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1、第五章 中断技术,是指CPU在正常运行程序时,由于内部/外部事件(或由程序)引起CPU中断正在运行的程序,而转到为中断事件服务的程序中去,服务完毕,再返回执行原程序,这一过程称为中断。 硬件中断: 由外部硬件产生的中断。 软件中断: 由程序预先安排的中断。 中断的特征:具有随机性。,5.1 中断的基本概念 一、中断的类型 系统最多支持256种中断,这些中断分为4种类型: 外部硬件中断 非屏蔽中断 软件中断 内部中断和异常,1.外部硬件中断(可屏蔽中断 INTR ) 由外部设备(如键盘、鼠标、硬盘、打印机等)通过中断控制器用中断请求线INTR(高电平有效)向微处理器申请而产生的中断。 特点:受中
2、断标志位IF的控制,IF=1,CPU才能响应INTR中断(即 INTR可以被CPU用指令CLI来禁止,由STI允许)。CPU响应INTR中断时,往INTA引脚上发两个负脉冲,外设接到第二个负脉冲后,立即往数据总线上送出中断号,供CPU读取。 应用:通常用于一般外部设备的中断。,2.非屏蔽中断 NMI 由系统内部硬件通过NMI(正跳变有效)向CPU申请而产生的中断。 NMI 的中断号由系统指定为2号。 RAM奇偶校验错 I/O通道校验错 协处理器8087运算错 NMI的特点:不受中断标志位IF影响,即不能被CPU用指令CLI来禁止,一旦出现这种请求,当前指令执行一结束,立即转移到服务程序。 应用
3、:紧急情况的故障处理。,3.软件中断 由软件中断指令引起的中断。在软件中断指令中,使用最多和最广的是INT n,它在BIOS和DOS系统功能调用中提供了大量的例程。 特点:是不可屏蔽的,中断号由指令给出或由系统安排。,4.内部中断和异常 由指令执行发生错误而引起的中断,这时必须启动一个处理程序以解决问题,并回复这条指令或下一条指令得执行。如单步(1)、断点(3)为内部中断,除法错误(0)、溢出错误(4)为异常。 特点:是不可屏蔽的,中断号由系统安排并且是固定的。,二、中断过程 分为四个阶段 中断请求 中断响应 中断服务 中断返回,1.中断请求 外设先发送“中断请求”信号给CPU。 CPU检查“
4、中断请求”输入线。 CPU有权决定是否响应中断: a.若允许申请,用开中断 STI指令把中断标志IF位置1; b.若不允许申请,用关中断 CLI指令把中断标志IF位置0。 没有获得允许中断请求称为中断被屏蔽。 不允许中断请求的情况: 如:在实时控制时,需采集一段连续数据为防止数据丢失,不允许其他中断请求; 又:执行管理程序中某些重要程序,CLI指令进行屏蔽。,2.中断响应 CPU在当前指令执行结束时,响应中断,进入中断的响应周期; 发出二个中断回答信号INTA完成一个中断响应周期; 进行断点及标志保存 如:段地址(CS),偏移地址(IP)以及标志FR压入堆栈。 读取中断类型号,找到中断源; 装
5、入中断服务程序的入口地址(CS,IP),3.中断服务 转入中断服务程序后,其服务程序的内容有: a.与CPU交换数据,进行I/O操作; b.外部期望CPU给以控制,进行参数修改。 在程序开头,将可能使用的寄存器内容进栈,即保护现场。 在服务程序的未尾,将入栈的寄存器内容弹出,即恢复现场。,4.中断返回 中断服务程序结束,执行中断返回。 自动交保存在堆栈中的标志FR,断点(IP,CS)依次弹出并装入。 回到中断前的地址开始继续执行。,三、中断优先级 1.中断优先级 各类中断优先级从高到低的排列顺序 - 内部中断和异常 - 软件中断 - NMI - INTR 各类中断中又有优先级的区别 如异常类中
6、除法错优先级最高。,三、中断优先级 1.中断优先级 各类中断优先级从高到低的排列顺序 内部中断和异常、软件中断、NMI、INTR 各类中断中又有优先级的区别 如异常类中除法错优先级最高。 一个中断服务程序,只能被更高优先级的中断所打断。 例如,如果类型50H的外部硬件中断正在处理中,那么它可以被非屏蔽中断,所有的内部中断和异常,软件中断,以及类型号小于50H的外部硬件中断所打断。也就是说,类型是大于等于50H的外部硬件中断被屏蔽。,2、多重中断(中断嵌套),当CPU正在处理某个中断源,会出现优先级更高的中断源申请中断。这时,需要暂时中断(挂起)当前正在执行的级别较低的中断服务程序,去处理级别更
