18课:单片机的中断系统

电子工程师 2017-11-22 573

控制/MCU

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描述

有关单片机中断系统的概念：什么是中断，我们从一个生活中的例程引入。你正在家中看书，突然电话铃响了，你放下书本，去接电话，和来电话的人交谈，然后放下电话，回来继续看你的书。这就是生活中的“中断”的现象，就是正常的工作过程被外部的事件打断了。仔细研究一下生活中的中断，对于我们学习单片机的中断也很有好处。

第一、什么可经引起中断，生活中很多事件能引起中断：有人按了门铃了，电话铃响了，你的闹钟闹响了，你烧的水开了….等等诸如此类的事件，我们把能引起中断的称之为中断源，单片机中也有一些能引起中断的事件，8031中一共有5个：两个外部中断，两个计数/定时器中断，一个串行口中断。

第二、中断的嵌套与优先级处理：设想一下，我们正在看书，电话铃响了，同时又有人按了门铃，你该先做那样呢？如果你正是在等一个很重要的电话，你一般不会去理会门铃的，而反之，你正在等一个重要的客人，则可能就不会去理会电话了。如果不是这两者（即不等电话，也不是等人上门），你可能会按你常常的习惯去处理。总之这里存在一个优先级的问题，单片机中也是如此，也有优先级的问题。优先级的问题不仅仅发生在两个中断同时产生的情况，也发生在一个中断已产生，又有一个中断产生的情况，比如你正接电话，有人按门铃的情况，或你正开门与人交谈，又有电话响了情况。考虑一下我们会怎么办吧。

第三、中断的响应过程：当有事件产生，进入中断之前我们必须先记住现在看书的第几页了，或拿一个书签放在当前页的位置，然后去处理不一样的事情（因为处理完了，我们还要回来继续看书）：电话铃响我们要到放电话的地方去，门铃响我们要到门那边去，也说是不一样的中断，我们要在不一样的地点处理，而这个地点常常还是固定的。计算机中也是采用的这种办法，五个中断源，每个中断产生后都到一个固定的地方去找处理这个中断的程序，当然在去之前首先要保存下面将执行的指令的地址，以便处理完中断后回到原来的地方继续往下执行程序。具体地说，中断响应能分为以下几个步骤：1、保护断点，即保存下一将要执行的指令的地址，就是把这个地址送入堆栈。2、寻找中断入口，根据5个不一样的中断源所产生的中断，查找5个不一样的入口地址。以上工作是由计算机自动完成的，与编程者无关。在这5个入口地址处存放有中断处理程序（这是程序编写时放在那儿的，如果没把中断程序放在那儿，就错了，中断程序就不能被执行到）。3、执行中断处理程序。4、中断返回：执行完中断指令后，就从中断处返回到主程序，继续执行。究竟单片机是怎么样找到中断程序所在位置，又怎么返回的呢？我们稍后再谈。

MCS-51单片机中断系统的结构：
5个中断源的符号、名称及产生的条件如下。
INT0：外部中断0，由P3．2端口线引入，低电平或下跳沿引起。
INT1：外部中断1，由P3．3端口线引入，低电平或下跳沿引起。
T0：定时器／计数器0中断，由T0计满回零引起。
T1：定时器／计数器l中断，由T1计满回零引起。
TI／RI：串行I／O中断，串行端口完成一帧字符发送／接收后引起。
整个中断系统的结构框图见下图一所示。

<51单片机中断系统结构>

如图所示，由与中断有关的特殊功能寄存器、中断入口、次序查询逻辑电路等组成，包括5个中断请求源，4个用于中断控制的寄存器IE、IP、ECON和SCON来控制中断类弄、中断的开、关和各种中断源的优先级确定。

