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第2题

知识点： PCI 信号中断中断处理程序程序设计打印机端口指令

图2-1为使用某嵌入式处理器和8255对打印机进行控制的电路图，其中8255的中断请求PC3接到处理器的中断请求输入端

上，打印机的数据口接在8255的PA0-PA7上，打印机的输出电平

接在8255的PC6上。
为了使用嵌入式处理器对打印机进行控制，在程序设计时，需要将8255的PAPS置为工作方式1;PB口设置在工作方式0,配置为输入；PC口的PCO、PCI、PC2、PC3和PC4定义为输出。
为了在打印机输出为低电平时通过8255的PC3产生有效的中断请求信号INTRA,必须使得A口的中断请求使能INTE=1,实际上就是通过C口的按位复位操作将PC6置1,整个程序分为四部分：依次是8255的初始化，嵌入式处理器的中断初始化，嵌入式处理器的主程序和打印字符的中断处理程序。其中8255的端口配置功能如表2-1所示。嵌入式处理器的中断使能控制字含义如表2-2所示，该处理器的典型汇编指令如表2-3所示。

问题：2.1 根据图2-1所示，通过嵌入式处理器访问8255的PA口、PB口和PC口对应的地址分别是什么？（请用十六进制描述）
对应的地址：
PA口：（1)
PB口：(2)
PC口：（3)

问题：2.2 在嵌入式处理器的汇编语言中，最简单的指令寻址方式为立即寻址和直接寻址，请回答下面两个汇编语言语句所描述的含义，将答案填写在答题纸的对应栏中。
MOV A,#3AH：(1)
MOV R4,3AH：(2)

问题：2.3 以下汇编程序用于打印机输出控制，请将下面汇编程序的空（1)〜（5)补充完整，并将解答填入答题纸的对应栏中。
8255的A口工作在方式1输出，初始化程序：


知识点讲解
· PCI · 信号 · 中断 · 中断处理程序 · 程序设计 · 打印机 · 端口 · 指令

PCI

外设部件互连标准（Peripheral Component Interconnect，PCI）总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司1992年推出的一种总线标准。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。

（1）高速性。PCI局部总线以33MHz的时钟频率操作，采用32位数据总线，数据传输速率可高达132Mb/s，远超过以往各种总线。而早在1995年6月推出的PCI总线规范2。PCI总线的主设备可与微机内存直接交换数据，而不必经过微机CPU中转，也提高了数据传送的效率。

（2）即插即用性。在使用ISA板卡时，有两个问题需要解决：一是在同一台微机上使用多个不同厂家、不同型号的板卡时，板卡之间可能会有硬件资源上的冲突；二是板卡所占用的硬件资源可能会与系统硬件资源（如声卡、网卡等）相冲突。而PCI板卡的硬件资源则是由微机根据其各自的要求统一分配，绝不会有任何的冲突问题。因此，作为PCI板卡的设计者，不必关心微机的哪些资源可用，哪些资源不可用，也不必关心板卡之间是否会有冲突。因此，即使不考虑PCI总线的高速性，单凭其即插即用性，就比ISA总线优越了许多。

（3）可靠性。PCI独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。这样用户可以随意增添外围设备，以扩充电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。与原先微机常用的ISA总线相比，PCI总线增加了奇偶校验错、系统错、从设备结束等控制信号及超时处理等可靠性措施，使数据传输的可靠性大为增加。

（4）复杂性。PCI总线强大的功能大大增加了硬件设计和软件开发的实现难度。硬件上要采用大容量、高速度的复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）或FPGA芯片来实现PCI总线复杂的功能。软件上则要根据所用的操作系统，用软件工具编制支持即插即用功能的设备驱动程序。

（5）自动配置。PCI总线规范规定PCI插卡可以自动配置。PCI定义了3种地址空间：存储器空间、输入／输出空间和配置空间，每个PCI设备中都有256字节的配置空间用来存放自动配置信息，当PCI插卡插入系统，BIOS（Basic Input Output System）将根据读到的有关该卡的信息，结合系统的实际情况为插卡分配存储地址、中断和某些定时信息。

