【汇编语言】中断及外部设备操作

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前言

本篇文章我们会详细讲到，中断及其处理，编制中断处理程序，单步中断，有int指令引发的中断，BIOS和DOS中断处理。端口的读写，操作CMOS RAM芯片，外设连接与中断，PC机键盘的处理过程，定制键盘输入处理，改写中断历程的方法，用中断相应外设，应用：字符串的输入，磁盘读写，发声程序。

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一、中断及其处理

中断的概念

中断：CPU不再接着（刚执行完的指令）向下执行，而是转去处理中断信息。
内中断：由CPU内部发生的事件而引起的中断。
外中断：由外部设备发生的事件引起的中断。

8086内中断

CPU内部产生的中断信息

除法错误，比如：执行div指令产生的除法溢出
单步执行
执行into指令
执行int 指令

8086的中断类型码：
1）除法错误：0
2）单步执行：1
3）执行 into 指令：4
4）执行 int n指令 ，立即数 n 为中断类型码。

中断处理程序

CPU接到中断信息怎么办？
执行中断处理程序。
中断处理程序在哪里？
中断信息和其处理程序的入口地址之间有某种联系，CPU根据中断信息可以找到要执行的处理程序。
中断向量表：
由中断类型码，查表得到中断处理程序的入口地址，从而定位中断处理程序。
8086CPU的中断向量表：

案例：系统中的0号中断

中断过程

中断过程： 中断过程由CPU的硬件自动完成； 用中断类型码找到中断向量，并用它设置CS和IP 8086CPU的中断过程：
1）从中断信息中取得中断类型码
2）标志寄存器的值入栈——中断过程中要改变标志寄存器的值，需要先行保护
3）设置标志寄存器的第8位TF 和第9位IF的值为0
4）CS的内容入栈；
5）IP的内容入栈；
6）从中断向量表读取中断处理程序的入口地址，设置IP和CS。

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二、编制中断处理程序

中断处理程序及其结构

CPU随时都可能检测到中断信息，所以中断处理程序必须常驻内存（一直存储在内存某段空间之中）。
中断处理程序的入口地址，即中断向量，必须存储在对应的中断向量表表项中(0000:0000-0000:03FF)。

编制中断处理程序——以除法错误中断为例

问题：如何编制中断处理程序？
方案：通过对 0号中断，即除法错误的中断处理，体会中断处理程序处理的技术问题。
预期效果：编写一个0号中断处理程序，它的功能是在屏幕中间显示“overflow！”后，然后返回到操作系统。

第1个问题：do0子程序应该放在哪里？

do0子程序应该放在哪里？

程序框架

1）编写可以显示“overflow！”的中断处理程序：do0；
2）安装程序：将do0送入内存0000:0200处；
3）将do0中断处理程序的入口地址0000:0200存储在中断向量表0号表项中。

第2个问题：怎么写安装程序？

do0安装程序的实现

第3个问题：do0怎么写?
第4个问题：设置中断向量表

do0子程序的实现

小结

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三、单步中断

由Debug中的t命令说起

程序的正常执行：取指令、改变CS:IP、执行指令、取指令…
Debug提供了单步中断的中断处理程序，功能为显示所有寄存器中的内容后等待输入命令。
是什么，让CPU能执行一条指令就停下来？
Debug利用了CPU提供的单步中断的功能
使用t命令时，Debug将TF标志设为1，使CPU工作在单步中断方式下…
自定义单步中断处理程序，还可以实现特殊的功能。

单步中断过程与处理

两个和中断相关的寄存器标志位：
TF-陷阱标志(Trap flag)：用于调试时的单步方式操作。当TF=1时，每条指令执行完后产生陷
阱，由系统控制计算机；当TF=0时，CPU正常工作，不产生陷阱。
IF-中断标志(Interrupt flag)：当IF=1时，允许CPU响应可屏蔽中断请求；当IF=0时，关闭中断。

应用：中断不响应的情况

一般情况下，CPU在执行完当前指令后，如果检测到中断信息，就响应中断，引发中断过程。
在有些情况下，CPU 在执行完当前指令后，即便是发生中断，也不会响应。
例：在执行完向 ss寄存器传送数据的指令后，即便是发生中断，CPU 也不会响应。
原因：ss:sp联合指向栈顶，而对它们的设置应该连续完成。
以此保证对栈的正确操作！

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四、由int指令引发的中断

int n引起的中断

CPU内部产生的中断信息
除法错误
单步执行
执行into指令
执行int 指令
int格式： int n，n为中断类型码
功能：引发中断过程
CPU 执行int n指令，相当于引发一个n号中断过程，执行过程如下：
1）取中断类型码n；
2）标志寄存器入栈，IF = 0，TF = 0；
3）CS、IP入栈；
4）(IP) = (n4)，(CS) = (n4+2)。—从此处转去执行n号中断的中断处理程序。