中断请求源：

（1）外部中断请求源：即外中断0和1，经由外部管脚引入的，在单片机上有两个管脚，名称为INT0、INT1，也就是P3.2、P3.3这两个管脚。在内部的TCON中有四位是与外中断有关的。IT0：INT0触发方式控制位，可由软件进和置位和复位，IT0=0，INT0为低电平触发方式，IT0=1，INT0为负跳变触发方式。这两种方式的差异将在以后再谈。IE0：INT0中断请求标志位。当有外部的中断请求时，这位就会置1（这由硬件来完成），在CPU响应中断后，由硬件将IE0清0。IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。（2）内部中断请求源TF0：定时器T0的溢出中断标记，当T0计数产生溢出时，由硬件置位TF0。当CPU响应中断后，再由硬件将TF0清0。TF1：与TF0类似。TI、RI：串行口发送、接收中断，在串行口中再讲解。2、中断允许寄存器IE在MCS－51中断系统中，中断的允许或禁止是由片内可进行位寻址的8位中断允许寄存器IE来控制的。见下表EAX

其中EA是总开关，如果它等于0，则所有中断都不允许。ES－串行口中断允许ET1－定时器1中断允许EX1－外中断1中断允许。ET0－定时器0中断允许EX0－外中断0中断允许。如果我们要设置允许外中断1，定时器1中断允许，其它不允许，则IE能是EAX

即8CH，当然，我们也能用位操作指令SETB EA

SETB ET1SETB EX1

来实现它。3、五个中断源的自然优先级与中断服务入口地址外中断0：0003H定时器0：000BH外中断1：0013H定时器1：001BH串行口：0023H它们的自然优先级由高到低排列。写到这里，大家应当明白，为什么前面有一些程序一始我们这样写：

ORG 0000HLJMP START

ORG 0030H

START：。

这样写的目的，就是为了让出中断源所占用的向量地址。当然，在程序中没用中断时，直接从0000H开始写程序，在原理上并没有错，但在实际工作中最好不这样做。优先级：单片机采用了自然优先级和人工设置高、低优先级的策略，即能由程序员设定那些中断是高优先级、哪些中断是低优先级，由于只有两级，必有一些中断处于同一级别，处于同一级别的，就由自然优先级确定。

开机时，每个中断都处于低优先级，我们能用指令对优先级进行设置。看表2中断优先级中由中断优先级寄存器IP来高置的，IP中某位设为1，对应的中断就是高优先级，不然就是低优先级。

PT1

PX1

PT0

PX0

例：设有如下要求，将T0、外中断1设为高优先级，其它为低优先级，求IP的值。IP的首3位没用，可任意取值，设为000，后面根据要求写就能了XX

因此，最终，IP的值就是06H。例：在上例中，如果5个中断请求同时发生，求中断响应的次序。响应次序为：定时器0－＞外中断1－＞外中断0－＞实时器1－＞串行中断。

MCS－51的中断响应过程：

1、中断响应的条件：讲到这儿，我们依然对于计算机响应中断感到神奇，我们人能响应外界的事件，是因为我们有多种“传感器“――眼、耳能接受不一样的信息，计算机是如何做到这点的呢？其实说穿了，一点都不希奇，MCS51工作时，在每个机器周期中都会去查询一下各个中断标记，看他们是否是“1“，如果是1，就说明有中断请求了，所以所谓中断，其实也是查询，不过是每个周期都查一下而已。这要换成人来说，就相当于你在看书的时候，每一秒钟都会抬起头来看一看，查问一下，是不是有人按门铃，是否有电话。。。。很蠢，不是吗？可计算机本来就是这样，它根本没人聪明。了解了上述中断的过程，就不难解中断响应的条件了。在下列三种情况之一时，CPU将封锁对中断的响应：

CPU正在处理一个同级或更高级别的中断请求。

现行的机器周期不是当前正执行指令的最后一个周期。我们知道，单片机有单周期、双周期、三周期指令，当前执行指令是单字节没有关系，如果是双字节或四字节的，就要等整条指令都执行完了，才能响应中断（因为中断查询是在每个机器周期都可能查到的）。