（6）共享中断。PCI总线是采用低电平有效方式，多个中断可以共享一条中断线，而ISA总线是边沿触发方式。

（7）扩展性好。如果需要把许多设备连接到PCI总线上，而总线驱动能力不足时，可以采用多级PCI总线，这些总线上均可以并发工作，每个总线上均可挂接若干设备。因此PCI总线结构的扩展性是非常好。由于PCI的设计是要辅助现有的扩展总线标准，因此与ISA、EISA及MCA总线完全兼容。

（8）多路复用。在PCI总线中为了优化设计采用了地址线和数据线共用一组物理线路，即多路复用。PCI接插件尺寸小，又采用了多路复用技术，减少了元器件和管脚个数，提高了效率。

（9）严格规范。PCI总线对协议、时序、电气性能、机械性能等指标都有严格的规定，保证了PCI的可靠性和兼容性。由于PCI总线规范十分复杂，其接口的实现就有较高的技术难度。

信号

任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间，可以通过相互发送信号的方式，来协调它们之间的运行步调。

所谓的信号，指的是系统给任务的一个指示，表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部（如其他的任务、硬件或定时器），也可能来自于内部（如执行指令出错）。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR（Asynchronous Signal Routine），与中断服务程序不同的是，ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候，如果它收到了一个信号，将暂停执行当前的指令，转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换，因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。

信号机制与中断处理机制非常相似，但又各有不同。它们的相同点是：

.都具有中断性：在处理中断和异步信号时，都要暂时地中断当前任务的运行；

.都有相应的服务程序；

.都可以屏蔽响应：外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽，任务也能够选择不对异步信号进行响应。

信号机制与中断机制的不同点是：

.中断是由硬件或特定的指令产生，而信号是由系统调用产生；

.中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行；而信号则通过发送信号的系统调用来触发，但系统不一定马上对它进行处理；

.中断处理程序是在系统内核的上下文中运行，是全局的；而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞，可能出现优先级反转的现象，即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时，高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞，问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务，导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。

一个优先级反转的示例

如上图所示，系统存在任务1、任务2、任务3（优先级从高到低排列）和资源R。某时，任务1和任务2都被阻塞，任务3运行且占用资源R。一段时间后，任务1和任务2相继就绪，任务1抢占任务3运行，由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3，任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R，因此任务1一直被阻塞。极端情况下，任务1永远无法运行，处于饿死状态。

解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。

优先级继承协议

L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol，PIP）。

PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用，而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是：当低优先级任务正在使用资源，高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时，低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别，保证低优先级任务继续使用当前资源，以尽快完成访问，尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行，从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中，继承了高优先级任务的优先级，所以该协议被称作优先级继承协议。

由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时，优先级继承才会发生，在此之前，高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行，所以优先级继承协议不能防止死锁，而且阻塞是可以传递的，会形成链式阻塞。另外，优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下，一个需要μ个资源，并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min（μ，v）次。

优先级冲顶协议

J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议（Priority Ceiling Protocol，PCP）。

PCP协议扩展了PIP协议，能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的，每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值，等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻，当前系统冲顶值（current priority ceiling）等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问，则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时，只有其优先级高于当前系统冲顶值，或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源，否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。

已经证明，PCP协议的执行规则能防止死锁，但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞（Priority ceiling blocking）。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞，而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞（avoidance blocking），意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此，在PCP协议下，每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后，能静态分析和确定任务之间的资源竞争，计算出任务可能经历的最大阻塞时间，从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下，高优先级任务被阻塞时会放弃处理器，因此，访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。

中断

中断是异步发生的，是来自处理器外部的I/O设备的信号的结果。硬件中断不是由任何一条专门的指令造成的，从这个意义上来说它是异步的。硬件中断的异常处理程序常常被称为中断处理程序（interrupt handler）。

硬中断与软中断

硬中断是由硬件产生的，例如磁盘、网卡、键盘、时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ（中断请求）。基于IRQ，CPU可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上。

