【汇编语言】外中断（一）—— 外中断的魔法：PC机键盘如何触发计算机响应

前言

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汇编语言是很多相关课程（如数据结构、操作系统、微机原理）的重要基础。但仅仅从课程的角度出发就太片面了，其实学习汇编语言可以深入理解计算机底层工作原理，提升代码效率，尤其在嵌入式系统和性能优化方面有重要作用。此外，它在逆向工程和安全领域不可或缺，帮助分析软件运行机制并增强漏洞修复能力。

本专栏的汇编语言学习章节主要是依据王爽老师的《汇编语言》来写的，和书中一样为了使学习的过程容易展开，我们采用以8086CPU为中央处理器的PC机来进行学习。

1. 背景介绍

以前我们讨论的都是CPU对指令的执行。我们知道，CPU 在计算机系统中，除了能够执行指令，进行运算以外，还应该能够对外部设备进行控制，接收它们的输入，向它们进行输出。

也就是说，CPU 除了有运算能力外，还要有 I/O（ Input/Output ，输入/输出）能力。

比如，我们按下键盘上的一个键，CPU最终要能够处理这个键。在使用文本编辑器时，按下a键后，我们可以看到屏幕上出现“a”，是CPU将从键盘上输入的键所对应的字符送到显示器上的。

要及时处理外设的输入，显然需要解决两个问题：

（1）外设的输入随时可能发生，CPU如何得知？

（2）CPU 从何处得到外设的输入？

我们以键盘输入为例，讨论这两个问题。

2. 接口芯片和端口

前面我们讲过，在PC 系统的接口卡和主板上，装有各种接口芯片。这些外设接口芯片的内部有若干寄存器，CPU 将这些寄存器当作端口来访问。

• 外设的输入不直接送入内存和CPU ，而是送入相关的接口芯片的端口中；

• CPU 向外设的输出也不是直接送入外设，而是先送入端口中，再由相关的芯片送到外设。

• CPU 还可以向外设输出控制命令，而这些控制命令也是先送到相关芯片的端口中，然后再由相关的芯片根据命令对外设实施控制。

✍可见，CPU 通过端口和外部设备进行联系。

3. 外中断信息

3.1 什么是外中断信息

现在，我们知道了外设的输入被存放在端口中，可是外设的输入随时都有可能到达，CPU 如何及时地知道，并进行处理呢?

更一般地讲，就是外设随时都可能发生需要CPU及时处理的事件，CPU如何及时得知并进行处理？

CPU 提供中断机制来满足这种需要。

前面讲过，当CPU的内部有需要处理的事情发生的时候，将产生中断信息，引发中断过程。这种中断信息来自CPU的内部。

还有一种中断信息，来自于CPU外部，当CPU外部有需要处理的事情发生的时候，比如说，外设的输入到达，相关芯片将向CPU发出相应的中断信息。CPU在执行完当前指令后，可以检测到发送过来的中断信息，引发中断过程，处理外设的输入。

3.2 外中断源的分类

在PC系统中，外中断源一共有以下两类。

3.2.1 可屏蔽中断

3.2.1.1 什么是可屏蔽中断？

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。

3.2.1.2 可屏蔽中断的处理过程

我们回忆一下内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)=(n*4)，(CS)=(n*4+2)

由此转去执行中断处理程序。

可屏蔽中断所引发的中断过程 ，除在第一步的实现上有所不同外，基本上和内中断的中断过程相同。

因为可屏蔽中断信息来自于CPU外部，中断类型码是通过数据总线送入CPU 的；而内中断的中断类型码是在CPU内部产生的。

现在，我们可以解释中断过程中将IF置为0的原因了。

将IF置0的原因就是，在进入中断处理程序后，禁止其他的可屏蔽中断。

当然，如果在中断处理程序中需要处理可屏蔽中断，可以用指令将IF置1 。

8086CPU 提供的设置IF的指令如下：

• sti，用于设置IF=1；

• cli，用于设置IF=0。

3.2.2 不可屏蔽中断

3.2.2.1 什么是不可屏蔽中断？

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。

3.2.2.2 不可屏蔽中断的处理过程

对于8086CPU 不可屏蔽中断的中断类型码固定为2。所以中断过程中，不需要取中断类型码。

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)。

几乎所有由外设引发的外中断，都是可屏蔽中断。当外设有需要处理的事件（比如说键盘输入）发生时，相关芯片向CPU 发出可屏蔽中断信息。

不可屏蔽中断是在系统中有必须处理的紧急情况发生时用来通知CPU的中断信息。

在我们的内容中，主要讨论可屏蔽中断。

4. PC 机键盘的处理过程

下面我们看一下键盘输入的处理过程，并以此来体会一下PC机处理外设输入的基本方法。

4.1 键盘输入

键盘上的每一个键相当于一个开关，键盘中有一个芯片对键盘上的每一个键的开关状态进行扫描。

• 按下一个键时，开关接通，该芯片就产生一个扫描码，扫描码说明了按下的键在键盘上的位置。扫描码被送入主板上的相关接口芯片的寄存器中，该寄存器的端口地址为60H 。

• 松开按下的键时，也产生一个扫描码，扫描码说明了松开的键在键盘上的位置。松开按键时产生的扫描码也被送入60H 端口中。

一般将按下一个键时产生的扫描码称为通码，松开一个键产生的扫描码称为断码。

扫描码长度为一个字节，通码的第 7 位为 0 ，断码的第7位为1，即：断码 = 通码＋80H。

比如：g键的通码为22H，断码为a2H。

下表是键盘上部分键的扫描码，只列出通码。

4.2 引发9号中断

键盘的输入到达 60h端口时，相关的芯片就会向CPU发出中断类型码为9的可屏蔽中断信息。

CPU 检测到该中断信息后，如果IF=1，则响应中断，引发中断过程，转去执行 int9 中断例程。

4.3 执行int 9中断例程

4.3.1 主要过程

BIOS 提供了int 9中断例程，用来进行基木的键盘输入处理，主要的工作如下：

（1）读出60H 端口中的扫描码；

（2）如果是字符键的扫描码，将该扫描码和它所对应的字符码（即 ASCII码）送入内存中的 BIOS 键盘缓冲区；如果是控制键（比如 Ctrl）和切换键（比如 CapsLock）的扫描码，则将其转变为状态字节（用二进制位记录控制键和切换键状态的字节）写入内存中存储状态字节的单元;

（3）对键盘系统进行相关的控制，比如说，向相关芯片发出应答信息。

4.3.2 补充说明

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。该内存区可以存储 15 个键盘输入，因为 int 9 中断例程除了接收扫描码外，还要产生和扫描码对应的字符码，所以在BIOS键盘缓冲区中，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。

0040:17 单元存储键盘状态字节，该字节记录了控制键和切换键的状态。

键盘状态字节各位记录的信息如下：

结语

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