编写供应用程序调用的中断例程

技术手段：编程时，可以用 int指令调用子程序
此子程序即中断处理程序，简称为中断例程
可以自定义中断例程，实现特定功能
示例：中断7ch的中断例程的编写和安装
中断例程序需要按中断的运行机制的要求编写
参考：中断0 的中断例程

示例 ：中断7ch的中断例程(1)

任务：编写程序
写7ch的中断例程，完成特定任务
功能：求一个word型数据的平方
参数： (ax)=要计算的数据
返回值：dx, ax中存放结果的高、低16位
编写安装中断例程
测试
应用举例：求2*3456^2
对中断例程的要求

示例 ：中断7ch的中断例程(2)

7ch的中断例程的任务
功能：将以 0结尾的字符串转化为大写。
参数： ds:si指向字符串的首地址

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五、BIOS和DOS中断处理

BIOS——基本输入输出系统

BIOS中断调用示例

任务：在屏幕的5行12列显示3个红底高亮闪烁绿色的’a’
回顾：
显示缓冲区结构

用BIOS的10h中断：
(ah)=2时，调用第10h中断例程的2号子程序，设置光标位置
(ah)=9时，调用第10h中断例程的9号子程序，在光标位置显示字符

有哪些BIOS中断，怎么用？

汇编的强大功能，还有DOS中断！

int 21H DOS 中断例程的应用

4ch号功能：程序返回
功能号在ah，返回结果保存在al
用法： mov ah,4ch
mov al,0
int 21h
或者：
mov ax,4c00h
int 21h
09h号功能：在光标位置显示字符串：
ds:dx指向要显示的字符串(用’$'结束)
用法：
mov ah ,9
int 21h
例：
编程在屏幕的5行12列显示字符串
“welcome to masm!”。

BIOS和DOS中断例程的安装过程

1）CPU 一加电，初始化(CS)=0FFFFH，(IP)=0，自动从FFFF:0单元开始执行程序。FFFF:0处有一条转跳指令，CPU执行该指令后，转去执行BIOS中的硬件系统检测和初始化程序。
2）初始化程序将建立BIOS 所支持的中断向量，即将BIOS提供的中断例程的入口地址登记在中断向量表中。
3） 硬件系统检测和初始化完成后，调用int19h进行操作系统的引导。从此将计算机交由操作系统控制。
4）DOS 启动后，除完成其它工作外，还将它所提供的中断例程装入内存，并建立相应的中断向量。

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六、端口的读写

用端口访问外设：以发声为例

CPU的邻居

CPU可以直接读写3 个地方的数据
1）CPU 内部的寄存器
2）内存单元
3）端口：对应各种接口卡，网卡、显卡等；主板上的接口芯片；其他芯片；
读写内存与寄存器的指令
mov, add, push…
读写端口的指令
in: CPU从端口读取数据
out: CPU往端口写入数据

端口的读写

访问端口的方法：
例： in al, 60h ; 从60h号端口读入一个字节
执行时与总线相关的操作
① CPU通过地址线将地址信息60h发出；
② CPU通过控制线发出端口读命令，选中端口所在的芯片，并通知要从中读取数据；
③ 端口所在的芯片将60h端口中的数据通过数据总线送入CPU。

I/O端口分配

端口的读写指令示例

对0～255以内的端口进行读写，端口号用立即数给出
in al,20h ;从20h端口读入一个字节
out 21h,al ;往21h端口写入一个字节
对256～65535的端口进行读写时，端口号放在dx中
mov dx,3f8h ;将端口号3f8送入dx
in al,dx ;从3f8h端口读入一个字节
out dx,al ;向3f8h端口写入一个字节
注意：在in和out 指令中，只能使用ax 或al 来存放从端口中读入的数据或要发送到端口中的数据。访问8 位端口时用 al ，访问16 位端口时用ax 。

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七、操作CMOS RAM 芯片

CMOS RAM 芯片
1）包含一个实时钟和一个有128个存储单元的RAM存储器。
2）128 个字节的 RAM 中存储：内部实时钟、系统配置信息、相关的程序（用于开机时配置系统信息）。
3） CMOS RAM 芯片靠电池供电，关机后其内部的实时钟仍可正常工作， RAM 中的信息不丢失。
4）该芯片内部有两个端口，端口地址为70h和71h，CPU 通过这两个端口读写CMOS RAM。
; 70h地址端口，存放要访问的CMOS RAM单元的地址。
; 71h数据端口，存放从选定的单元中读取的数据，或要写入到其中的数据。