软中断是一组静态定义的下半部分接口，可以在所有的处理器上同时执行，即使两个类型相同也可以。但是一个软中断不会抢占另外的一个软中断，唯一可以抢占软中断的是硬中断。

可屏蔽中断与不可屏蔽中断

可屏蔽中断和不可屏蔽中断都属于外部中断，是由外部中断源引起的。不可屏蔽中断源一旦提出请求，CPU必须无条件响应，而对可屏蔽中断源的请求，CPU可以响应，也可以不响应。

CPU一般设置两根中断请求输入线：可屏蔽中断请求INTR（Interrupt Require）和不可屏蔽中断请求NMI（Non Maskable Interrupt）。对于可屏蔽中断，除了受本身的屏蔽位控制外，还都要受一个总的控制，即CPU标志寄存器中的中断允许标志位IF（Interrupt Flag）的控制，IF位为1，可以得到CPU的响应，否则，得不到响应。IF位可以由用户控制，指令STI或Turbo C的Enable（）函数，将IF位置1（开中断），指令CLI或Turbo_c的Disable（）函数，将IF位清0（关中断）。

中断优先级

当多个中断源同时请求中断时，而CPU一次只能响应其中的一个中断，同时为了能响应所有中断，就引入中断优先级来处理。系统会根据引起中断事件的重要性和紧迫程度，将中断源分为若干个级别，称作中断优先级。中断优先级有两种：查询优先级和执行优先级。

查询优先级是不可以更改和设置的，在该方式下当多个中断源同时产生中断信号时，中断仲裁器会选择中断源优先处理的顺序，此过程与是否发生中断服务程序的嵌套毫不相干。当CPU查询各个中断标志位的时候，会依照优先级顺序依次查询，当数个中断同时请求的时候，会优先查询到高查询优先级的中断标志位，但并不代表高查询优先级的中断可以打断已经并且正在执行的低查询优先级的中断服务。

由于可屏蔽的中断源很多，故需要对其进行管理，如区分是哪个中断源发出的中断信号？哪个中断源最优先及怎样处理多级中断嵌套等。为此，可使用中断控制器对多个可屏蔽中断源进行管理。

中断控制器能够对中断进行排队管理，避免中断信号的丢失，同时支持对不同中断进行优先级的配置，使高优先级中断能够中断低优先级中断，满足系统中具有更高时间约束特性功能的需要。

中断嵌套

当处理器正在处理一个中断时，有比该中断优先级高的中断源发出中断请求时，如果处理器正在执行中断处理程序，那么处理器会对高优先级的中断进行立即处理，处理完之后再返回到低优先级的中断服务程序继续执行。这样就形成了中断服务程序中套用中断服务程序的情况，即中断嵌套。可嵌套中断的处理流程和中断服务框图如下图所示。

可嵌套中断处理流程

中断处理程序

中断处理程序与设备驱动程序密切配合，来完成特定的I/O操作。当一个用户程序需要某种输入／输出服务时，它会去调用相应的系统调用函数，而这个函数又会去调用相应的设备驱动程序。然后，在驱动程序中会启动输入／输出操作，并且被阻塞起来。直到这个I/O操作完成，之后将产生一个中断，并跳转到相应的中断处理程序。然后在中断处理程序中，将会唤醒被阻塞的驱动程序。至于阻塞和唤醒的具体实现，可以采用各种任务间通信的方式，如P、V原语。

在中断处理过程中，还需要执行如下指令，如保存CPU的运行上下文、为中断服务子程序设置一个运行环境、向中断控制器发出应答信号以及执行相应的中断服务子程序等，这些都需要一定的时间开销。

程序设计

类和继承

1）类

一个类是一些属性和方法的封装体，类的定义用关键字class声明，用关键字public、protected、 private指定类的成员的存取控制属性：private（私有）成员只有类内部的方法才能访问，protected（保护）成员派生类和同一文件夹下的类可以访问，public（公有）成员可以从类的外部访问。默认是public。这体现了面向对象的以下指导思想：尽量将类内部的细节隐藏起来，对类的属性的操作应该通过类的方法来进行。

