從零開(kāi)始51單片機教程 —— 19 單片機的中斷系統

什么是單片機中斷？中斷嵌套與優(yōu)先級是如何解決的。

有關(guān)單片機中斷系統的概念：什么是中斷，我們從一個(gè)生活中的例程引入。你正在家中看書(shū)，突然電話(huà)鈴響了，你放下書(shū)本，去接電話(huà)，和來(lái)電話(huà)的人交談，然后放下電話(huà)，回來(lái)繼續看你的書(shū)。這就是生活中的“中斷”的現象，就是正常的工作過(guò)程被外部的事件打斷了。仔細研究一下生活中的中斷，對于我們學(xué)習單片機的中斷也很有好處。

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(mén)鈴了，電話(huà)鈴響了，你的鬧鐘鬧響了，你燒的水開(kāi)了….等等諸如此類(lèi)的事件，我們把能引起中斷的稱(chēng)之為中斷源，單片機中也有一些能引起中斷的事件，8031中一共有5個(gè)：兩個(gè)外部中斷，兩個(gè)計數/定時(shí)器中斷，一個(gè)串行口中斷。

第二、中斷的嵌套與優(yōu)先級處理：設想一下，我們正在看書(shū)，電話(huà)鈴響了，同時(shí)又有人按了門(mén)鈴，你該先做那樣呢？如果你正是在等一個(gè)很重要的電話(huà)，你一般不會(huì )去理會(huì )門(mén)鈴的，而反之，你正在等一個(gè)重要的客人，則可能就不會(huì )去理會(huì )電話(huà)了。如果不是這兩者（即不等電話(huà)，也不是等人上門(mén)），你可能會(huì )按你常常的習慣去處理?？傊@里存在一個(gè)優(yōu)先級的問(wèn)題，單片機中也是如此，也有優(yōu)先級的問(wèn)題。優(yōu)先級的問(wèn)題不僅僅發(fā)生在兩個(gè)中斷同時(shí)產(chǎn)生的情況，也發(fā)生在一個(gè)中斷已產(chǎn)生，又有一個(gè)中斷產(chǎn)生的情況，比如你正接電話(huà)，有人按門(mén)鈴的情況，或你正開(kāi)門(mén)與人交談，又有電話(huà)響了情況?？紤]一下我們會(huì )怎么辦吧。

第三、中斷的響應過(guò)程：當有事件產(chǎn)生，進(jìn)入中斷之前我們必須先記住現在看書(shū)的第幾頁(yè)了，或拿一個(gè)書(shū)簽放在當前頁(yè)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(lái)繼續看書(shū)）：電話(huà)鈴響我們要到放電話(huà)的地方去，門(mén)鈴響我們要到門(mén)那邊去，也說(shuō)是不一樣的中斷，我們要在不一樣的地點(diǎn)處理，而這個(gè)地點(diǎn)常常還是固定的。計算機中也是采用的這種辦法，五個(gè)中斷源，每個(gè)中斷產(chǎn)生后都到一個(gè)固定的地方去找處理這個(gè)中斷的程序，當然在去之前首先要保存下面將執行的指令的地址，以便處理完中斷后回到原來(lái)的地方繼續往下執行程序。具體地說(shuō)，中斷響應能分為以下幾個(gè)步驟：1、保護斷點(diǎn)，即保存下一將要執行的指令的地址，就是把這個(gè)地址送入堆棧。2、尋找中斷入口，根據5個(gè)不一樣的中斷源所產(chǎn)生的中斷，查找5個(gè)不一樣的入口地址。以上工作是由計算機自動(dòng)完成的，與編程者無(wú)關(guān)。在這5個(gè)入口地址處存放有中斷處理程序（這是程序編寫(xiě)時(shí)放在那兒的，如果沒(méi)把中斷程序放在那兒，就錯了，中斷程序就不能被執行到）。3、執行中斷處理程序。4、中斷返回：執行完中斷指令后，就從中斷處返回到主程序，繼續執行。究竟單片機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單片機中斷系統的結構：

