單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

有關(guān)單片機(jī)中斷系統(tǒng)的概念：什么是中斷，我們從一個生活中的例程引入。你正在家中看書，突然電話鈴響了，你放下書本，去接電話，和來電話的人交談，然后放下電話，回來繼續(xù)看你的書。這就是生活中的“中斷”的現(xiàn)象，就是正常的工作過程被外部的事件打斷了。仔細(xì)研究一下生活中的中斷，對于我們學(xué)習(xí)單片機(jī)的中斷也很有好處。

第一、什么可經(jīng)引起中斷，生活中很多事件能引起中斷：有人按了門鈴了，電話鈴響了，你的鬧鐘鬧響了，你燒的水開了….等等諸如此類的事件，我們把能引起中斷的稱之為中斷源，單片機(jī)中也有一些能引起中斷的事件，8031中一共有5個：兩個外部中斷，兩個計數(shù)/定時器中斷，一個串行口中斷。

第二、中斷的嵌套與優(yōu)先級處理：設(shè)想一下，我們正在看書，電話鈴響了，同時又有人按了門鈴，你該先做那樣呢?如果你正是在等一個很重要的電話，你一般不會去理會門鈴的，而反之，你正在等一個重要的客人，則可能就不會去理會電話了。如果不是這兩者(即不等電話，也不是等人上門)，你可能會按你常常的習(xí)慣去處理?？傊@里存在一個優(yōu)先級的問題，單片機(jī)中也是如此，也有優(yōu)先級的問題。優(yōu)先級的問題不僅僅發(fā)生在兩個中斷同時產(chǎn)生的情況，也發(fā)生在一個中斷已產(chǎn)生，又有一個中斷產(chǎn)生的情況，比如你正接電話，有人按門鈴的情況，或你正開門與人交談，又有電話響了情況。考慮一下我們會怎么辦吧。

第三、中斷的響應(yīng)過程：當(dāng)有事件產(chǎn)生，進(jìn)入中斷之前我們必須先記住現(xiàn)在看書的第幾頁了，或拿一個書簽放在當(dāng)前頁的位置，然后去處理不一樣的事情(因為處理完了，我們還要回來繼續(xù)看書)：電話鈴響我們要到放電話的地方去，門鈴響我們要到門那邊去，也說是不一樣的中斷，我們要在不一樣的地點處理，而這個地點常常還是固定的。計算機(jī)中也是采用的這種辦法，五個中斷源，每個中斷產(chǎn)生后都到一個固定的地方去找處理這個中斷的程序，當(dāng)然在去之前首先要保存下面將執(zhí)行的指令的地址，以便處理完中斷后回到原來的地方繼續(xù)往下執(zhí)行程序。具體地說，中斷響應(yīng)能分為以下幾個步驟：1、保護(hù)斷點，即保存下一將要執(zhí)行的指令的地址，就是把這個地址送入堆棧。2、尋找中斷入口，根據(jù)5個不一樣的中斷源所產(chǎn)生的中斷，查找5個不一樣的入口地址。以上工作是由計算機(jī)自動完成的，與編程者無關(guān)。在這5個入口地址處存放有中斷處理程序(這是程序編寫時放在那兒的，如果沒把中斷程序放在那兒，就錯了，中斷程序就不能被執(zhí)行到)。3、執(zhí)行中斷處理程序。4、中斷返回：執(zhí)行完中斷指令后，就從中斷處返回到主程序，繼續(xù)執(zhí)行。究竟單片機(jī)是怎么樣找到中斷程序所在位置，又怎么返回的呢?我們稍后再談。

MCS-51單片機(jī)中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：

5個中斷源的符號、名稱及產(chǎn)生的條件如下。

INT0：外部中斷0，由P3.2端口線引入，低電平或下跳沿引起。

INT1：外部中斷1，由P3.3端口線引入，低電平或下跳沿引起。

T0：定時器/計數(shù)器0中斷，由T0計滿回零引起。

T1：定時器/計數(shù)器l中斷，由T1計滿回零引起。

TI/RI：串行I/O中斷，串行端口完成一幀字符發(fā)送/接收后引起。

整個中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見下圖一所示。

 