7、高的中断源,待处理完后,再返回到被中断了的中断服务程序继续执行。但级别较低的或相同的的中断源不能中断级别高的中断服务,这就是所谓的中断嵌套,并且称这种中断嵌套方式为完全嵌套方式。,四、中断源、中断识别、优先级 中断源:发出中断请求的外设或引起中断的内部原因称为中断源。 中断识别:CPU响应中断后,只知道有中断请求但不知道是哪一个中断源,寻找中断源的操作过程称为中断识别。 中断识别的目的:形成该中断服务程序的入口地址。,CPU识别中断的方法 二种: 向量中断 程序查询中断 向量中断:在CPU响应中断后,由中断控制器将服务程序入口地址送到CPU。 查询中断:采用软件查询技术来确定发出中断请求。,五
8、、中断处理的隐操作 CPU执行中断服务程序前后,其状态标志和程序断点的进栈和出栈,都是硬件自动完成,这些操作称隐操作。,5.2 中断向量与中断向量表 1、中断服务程序的入口问题 中断过程的实质是程序转移的过程,即由主程序转移到服务程序去。如何获取中断服务程序的入口地址是关键。 实模式:引入中断向量及中断向量表,微处理器通过中断向量表中的中断向量获取入口地址。 保护模式:引入中断门描述符及中断描述符表IDT,微处理器通过IDT中的中断门描述符获取入口地址。,2、中断向量IV(Interrupt Vector) 中断向量就是中断服务程序的入口地址。CPU响应中断后,中断源提供地址信息,由此地址信息
9、对程序的执行进行导向,引导到中断服务程序中去。 中断服务程序是预先设计好并存放在程序存储区,因此中断向量包括中断服务程序的段基址CS(2B)和偏移地址IP(2B)共4个字节。,3、中断向量表IVT(Interrupt Vector Table) 把系统中所有的中断向量集中起来放到存储器的某一连续区域内, 这个存放中断向量的存储区 就叫中断向量表。 PC机,从0000H03FFH共1024B, 存放256个中断向量。 IP:两个低字节单元 CS:两个高字节单元,4、中断向量指针与中断类型号 中断向量指针:指出中断向量存放在中断向量表的位置(或地址)。 中断类型号:系统分配给每个中断源的代号。 在
10、PC系列中中断向量指针由中断类型号提供,即 中断向量指针 = 0000 :类型号4 以中断类型号为索引,查中断向量表,取得中断向量。,例:求硬盘“1NT 13H”的中断向量 中断类型号中断向量指针中断向量 中断号:13H 中断向量指针:0000:13H4 = 0000: 4CH 中断向量: 0070:0fc9h,5、16位处理器的中断号分配,5.3 中断描述符与中断描述符表,1、中断描述符 在保护模式下,由于存放中断服务程序的程序存储区地址是虚拟地址,用段描述符加偏移量表示。因此,中断服务程序的入口地址,有以下两部分组成: (1)服务程序的段描述符(8B) (2)服务程序的偏移量(4B) 采用
11、中断门描述符来指向中断服务程序的入口地址。,2、中断描述符表IDT 是一个存放门(中断门、陷阱门或任务门)描述符的存储区。“门”的含义是当中断发生时必须先通过这些门,然后才能进入相应的处理程序。 IDT可以驻留在物理地址空间的任何地方,处理器使用IDTR寄存器来定位IDT的位置。一个门描述符8字节长, IDT最多包含256个门描述符。,3、门描述符的格式 每一个门描述符都分配有一个门号。 中断门描述符地址 = 中断门号*8 + IDT基地址,4、服务程序的入口地址的形成 要获得服务程序的入口地址必须经过两关: (1)利用中断门号在IDT里找中断门描述符; (2)利用门描述符里给出的选择子,在G
