Interrupts

Nachdem der Prozessor den Opcode erhalten hat, beschließt er in unserem Fall, daß der Call-Befehl 2 weitere Bytes benötigt. Deshalb sind die nächsten Befehlszyklen 2 weitere INA-Zyklen, um das zweite und dritte Byte des Befehls zu lesen. Da nun der gesamte Befehl eingelesen ist, wird dieser ausgeführt. Als Befehl kann jeder beliebige Befehl außer enable oder disable Interrupt verwendet werden. Die logischsten Befehle wäre ein RESTART oder CALL Befehl, da hier der Programmzähler automatisch abgesichert wird. Innerhalb der 3 INA Zyklen wurde ein erhöhen des Programmzählers verhindert, d.h. der korrekte Wert kann während M4 und M5 abgesichert werden.

Während M4 und M5 führt die CPU Memory Write machine cycles aus, um das höher- und niederwertigere Byte des Programmzählers abzusichern. Danach werden die zwei Bytes, die in M2 und M3 eingelesen wurden in den Programmzähler geschrieben. Das hat den gleichen Effekt, wie ein Sprung zu dieser Adresse.

Interruptantwort eines 8086 Prozessors [ii]

Bei Verwendung eines 8086 Prozessors wird bei einem Interrupt im Prozessor intern ein Call-Befehl ausgelöst. Der Interrupt-Controller legt beim zweiten /INTA Impuls eine 8bit Vektor Adresse auf den Datenbus, die mit der positiven Flanke übernommen wird und den Sprung zur Interrupt Service Routine bewirkt.

Timing Diagramm bei Verwendung eines 8086 Prozessors und eines 8259A Interruptcontrollers

Der 80552 besitzt 15 verschiedene Interruptquellen. Die Interrupts können einer Prioritätsebene zugeordnet werden (0 oder 1). Innerhalb einer Prioritätsebene gelten bei gleichzeitig auftretenden Interrupts folgende Prioritäten:

grau unterlegt: auch beim 8051 vorhanden; Vektor Adressen identisch

Externe Interrupts INT0, INT1

Die externen Interrupts /INT0 und /INT1 werden über EX0 und EX1 enabled bzw. disabled.

Mit IT0 und IT1 kann zwischen pegelaktiv und flankenaktiv ausgewählt werden. Wenn ITx 1 ist, dann reagiert der mP auf eine negative Flanke; wenn ITx 0 ist, dann reagiert der mP auf einen Low-Pegel.

IE0 und IE1 sind die Interrupt Request Flags, die gesetzt werden, wenn ein Interrupt aufgetreten ist.

Da die externen Interrupts nach jedem Maschinenzyklus abgefragt werden, sollte ein High- oder Low-Signal mindestens 12 Oszillator Perioden gehalten werden, um sicherzustellen, daß das Signal richtig erkannt wird.

Flankenaktiv:

Damit der Interrupt erkannt wird, muß die externe Spannungsquelle den Interrupt Request Pin für mindestens einen Zyklus auf 1 und für mindestens einen Zyklus auf 0 halten, damit der Übergang von 1 auf 0 erkannt wird. IEx wird automatisch gelöscht, wenn die ISR aufgerufen wird.

Pegelaktiv:

Hier muß der Interrupt Request Pin mindestens einen Maschinenzyklus auf 0 gehalten werden, damit er erkannt wird. Wenn der Interrupt aus irgendeinem Grund erst später behandelt werden kann (siehe 3.1 Interrupt Response Time), dann kann es passieren, daß der Interrupt verloren geht. Die externe Logik bzw. die Interrupt Service Routine müssen dafür sorgen, daß die Interruptanforderung zumindest bis zum Sprung in die Interrupt Service Routine und höchstens bis zum beenden der ISR aktiv bleibt.

Die Bits PX0 und PX1 legen die Priorität des Interrupts fest (0-low priority; 1-high priority).

Timer 0 bzw. Timer 1 Overflow

TF0 und TF1 werden bei einem Überlauf von Timer 0 bzw. Timer 1 gesetzt (außer bei Timer 0 Mode 3), sie werden bei Aufruf der Interrupt Service Routine wieder rückgesetzt. Die Priorität der Interrupts wird über PT0 und PT1 gesetzt. Über ET0 und ET1 können die Interrupts enabled bzw. disabled werden.

Serielles Port SIO0

Der Interrupt wird durch eine ODER-Verknüpfung von RI (Receive Interrupt) und TI (Transmit Interrupt) ausgelöst, d.h. der Prozessor "weiß" beim Sprung in die Interrupt Service Routine nicht, durch was der Interrupt ausgelöst wurde. In der ISR müssen RI und TI überprüft und rückgesetzt werden, da sonst bei beenden der ISR ein neuer Interrupt ausgelöst werden würde.