<51單片機(jī)中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)>

如圖所示，由與中斷有關(guān)的特殊功能寄存器、中斷入口、次序查詢邏輯電路等組成，包括5個中斷請求源，4個用于中斷控制的寄存器IE、IP、ECON和SCON來控制中斷類弄、中斷的開、關(guān)和各種中斷源的優(yōu)先級確定。

中斷請求源：

(1)外部中斷請求源：即外中斷0和1，經(jīng)由外部管腳引入的，在單片機(jī)上有兩個管腳，名稱為INT0、INT1，也就是P3.2、P3.3這兩個管腳。在內(nèi)部的TCON中有四位是與外中斷有關(guān)的。IT0：INT0觸發(fā)方式控制位，可由軟件進(jìn)和置位和復(fù)位，IT0=0，INT0為低電平觸發(fā)方式，IT0=1，INT0為負(fù)跳變觸發(fā)方式。這兩種方式的差異將在以后再談。IE0：INT0中斷請求標(biāo)志位。當(dāng)有外部的中斷請求時，這位就會置1(這由硬件來完成)，在CPU響應(yīng)中斷后，由硬件將IE0清0。IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。(2)內(nèi)部中斷請求源TF0：定時器T0的溢出中斷標(biāo)記，當(dāng)T0計數(shù)產(chǎn)生溢出時，由硬件置位TF0。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后，再由硬件將TF0清0。TF1：與TF0類似。TI、RI：串行口發(fā)送、接收中斷，在串行口中再講解。2、中斷允許寄存器IE在MCS-51中斷系統(tǒng)中，中斷的允許或禁止是由片內(nèi)可進(jìn)行位尋址的8位中斷允許寄存器IE來控制的。見下表EAX

其中EA是總開關(guān)，如果它等于0，則所有中斷都不允許。ES-串行口中斷允許ET1-定時器1中斷允許EX1-外中斷1中斷允許。ET0-定時器0中斷允許EX0-外中斷0中斷允許。如果我們要設(shè)置允許外中斷1，定時器1中斷允許，其它不允許，則IE能是EAX

即8CH，當(dāng)然，我們也能用位操作指令SETB EA

SETB ET1SETB EX1

來實現(xiàn)它。3、五個中斷源的自然優(yōu)先級與中斷服務(wù)入口地址外中斷0：0003H定時器0：000BH外中斷1：0013H定時器1：001BH串行口：0023H它們的自然優(yōu)先級由高到低排列。寫到這里，大家應(yīng)當(dāng)明白，為什么前面有一些程序一始我們這樣寫：

ORG 0000HLJMP START

ORG 0030H

START：。

這樣寫的目的，就是為了讓出中斷源所占用的向量地址。當(dāng)然，在程序中沒用中斷時，直接從0000H開始寫程序，在原理上并沒有錯，但在實際工作中最好不這樣做。優(yōu)先級：單片機(jī)采用了自然優(yōu)先級和人工設(shè)置高、低優(yōu)先級的策略，即能由程序員設(shè)定那些中斷是高優(yōu)先級、哪些中斷是低優(yōu)先級，由于只有兩級，必有一些中斷處于同一級別，處于同一級別的，就由自然優(yōu)先級確定。

開機(jī)時，每個中斷都處于低優(yōu)先級，我們能用指令對優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)置?？幢?中斷優(yōu)先級中由中斷優(yōu)先級寄存器IP來高置的，IP中某位設(shè)為1，對應(yīng)的中斷就是高優(yōu)先級，不然就是低優(yōu)先級。

XX

X

PS

PT1

PX1

PT0

PX0

例：設(shè)有如下要求，將T0、外中斷1設(shè)為高優(yōu)先級，其它為低優(yōu)先級，求IP的值。IP的首3位沒用，可任意取值，設(shè)為000，后面根據(jù)要求寫就能了XX

因此，最終，IP的值就是06H。例：在上例中，如果5個中斷請求同時發(fā)生，求中斷響應(yīng)的次序。響應(yīng)次序為：定時器0->外中斷1->外中斷0->實時器1->串行中斷。

