关于串行中断信号的讲解、讨论

会员498462 · 发表于 2017-2-9 17:45:03

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关于串行中断信号的讲解、讨论
问题来了：
1、什么是中断信号？
2、为什么要中断信号？
中断信号到底是什么样的技术问题呢？请先让我在下面慢慢道来：
计算机的输入数据是以二进制的形式，不分类别的存入内存，在存入内存之前，要对内存的每一个存储模块进行编号，这就是我们所说的芯片地址，CPU在工作的时候，是不可能脱离存储器的，AMD的CPU很早以前就把内存控制器封装在CPU里面，INTEL的CPU是从5X开始把内存控制器封装在CPU里面，所以现在的CPU是由运算器、控制器、存储器组成。
运算器负责逻辑运算，控制器是由指令计数器、指令译码器等电路组成，控制器是根据指令的要求对计算机各个部件发出控制信号，使它们工作协调。
主存储器是用来存储、记忆的一个装置，数据、程序、指令……它们是怎么在存储器里面存储呢？它们是一个一个字节的存储。计算机不会以一个、4个、半个字节来操作。1字节（Byte）=8bit，每次都是8位的读取，内存分为两种：一种是RAM（随机存取存储器），里面的数据是不固定的，断电就会丢失，另一种是ROM（只读存储），里面的数据是固定的，断电后不会丢失，例如BIOS。那EC、内存条……上面既有ROM，也有RAM，CPU里面也有ROM和RAM（这个RAM我们把它叫作高速缓存），还有PCH里面也有存储器、寄存器，这些东西都是用来存储数据的。

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   从上图可以看到，现在的PCH桥内部集成有DMA控制、中断控制器……等等，
定时器/计数器在现在的PCH、ICH中依然有，它有3个16位的定时通道：通道0每55mS会向CPU发起一个时钟中断信号，系统利用这个时钟信号可以作为计算时钟的时间，通道1可以用作动态存储器的刷新，通道2负责把DEBUG方波发送给扬声器。定时器/计数器还有一些功能，比如说它以均匀分布的时间间隔，来中断分时的操作系统，用于切换程序，也可以向I/o设备输出精确的计（定）时信号（比如打印机响应超时、打印超时）。一个完整的系统是不能缺少定时器/计数器。
   DMA控制器：指的是直接内存存取，为什么需要DMA？主要是为了提高系统性能。所有的I/O设备（包括声卡、网卡、硬盘……）都要通过DMA控制器去访问CPU，通过DMA控制器与CPU通讯，它们之间的工作原理大概如下：
   主板在工作的时候，主板上的主内存，主要由CPU来直接访问，其它I/O设备不能直接访问的。程序在运行时，往内存里面存的所有数据都需要CPU来参与，此时对CPU的占用率也是100%的，既然这样，那能不能让CPU把内存让出来，由其它芯片来代替CPU访问内存，好让CPU去干别的活？当然是可以的，这就是DMA控制器的作用。也就是说，让I/O设备通过DMA控制器来直接访问内存，减少CPU占用率。如果其它I/O设备要访问内存，需要向CPU发出中断请求，请CPU让出内存控制权。存储器、I/O设备……都是通过总线连接在一起的，在任何时候，只有一个设备可以使用总线、修改总线数据、修改地址信息，因此对总线的操作是先申请、后使用。一旦CPU把内存让出来，外部设备就可以通过DMA控制器来对内存进行操作，可以将大量的数据、批量性的一次性传完。

