MCS-51定時(shí)/計數器

MCS-51單片機內部的定時(shí)/計數器的結構如圖1所示，定時(shí)器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）構成，定時(shí)器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）構成。特殊功能寄存器TMOD控制定時(shí)寄存器的工作方式，TCON則用于控制定時(shí)器T0和T1的啟動(dòng)和停止計數，同時(shí)管理定時(shí)器T0和T1的溢出標志等。程序開(kāi)始時(shí)需對TL0、TH0、TL1和TH1進(jìn)行初始化編程，以定義它們的工作方式和控制T0和T1的計數。

TMOD和TCON這兩個(gè)特殊功能寄存器的格式參見(jiàn)下表：

[1].定時(shí)/計數器的方式控制字TMOD，字節地址為89H，其格式如表1：

[2].定時(shí)器控制積存器TCON，字節地址為88H，位地址為88H—8FH，其格式如表2：

TMOD和TCON各位的意義和用途我們將在下面的章節中予以介紹，需要注意的是，TCON的D0—D3位與中斷有關(guān)，我們會(huì )在中斷的內容中加以說(shuō)明，MCS-51的定時(shí)/計數器共有四種工作方式，我們逐個(gè)進(jìn)行討論。

工作方式0

定時(shí)/計數器0的工作方式0電路邏輯結構見(jiàn)圖2（定時(shí)/計數器1與其完全一致），工作方式0是13位計數結構的工作方式，其計數器由TH的全部8位和TL的低5位構成，TL的高3位沒(méi)有使用。當=0時(shí)，多路開(kāi)關(guān)接通振蕩脈沖的12分頻輸出，13位計數器以次進(jìn)行計數。這就是定時(shí)工作方式。當=1時(shí)，多路開(kāi)關(guān)接通計數引腳（To），外部計數脈沖由銀南腳To輸入。當計數脈沖發(fā)生負跳變時(shí)，計數器加1，這就是我們常稱(chēng)的計數工作方式。

我們討論門(mén)控位GATA的功能，GATA位的狀態(tài)決定定時(shí)器運行控制取決于TR0的一個(gè)條件還是TR0和INT0引腳這兩個(gè)條件。當GATA=1時(shí)，由于GATA信號封鎖了與門(mén)，使引腳INT0信號無(wú)效。而這時(shí)候如果TR0=1，則接通模擬開(kāi)關(guān)，使計數器進(jìn)行加法計數，即定時(shí)/計數工作。而TR0=0，則斷開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)，停止計數，定時(shí)/計數不能工作。

當GATA=0時(shí)，與門(mén)的輸出端由TR0和INT0電平的狀態(tài)確定，此時(shí)如果TR0=1，INT0=1與門(mén)輸出為1，允許定時(shí)/計數器計數，在這種情況下，運行控制由TR0和INT0兩個(gè)條件共同控制，TR0是確定定時(shí)/計數器的運行控制位，由軟件置位或清“0”。

如上所述，TF0是定時(shí)/計數器的溢出狀態(tài)標志，溢出時(shí)由硬件置位，TF0溢出中斷被CPU響應時(shí)，轉入中斷時(shí)硬件清“0”，TF0也可由程序查詢(xún)和清“0”。

在工作方式下，計數器的計數值范圍是：

1—8192（213）

當為定時(shí)工作方式時(shí)，定時(shí)時(shí)間的計算公式為：

（213—計數初值）╳晶振周期╳12

或（213—計數初值）╳機器周期

其時(shí)間單位與晶振周期或機器周期相同。

如果單片機的晶振選為6.000MHz，則最小定時(shí)時(shí)間為：

[213—（213—1）]╳1/6╳10-6╳12=2╳10-6(s)=2(us)

(213—0)╳1/6╳10-6╳12=16384╳10-6(s)=16384(us)。

工作方式1

當M1，M0=01時(shí)，定時(shí)/計數器處于工作方式1，此時(shí)，定時(shí)/及數器的等效電路如圖3所示，仍以定時(shí)器0為例，定時(shí)器1與之完全相同。

在工作方式1下，計數器的計數值范圍是：

1—65536（216）

當為定時(shí)工作方式1時(shí)，定時(shí)時(shí)間的計算公式為：

（216—計數初值）╳晶振周期╳12

或（216—計數初值）╳機器周期

其時(shí)間單位與晶振周期或機器周期相同。

如果單片機的晶振選為6.000MHz，則最小定時(shí)時(shí)間為：

[213—（216—1）]╳1/6╳10-6╳12=2╳10-6(s)=2(us)