另外，public还可以用来修饰类，public类能够被其他文件夹下的类访问，非public类只能被同一文件夹下的类访问。一个.java文件中可以包含多个类，会被编译成多个.class文件，但只能有一个public类，而且该类名要和文件名一样。

2）继承

Java中用关键字extends表示类间的继承关系。父类的公有属性和方法成为子类的属性和方法，子类如果有和父类的同名、同参数类型的方法，那么子类对象在调用该方法时，调用的是子类的方法，亦即方法的重置。如果想要调用父类的同名方法，需要用super关键字（属性同理）。

子类的对象可以作为祖先类的对象使用，即所谓类的向上转换，反之则不行。具体表现在：可以用子类对象来对祖先类对象赋值，可以用子类对象作为实参去调用以父类对象为形参的函数。

对象的引用本质

Java中的对象实际上是对象的引用，本质上和C语言中的指针是一样的；但也和C语言指针不尽相同，例如，不能自增、自减，不能强制转换成其他类型。

例如：

构造方法

构造方法就是类的对象生成时会被调用的方法。每个类至少有一个构造方法（Constructor），也称构造函数。构造方法的名字和类名相同，没有任何返回类型。每个类都有一个默认的构造方法，但当用户自定义了构造方法后，默认的构造函数就不再有效了。

重载

同一个类中的两个或两个以上方法，名字相同，而参数个数不同或参数类型不同，称为重载。注意：不能有各方法名字和参数都一样，而仅仅返回值类型不同。

静态属性和静态方法

静态属性和静态方法的声明用关键字static实现，一个类的静态属性只有一份，由所有该类的对象共享。不需要创建对象也能访问类的静态属性和方法，访问方式为"类名．静态属性或静态方法"，静态方法与对象无关，因此不能在静态方法中访问非静态属性和调用非静态方法。

this和super关键字

这两个关键字颇为重要。this代表当前对象，super代表当前对象的父类的东西。

this主要用途有以下两个。

（1）一个构造函数调用另一个构造函数，对构造函数的调用必须是第一条语句。

（2）将对象自身作为参数来调用一个函数。

super的用途如下：在子类中调用父类的同名方法，或在子类的构造函数中调用父类的构造函数，此时亦必须是第一条语句。

多态

所谓多态，是指通过基类对象调用一个基类和派生类都有的方法时，在运行时才能确定到底调用的是基类的方法还是派生类的方法。多态的好处是增加了程序的可扩展性。多态是通过动态联编实现的，即编译时不确定，程序运行时才确定调用哪个函数。

抽象类与接口

1）抽象类

抽象类通过关键字abstract实现，抽象类的目的是定义一个框架，规定某些类必须具有的一些共性。

包含抽象方法的类一定是抽象类，所谓抽象方法是指没有函数体的方法。

抽象类的直接派生类必须实现其抽象方法；抽象类只能用于继承，不能创建对象。

2）接口（Interface）

接口用关键字interface声明，只能用于继承。注意：此时关键字为implements（实现）。接口用于替代多继承的概念，能实现多继承的部分特点，又避免了多继承的混乱，还能起到规定程序框架的作用。注意：接口也可以用于多态。

直接继承了接口的类，必须实现接口中的抽象方法；间接的则可以实现，也可以不实现。

3）抽象类与接口的异同

接口和抽象类都不能创建对象。

抽象类不能参与多继承，抽象类可以有非静态的成员变量，可以有非抽象方法；接口可以参与多继承，所有属性都是静态常量，所有方法都是public抽象方法。

异常处理

1）异常概念

异常，即出错，比如0作为除数、找不到类、打开文件错误、数组越界等。异常如果不进行处理，那么程序运行就会结束；如果进行处理，那么会在执行完异常处理代码后继续运行。

Java中所有异常类均继承自类Exception。

Java中的异常类层次结构如下：

此外，还有EOFException、 FileNotFoundException、 MalformedURLException等。

2）捕获异常

异常处理的典型用法如下，将可能出现异常的代码放在try块中，其后由一个或多个catch捕获相应异常进行处理，注意只执行第一个匹配的catch块，忽略后面的。

如果某个方法中所产生的异常该方法自己没有处理，那么可以在调用该方法的方法中进行处理，如果自己处理了，那么调用它的方法就无法得到该异常。

3）抛出异常

异常除了运行中系统产生的之外，也可以主动抛出异常，用关键字throw，如throw new Exception（）。注意：throw只能抛出Throwable子类的异常。

