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> MOV AL, 0EH ; ICW4: 8086模式(uPM=1), 缓冲(BUF=1), 主片(M/S=1) = 0000_1110B = 0EH
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> OUT 21H, AL
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> ```
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>
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> **从片 1 初始化**：
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> ```asm
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> MOV AL, 11H ; ICW1: 边沿(0), 单片(1), 需ICW4(1) = 0001_0001B = 11H
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> OUT 20H, AL
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> MOV AL, 50H ; ICW2: 从片1类型码基址 = 50H
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> OUT 21H, AL
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> MOV AL, 02H ; ICW3: 接主片IR2 → ID=2 = 00H
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> OUT 21H, AL
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> MOV AL, 0AH ; ICW4: 8086模式, 缓冲, 从片(M/S=0) = 0000_1010B = 0AH
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> OUT 21H, AL
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> ```
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>
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> **从片 2 初始化**：
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> ```asm
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> MOV AL, 11H ; ICW1: 同从片1
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> OUT 20H, AL
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> MOV AL, 60H ; ICW2: 从片2类型码基址 = 60H
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> OUT 21H, AL
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> MOV AL, 05H ; ICW3: 接主片IR5 → ID=5 = 05H
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> OUT 21H, AL
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> MOV AL, 0AH ; ICW4: 8086模式, 缓冲, 从片(M/S=0) = 0AH
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> OUT 21H, AL
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> ```
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> > [!info] 解题思路
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> > 1. 先确认级联方式 → SNGL=0 → 需要 ICW3
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> > 2. 确定 ICW2 = 各芯片中断类型码的起始值（IR0 对应的类型码）
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> > 3. 主片 ICW3 = 连接从片的 IR 引脚编号之和
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> > 4. 从片 ICW3 = 连接到主片的 IR 引脚编号（即自身 ID）
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> > 5. 缓冲模式下，ICW4 中 BUF=1，M/S 区分主从片
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> [!question] 【选择题风格】8259A 在最小系统中的端口地址是多少？
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> A) 20H/21H B) 22H/23H C) 28H/29H D) 30H/31H
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> 答：**A) 20H/21H**。这是标准答案，考试默认使用该地址。
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## 附录：快速复习卡
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> [!summary] 核心口诀
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> - **ICW 顺序记心中**：ICW1 → ICW2 → ICW3(级联) → ICW4(8086必写)
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> - **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
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> - **ICW2 高位我设定**：高 5 位自己填，低 3 位自动对应 IR 号
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> - **EOI 必须手动发**：OCW2=20H 送 20H，别忘写在 ISR 末尾
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> - **全嵌套高低分明**：IR0 永远最高，IR7 永远最低
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## 关联笔记
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- [[8255A可编程并行接口]]
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- [[8254定时计数器]]
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- [[8251A串行通信接口]]
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- [[接口与通讯技术/试题册/index|试题册索引]]
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