MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)及定時(shí)器計(jì)數(shù)器

1、MCS-51 系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3. 1 中斷的概念眾所周知，CPU 的工作速度愈來愈快，CPU 啟動(dòng)外部設(shè)備輸入/輸岀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)只需要微秒級(jí)甚至更短的時(shí)間，而低速的外設(shè)工作速度一般在毫秒級(jí)，若CPU 和外部設(shè)備是串行工作的，則 CPU 就浪費(fèi)了很多時(shí)間去等待外設(shè)，其效率大大降低。若沒有中斷技術(shù)，CPU 難于為多個(gè)設(shè)備服務(wù)，對(duì)故障的處理能力也極差。為了解決這些問題，在計(jì)算機(jī)中引入了中斷技術(shù)，目前所有的計(jì)算機(jī)都有中斷處理的能力。3. 1. 1 中斷的基本概念及相關(guān)術(shù)語中斷是 CPU 在執(zhí)行現(xiàn)行程序的過程中，發(fā)生隨機(jī)事件和特殊請(qǐng)求時(shí)，使CPU 中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行隨機(jī)

2、事件或特殊請(qǐng)求的處理程序，待處理完畢后，再返回被中止的程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。實(shí)現(xiàn)中 斷的硬件邏輯和實(shí)現(xiàn)中斷功能的指令統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)。引起中斷的事件稱為中斷源，實(shí)現(xiàn)中斷功能的處理 程序稱為中斷服務(wù)程序。中斷的響應(yīng)過程如圖3. 1 所示，（a）為單級(jí)中斷，（b）為兩級(jí)中斷嵌套。對(duì)于中斷系統(tǒng)來說，引起中斷的事件稱為中斷源；由中斷源向 CPU 所發(fā)出的請(qǐng)求中斷的信號(hào)稱為中斷請(qǐng)求信號(hào)；CPU 中止現(xiàn)行程序執(zhí)行的位置稱為中斷斷點(diǎn)；中斷斷點(diǎn)處的程序位置稱為中斷現(xiàn)場(chǎng)；由中斷服 務(wù)程序返回到原來程序的過程稱為中斷返回；CPU 接受中斷請(qǐng)求而中止現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去為中斷源服務(wù)稱為中斷響應(yīng)。在中斷系統(tǒng)中，對(duì)中斷斷點(diǎn)的保護(hù)

3、是 CPU 在響應(yīng)中斷時(shí)自動(dòng)完成的，中斷服務(wù)完成時(shí)執(zhí)行中斷返回指 令而得到恢復(fù)；對(duì)于中斷斷點(diǎn)處其他數(shù)據(jù)的保護(hù)與恢復(fù)是通過在中斷服務(wù)程序中采用堆棧操作指令PUSH及 POP 來實(shí)現(xiàn)的，這種操作通常稱為保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)與恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。申臥1Its”軸6.民i*.號(hào)購i *-!H島*1草吐帆申HM（或月氛.*卜輒 中卑比 圧旳* l*CSMi -5!事片機(jī)丈時(shí)蘇：壯読旳：-炸：丄乳 INTWWfl 11jn_TWfTJJTUKiUlL |tuapTFi:曲始新一輪的計(jì)數(shù)。由于方式 0 或方式 1 是通過指令裝入計(jì)數(shù)初值的，而執(zhí)行指令需要時(shí)問，因此，在方式 2 的定時(shí)時(shí)間比較準(zhǔn)確。 方式 2 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.

4、 7 所示。在方式 2 時(shí)，TLO/TLI 作為 8 位計(jì)數(shù)器，THO/THI 為自動(dòng)恢復(fù)初值的 8 位計(jì)數(shù)器。當(dāng) TLO/TLI 計(jì) 數(shù)發(fā)生溢出時(shí)，一方面置溢出中斷請(qǐng)求標(biāo)志TFO/TFI 為 1,向 CPU 請(qǐng)求中斷，同時(shí)又將 TO/THI 的內(nèi)容送入 TLO/ TLI，使 TO/TI 從初值開始重新加 I 計(jì)數(shù)。因此 TO/ TI 工作于方式 2 時(shí)，定時(shí)精度高，但定時(shí) 時(shí)間范圍小。由圖 3.7 可知，方式 2 的 TO/T1 計(jì)數(shù)控制與方式 O 和方式 1 完全相同，不同之處在于當(dāng)CPU 響應(yīng) TO/TI 的溢出中斷后會(huì)自動(dòng)將 THO/THI 的內(nèi)容填充到 TLO/TLI。TO/ TI