12、DT或LDT里找到服务程序的段描述符,从中获得服务程序的段基址,再加上中断门描述符里给出的偏移量形成服务程序的入口地址。,5、32位处理器的中断号分配,5.4 中断控制器,中断系统的管理: 采用8259A中断控制器协助CPU进行中断处理。一个8259可管理8级向量中断,2个8259为15级向量。,中断控制器的主要任务 1.优先级排队管理 根据任务轻重缓急或设备的特殊要求,分配中断源的中断源等级。 2.接受外部设备的中断请求 经过优先权判决找到哪一个中断源的中断请求级别最高,然后,再向CPU提出中断申请INT。 3.提供中断类型号 为CPU实现程序的转移给出中断服务程序入口地址指针。,一、825
13、9A的外部特性和内部结构,1、外部特性 引脚有3组信号线,与其他外围芯片(2组)不同。 (1)面向CPU的信号线 数据线 D0D7 中断请求线 INT 中断应答线 INTA WR、RD 控制线 地址线 CS、A0 (2)面向外设的信号线 8根中断申请线 IR0IR7 (3)面向同类芯片的中断级联信号线 级联线 CAS0CAS2 主从芯片的设定线 SP/EN,2、内部寄存器 (1)中断请求寄存器(IRR) 它存放在IR线上提出了中断请求的中断源,该寄存器8位(D0 D7)对应于连接在IR0IR7 线上的外设所产生的中断请求,哪一根输入线有请求,哪位就置“1”。 具有锁存功能,其内容可用OCW3命
14、令读出。,(2)中断屏蔽寄存器(IMR) 是对中断请求IR起屏蔽作用,即对中断请求IR是禁止还是允许,寄存器8位对应8级中断屏蔽。哪一级中断被屏蔽,哪位就写“1”,即禁止IR提出中断请求。 其内容可用OCW1命令写入,该寄存器命令不可读。,(3)正在服务寄存器ISR 在中断响应之后,第一个获准中断请求的中断级在相应的ISR中置位。 如IR3获准,ISR中的IS3置位,表明IR3正处于服务。 其内容可用OCW3命令读出。,(4)优先权分析器(PR) 这是中断请求的判优电路,当在IR输入端有中断产生时,送到PR,PR检查进来的中断请求的优先级并和“正在服务中的中断”进行比较,确定是否让这个中断请求
15、送给处理器。 过程如下:由8个“与”门逻辑选出参加中断优先级排队的中断请求级,即由8位IRR与8位IMR分别送入“与”门输入端,只有当IRR位置“1”和IMR位置“0”(开放中断请求)同时成立时,相应“与”门输出才为高电平,并送到优先级编码器的输入端参加编码。,3、数据总线缓冲器 是8259A与系统数据总线的接口,它是8位的双向三态缓冲器。 4、读/写控制逻辑 CPU能通过它实现对8259A的读出(状态信号)和写入(初始化编程)。 5、级连缓冲器 实现8259A芯片之间的级连,使得中断源可由8级扩展至64级。 6、控制逻辑 对芯片内部的工作进行控制,使它按编程的规定工作。,二、中断响应周期 中
16、断响应需要两个机器周期。 当: CPU收到INT中断请求 前一条指令执行完,且中断标志位IF=1 那么:CPU进入中断响应周期,它通过总线控制器发出二个连续中断应答信号完成一个中断响应周期。,在中断响应周期两个工作: 1.第一个INTA脉冲时,CPU产生LOCK信号,使总线处于封锁状态,防止DMA占用总线。 2.第二个INTA时,LOCK撤除,总线解封。 外设接到第二个负脉冲后,立即往数据总线上送出中断类型码,供CPU读取。,三、8259A的工作方式,8259A提供了多种工作方式,这些工作方式使8259A的使用范围大大增加。其中,有些方式是经常使用的,有些方式很少用到,对常用的工作方式要重点加
17、以注意。,实际上是中断请求的启动方式,即表示有/无外设申请中断的方式。有两种中断请求的启动方式。 (1)电平触发方式。IR0IR7输入线出现高电平时,表示有中断请求。 (2)边沿触发方式。IR0IR7输入线出现由低电平到高电平的跳变,表示有中断请求。 利用初始化命令字ICW1来设置。,1、中断触发方式,中断结束的实质是使ISR中被置1的位清零,及撤销该位相应的中断级。8259A提供了自动和非自动结束两种方式。 自动EOI方式 中断处理结束时自动将ISR中相应位清零,因此,在中断服务程序中,根本就不需要向8259A发中断结束命令EOI,去清零置1的位。此方式较少使用。 只需将初始化命令字ICW4