当前正执行的指令是返回批令（RETI）或访问IP、IE寄存器的指令，则CPU至少再执行一条指令才应中断。这些都是与中断有关的，如果正访问IP、IE则可能会开、关中断或改变中断的优先级，而中断返回指令则说明本次中断还没有处理完，所以都要等本指令处理结束，再执行一条指令才能响应中断。

2、中断响应过程CPU响应中断时，首先把当前指令的下一条指令（就是中断返回后将要执行的指令）的地址送入堆栈，然后根据中断标记，将对应的中断入口地址送入PC，PC是程序指针，CPU取指令就根据PC中的值，PC中是什么值，就会到什么地方去取指令，所以程序就会转到中断入口处继续执行。这些工作都是由硬件来完成的，不必我们去考虑。这里还有个问题，大家是否注意到，每个中断向量地址只间隔了8个单元，如0003－000B，在如此少的空间中如何完成中断程序呢？很简单，你在中断处安排一个LJMP指令，不就能把中断程序跳转到任何地方了吗？一个完整的主程序看起来应该是这样的：

ORG 0000HLJMP START

ORG 0003H

LJMP INT0 ；转外中断0ORG 000BH

RETI ；没有用定时器0中断，在此放一条RETI，万一 “不小心“产生了中断，也不会有太大的后果。。

中断程序完成后，一定要执行一条RETI指令，执行这条指令后，CPU将会把堆栈中保存着的地址取出，送回PC，那么程序就会从主程序的中断处继续往下执行了。注意：CPU所做的保护工作是很有限的，只保护了一个地址，而其它的所有东西都不保护，所以如果你在主程序中用到了如A、PSW等，在中断程序中又要用它们，还要保证回到主程序后这里面的数据还是没执行中断以前的数据，就得自己保护起来。

中断系统的控制寄存器：
中断系统有两个控制寄存器IE和IP，它们分别用来设定各个中断源的打开／关闭和中断优先级。此外，在TCON中另有4位用于选择引起外部中断的条件并作为标志位。

1．中断允许寄存器--IE
IE在特殊功能寄存器中，字节地址为A8H，位地址(由低位到高位)分别是A8H-AFH。
IE用来打开或关断各中断源的中断请求，基本格式如下图二所示：

EA：全局中断允许位。EA＝0，关闭全部中断；EA＝1，打开全局中断控制，在此条件下，由各个中断控制位确定相应中断的打开或关闭。
×：无效位。
ES：串行I／O中断允许位。ES＝1，打开串行I／O中断；ES＝0，关闭串行I／O中断。
ETl；定时器／计数器1中断允许位。ETl＝1，打开T1中断；ETl＝O，关闭T1中断。
EXl：外部中断l中断允许位。EXl＝1，打开INT1；EXl＝0，关闭INT1。
ET0：定时器／计数器0中断允许位。ET0＝1，打开T0中断；ET0＝0，关闭TO中断。
EXO：外部中断0中断允许位。Ex0＝1，打开INT0;EX0=0,关闭INT0.

中断优先寄存器--IP：
IP在特殊功能寄存器中，字节地址为B8H，位地址(由低位到高位)分别是B8H一BFH,IP用来设定各个中断源属于两级中断中的哪一级，IP的基本格式如下图三所示：

×：无效位。
PS：串行I／O中断优先级控制位。PS＝1，高优先级；PS＝0，低优先级。
PTl：定时器／计数器1中断优先级控制位。PTl＝1，高优先级；PTl＝0，低优先级。
Pxl：外部中断1中断优先级控制位。Pxl＝1，高优先级；PXl＝O，低优先级。
PT0：定时器／计数器o中断优先级控制位。PT0＝1，高优先级；PTO＝0，低优先级。
Px0：外部中断0中断优先级控制位。Px0＝1，高优先级；Px0＝0，伤优先级。
在MCS-51单片机系列中，高级中断能够打断低级中断以形成中断嵌套；同级中断之间，或低级对高级中断则不能形成中断嵌套。若几个同级中断同时向CPU请求中断响应，则CPU按如下顺序确定响应的先后顺序：

INT0一T0---INT1一T1一RI／T1.