4）带throws关键字的方法

带throws关键字的方法声明如下：

强制调用该方法的方法必须处理可能发生的异常，或者将异常重新定向。假定方法A带throws关键字，而方法B中调用了方法A，则方法B中必须有处理方法A中可能产生的异常的语句，或者方法B也带throws关键字，指明调用方法B的方法必须处理异常。

final关键字

用final关键字定义的常量，在其初始化或第一次赋值后，其值不能被改变。常量必须先有值，然后才能使用。对于常量的第一次赋值只能在构造函数中进行。

final对象的值不能被改变，指的是该对象不能再指向其他对象，而不是指不能改变当前对象内部的属性值。

函数参数声明为final后，函数中不能改变其值。

final方法是不能被重置的方法。

final类不能被继承，其所有方法都是final的，但属性可以不是final的。

打印机

打印机是计算机系统中常用的设备之一。打印机在计算机系统中是可选件。利用打印机可以打印出各种资料、文书、图形和图像等。根据打印机的工作原理，可以将打印机分为激光打印机、喷墨打印机和针式打印机三类，如下图所示。

常见打印机

激光打印机是一种高速度、高精度、低噪音的非击打式打印机，它是激光扫描技术与电子照相技术相结合的产物。激光打印机具有最高的打印质量和最快的打印速度，可以输出漂亮的文稿，也可以输出直接用于印刷制版的透明胶片。

喷墨打印机的打印头由几百个细小的喷墨口组成，当打印头横向移动时，喷墨口可以按一定的方式喷射出墨水，打到打印纸上，形成字符、图形等。其主要优点是打印精度高、噪声较低、价格较便宜。主要缺点是打印速度慢、墨水消耗较大、日常费用较高。

针式打印机利用打印头内的点阵撞针撞击打印色带，在打印纸上产生打印效果，常用的点阵打印机为24针行式打印机。该打印机的主要优点是价格便宜、轻便实用、维护费用低，适合于打印宽幅纸，且便于多份拷贝，还可以打印多联的超长度打印纸。主要缺点是打印速度慢、噪声大，打印质量也差。

端口

在TCP/IP网络中，传输层的所有服务都包含端口号，它们可以唯一区分每个数据包包含哪些应用协议。端口系统利用这种信息来区分包中的数据，尤其是端口号使一个接收端计算机系统能够确定它所收到的IP包类型，并把它交给合适的高层软件。

端口号和设备IP地址的组合通常称作插口（socket）。任何TCP/IP实现所提供的服务都用知名的1～1023之间的端口号。这些知名端口号由Internet号分配机构（Internet Assigned Numbers Authority, IANA）来管理。例如，SMTP所用的TCP端口号是25，POP3所用的TCP端口号是110，DNS所用的UDP端口号为53，WWW服务使用的TCP端口号为80。FTP在客户与服务器的内部建立两条TCP连接，一条是控制连接，端口号为21；另一条是数据连接，端口号为20。

256～1023之间的端口号通常由UNIX系统占用，以提供一些特定的UNIX服务。也就是说，提供一些只有UNIX系统才有的而其他操作系统可能不提供的服务。

在实际应用中，用户可以改变服务器上各种服务的保留端口号，但要注意，在需要服务的客户端也要改为同一端口号。

指令

指令是指挥计算机完成各种操作的基本命令。

（1）指令格式。计算机的指令由操作码字段和操作数字段两部分组成。

（2）指令长度。指令长度有固定长度的和可变长度的两种。有些RISC的指令是固定长度的，但目前多数计算机系统的指令是可变长度的。指令长度通常取8的倍数。

（3）指令种类。指令有数据传送指令、算术运算指令、位运算指令、程序流程控制指令、串操作指令、处理器控制指令等类型。

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