18、中的AEOI置为1即可。,2、中断结束( EOI )方式, 非自动EOI方式 这是ISR中被置1的位,在服务完毕后,不能自动清零,而必须在中断服务程序中,向8259A发中断结束命令EOI,才能清零。此方式是常用的方式,其中又有两种命令格式。 普通结束命令 使ISR中优先级最高的置1位清零。在命令代码中,并不指明是哪一级中断结束,而是隐含地暗示使最高优先级结束。用操作命令字OCW2中的EOI=1, SL=0, R=0的设置来实现(即命令代码为20H)。此命令只用于完全嵌套方式。 特殊结束命令 该命令明确指定ISR中哪一个置1的位清零,即服务完毕,具体指定哪一级中断结束。用操作命令字OCW2中的E
19、OI=1, SL=1, R=0的设置来实现,此时OCW2中的L2、L1、L0这3位指出了到底要清除ISR中的哪一位。(即命令代码为6XH,X=07,表示与IR0IR7 相对应的8级中断)。此命令可用于各种中断优先级排队方式。,3、中断优先级排队方式 8259A提供了3中优先级排队方式:完全嵌套方式、特殊完全嵌套方式、优先级轮换方式。其中,最常用的是完全嵌套方式,后两种很少使用。, 完全嵌套方式 是8259A初始化后自动进入的基本工作方式。此时优先级从IR0到IR7依次降低。当某一中断处理时,可响应比它高的中断,但禁止比它低的或同级中断进入。当某一中断请求处理结束时,CPU向8259A发送中断结
20、束命令EOI,以使ISR中相应位清零。, 特殊完全嵌套方式 与的普通全嵌套方式差不多,区别是CPU处理某一中断时,允许比它高的和与它同级的中断请求进入,而只禁止比它低的中断请求。,普通EOI循环方式 在这种方式下,任何一级中断请求被处理完后, CPU向8259A发送中断结束命令EOI,以使ISR中优先级最高的置1位清零,并重新赋给它最低优先级,而将最高优先级赋给比它低一级的中断请求,其它中断请求的优先级则以循环方式类推。,(3)优先级轮换方式,例:普通EOI循环方式举例,某系统中原来定义的是IR0为最高级, IR7为最低级,当前正在处理IR2和IR6引入的中断请求,因此ISR寄存器中第2位和第
21、6位置1,待第2级中断处理完,CPU向8259A发回普通EOI命令,ISR中级别高的第2位清0,并将优先级由原定义的第2级改为最低级(第7级),而将最高级(第0级)赋给原来的第3级(IR3),其它级的优先权按循环方式依次改变级别。待第6级中断处理完后也如此处理。,特殊EOI循环方式 用户根据要求用置优先级命令指定最低优先级,例如设置IRi为最低优先级,则最高优先级为IRi+1,其它各级按循环方式类推。,例:特殊EOI循环方式举例,当前正在处理第2级和第6级中断,它们以嵌套方式引入系统。如果当前CPU正在执行优先级高的第2级中断服务程序,用户在该中断服务程序中安排了一条优先权置位命令,将最低级优
22、先权赋给IR4,那么待这条指令执行完,各中断源的优先级便发生变化,IR4具有最低优先级 ,但这时第2级中断服务程序并没有结束,因此ISR寄存 器中仍保持第2位和第6位置1,只是它们的优先级别已经分别被改变为第5级和第1级,4、中断屏蔽方式 是指对外设中断申请的屏蔽,即允许还是不允许申请中断,而不是对已经提出的中断申请响不响应的问题。有两种屏蔽方式。 普通屏蔽方式 这是通过8259A屏蔽寄存器写入8位屏蔽码来屏蔽或开放中断申请线的中断申请。将IMR中某一位或几位置1,则其对应的中断被屏蔽(即被禁止)。 这是最常用的屏蔽方式。, 特殊屏蔽方式 用于开放低级别的中断申请。允许比正在服务的中断级别低的
23、中断申请,仅屏蔽同级的中断再次申请中断,可以响应高级或低级中断。这种方式很少采用。 通过操作命令字OCW3中的ESMM和SMM同时置为1,并将IMR对应于本级中断的位置1来实现。,5、中断级联方式 可以单片使用,也可以多片使用,两片以上使用时就存在级联问题。级联问题分两个方面:从主片看,他的那一根或那几根中断申请输入线IR有从片连接;从从片看,他的中断申请输出线INT与主片的哪一根中断申请输入线IR相连。利用命令字ICW3来设定。,四、8259A的中断操作的功能及其命令 中断操作功能 请求 屏蔽 排队 结束 级联 中断类型号 查询 下面讨论为实现这些功能的各个命令字的含义,为编程使用8259A