MCS-51的中斷響應(yīng)過程：

1、中斷響應(yīng)的條件：講到這兒，我們依然對于計算機(jī)響應(yīng)中斷感到神奇，我們?nèi)四茼憫?yīng)外界的事件，是因為我們有多種“傳感器“――眼、耳能接受不一樣的信息，計算機(jī)是如何做到這點的呢?其實說穿了，一點都不希奇，MCS51工作時，在每個機(jī)器周期中都會去查詢一下各個中斷標(biāo)記，看他們是否是“1“，如果是1，就說明有中斷請求了，所以所謂中斷，其實也是查詢，不過是每個周期都查一下而已。這要換成人來說，就相當(dāng)于你在看書的時候，每一秒鐘都會抬起頭來看一看，查問一下，是不是有人按門鈴，是否有電話。。。。很蠢，不是嗎?可計算機(jī)本來就是這樣，它根本沒人聰明。了解了上述中斷的過程，就不難解中斷響應(yīng)的條件了。在下列三種情況之一時，CPU將封鎖對中斷的響應(yīng)：

CPU正在處理一個同級或更高級別的中斷請求。

現(xiàn)行的機(jī)器周期不是當(dāng)前正執(zhí)行指令的最后一個周期。我們知道，單片機(jī)有單周期、雙周期、三周期指令，當(dāng)前執(zhí)行指令是單字節(jié)沒有關(guān)系，如果是雙字節(jié)或四字節(jié)的，就要等整條指令都執(zhí)行完了，才能響應(yīng)中斷(因為中斷查詢是在每個機(jī)器周期都可能查到的)。

當(dāng)前正執(zhí)行的指令是返回批令(RETI)或訪問IP、IE寄存器的指令，則CPU至少再執(zhí)行一條指令才應(yīng)中斷。這些都是與中斷有關(guān)的，如果正訪問IP、IE則可能會開、關(guān)中斷或改變中斷的優(yōu)先級，而中斷返回指令則說明本次中斷還沒有處理完，所以都要等本指令處理結(jié)束，再執(zhí)行一條指令才能響應(yīng)中斷。

2、中斷響應(yīng)過程CPU響應(yīng)中斷時，首先把當(dāng)前指令的下一條指令(就是中斷返回后將要執(zhí)行的指令)的地址送入堆棧，然后根據(jù)中斷標(biāo)記，將對應(yīng)的中斷入口地址送入PC，PC是程序指針，CPU取指令就根據(jù)PC中的值，PC中是什么值，就會到什么地方去取指令，所以程序就會轉(zhuǎn)到中斷入口處繼續(xù)執(zhí)行。這些工作都是由硬件來完成的，不必我們?nèi)タ紤]。這里還有個問題，大家是否注意到，每個中斷向量地址只間隔了8個單元，如0003-000B，在如此少的空間中如何完成中斷程序呢?很簡單，你在中斷處安排一個LJMP指令，不就能把中斷程序跳轉(zhuǎn)到任何地方了嗎?一個完整的主程序看起來應(yīng)該是這樣的：

ORG 0000HLJMP START

ORG 0003H

LJMP INT0 ;轉(zhuǎn)外中斷0ORG 000BH

RETI ;沒有用定時器0中斷，在此放一條RETI，萬一 “不小心“產(chǎn)生了中斷，也不會有太大的后果。。

中斷程序完成后，一定要執(zhí)行一條RETI指令，執(zhí)行這條指令后，CPU將會把堆棧中保存著的地址取出，送回PC，那么程序就會從主程序的中斷處繼續(xù)往下執(zhí)行了。注意：CPU所做的保護(hù)工作是很有限的，只保護(hù)了一個地址，而其它的所有東西都不保護(hù)，所以如果你在主程序中用到了如A、PSW等，在中斷程序中又要用它們，還要保證回到主程序后這里面的數(shù)據(jù)還是沒執(zhí)行中斷以前的數(shù)據(jù)，就得自己保護(hù)起來。

中斷系統(tǒng)的控制寄存器：

中斷系統(tǒng)有兩個控制寄存器IE和IP，它們分別用來設(shè)定各個中斷源的打開/關(guān)閉和中斷優(yōu)先級。此外，在TCON中另有4位用于選擇引起外部中斷的條件并作為標(biāo)志位。