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   I/O设备要使用总线的时候，I/O设备会发出DMA请求给DMA控制器，然后DMA控制器再向CPU发出总线请求信号，CPU在完成当前指令的当前周期以后，会作出一个总线响应周期，并让出总线、让出对内存的拥有权，同时告诉DMA控制器CPU已经让出内存、总线等，DMA控制器收到来自CPU的响应信号时，DMA控制器会以DACK#来应答I/O设备，表示I/O设备可以采用DMA传输了。接下来，DMAC把存储器与I/O设备之间的数据传输所需要的地址送到地址总线，而且还要通过控制总线向存储器和I/O设备发出读和写的信号，这样才能完成一个字节的传输。当设置的字节数据传输完成以后，DMAC会将总线请求信号变为无效，同时脱离对总线的控制，CPU在检测到总线请求信号变为无效以后，CPU就会恢复对系统总线的控制，继续执行以前中断的指令、周期。
   中断的概令：所谓中断，就是CPU暂停执行当前的程序，反而去处理随机事件，处理完了以后，再返回到被中断的程序继续执行，这个过程就是中断。（例如：CPU正在处理显示数据，要将数据送给显卡，让显卡把显示信息还原出来送给屏，在这时如果我们按了一下鼠标、或对键盘进行操作，那系统里面所有的东西都是由CPU来完成的，CPU是怎么知道我什么时候按了键盘？也就是说我对键盘的操作一定要以某种方式告诉CPU或请求CPU，然后由CPU来作响应，因此CPU要把当前的事件停下来，来响应你对键盘的操用，所以在这中间打断CPU，这就是中断）
   中断分为两种：  第一种就是传统的ISA中断和PCI中断，第二种就是现在主流的串行中断；
CPU怎么知道键盘在操作、鼠标在操作、还是其它的设备在操作、或其它设备要请求CPU？其实就要给每个设备安排一个中断号，像以前的机器里面就有很多中断号（传统的中断是以ISA中的IRQ0、IRQ1……IRQ12……）。
所有的中断都是由外部设备先向中断控制器作出请求，中断控制器会有一个引脚（INTR）跟CPU相连，也就是说，CPU在收到INTR这个信号以后，它并不知道是哪个设备在请求，所以CPU会通过总线作一个中断响应周期给中断控制器，中断控制器会把这个响应周期转变为脉冲信号，并完成两个动作：第一个动作就是会在那些中断号中排优，优先权高的会先处理，此时中断控制器会把最高优先权的中断子程序入口地址回送给CPU，CPU就会从这个地址里执行程序，这个程序就是某个设备或某个中断号编写的。所以每个设备都有自己的中断号，每个设备都可以与CPU通讯。
   刚才说的是传统中断，接下来还有PCI中断。比如电路图上经常出现的INTA#、INTB#、INTC#……，这些都属于PCI的中断，有些图纸会在信号前面加个P，表示PCI，比如PIRQA#……

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   除了这些还有串行中断（简单协议：Start Frame,Data Frame,Stop Frame）。从ICH3到PCH，也只能见到串行中断。以后要看哪个设备它有没有请求过CPU、某个设备有没有工作，我们可以去查看这个中断号，怎么去查看这个串行中断呢？因此我们就需要知道这个协议。
   一个外设没有中断，就相当于这个外设不存在，无法使用，当然这个在POST自检的时候就会出现错误，这个错误并不是致命的错误，所以机器依旧能显示，并提示某个设备错误。
   我们知道，中断是外设请求CPU的，比如硬盘、光驱的中断号是IRQ14、IRQ15（当然现在硬没有这个引脚，它都是打包发出去的），如果有这两个引脚，这两个中断号断线了，系统就算认到硬盘、光驱，那它也是不能正常工作的，有些系统里面连这个设备都找不到。如果某个设备的中断请求信号持续有效的时候，就会出现宕机现象。总线是所有设备与CPU进行通讯的线，如果被某个设备独占了，系统将会被破坏无法运行，这个时候意味着机器已经宕机，特别是在亮机以前出现中断长期有效时，所以以后中断信号可以用来判断故障。
   在设备没有加载驱动程序之前，所发出的中断是没有意义的。
   串行中断的组成：SERIRQ、33MHz（PCICLK），其中的时钟线是用来同步、数据采样的，另外SERIRQ是用来传输信息（指的就是中断号）的

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   串行中断怎么操作？它采用的是SRT（S指采样、R指恢复、T指返回）的方式，串行中断协议如下：
1、       启动帧（Start Frame）：4、6、8个PCI时钟
2、       数据帧（Data Frame）：启动帧结束后的第3个时钟开始，采用SRT的方式来传输中断，那需要多少个时钟周期呢？我们有21个中断号，每个中断号需要S R T（3个）时钟周期，所以一共需要62个时钟周期
3、       停止（Stop Frame）：将SERIRQ这条线持续驱动为低电平2、3个时钟

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