24、提供一些思路。,1.中断请求触发方式的设定(ICW1) 功能:设定中断请求的触发方式,是电平触发还是边沿触发。 ICW1的格式:,例.若8259A采用边沿触发,单片使用,需要ICW4,则 MOV AL,00010011B ;ICW1的内容 OUT 20H,AL ;写入ICW1端口(A0=0),2.中断类型号的设定(ICW2) 功能:提供给CPU的中断类型号.,如:硬盘中断号:0DH 即 00001101 00001000,注意: 向ICW2写入中断类型号只写高5位,低3位写0,即08H, MOV AL,08H OUT 21H,AL ;写入ICW2的端口(A0=1),3.中断级联方式的设定(IC
25、W3) (1)级联的结构 例: 有三个8259A采用主从级联方式,指出优先级排序.,优先级次序为: IR0,1,2,815,4,5,1623,7,IR15 IR8,IR23 IR16,IR7 IR0,(2)ICW3的格式: a.主片ICW3,Si=1, 联接从控, Si=0, 末联接从控; 例: 上图; IR3, IR6, 联接从控, 则 ICW3=01001000B (48H) MOV AL, 48H OUT 21H, AL,ID2ID0有8种编码,表示从控INT接到主控的哪一个IR位,如: 从控A的ICW3=00000011B=03H 从控B的ICW3=00000110B=06H 例如;
26、MOV AL,03H OUT 0A1H,AL ;从片的地址由译码决定,b.从片ICW3:,4.特殊完全嵌套方式的设定(ICW4) 问题的提出: 在级联方式中,当从控接收到比“正在服务”中的那一个优先等级更高的中断申请时,就不会被主控识别,就是说,从控的较高优先级的中断就不能被及时服务。 为了解决这个问题,8259提供了一种特殊的完全嵌套方式。 如果在主控中采用这种方式,那么当从控收到一个更高的中断请求时,它是会被主控识别的。这种全嵌套方式是在初始化时由ICW4指定的。,ICW4格式:,D4=1 为主控为特殊完全嵌套 =0 全嵌套 D3=1 为缓冲方式 ,SP/EN 作输出线 =0 为非缓冲方式
27、,SP/EN作输入线,D0 =1 用于8088/8086 =0 用于8080/8085,D2 =1 为缓冲方式下8259A作主控 =0 为缓冲方式下8259A作从控,D1=1 自动结束方式, ISR有自动复位功能 =0 为非自动,例. PC/XT机,CPU为8088,8259与系统为缓冲的连接,非自动结束方式,只用1片8259A,全嵌套。 ICW4=00001101B=0DH MOV AL,0DH OUT 21H,AL,注意: 在缓冲的方式下(8286) SP/EN作输出线,控制的数据传送方式。 8259是主控制还是从控由ICW4的M/S(D2)位决定,(通过编程决定)。,(1)缓冲器方式下级
28、联的设定(ICW4),例2. PT86单板机,CPU为8086,采用非自动结束方式,使用2片8259A,非缓冲方式,采用特殊全嵌套方式,其ICW400010101B15H 若将它写入ICW4的端口, MOV DX,0FFDEH MOV AL,15H OUT DX,AL,小结 8259的编程命令有二类: 1.初始化命令字ICW1ICW4 ICW1,ICW2,ICW3,ICW4 放在初始化程序的开头, 对8259进行初始化次序为:,2.操作命令字(OCW) OCW1,OCW2,OCW3 初始化后,即在程序执行中,使用OCW命令对中断控制器进行动态控制。 不需要按顺序发送,在程序中任意安排。,(1)