(216—0)╳1/6╳10-6╳12=131072╳10-6(s)=131072(us)。

當M1M0=10時(shí),定時(shí)/計數器處于工作方式2.此時(shí)定時(shí)器的等效電阻如圖4所示.我們還是以定時(shí)/計數器0為例,定時(shí)/計數器1與之完全一致。

程序初始化時(shí)，給TL0和TH0同時(shí)賦以初值，當TL0計數溢出時(shí)，置位TF0的同時(shí)把預置寄存器TH0中的初值加載給TL0，TL0重新計數。如此反復，這樣省去了程序不斷需給計數器賦值的麻煩，而且計數準確度也提高了。但這種方式也有其不利的一面，就是這樣一來(lái)的計數結構只有8位，計數值有限，最大只能到255。所以這種工作方式很適合于那些重復計數的應用場(chǎng)合。例如我們可以通過(guò)這樣的計數方式產(chǎn)生中斷，從而產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的脈沖。也可以當作串行數據通信的波特率發(fā)送器使用。

工作方式3

當M1M0=11時(shí)，定時(shí)/計數器處于工作方式3，此時(shí)，定時(shí)/及數器的等效電路如圖3所示，仍以定時(shí)器0為例，值得注意的是，在工作方式3模式下，定時(shí)/計數器1的工作方式與之不同，下面我們分別討論。

如果定時(shí)/計數器0工作于工作方式3，那么定時(shí)/計數器1的工作方式就不可避免受到一定的限制，因為自己的一些控制位已被定時(shí)/計數器借用，只能工作在方式0、方式1或方式2下，等效電路參見(jiàn)圖6

對初學(xué)者來(lái)說(shuō)，中斷這個(gè)概念比較抽象，其實(shí)單片機的處理系統與人的一般思維有著(zhù)許多異曲同工之妙，我們舉個(gè)很貼切的比方，在日常生活和工作中有很多類(lèi)似的情況。假如你正在上班，例如是編譯資料，這時(shí)侯電話(huà)鈴響了，你在書(shū)本上做個(gè)記號（以記下你現在正編譯到某某頁(yè)），然后與對方通電話(huà)，而此時(shí)恰好有客人到訪(fǎng)，你先停下通電話(huà)，與客人說(shuō)幾句話(huà)，叫客人稍侯，然后回頭繼續通完電話(huà)，再與客人談話(huà)。談話(huà)完畢，送走客人，繼續你的資料編譯工作。

這就是日常生活和工作中的中斷現象，類(lèi)似的情況還有很多，從編譯資料到接電話(huà)是第一次中斷，通電話(huà)的過(guò)程中引有客人到訪(fǎng)，這是第二次中斷，即在中斷的過(guò)程中又出現第二次中斷，這就是我們常說(shuō)的中斷嵌套。處理完第二個(gè)中斷任務(wù)后，回頭處理第一個(gè)中斷，第一個(gè)中斷完成后，再繼續你原先的主要工作。

為什么會(huì )出現這樣的中斷呢？道理很簡(jiǎn)單，人非三頭六臂，人只有一個(gè)腦袋，在一種特定的時(shí)間內，可能會(huì )面對著(zhù)兩、三甚至更多的任務(wù)。但一個(gè)人又不可能在同一時(shí)間去完成多樣任務(wù)，因此你只能采分析任務(wù)的輕重緩急，采用中斷的方法穿插去完成它們。那么這種情況對于單片機中的中央處理器也是如此，單片機中CPU只有一個(gè)，但在同一時(shí)間內可能會(huì )面臨著(zhù)處理很多任務(wù)的情況，如運行主程序、數據的輸入和輸出，定時(shí)/和計數時(shí)間已到要處理、可能還有一些外部的更重要的中斷請求（如超溫超壓）要先處理。此時(shí)也得象人的思維一樣停下某一樣（或幾樣）工作先去完成一些緊急任務(wù)的中斷方法。

這樣的一樣處理方法上升到計算機理論，就是一個(gè)資源面對多項任務(wù)的處理方式，由于資源有限，面對多項任務(wù)同時(shí)要處理時(shí)，就會(huì )出現資源競爭的現象。中斷技術(shù)就是為了解決資源競爭的一個(gè)可行的方法，采用中斷技術(shù)可使多項任務(wù)共享一個(gè)資源，所以有些文獻也稱(chēng)中斷技術(shù)是一種資源共享技術(shù)。