端口操作示例：提取CMOS RAM中存储的时间信息

问题描述
在屏幕中间显示当前的月份
事实
在CMOS RAM中的时间信息含有月份
背景知识


分析：这个程序主要做两部分工作
1）从CMOS RAM的8号单元读出当前月份的BCD码
2）将用BCD码表示的月份以十进制的形式显示到屏幕上。

在屏幕中间显示当前的月份

1）从CMOS RAM的8号单元读出当前月份的BCD码
首先要向地址端口70h写入要访问的单元的地址-月份8
mov al,8
out 70h,al
再从数据端口71h中取得指定单元中的数据-月份值
in al,71h
2）将用BCD码表示的月份以十进制的形式显示到屏幕上
将读到的数据前4位和后4位分离出来
由低4位为BCD码的“数字”转为ASCII码
由：BCD 码值＝十进制数码值
得：十进制数对应的ASCII码 = BCD码值＋30h
显示

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八、外设的连接与中断

CPU通过端口与外部设备“连接”

外中断：由外部设备发生的事件引起的中断

可屏蔽中断：
可屏蔽中断是CPU 可以不响应的外中断。
CPU 是否响应可屏蔽中断，要看标志寄存器的IF 位的设置。
当CPU 检测到可屏蔽中断信息时：
如果IF=1，则CPU 在执行完当前指令后响应中断，引发中断过程；
如果IF=0，则不响应可屏蔽中断。
不可屏蔽中断：
不可屏蔽中断是CPU 必须响应的外中断；
当CPU 检测到不可屏蔽中断信息时，则在执行完当前指令后，立即响应，引发中断过程。
对于8086CPU 不可屏蔽中断的中断类型码固定为2。

外中断处理过程

可屏蔽中断所引发的中断过程：
1）取中断类型码n；
2）标志寄存器入栈，IF=0，TF=0；
3）CS 、IP 入栈；
4）(IP)=(n4)，(CS)=(n4+2)
由此转去执行中断处理程序


不可屏蔽中断的中断过程：

1）标志寄存器入栈，IF=0，TF=0；
2）CS、IP入栈；
3）(IP)=(8)，(CS)=(0AH)。

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九、PC机键盘的处理过程

PC机键盘的处理过程

键盘输入的处理过程
1、键盘输入
2、引发9号中断
3、执行int 9中断例程

1、键盘输入:

键盘上键的扫描码(通码)

PC机键盘的处理过程——引发中断

2、引发9号中断

输入的字符键值如何保存？
有BIOS键盘缓冲区！
BIOS键盘缓冲区：是系统启动后，BIOS用于存放int 9 中断例程所接收的键盘输入的内存区。
BIOS键盘缓冲区：可以存储15 个键盘输入，一个键盘输入用一个字单元存放，高位字节存放扫描码，低位字节存放字符码。

输入了控制键和切换键，如何处理？

PC机键盘的处理过程——执行中断例程

3、执行int 9中断例程

输入‘a’

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十、定制键盘输入处理

PC机键盘的处理过程(int 9 中断例程)

键盘输入的处理过程：
1）键盘产生扫描码；
2）扫描码送入60h 端口；
3）引发9 号中断； 前三由硬件系统完成的
4）CPU执行int 9中断例程，处理键盘输入； DOS系统提供int 9中断例程
按照开发需求定制处理键盘的输入
编程任务：
在屏幕中间依次显示 ‘a’~‘z’ ，并可以让人看清。
在显示的过程中，按下Esc键后，改变显示的颜色。
工作策略
尽可能忽略硬件处理细节，充分利用BIOS 提供的int 9中断例程对这些硬件细节进行处理。
在改写后的中断例程中满足特定要求，并能调用BIOS 的原int 9中断例程。

实现：依次显示’a’~‘z’(v0.2)

存在的问题：无法看清屏幕上的显示。
原因：同一位置显示字母，字母之间切换的太快，无法看清。
对策：在每显示一个字母后，延时一段时间
如何延时？让CPU执行一段时间的空循环。

实现：依次显示”a”~”z”(v0.4)

接下来的工作：按下 Esc键后，改变显示的颜色！
原理：键盘输入到达60h端口后，就会引发 9号中断，CPU 则转去执行int 9中断例程。

按下 Esc 键后改变显示的颜色

编写int 9中断例程改变显示的颜色

实现: 按下 Esc 键后改变显示的颜色(v1.0)

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十一、改写中断例程的方法

改写中断例程-以int 9为例

任务：安装一个新的int 9中断例程
功能：在DOS下，按F1键后改变当前屏幕的显示颜色，其他的键照常处理。
要解决的问题
1）改变屏幕的显示颜色
改变从B800开始的4000个字节中的所有奇地址单元中的内容，当前屏幕的显示颜色即发生改变。
2）F1改变功能，其他键照常
可以调用原int 9中断处理程序，来处理其他的键盘输入
3）原int 9中断例程入口地址的保存
要保存原int 9中断例程的入口地址原因：在新int 9中断例程中要调用原int 9中断例程保存在哪里？ 我们将地址保存在0:200单元处。
4）新int 9中断例程的安装
我们可将新的int 9中断例程安装在0:204 处。