29、中断屏蔽操作命令字(OCW1) 直接写入中断屏蔽寄存器IMR,可以屏蔽一个或多个的中断请求。M0-M7对应IR0-IR7,其中Mi位=1,则该IRi位屏蔽,即IRi线上的中断不被接收。,例 要使中断源IR3开放,其余被屏蔽,则 OCW1=11110111B=F7H MOV AL,F7H OUT 21H,AL OCW1内容送端口 IN AL,21H 回读21H端口的内容, OCW2 用于设置优先级循环方式和中断结束方式。,=1表示L2 L1 L0有效 =0表示这三位无效,OCW2的标志位,优先级排队控制 =1循环方式优先级 =0为非循环方式,即优先级固定,中断结束命令位 =1 非自动 =0 自动
30、,在SL=1时,配合R,SL,EOI的设置,用来确定一个中断优先级的编码。 L2、L1、L0的8种编码000-111 分别与IR0-IR7对应。,作中断结束控制 当在初始化命令ICW4选用非自动结束方式时,就利用OCW2来控制中断结束。 即:OCW2格式中的D5(EOI)=1 EOI=1, SL=0, R=0:普通EOI方式 OCW2=01100000 EOI=1, SL=1, R=0: 特殊EOI方式 OCW2=01100L2L1L0 ( L2L0指出了到底要清除ISR中的哪一位 ) 例:指定IR5为中断结束,则OCW2=01100101B=65H。,作中断优先级排队控制,D7 (R),1:
31、需要轮换优先权,分二种若SL,0:优先级固定方式(完全嵌套方式),=1:优先权 指定轮换,=0:自动轮换,注意: 中断结束方式和中断排队方式都用OCW2命令来实现,因此,它的某些位功能重选相互交叉显然比较复杂,但其作用只有两个: 控制中断结束方式 中断优先权轮换方式的控制,由R,SL,EOI三位可以定义多种不同的中断结束命令或优先级循环方式。, OCW3 (A0 = 0,偶地址端口) 功能 用来设置查询中断式 设置特定屏蔽方式 读取8259A的IRR,ISR寄存器的内容 格式,其中D4、D3=01是OCW3的标志位。 ESMM是特殊屏蔽方式允许位,SMM是特殊屏蔽方式位。 ESMM SMM 功
32、 能 0 无效 1 0 特殊屏蔽方式复位 1 1 特殊屏蔽方式置位,P,查询标志,=1 查询8259A状态 =0 不查询 当P=1时, 查询当前是否有中断请求,以及在有中断时,当前正在请求的中断最高优先级是哪一级。查询的中断状态字(偶地址)格式如下: IR=0,无中断请求,=1有中断请求; W2、W1、W0表示当前正在请求的中断IRi是最高优先级, W2、W1、W0的编码是000-111对应IR0-IR7。,RR和RIS位在P= 0时才有效。 RR位是读寄存器命令,RIS位用于为读寄存器命令确定读取的对象。 P RR RIS 功 能 0 0 无效 0 1 0 下条读指令时,读取IRR(用偶地址
33、) 0 1 1 下条读指令时,读取ISR(用偶地址) 如果CPU要读取IMR寄存器的内容,可随时通过读指令从奇地址端口读取,不需设置RR和RIS的状态。,例 在BIOS中读取ISR寄存器的程序段 MOV AL,0BH ; OCW3表示要读ISR OUT 20H,AL ; OCW3口地址为20H NOP IN AL,20H ;读ISR寄存器内容 MOV AH,AL ;保存ISR内容到AH OR AL,0H ;是否为全0? JNZ AW-INT ;否,转硬件中断程序,5.5 8259A在PC系统中的应用,8259A初始化编程举例,ICW1=13H=00010011B 边沿触发,单片要ICW4 ICW2=08H=00001000B 中断号的高5位, 低3位由IR2动态产生 ICW4=09H=00001001B 全嵌套,8088非自动结束 例2.采用2片8259,主/从结构,中断优先级顺序: IRQ0,IRQ1,IRQ8IRQ15,IRQ3IRQ7 主片: ICW1=11H;边沿触发,多片,要ICW4 ICW2=08H;中断号高5位 ICW3=04H;主片的IR2接到从片上D2=1 ICW4=01H;非缓冲,全嵌套,16位CPU 从片 ICW1=11H, ICW2=70H, ICW3=02H, ICW4=01H,,
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