5個(gè)中斷源的符號、名稱(chēng)及產(chǎn)生的條件如下。
INT0：外部中斷0，由P3．2端口線(xiàn)引入，低電平或下跳沿引起。
INT1：外部中斷1，由P3．3端口線(xiàn)引入，低電平或下跳沿引起。
T0：定時(shí)器／計數器0中斷，由T0計滿(mǎn)回零引起。
T1：定時(shí)器／計數器l中斷，由T1計滿(mǎn)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(gè)中斷系統的結構框圖見(jiàn)下圖一所示。

51單片機中斷系統結構>

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(xún)邏輯電路等組成，包括5個(gè)中斷請求源，4個(gè)用于中斷控制的寄存器IE、IP、ECON和SCON來(lái)控制中斷類(lèi)弄、中斷的開(kāi)、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，在單片機上有兩個(gè)管腳，名稱(chēng)為INT0、INT1，也就是P3.2、P3.3這兩個(gè)管腳。在內部的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)和置位和復位，IT0=0，INT0為低電平觸發(fā)方式，IT0=1，INT0為負跳變觸發(fā)方式。這兩種方式的差異將在以后再談。IE0：INT0中斷請求標志位。當有外部的中斷請求時(shí)，這位就會(huì )置1（這由硬件來(lái)完成），在CPU響應中斷后，由硬件將IE0清0。IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。（2）內部中斷請求源TF0：定時(shí)器T0的溢出中斷標記，當T0計數產(chǎn)生溢出時(shí)，由硬件置位TF0。當CPU響應中斷后，再由硬件將TF0清0。TF1：與TF0類(lèi)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中斷系統中，中斷的允許或禁止是由片內可進(jìn)行位尋址的8位中斷允許寄存器IE來(lái)控制的。見(jiàn)下表EAX

其中EA是總開(kāi)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(shí)器1中斷允許EX1－外中斷1中斷允許。ET0－定時(shí)器0中斷允許EX0－外中斷0中斷允許。如果我們要設置允許外中斷1，定時(shí)器1中斷允許，其它不允許，則IE能是EAX

即8CH，當然，我們也能用位操作指令SETB EA

SETB ET1SETB EX1

來(lái)實(shí)現它。3、五個(gè)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(shí)器0：000BH外中斷1：0013H定時(shí)器1：001BH串行口：0023H它們的自然優(yōu)先級由高到低排列。寫(xiě)到這里，大家應當明白，為什么前面有一些程序一始我們這樣寫(xiě)：

ORG 0000HLJMP START

ORG 0030H

START：。

這樣寫(xiě)的目的，就是為了讓出中斷源所占用的向量地址。當然，在程序中沒(méi)用中斷時(shí)，直接從0000H開(kāi)始寫(xiě)程序，在原理上并沒(méi)有錯，但在實(shí)際工作中最好不這樣做。優(yōu)先級：?jiǎn)纹瑱C采用了自然優(yōu)先級和人工設置高、低優(yōu)先級的策略，即能由程序員設定那些中斷是高優(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(kāi)機時(shí)，每個(gè)中斷都處于低優(yōu)先級，我們能用指令對優(yōu)先級進(jìn)行設置?？幢?中斷優(yōu)先級中由中斷優(yōu)先級寄存器IP來(lái)高置的，IP中某位設為1，對應的中斷就是高優(yōu)先級，不然就是低優(yōu)先級。

XX

X

PS

PT1

PX1

PT0

PX0

例：設有如下要求，將T0、外中斷1設為高優(yōu)先級，其它為低優(yōu)先級，求IP的值。IP的首3位沒(méi)用，可任意取值，設為000，后面根據要求寫(xiě)就能了XX