Interrupt Response Time

Zum Zeitpunkt S5P2 in jedem Maschinenzyklus werden die Interrupts abgefragt und in ein Latch gespeichert. Nachdem der Interrupt anerkannt wurde, ist der nächste Befehl ein Call-Befehl zur Interrupt Service Routine. Dieser Call Befehl benötigt selbst 2 Maschinenzyklen. Das heißt, bis der erste Befehl der Interrupt Service Routine ausgeführt wird vergehen mindestens 3 Maschinenzyklen.

Kürzeste Reaktionszeit auf einen Interrupt, wenn C2 der letzte Befehlszyklus eines Befehls außer RETI oder eines Zugriffes auf IE oder IP ist [7p39]

Die Interrupts werden in jedem Maschinenzyklus während S5P2 gelatched, die gelatchten Zustände werden aber erst im darauffolgenden Maschinenzyklus abgefragt. Dann erst kann der Prozessor entsprechend den im vorigen Zyklus gelatchten Zuständen reagieren.

Anm.: Da in jedem Zyklus gelatched und die alten Werte vom vorigen Zyklus gepolled werden, müssen die Werte doppelt gespeichert werden, oder vor S5P2 gepolled werden.

Wiederholung: Taktperiode (T-State, Phase) / Schritt (State, besteht aus 2 Taktperioden P1, P2) /

Maschinenzyklus (cycle, besteht aus 6 States) / Befehlszyklus (instruction cycle, besteht aus 1 bis 4 cycles)

T 12 MHz Takt - 1 Maschinenzyklus = 1 ms

Eine längere Reaktionszeit kann aus mehreren Gründen vorkommen:

Wenn ein Interrupt gleicher oder höherer Priorität gerade in Arbeit ist, dann hängt die Reaktionszeit von der Interrupt Service Routine des anderen Interrupts ab.

Wenn der gerade ausgeführte Befehl im Augenblick des Pollings nicht den letzten Maschinenzyklus ausführt, dann kann die zusätzliche Verzögerung maximal 3 Zyklen sein, da die längsten Befehle (MUL und DIV) 4 Zyklen lang sind.

Bei einem Zugriff auf IE oder IP oder beim Befehl RETI wird, bevor die Interrupt Service Routine gestartet wird noch ein zusätzlicher Befehl ausgeführt, da möglicherweise gerade der Interrupt gesperrt worden ist und deshalb die Interrupts neu gepollt werden müssen. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Wartezeit von maximal 5 Maschinenzyklen (bei MUL oder DIV Befehl).

Aus diesen Gründen beträgt die Interrupt Response Time immer mehr als 3, aber immer weniger als 9 Maschinenzyklen (falls gerade kein anderer Interrupt abgearbeitet wird).

Die Zuordnung zu einer Priorität wird in jedem Maschinenzyklus wiederholt, und die verglichenen Werte sind diejenigen, die während S5P2 des vorangegangenen Maschinenzyklus vorhanden waren. Ist ein Interrupt-Kennzeichnungsbit gesetzt, das aber wegen einer der obigen Sperrbedingungen nicht bedient werden kann, und ist es bei Aufhebung der Sperrbedingungen nicht mehr gesetzt, so wird der zurückgewiesene Interrupt nicht mehr ausgeführt. Mit anderen Worten: Das System erinnert sich nicht daran, daß das Kennzeichnungsbit gesetzt war, aber nicht bedient wurde. Jeder Zyklus, in dem eine Prioritätenzuordnung erfolgt, muß in diesem Sinn für sich betrachtet werden.

Genaue Zusammenfassung der Interruptreaktionszeit:

3 Perioden + letzter Zyklus eines Befehls + 2 Zyklen CALL-Befehl =

Min. Zeit. 3 Perioden + 3 Zyklen 3.25 ms

3 Perioden + ( bis 3 + 1 Zyklen) + 2 Zyklen Polling nicht während letzem Maschinenzyklus eines Befehls

3 Perioden + 4-6 Zyklen 4.25-6.25 ms

Spezialfall: 3 Perioden + 2 Zyklen RETI + 4 Zyklen (MUL/DIV) + 2 Zyklen CALL =

3 Perioden + 8 Zyklen 8.25 ms

Eine beliebige Zeit kann noch hinzukommen, wenn gerade ein Interrupt gleicher oder höherer Priorität abgearbeitet wird, da dieser nicht unterbrochen werden kann. Dies läßt sich durch den Einbau eines zusätzlichen Prioritätslevel verhindern (siehe Simulieren eines dritten Prioritätslevels)

Anm.: Die hier berechnete Reaktionszeit geht immer von dem Zeitpunkt aus, in dem der Interrupt eingelatched wird.