中断的响应过程

若某个中断源通过编程设置，处于被打开的状态，并满足中断响应的条件，而且①当前正在执行的那条指令已被执行完
1、当前末响应同级或高级中断
2、不是在操作IE，IP中断控制寄存器或执行REH指令则单片机响应此中断。
在正常的情况下，从中断请求信号有效开始，到中断得到响应，通常需要3个机器周期到8个机器周期。中断得到响应后，自动清除中断请求标志(对串行I／O端口的中断标志，要用软件清除)，将断点即程序计数器之值(PC)压入堆栈(以备恢复用)；然后把相应的中断入口地址装入PC，使程序转入到相应的中断服务程序中去执行。
各个中断源在程序存储器中的中断入口地址如下：
中断源入口地址
INT0(外部中断0) 0003H
TF0(TO中断) 000BH
INT1(外部中断1) 0013H
TFl(T1中断) 001BH
RI／TI(串行口中断) 0023H
由于各个中断入口地址相隔甚近，不便于存放各个较长的中断服务程序，故通常在中断入口地址开始的二三个单元中，安排一条转移类指令，以转入到安排在那儿的中断服务程序。以T1中断为例，其过程下如图四所示。
由于5个中断源各有其中断请求标志0，TF0，IEl，TFl以及RI／TI，在中断源满足中断请求的条件下，各标志自动置1，以向CPU请求中断。如果某一中断源提出中断请求后，CPU不能立即响应，只要该中断请求标志不被软件人为清除，中断请求的状态就将一直保持,直到CPU响应了中断为止,对串行口中断而言，这一过程与其它4个中断的不同之处在于；即使CPU响应了中断，其中断标志RI／TI也不会自动清零，必须在中断服务程序中设置清除RI／TI的指令后，才会再一次地提出中断请求。
CPU的现场保护和恢复必须由被响应的相应中断服务程序去完成，当执行RETI中断返回指令后，断点值自动从栈顶2字节弹出，并装入PC寄存器，使CPU继续执行被打断了的程序。
下面给出一个应用定时器中断的实例。
现要求编制一段程序，使P1．0端口线上输出周期为2ms的方波脉冲。设单片机晶振频率
Fosc＝6MHZ．
1、方法：利用定时器T0作1ms定时，达到定时值后引起中断，在中断服务程序中，使P1．0的状态取一次反，并再次定时1ms。
2、定时初值：机器周期MC＝12/fosc＝2us。所以定时lms所需的机器周期个数为500D，亦即0lF4H。设T0为工作方式1(16位方式)，则定时初值是(01F4H)求补＝FEOCH

START： MOV TMOD，#01H ；T0为定时器状态，工作方式1
　 MOV TL0，#0CH ；T0的低位定时初值
　 MOV TH0，#0FEH ；T0的高位定时初值
　 MOV TCON，#10H ；打开T0
　 SETB ET0 ；1ET0，即允许T0中断
　 SETB EA ；1EA，即充许全局中断
　 AJMP $ ；动态暂存
000BH： AJMP IST0 ；转入T0中断服务程序入口地址IST0
IST0： MOV TL0，#0CH ；重置定时器初值
　 MOV TH0，#0FEH ；重置定时器初值
　 CPL P1.0 ；P1.0取反
　 RET1 ；中断返回

串行端口的控制寄存器：

串行端口共有2个控制寄存器SCON和PCON，用以设置串行端口的工作方式、接收／发送的运行状态、接收／发送数据的特征、波特率的大小，以及作为运行的中断标志等。
①串行口控制寄存器SCON
SCON的字节地址是98H，位地址(由低位到高位)分别是98H一9FH。SCON的格式如图五所示。