因此，最終，IP的值就是06H。例：在上例中，如果5個(gè)中斷請求同時(shí)發(fā)生，求中斷響應的次序。響應次序為：定時(shí)器0－＞外中斷1－＞外中斷0－＞實(shí)時(shí)器1－＞串行中斷。

MCS－51的中斷響應過(guò)程：

1、中斷響應的條件：講到這兒，我們依然對于計算機響應中斷感到神奇，我們人能響應外界的事件，是因為我們有多種“傳感器“――眼、耳能接受不一樣的信息，計算機是如何做到這點(diǎn)的呢？其實(shí)說(shuō)穿了，一點(diǎn)都不希奇，MCS51工作時(shí)，在每個(gè)機器周期中都會(huì )去查詢(xún)一下各個(gè)中斷標記，看他們是否是“1“，如果是1，就說(shuō)明有中斷請求了，所以所謂中斷，其實(shí)也是查詢(xún)，不過(guò)是每個(gè)周期都查一下而已。這要換成人來(lái)說(shuō)，就相當于你在看書(shū)的時(shí)候，每一秒鐘都會(huì )抬起頭來(lái)看一看，查問(wèn)一下，是不是有人按門(mén)鈴，是否有電話(huà)。。。。很蠢，不是嗎？可計算機本來(lái)就是這樣，它根本沒(méi)人聰明。了解了上述中斷的過(guò)程，就不難解中斷響應的條件了。在下列三種情況之一時(shí)，CPU將封鎖對中斷的響應：

CPU正在處理一個(gè)同級或更高級別的中斷請求。

現行的機器周期不是當前正執行指令的最后一個(gè)周期。我們知道，單片機有單周期、雙周期、三周期指令，當前執行指令是單字節沒(méi)有關(guān)系，如果是雙字節或四字節的，就要等整條指令都執行完了，才能響應中斷（因為中斷查詢(xún)是在每個(gè)機器周期都可能查到的）。

當前正執行的指令是返回批令（RETI）或訪(fǎng)問(wèn)IP、IE寄存器的指令，則CPU至少再執行一條指令才應中斷。這些都是與中斷有關(guān)的，如果正訪(fǎng)問(wèn)IP、IE則可能會(huì )開(kāi)、關(guān)中斷或改變中斷的優(yōu)先級，而中斷返回指令則說(shuō)明本次中斷還沒(méi)有處理完，所以都要等本指令處理結束，再執行一條指令才能響應中斷。

2、中斷響應過(guò)程CPU響應中斷時(shí)，首先把當前指令的下一條指令（就是中斷返回后將要執行的指令）的地址送入堆棧，然后根據中斷標記，將對應的中斷入口地址送入PC，PC是程序指針，CPU取指令就根據PC中的值，PC中是什么值，就會(huì )到什么地方去取指令，所以程序就會(huì )轉到中斷入口處繼續執行。這些工作都是由硬件來(lái)完成的，不必我們去考慮。這里還有個(gè)問(wèn)題，大家是否注意到，每個(gè)中斷向量地址只間隔了8個(gè)單元，如0003－000B，在如此少的空間中如何完成中斷程序呢？很簡(jiǎn)單，你在中斷處安排一個(gè)LJMP指令，不就能把中斷程序跳轉到任何地方了嗎？一個(gè)完整的主程序看起來(lái)應該是這樣的：

ORG 0000HLJMP START

ORG 0003H

LJMP INT0 ；轉外中斷0ORG 000BH

RETI ；沒(méi)有用定時(shí)器0中斷，在此放一條RETI，萬(wàn)一 “不小心“產(chǎn)生了中斷，也不會(huì )有太大的后果。。

中斷程序完成后，一定要執行一條RETI指令，執行這條指令后，CPU將會(huì )把堆棧中保存著(zhù)的地址取出，送回PC，那么程序就會(huì )從主程序的中斷處繼續往下執行了。注意：CPU所做的保護工作是很有限的，只保護了一個(gè)地址，而其它的所有東西都不保護，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據還是沒(méi)執行中斷以前的數據，就得自己保護起來(lái)。