1.中斷允許寄存器--IE

IE在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址為A8H，位地址(由低位到高位)分別是A8H-AFH。

IE用來打開或關(guān)斷各中斷源的中斷請求，基本格式如下圖二所示：

 

EA：全局中斷允許位。EA=0，關(guān)閉全部中斷;EA=1，打開全局中斷控制，在此條件下，由各個中斷控制位確定相應(yīng)中斷的打開或關(guān)閉。

×：無效位。

ES：串行I/O中斷允許位。ES=1，打開串行I/O中斷;ES=0，關(guān)閉串行I/O中斷。

ETl;定時器/計數(shù)器1中斷允許位。ETl=1，打開T1中斷;ETl=O，關(guān)閉T1中斷。

EXl：外部中斷l(xiāng)中斷允許位。EXl=1，打開INT1;EXl=0，關(guān)閉INT1。

ET0：定時器/計數(shù)器0中斷允許位。ET0=1，打開T0中斷;ET0=0，關(guān)閉TO中斷。

EXO：外部中斷0中斷允許位。Ex0=1，打開INT0;EX0=0,關(guān)閉INT0.

中斷優(yōu)先寄存器--IP：

IP在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址為B8H，位地址(由低位到高位)分別是B8H一BFH,IP用來設(shè)定各個中斷源屬于兩級中斷中的哪一級，IP的基本格式如下圖三所示：

 

×：無效位。

PS：串行I/O中斷優(yōu)先級控制位。PS=1，高優(yōu)先級;PS=0，低優(yōu)先級。

PTl：定時器/計數(shù)器1中斷優(yōu)先級控制位。PTl=1，高優(yōu)先級;PTl=0，低優(yōu)先級。

Pxl：外部中斷1中斷優(yōu)先級控制位。Pxl=1，高優(yōu)先級;PXl=O，低優(yōu)先級。

PT0：定時器/計數(shù)器o中斷優(yōu)先級控制位。PT0=1，高優(yōu)先級;PTO=0，低優(yōu)先級。

Px0：外部中斷0中斷優(yōu)先級控制位。Px0=1，高優(yōu)先級;Px0=0，傷優(yōu)先級。

在MCS-51單片機(jī)系列中，高級中斷能夠打斷低級中斷以形成中斷嵌套;同級中斷之間，或低級對高級中斷則不能形成中斷嵌套。若幾個同級中斷同時向CPU請求中斷響應(yīng)，則CPU按如下順序確定響應(yīng)的先后順序：

INT0一T0---INT1一T1一RI/T1.

中斷的響應(yīng)過程

若某個中斷源通過編程設(shè)置，處于被打開的狀態(tài)，并滿足中斷響應(yīng)的條件，而且①當(dāng)前正在執(zhí)行的那條指令已被執(zhí)行完

1、當(dāng)前末響應(yīng)同級或高級中斷

2、不是在操作IE，IP中斷控制寄存器或執(zhí)行REH指令則單片機(jī)響應(yīng)此中斷。

在正常的情況下，從中斷請求信號有效開始，到中斷得到響應(yīng)，通常需要3個機(jī)器周期到8個機(jī)器周期。中斷得到響應(yīng)后，自動清除中斷請求標(biāo)志(對串行I/O端口的中斷標(biāo)志，要用軟件清除)，將斷點即程序計數(shù)器之值(PC)壓入堆棧(以備恢復(fù)用);然后把相應(yīng)的中斷入口地址裝入PC，使程序轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序中去執(zhí)行。

各個中斷源在程序存儲器中的中斷入口地址如下：

中斷源 入口地址

INT0(外部中斷0) 0003H

TF0(TO中斷) 000BH

INT1(外部中斷1) 0013H

TFl(T1中斷) 001BH

RI/TI(串行口中斷) 0023H

由于各個中斷入口地址相隔甚近，不便于存放各個較長的中斷服務(wù)程序，故通常在中斷入口地址開始的二三個單元中，安排一條轉(zhuǎn)移類指令，以轉(zhuǎn)入到安排在那兒的中斷服務(wù)程序。以T1中斷為例，其過程下如圖四所示。