Interruptablaufdiagramm

HPHauptprogramm

A) Tritt während Interrupt in Progress ein Interrupt der selben Prioritätsebe auf, so kann dieser ( selbst wenn er innerhalb dieser Prioritätsebene eine höhere Priorität besitzt ) den laufenden Interrupt nicht unterbrechen. Erst nachdem der laufende Interrupt fertig abgearbeitet ist, reagiert das System auf den Interrupt. Dabei muß ein Befehl des Programmes, das durch den vorigen Interrupt unterbrochen wurde ausgeführt werden.

In obigem Ablaufdiagramm tritt dieser Fall bei der Reaktion auf INT-3 (TIMER1OFL) auf. Man erkennt, daß die Reaktionszeit auf einen Interrupt relativ groß sein kann. Vor allem ist sie nicht vorhersagbar, da man nicht weiß, wieviele Interrupts höherer Priorität schon warten. Schnelle vorhersagbare Reaktion ist nur mit dem Interrupt höchster Priorität möglich.

Einzelschrittbetrieb [iv]

Die Interrupt-Struktur des 8051 gestattet Einzelschrittbetrieb mit sehr geringem zusätzlichem Software-Aufwand. Wie bereits oben dargelegt, wird eine Interrupt-Anforderung solange nicht bedient, wie ein Interrupt gleicher oder höherer Priorität läuft, oder bis nach einem Befehl RETI wenigstens ein weiterer Befehl ausgeführt worden ist. Somit kann, sobald eine Interrupt Service Routine begonnen hat, sie nicht erneut einsetzen, bevor nicht wenigstens ein Befehl des unterbrochenen Programms ausgeführt wurde. Eine Möglichkeit, diese Tatsache für den Einzelschrittbetrieb zu nutzen besteht darin, einen der externen Interrupt-Anschlüsse (z.B. /INT) so zu programmieren, daß er pegelaktiviert ist. Die Interrupt-Routine wird dann mit folgender Codierung abgeschlossen:

JNB P3.2,$ ;Warte hier, bis INT0 high ist

JB P3.2,$ ;Warte jetzt hier, bis INT0 low ist

RETI           ;Springe zurück und führe einen Befehl aus

Wird jetzt der Anschluß /INT0 (gleich dem Anschluß P3.2) normalerweise auf LOW gehalten, so startet die Zentraleinheit die durch den externen Interrupt 0 ausgelöste Routine und bleibt so lange in dieser, bis INT0 gepulst wird (von LOW nach HIGH und von dort nach LOW). Dann führt die Zentraleinheit den Befehl RETI aus, geht ins Hauptprogramm zurück, führt dort einen einzigen Befehl aus und beginnt sofort erneut mit der Routine des externen Interrupts 0, um auf den nächsten Puls von P3.2 zu warten. Bei jedem Puls an P3.2 führt die Zentraleinheit einen Schritt des Hauptprogramms aus.

Simulieren eines dritten Prioritätslevels

Manche Anwendungen benötigen mehr als 2 Prioritätslevel. In solchen Fällen kann eine relativ einfache Routine geschrieben werden um einen dritten Prioritätslevel zu simulieren. Zuerst müssen Interrupts, die eine höhere Priorität als 1 haben sollen im Interrupt Priority Register auf 1 gesetzt werden. Die Interrupt Service Routine für Priorität 1, die durch Interrupts der Priorität 2 unterbrochen werden kann muß folgenden Code enthalten:

PUSH IE

MOV IE,#MASK

CALL LABEL

** ** *************

(Ausführung der Service Routine)

POP IE

RET

LABEL:    RETI

Sobald ein Interrupt der Priorität 1 auftritt werden alle Interrupts der Priorität 0 und 1 disabled. Der CALL to LABEL Befehl bewirkt die Ausführung des RETI Befehls und damit ein Löschen des Interrupt in Progress Flip Flop der Priorität 1. Zu diesem Zeitpunkt kann jeder Interrupt bedient werden, aber es sind nur Interrupts der Priorität 2 enabled

POPing IE stellt das original Enable Byte wieder her. Danach wird ein normaler RET Befehl (nicht RETI) verwendet um die Interrupt Service Routine abzuschließen. Diese zusätzliche Software verlängert die ISR von Interrupts der Priorität 1 um 10ms.