中斷系統的控制寄存器：
中斷系統有兩個(gè)控制寄存器IE和IP，它們分別用來(lái)設定各個(gè)中斷源的打開(kāi)／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志位。

1．中斷允許寄存器--IE
IE在特殊功能寄存器中，字節地址為A8H，位地址(由低位到高位)分別是A8H-AFH。
IE用來(lái)打開(kāi)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(kāi)全局中斷控制，在此條件下，由各個(gè)中斷控制位確定相應中斷的打開(kāi)或關(guān)閉。
×：無(wú)效位。
ES：串行I／O中斷允許位。ES＝1，打開(kāi)串行I／O中斷；ES＝0，關(guān)閉串行I／O中斷。
ETl；定時(shí)器／計數器1中斷允許位。ETl＝1，打開(kāi)T1中斷；ETl＝O，關(guān)閉T1中斷。
EXl：外部中斷l中斷允許位。EXl＝1，打開(kāi)INT1；EXl＝0，關(guān)閉INT1。
ET0：定時(shí)器／計數器0中斷允許位。ET0＝1，打開(kāi)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(kāi)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，字節地址為B8H，位地址(由低位到高位)分別是B8H一BFH,IP用來(lái)設定各個(gè)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(wú)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(shí)器／計數器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(shí)器／計數器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(gè)同級中斷同時(shí)向CPU請求中斷響應，則CPU按如下順序確定響應的先后順序：

INT0一T0---INT1一T1一RI／T1.

中斷的響應過(guò)程

若某個(gè)中斷源通過(guò)編程設置，處于被打開(kāi)的狀態(tài)，并滿(mǎn)足中斷響應的條件，而且①當前正在執行的那條指令已被執行完
1、當前末響應同級或高級中斷
2、不是在操作IE，IP中斷控制寄存器或執行REH指令則單片機響應此中斷。
在正常的情況下，從中斷請求信號有效開(kāi)始，到中斷得到響應，通常需要3個(gè)機器周期到8個(gè)機器周期。中斷得到響應后，自動(dòng)清除中斷請求標志(對串行I／O端口的中斷標志，要用軟件清除)，將斷點(diǎn)即程序計數器之值(PC)壓入堆棧(以備恢復用)；然后把相應的中斷入口地址裝入PC，使程序轉入到相應的中斷服務(wù)程序中去執行。
各個(gè)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(gè)中斷入口地址相隔甚近，不便于存放各個(gè)較長(cháng)的中斷服務(wù)程序，故通常在中斷入口地址開(kāi)始的二三個(gè)單元中，安排一條轉移類(lèi)指令，以轉入到安排在那兒的中斷服務(wù)程序。以T1中斷為例，其過(guò)程下如圖四所示。
由于5個(gè)中斷源各有其中斷請求標志0，TF0，IEl，TFl以及RI／TI，在中斷源滿(mǎn)足中斷請求的條件下，各標志自動(dòng)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，只要該中斷請求標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響應了中斷為止,對串行口中斷而言，這一過(guò)程與其它4個(gè)中斷的不同之處在于；即使CPU響應了中斷，其中斷標志RI／TI也不會(huì )自動(dòng)清零，必須在中斷服務(wù)程序中設置清除RI／TI的指令后，才會(huì )再一次地提出中斷請求。
CPU的現場(chǎng)保護和恢復必須由被響應的相應中斷服務(wù)程序去完成，當執行RETI中斷返回指令后，斷點(diǎn)值自動(dòng)從棧頂2字節彈出，并裝入PC寄存器，使CPU繼續執行被打斷了的程序。
下面給出一個(gè)應用定時(shí)器中斷的實(shí)例。
現要求編制一段程序，使P1．0端口線(xiàn)上輸出周期為2ms的方波脈沖。設單片機晶振頻率
Fosc＝6MHZ．
1、方法：利用定時(shí)器T0作1ms定時(shí)，達到定時(shí)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(shí)1ms。
2、定時(shí)初值：機器周期MC＝12/fosc＝2us。所以定時(shí)lms所需的機器周期個(gè)數為500D，亦即0lF4H。設T0為工作方式1(16位方式)，則定時(shí)初值是(01F4H)求補＝FEOCH