[2].中斷處理流程

CPU響應中斷請求后，就立即轉入執行中斷服務(wù)程序。不同的中斷源、不同的中斷要求可能有不同的中斷處理方法，但它們的處理流程一般都如下所述。

現場(chǎng)保護和現場(chǎng)恢復

中斷是在執行其它任務(wù)的過(guò)程中轉去執行臨時(shí)的任務(wù)，為了在執行完中斷服務(wù)程序后，回頭執行原先的程序時(shí)，知道程序原來(lái)在何處打斷的，各有關(guān)寄存器的內容如何，就必須在轉入執行中斷服務(wù)程序前，將這些內容和狀態(tài)進(jìn)行備份——即保護現場(chǎng)。就象文章開(kāi)頭舉的例子，在看書(shū)時(shí)，電話(huà)玲響需傳去接電話(huà)時(shí)，必須在書(shū)本上做個(gè)記號，以便在接完電話(huà)后回來(lái)看書(shū)時(shí)，知道從哪些內容繼續往下看。計算機的中斷處理方法也如此，中斷開(kāi)始前需將個(gè)有關(guān)寄存器的內容壓入堆棧進(jìn)行保存，以便在恢復原來(lái)程序時(shí)使用。

中斷服務(wù)程序完成后，繼續執行原先的程序，就需把保存的現場(chǎng)內容從堆棧中彈出，恢復積存器和存儲單元的原有內容，這就是現場(chǎng)恢復。

如果在執行中斷服務(wù)時(shí)不是按上述方法進(jìn)行現場(chǎng)保護和恢復現場(chǎng)，就會(huì )是程序運行紊亂，程序跑飛，自然使單片機不能正常工作。

中斷打開(kāi)和中斷關(guān)閉

在中斷處理進(jìn)行過(guò)程中，可能又有新的中斷請求到來(lái)，這里規定，現場(chǎng)保護和現場(chǎng)恢復的操作是不允許打擾的，否則保護和恢復的過(guò)程就可能使數據出錯，為此在進(jìn)行現場(chǎng)保護和現場(chǎng)恢復的過(guò)程中，必須關(guān)閉總中斷，屏蔽其它所有的中斷，待這個(gè)操作完成后再打開(kāi)總中斷，以便實(shí)現中斷嵌套。

中斷服務(wù)程序

既然有中斷產(chǎn)生，就必然有其具體的需執行的任務(wù)，中斷服務(wù)程序就是執行中斷處理的具體內容，一般以子程序的形式出現，所有的中斷都要轉去執行中斷服務(wù)程序，進(jìn)行中斷服務(wù)。

中斷返回

執行完中斷服務(wù)程序后，必然要返回，中斷返回就是被程序運行從中斷服務(wù)程序轉回到原工作程序上來(lái)。在MCS-51單片機中，中斷返回是通過(guò)一條專(zhuān)門(mén)的指令實(shí)現的，自然這條指令是中斷服務(wù)程序的最后一條指令。

[3].MCS-51的中斷源

8051有5個(gè)中斷源，它們是兩個(gè)外中斷INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、兩個(gè)片內定時(shí)/計數器溢出中斷TF0和TF1，一個(gè)是片內串行口中斷TI或RI，這幾個(gè)中斷源由TCON和SCON兩個(gè)特殊功能寄存器進(jìn)行控制。

在前一節，我們已對TCON的控制位進(jìn)行了說(shuō)明，現在繼續對它的中斷控制有關(guān)的位進(jìn)行談?wù)?。TCON寄存器的結構如下：

·IT1:外部中斷1類(lèi)型控制位，通過(guò)軟件設置或清楚，用于控制外中斷的觸發(fā)信號類(lèi)型。IT1=1，邊沿觸發(fā)。IT=0是電平觸發(fā)。

·IE0:外部邊沿觸發(fā)中斷0請求標志，其功能和操作類(lèi)似于IE1。

·IT0:外部中斷0類(lèi)型控制位，通過(guò)軟件設置或清楚，用于控制外中斷的觸發(fā)信號類(lèi)型。其功能和操作類(lèi)似于IE1。

SCON是串行口控制寄存器，字節地址為98H，SCON的低二位是串行口的發(fā)送和接收中斷標志，其格式如下：

·RI:串行口接收中斷標志.若串行口接收器允許接收,并以方式0工作,每當接收到8位數據時(shí),RI被置1,若以方式1、2、3方式工作，當接收到半個(gè)停止位時(shí)，TI被置1，當串行口一方式2或3方式工作，且當SM2=1時(shí)，僅當接收到第9位數據RB8為1后，同時(shí)還要在接收到半個(gè)停止位時(shí)，RI被置1。RI為1表示串行口接收器正向CPU申請中斷。同樣RI標志栩栩如生由用戶(hù)的軟件清“0”。