由于5個中斷源各有其中斷請求標(biāo)志0，TF0，IEl，TFl以及RI/TI，在中斷源滿足中斷請求的條件下，各標(biāo)志自動置1，以向CPU請求中斷。如果某一中斷源提出中斷請求后，CPU不能立即響應(yīng)，只要該中斷請求標(biāo)志不被軟件人為清除，中斷請求的狀態(tài)就將一直保持,直到CPU響應(yīng)了中斷為止,對串行口中斷而言，這一過程與其它4個中斷的不同之處在于;即使CPU響應(yīng)了中斷，其中斷標(biāo)志RI/TI也不會自動清零，必須在中斷服務(wù)程序中設(shè)置清除RI/TI的指令后，才會再一次地提出中斷請求。

CPU的現(xiàn)場保護(hù)和恢復(fù)必須由被響應(yīng)的相應(yīng)中斷服務(wù)程序去完成，當(dāng)執(zhí)行RETI中斷返回指令后，斷點值自動從棧頂2字節(jié)彈出，并裝入PC寄存器，使CPU繼續(xù)執(zhí)行被打斷了的程序。

下面給出一個應(yīng)用定時器中斷的實例。

現(xiàn)要求編制一段程序，使P1.0端口線上輸出周期為2ms的方波脈沖。設(shè)單片機(jī)晶振頻率

Fosc=6MHZ.

1、方法：利用定時器T0作1ms定時，達(dá)到定時值后引起中斷，在中斷服務(wù)程序中，使P1.0的狀態(tài)取一次反，并再次定時1ms。

2、定時初值：機(jī)器周期MC=12/fosc=2us。所以定時lms所需的機(jī)器周期個數(shù)為500D，亦即0lF4H。設(shè)T0為工作方式1(16位方式)，則定時初值是(01F4H)求補(bǔ)=FEOCH

 

START：MOV TMOD，#01H;T0為定時器狀態(tài)，工作方式1

MOV TL0，#0CH;T0的低位定時初值

MOV TH0，#0FEH;T0的高位定時初值

MOV TCON，#10H;打開T0

SETB ET0;1ET0，即允許T0中斷

SETB EA;1EA，即充許全局中斷

AJMP $;動態(tài)暫存

000BH：AJMP IST0;轉(zhuǎn)入T0中斷服務(wù)程序入口地址IST0

IST0：MOV TL0，#0CH;重置定時器初值

MOV TH0，#0FEH;重置定時器初值

CPL P1.0;P1.0取反

RET1;中斷返回

串行端口的控制寄存器：

串行端口共有2個控制寄存器SCON和PCON，用以設(shè)置串行端口的工作方式、接收/發(fā)送的運行狀態(tài)、接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的特征、波特率的大小，以及作為運行的中斷標(biāo)志等。

①串行口控制寄存器SCON

SCON的字節(jié)地址是98H，位地址(由低位到高位)分別是98H一9FH。SCON的格式如圖五所示。

 

SMo，SMl：

串行口工作方式控制位。

00--方式0;01--方式1;

10--方式2;11--方式3。

SM2：

僅用于方式2和方式3的多機(jī)通訊控制位

發(fā)送機(jī)SM2=1(要求程控設(shè)置)。

當(dāng)為方式2或方式3時：

接收機(jī) SM2=1時，若RB8=1，可引起串行接收中斷;若RB8=0，不

引起串行接收中斷。SM2=0時，若RB8=1，可引起串行接收中斷;若

RB8=0，亦可引起串行接收中斷。

REN:

串行接收允許位。

0--禁止接收;1--允許接收。

TB8:

在方式2，3中，TB8是發(fā)送機(jī)要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。

RB8:

在方式2，3中，RB8是接收機(jī)接收到的第9位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)正好來自發(fā)

送機(jī)的TB8。

TI:

發(fā)送中斷標(biāo)志位。發(fā)送前必須用軟件清零，發(fā)送過程中TI保持零電平，

發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，由硬件自動置1。如要再發(fā)送，必須用軟件再清零。