串行端口的控制寄存器：

串行端口共有2個(gè)控制寄存器SCON和PCON，用以設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)送數據的特征、波特率的大小，以及作為運行的中斷標志等。
①串行口控制寄存器SCON
SCON的字節地址是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的多機通訊控制位
發(fā)送機SM2＝1(要求程控設置)。
當為方式2或方式3時(shí)：
接收機 SM2＝1時(shí)，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(shí)，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)送機要發(fā)送的第9位數據。
RB8:
在方式2，3中，RB8是接收機接收到的第9位數據，該數據正好來(lái)自發(fā)
送機的TB8。
TI:
發(fā)送中斷標志位。發(fā)送前必須用軟件清零，發(fā)送過(guò)程中TI保持零電平，
發(fā)送完一幀數據后，由硬件自動(dòng)置1。如要再發(fā)送，必須用軟件再清零。
RI:
接收中斷標志位。接收前，必須用軟件清零，接收過(guò)程中RI保持零電
平，接收完一幀數據后，由片內硬件自動(dòng)置1。如要再接收，必須用軟件
再清零。

電源控制寄存器PCON

PCON的字節地址為87H，無(wú)位地址，PCON的格式如圖六所示。需指出的是，對80C31單片機而言，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(shí)；0---不加倍；1---加倍。

串行中斷的應用特點(diǎn)：

8031單片機的串行I／O端口是一個(gè)中斷源，有兩個(gè)中斷標志RI和TI，RI用于接收，TI用于發(fā)送。
串行端口無(wú)論在何種工作方式下，發(fā)送／接收前都必須對TI／RI清零。當一幀數據發(fā)送／接收完后，TI/RI自動(dòng)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(kāi)的條件下，對方式0和方式1來(lái)說(shuō)，一幀數據發(fā)送／接收完后，除置位TI／RI外，還會(huì )引起串行中斷請求，并執行串行中側目務(wù)程序。但對方式2和方式3的接收機而言，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(kāi)放：
SM2 RB8 接收機中斷標志與中斷狀態(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
單片機正是利用方式2，3的這一特點(diǎn)，實(shí)現多機間的通信。串行端口的常用應用方法見(jiàn)相關(guān)章節。

波特率的確定：

對方式0來(lái)說(shuō)，波特率已固定成fosc／12，隨著(zhù)外部晶振的頻率不同，波特率亦不相同。常用的fosc有12MHz和6MHz，所以波特率相應為1000×103和500×103位／s。在此方式下，數據將自動(dòng)地按固定的波特率發(fā)送／接收，完全不用設置。
對方式2而言，波特率的計算式為2SMOD·fosc／64。當SMOD＝0時(shí)，波特率為fm／64；當SMOD＝1時(shí)，波特率為fosc／32。在此方式下，程控設置SMOD位的狀態(tài)后，波特率就確定了，不需要再作其它設置。
對方式1和方式3來(lái)說(shuō)，波特率的計算式為2SMOD／32×T1溢出率，根據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溢出率的設置是方便的，因而波特率的選擇將十分靈活。
前已敘及，定時(shí)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設置在工作方式2的運行狀態(tài)，也就是8位自動(dòng)加入時(shí)間常數的方式。由于在這種方式下，T1的溢出率(次／秒)計算式可表達成：

下面一段主程序和中斷服務(wù)程序，是利用串行方式l從數據00H開(kāi)始連續不斷增大地串行發(fā)送一片數據的程序例。設單片機晶振的頻率為6MHZ，波特率為1200位／秒。