對于中斷控制，在上一節中我們已經(jīng)對TCON和SCON進(jìn)行了分析，其實(shí)它們兩個(gè)寄存器也是中斷的控制寄存器，負責對中斷的部分功能進(jìn)行控制。我們這里談?wù)摰氖橇硗鈨蓚€(gè)控制寄存器IE和IP。

MCS-51的對中斷的開(kāi)放和屏蔽是由中斷允許寄存器IE控制來(lái)實(shí)現的，IE的結構格式如下。

·EA:中斷總控制位，EA=1，CPU開(kāi)放中斷。EA=0，CPU禁止所有中斷。

·ES:串行口中斷控制位，ES=1允許串行口中斷，ES=0，屏蔽串行口中斷。

·ET1:定時(shí)/計數器T1中斷控制位。ET1=1，允許T1中斷，ET1=0，禁止T1中斷。

·EX1:外中斷1中斷控制位，EX1=1，允許外中斷1中斷，EX1=0，禁止外中斷1中斷。

·ET0:定時(shí)/計數器T0中斷控制位。ET1=1，允許T0中斷，ET1=0，禁止T0中斷。

·EX0:外中斷0中斷控制位，EX1=1，允許外中斷0中斷，EX1=0，禁止外中斷0中斷。

MCS-51有兩個(gè)中斷優(yōu)先級，即高優(yōu)先級和低優(yōu)先級，每個(gè)中斷源都可設置為高或低中斷優(yōu)先級。如果有一低優(yōu)先級的中斷正在執行，那么高優(yōu)先級的中斷出現中斷請求時(shí)，CPU則會(huì )響應這個(gè)高有限級的中斷，也即高優(yōu)先級的中斷可以打斷低優(yōu)先級的中斷。而若CPU正在處理一個(gè)高優(yōu)先級的中斷，此時(shí)，就算是有低優(yōu)先級的中斷發(fā)出中斷請求，CPU也不會(huì )理會(huì )這個(gè)中斷，而是繼續執行正在執行的中斷服務(wù)程序，一直到程序結束，執行最后一條返回指令，返回主程序然后再執行一條指令后才會(huì )響應新的中斷請求。

為了實(shí)現上述功能，MCS-51的中斷系統有兩個(gè)不可尋址的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器，一個(gè)指出CPU是否在執行高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序，另一個(gè)指出CPU是否正在執行低優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序，這兩個(gè)中斷觸發(fā)器的1狀態(tài)分別屏蔽所有中斷申請和同一級別的其他中斷申請，此外，MCS-51還有一個(gè)申請優(yōu)先級寄存IP，IP的格式如下，字節地址是B8H。

·PT1:定時(shí)器1優(yōu)先級控制位。PT1=1，聲明定時(shí)器1為高優(yōu)先級中斷，PT1=0定義定時(shí)器1為低優(yōu)先級中斷。

·PX1:外中斷1優(yōu)先級控制位。PT1=1，聲明外中斷1為高優(yōu)先級中斷，PX1=0定義外中斷1為低優(yōu)先級中斷。

·PT0:定時(shí)器0優(yōu)先級控制位。PT1=1，聲明定時(shí)器0為高優(yōu)先級中斷，PT1=0定義定時(shí)器0為低優(yōu)先級中斷。

·PX0:外中斷0優(yōu)先級控制位。PT1=1，聲明外中斷0為高優(yōu)先級中斷，PX1=0定義外中斷0為低優(yōu)先級中斷。

[5].中斷的響應

MCS-51CPU在每一個(gè)機器周期順序檢查每一個(gè)中斷源，在機器周期的S6按優(yōu)先級處理所有被激活的中斷請求，此時(shí)，如果CPU沒(méi)有正在處理更高或相同優(yōu)先級的中斷，或者現在的機器周期不是所執行指令的最后一個(gè)機器周期，或者CPU不是正在執行RETI指令或訪(fǎng)問(wèn)IE和IP的指令（因為按MCS-51中斷系統的特性規定，在執行完這些指令之后，還要在繼續執行一條指令，才會(huì )響應中斷），CPU在下一個(gè)機器周期響應激活了的最高級中斷請求。

中斷響應的主要內容就是由硬件自動(dòng)生成一條長(cháng)調用LCALL addr16指令，這里的addr16就是程序存儲器中相應的中斷區入口地址，這些中斷源的服務(wù)程序入口地址如下：

值得一提的是，各中斷區只有8個(gè)單元，一般情況下（除非中斷程序非常簡(jiǎn)單），都不可能安裝下一個(gè)完整的中斷服務(wù)程序。因此，通常是在這些入口地址區放置一條無(wú)條件轉移指令，使程序按轉移的實(shí)際地址去執行真正的中斷服務(wù)程序。