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：
仅用于方式2和方式3的多机通讯控制位
发送机SM2＝1(要求程控设置)。
当为方式2或方式3时：
接收机 SM2＝1时，若RB8＝1，可引起串行接收中断；若RB8＝0，不
引起串行接收中断。SM2＝0时，若RB8＝1，可引起串行接收中断；若
RB8＝0，亦可引起串行接收中断。
REN:
串行接收允许位。
0--禁止接收；1--允许接收。
TB8:
在方式2，3中，TB8是发送机要发送的第9位数据。
RB8:
在方式2，3中，RB8是接收机接收到的第9位数据，该数据正好来自发
送机的TB8。
TI:
发送中断标志位。发送前必须用软件清零，发送过程中TI保持零电平，
发送完一帧数据后，由硬件自动置1。如要再发送，必须用软件再清零。
RI:
接收中断标志位。接收前，必须用软件清零，接收过程中RI保持零电
平，接收完一帧数据后，由片内硬件自动置1。如要再接收，必须用软件
再清零。

电源控制寄存器PCON

PCON的字节地址为87H，无位地址，PCON的格式如图六所示。需指出的是，对80C31单片机而言，PCON还有几位有效控制位。

SMOD：波特率加倍位。在计算串行方式1，2，3的波特率时；0---不加倍；1---加倍。

串行中断的应用特点：

8031单片机的串行I／O端口是一个中断源，有两个中断标志RI和TI，RI用于接收，TI用于发送。
串行端口无论在何种工作方式下，发送／接收前都必须对TI／RI清零。当一帧数据发送／接收完后，TI/RI自动置1，如要再发送／接收，必须先用软件将其清除。
在串行中断被打开的条件下，对方式0和方式1来说，一帧数据发送／接收完后，除置位TI／RI外，还会引起串行中断请求，并执行串行中侧目务程序。但对方式2和方式3的接收机而言，还要视SM2和RB8的状态，才可确定RI是否被置位以及串行中断的开放：
SM2 RB8 接收机中断标志与中断状态
0 1 激活RI，引起中断
1 0 不激活RI，不引起中断
1 1 激活RI，引起中断
单片机正是利用方式2，3的这一特点，实现多机间的通信。串行端口的常用应用方法见相关章节。

波特率的确定：

对方式0来说，波特率已固定成fosc／12，随着外部晶振的频率不同，波特率亦不相同。常用的fosc有12MHz和6MHz，所以波特率相应为1000×103和500×103位／s。在此方式下，数据将自动地按固定的波特率发送／接收，完全不用设置。
对方式2而言，波特率的计算式为2SMOD·fosc／64。当SMOD＝0时，波特率为fm／64；当SMOD＝1时，波特率为fosc／32。在此方式下，程控设置SMOD位的状态后，波特率就确定了，不需要再作其它设置。
对方式1和方式3来说，波特率的计算式为2SMOD／32×T1溢出率，根据SMOD状态位的不同，波特率有Tl／32溢出率和T1／16溢出率两种。由于T1溢出率的设置是方便的，因而波特率的选择将十分灵活。
前已叙及，定时器Tl有4种工作方式，为了得到其溢出率，而又不必进入中断服务程序，往往使T1设置在工作方式2的运行状态，也就是8位自动加入时间常数的方式。由于在这种方式下，T1的溢出率(次／秒)计算式可表达成：

下面一段主程序和中断服务程序，是利用串行方式l从数据00H开始连续不断增大地串行发送一片数据的程序例。设单片机晶振的频率为6MHZ，波特率为1200位／秒。

ORG 2000H ;1200位/秒的定时器初值
MOV TL1,#0F3H 　
MOV TH1,#0F3H ;使SMOD=0
MOV PCON,#00H ;T1方式2
MOV TMOD,#20H 　
SETB EA 　
CLR ET1 ;关闭T1中断
SETB ES ;开串行中断
SETB TR1 ;开T1定时
MOV SCON,#40H ;串行方式1
CLR A 　
MOV SBUF,A ;串行发送
JNB T1,$ ;等待发送完
CLR T1, ;清标志
SJMP $ 　
ORG 0023H ;串行中断入口地址
MOV SBUF,A ;连续发送
JNB T1,$ 　
INC A 　
CLR T1 　
RET1 ;中断返回

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