RI:

接收中斷標(biāo)志位。接收前，必須用軟件清零，接收過程中RI保持零電

平，接收完一幀數(shù)據(jù)后，由片內(nèi)硬件自動置1。如要再接收，必須用軟件

再清零。

電源控制寄存器PCON

PCON的字節(jié)地址為87H，無位地址，PCON的格式如圖六所示。需指出的是，對80C31單片機(jī)而言，PCON還有幾位有效控制位。

 

SMOD：波特率加倍位。在計算串行方式1，2，3的波特率時;0---不加倍;1---加倍。

串行中斷的應(yīng)用特點：

8031單片機(jī)的串行I/O端口是一個中斷源，有兩個中斷標(biāo)志RI和TI，RI用于接收，TI用于發(fā)送。

串行端口無論在何種工作方式下，發(fā)送/接收前都必須對TI/RI清零。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送/接收完后，TI/RI自動置1，如要再發(fā)送/接收，必須先用軟件將其清除。

在串行中斷被打開的條件下，對方式0和方式1來說，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送/接收完后，除置位TI/RI外，還會引起串行中斷請求，并執(zhí)行串行中側(cè)目務(wù)程序。但對方式2和方式3的接收機(jī)而言，還要視SM2和RB8的狀態(tài)，才可確定RI是否被置位以及串行中斷的開放：

SM2 RB8 接收機(jī)中斷標(biāo)志與中斷狀態(tài)

0 1 激活RI，引起中斷

1 0 不激活RI，不引起中斷

1 1 激活RI，引起中斷

單片機(jī)正是利用方式2，3的這一特點，實現(xiàn)多機(jī)間的通信。串行端口的常用應(yīng)用方法見相關(guān)章節(jié)。

波特率的確定：

對方式0來說，波特率已固定成fosc/12，隨著外部晶振的頻率不同，波特率亦不相同。常用的fosc有12MHz和6MHz，所以波特率相應(yīng)為1000×103和500×103位/s。在此方式下，數(shù)據(jù)將自動地按固定的波特率發(fā)送/接收，完全不用設(shè)置。

對方式2而言，波特率的計算式為2SMOD·fosc/64。當(dāng)SMOD=0時，波特率為fm/64;當(dāng)SMOD=1時，波特率為fosc/32。在此方式下，程控設(shè)置SMOD位的狀態(tài)后，波特率就確定了，不需要再作其它設(shè)置。

對方式1和方式3來說，波特率的計算式為2SMOD/32×T1溢出率，根據(jù)SMOD狀態(tài)位的不同，波特率有Tl/32溢出率和T1/16溢出率兩種。由于T1溢出率的設(shè)置是方便的，因而波特率的選擇將十分靈活。

前已敘及，定時器Tl有4種工作方式，為了得到其溢出率，而又不必進(jìn)入中斷服務(wù)程序，往往使T1設(shè)置在工作方式2的運行狀態(tài)，也就是8位自動加入時間常數(shù)的方式。由于在這種方式下，T1的溢出率(次/秒)計算式可表達(dá)成：

 

下面一段主程序和中斷服務(wù)程序，是利用串行方式l從數(shù)據(jù)00H開始連續(xù)不斷增大地串行發(fā)送一片數(shù)據(jù)的程序例。設(shè)單片機(jī)晶振的頻率為6MHZ，波特率為1200位/秒。

ORG 2000H;1200位/秒的定時器初值

MOV TL1,#0F3H

MOV TH1,#0F3H;使SMOD=0

MOV PCON,#00H;T1方式2

MOV TMOD,#20H

SETB EA

CLR ET1;關(guān)閉T1中斷

SETB ES;開串行中斷

SETB TR1;開T1定時

MOV SCON,#40H;串行方式1

CLR A

MOV SBUF,A;串行發(fā)送

JNB T1,$;等待發(fā)送完

CLR T1,;清標(biāo)志

SJMP $

ORG 0023H;串行中斷入口地址

MOV SBUF,A;連續(xù)發(fā)送

JNB T1,$

INC A

CLR T1

RET1;中斷返回