简答题

请描述CPU发生中断时入栈和出栈的过程,并分析堆栈段中数据的存储方式及栈指针变化之间的关系。

正确答案

堆栈的设立是为了中断操作和子程序的调用而用于保存数据的,即常说的断点保护和现场保护。微处理器无论是在转入子程序和中断服务程序的执行,执行完后,还是要回到主程序中来,在转入子程序和中断服务程序前,必须先将现场的数据进行保存起来,否则返回时,CPU并不知道原来的程序执行到哪一步,原来的中间结果如何?所以在转入执行其它子程序前,先将需要保存的数据压入堆栈中保存。以备返回时,再复原当时的数据。供主程序继续执行。 转入中断服务程序或子程序时,需要保存的数据可能有若干个,都需要一一地保留。如果微处理器进行多重子程序或中断服务程序嵌套,那么需保存的数据就更多,这要求堆栈还需要有相当的容量。否则会造成堆栈溢出,丢失应备份的数据。轻者使运算和执行结果错误,重则使整个程序紊乱。
M.CS-51的堆栈是在RAM中开辟的,即堆栈要占据一定的RAM存储单元。同时MCS-51的堆栈可以由用户设置,SP的初始值不同,堆栈的位置则不一定,不同的设计人员,使用的堆栈区则不同,不同的应用要求,堆栈要求的容量也有所不同。堆栈的操作只有两种,即进栈和出栈,但不管是向堆栈写入数据还是从堆栈中读出数据,都是对栈顶单元进行的,SP就是即时指示出栈顶的位置(即地址)。在子程序调用和中断服务程序响应的开始和结束期间,CPU都是根据SP指示的地址与相应的RAM存储单元交换数据。
堆栈的操作有两种方法:其一是自动方式,即在中断服务程序响应或子程序调用时,返回地址自动进栈。当需要返回执行主程序时,返回的地址自动交给PC,以保证程序从断点处继续执行,这种方式是不需要编程人员干预的。第二种方式是人工指令方式,使用专有的堆栈操作指令进行进出栈操作,也只有两条指令:进栈为PUSH指令,在中断服务程序或子程序调用时作为现场保护。出栈操作POP指令,用于子程序完成时,为主程序恢复现场。
在执行中断子程序或者调用别的子程序时,系统会自动把当前的断点地址压入堆栈进行保护,执行完子程序即遇到RET或者RETI时,把断点地址弹出装入PC中,从而返回原程序的断点处继续往下执行。当你的主程序和子程序都用到某些标志位时,需要把他们也进行堆栈保护。比如你的主程序有加减乘除法,中断子程序中也有,那么你就必须对ACC,PSW等标志寄存器进行保护,因为你在执行中断程序的加减法时可能已经有进位或者借位,已经改变了某些标志位,而回到主程序中时若主程序的加减法没有进位时,标志位在子程序中已被改变,现在就可能出错了。所以在进入中断子程序时要首先把这些标志位(即ACC和PSW)保存起来即PUSH ACC和PUSH PSW,子程序结束时释放:POP PSW和POP ACC,以便回到主程序时能正确的继续运行。

答案解析

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