实现方法

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十二、用中断响应外设

如何操作外部设备？

以典型输入设计——键盘操作为例

键盘输入的处理的int 9h中断和int 16h中断

键盘缓冲区的实现
共16字;用环形队列;可存储15个按键扫描码

调用int 16h 从键盘缓冲区中读取键盘的输入

综前所述：int 16h 中断例程 0 号功能的实现过程
1）检测键盘缓冲区中是否有数据；
2）没有则继续做第1 步；
3）读取缓冲区第一个字单元中的键盘输入；
4）将读取的扫描码送入ah，ASCII 码送入al；
5）将己读取的键盘输入从缓冲区中删除。
事实
BIOS 的int 9 中断例程和int 16h 中断例程是一对相互配合的程序，int 9 中断例程向键盘缓冲区中写入，int 16h 中断例程从缓冲区中读出。
应用
我们在编写一般的处理键盘输入的程序的时候，根据需要用不同的方法。
应用示例：更改屏幕颜色
要求：接收用户的键盘输入
输入“r”，将屏幕上的字符设置为红色；
输入“g”， 将屏幕上的字符设置为绿色；
输入“b ”，将屏幕上的字符设置为蓝色。

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十三、应用：字符串的输入

要解决的问题

问题：设计一个最基本的字符串输入程序，需要具备下面的功能
1） 在输入的同时需要显示这个字符串；
2）一般在输入回车符后，字符串输入结束；
3）能够删除已经输入的字符——用退格键。
讨论：
1）在输入的同时需要显示这个字符串
需要用栈的方式来管理字符串的存储空间
2）在输入回车符后，字符串输入结束
输入回车符后 ，在字符串中加入0，表示字符串结束。
3） 在输入的同时需要显示这个字符串
每次有新的字符输入和删除一个字符的时候，都应该重新显示字符串，即从字符栈的栈底到栈顶，显示所有的字符。

程序的处理过程

1. 调用int 16h读取键盘输入；
2. 如果不是字符：①如果是退格键，从字符栈中弹出一个字符，显示字符栈中的所有字符；继续执行(1) ；②如果是Enter 键，向字符栈中压入0，返回。
3. 如果是字符键：字符入栈；显示字符栈中的所有字符；继续执行(1) ；
   

子程序：字符栈的入栈、出栈和显示

参数说明：
(ah)=功能号，0表示入栈，1表示出栈，2表示显示；
对于0 号功能：(al)=入栈字符
对于1 号功能：(al)=返回的字符；
对于2 号功能
(dh)、(dl) =字符串在屏幕上显示的行、列位置；
ds:si 指向字符串的存储空间，字符串以0为结尾符。

实现字符栈的入栈、出栈和显示

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十四、读写磁盘

BIOS提供的磁盘直接服务——int 13h

用BIOS int 13h对磁盘进行读操作

入口参数：
(ah)=2（2表示读扇区）
(al)=读取的扇区数
(ch)=磁道号，(cl)=扇区号
(dh)=磁头号（对于软盘即面号，一个面用一个磁头来读写）
(dl)=驱动器号：软驱从0开始，0：软驱A，1：软驱B；硬盘从80h开始，80h：硬盘C，81h：硬盘D
es:bx指向接收从扇区读入数据的内存区
返回参数：
操作成功：(ah)=0，(al)=读入的扇区数
操作失败：(ah)=出错代码
例：读取C盘0面0道1扇区的内容到内存单元0:200;

用BIOS int 13h对磁盘进行写操作

入口参数：
(ah)=3（3表示写扇区）
(al)=写入的扇区数
(ch)=磁道号，(cl)=扇区号
(dh)=磁头号（对于软盘即面号）
(dl)=驱动器号：软驱从0开始，0：软驱A，1：软驱B；硬盘从80h开始，80h：硬盘C，81h：硬盘D
es:bx指向将写入磁盘的数据
返回参数：
操作成功：(ah)=0，(al)=写入的扇区数
操作失败：(ah)=出错代码
例：将0:200中的内容写入C盘0面0道1扇区

DOS中断对磁盘文件的支持——int 21H

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十五、让计算机“唱歌”

外部设备与如何被控制的？

与"计算机唱歌"有关的硬件及控制

翻译乐谱

演奏程序

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总结

到这里这篇文章的内容就结束了，谢谢大家的观看，如果有好的建议可以留言喔，谢谢大家啦！