5、以方式 2 工作時(shí)，定時(shí)/計(jì)數(shù)初值的計(jì)算方法如下：當(dāng) TO/TI 以方式 2 定時(shí)時(shí)，假設(shè)時(shí)鐘頻率以fosc 表示，定時(shí)初值以 a 表示，那么三者關(guān)系為：12t=- (28-a)fosc若給定定時(shí)時(shí)間的要求，定時(shí)初值a 的大小為：12X28-t 粘 sca=-12比如 fosc=12MHz，TI 的定時(shí)時(shí)間 t=200 xg,s則定時(shí)初值 a 為：12X28-20 X10-3 X12X106a=- =256-200=5612因此，TLO 的初值為 56，TH0 的初值為 56,對(duì) T0 的初始化的子程序?yàn)椋篒NTT0 : MOV THO，#56MOV TLO，#56SETB EASETB ET

6、OSETB TRO當(dāng) TO/Tl 以方式 0 計(jì)數(shù)時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)所需計(jì)取脈沖的個(gè)數(shù)以菇表示，計(jì)數(shù)初值以。表示，則二者的關(guān) 系為：a=28-x4方式 3方式 3 為兩個(gè) 8 位定時(shí)器肘數(shù)器工作方式，它只適用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TO,若將 Tl 設(shè)置為方式 3,則Tl 將停止計(jì)數(shù)。方式 3 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖 3 8 所示。由圖 3 8 可知，方式 3 是將 TO 拆分為兩個(gè) 8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。其中 8 位計(jì)數(shù)器 TLO，使用原來 TO 的控制位（C/T、GATE、TRO、IN TO）形成一個(gè) 8 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，它既可以定時(shí)（對(duì)時(shí)鐘頻率的 12 分頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)），也可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)；而 8 位計(jì)數(shù)

7、器 THO，占用原來 T1 的控制位仃 Rl、TF1），它只能對(duì)內(nèi) 部計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其運(yùn)行僅受 TRl 位的控制，而與外部引腳 INTI 的電平狀態(tài)無關(guān)。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 TO 工作于方式 3 時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 Tl 仍可設(shè)置為方式 O、方式 1 方式 2。但由 于 TRl、TFl 已被定時(shí)器 THO 占用，此時(shí)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器僅由控制位C/T 設(shè)置其定時(shí)或計(jì)數(shù)方式，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿發(fā)生溢岀時(shí)，只能將輸岀送往串行口。在這種情況下，Tl 一般用做串行口波特率發(fā)生器，或不需要中斷的場(chǎng)合。方式 3 的兩個(gè) 8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的定時(shí)或計(jì)數(shù)初值的計(jì)算方法與方式2 完全相同，不再重復(fù)。3. 3 3 定時(shí)器

8、/計(jì)數(shù)器應(yīng)用舉例MCS-51 系列單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器均是可編程的，在利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)之前， 必須要通過軟件對(duì)它們進(jìn)行初始化。初始化包括的內(nèi)容如下：根據(jù)實(shí)際需要確定工作方式，對(duì)方式寄存器TMOD 初始化。即根據(jù)實(shí)際的需要選擇工作方式，形成相應(yīng)的方式控制字，在程序中將方式控制字填充給TMOD。根據(jù)實(shí)際定時(shí)/計(jì)數(shù)的需要確定初值，進(jìn)行定時(shí)/計(jì)數(shù)初值的填充。根據(jù)需要開放相應(yīng)的中斷，即對(duì)中斷允許控制寄存器IE 進(jìn)行初始化。啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作，即根據(jù)需要對(duì)TCON 進(jìn)行初始化。例 3. 1 利用 TO 產(chǎn)生 I ms 的定時(shí)，使 Pl. O 引腳輸入一個(gè)周期為 2 ms，占空比為 1

9、 : 1 的方波信號(hào)（假 定時(shí)鐘頻率 f。g=12MHz）。解：分析要形成周期為 2ms 的方波信號(hào)，只要利用 TO 產(chǎn)生定時(shí)，每隔 1 ms 將 Pl. 0 引腳狀態(tài)取反即確定工作方式：TO 要實(shí)現(xiàn) I ms 的定時(shí)，方式 0 和方式 1 均可，在此選擇方式 0;而在此例中沒有對(duì)TI 提出任何要求，所以 TMOD 的高 4 位任意。因此方式控制字為：OOOOOOOOB=OOH。(2)確定定時(shí)初值：W =UiOOOOOIIOODBA I18H.麻 W 圖 3 借蘇，掰解蝦:0001HUMPMAINORGmnIJMPINTTOMAIS：HOVTKODJOOH略麒81棒湖TLOF*ISHMOVTH

10、l.tOEOH訃;riHf：TByMnMOVCPLKKTt END i WIOi*1 u；l*K*lft1圖 3. 9 例 3. 1 的控制程序流程圖例 3. 2 采用定時(shí)器控制 PI. O 引腳輸出一個(gè)周期為 2 分鐘，占空比為 1: 1 的方波信號(hào)(時(shí)鐘頻率為12MHz)。解：要形成周期為 2 分鐘的方波信號(hào)，只要每隔 I 分鐘將 PI. O 引腳的狀態(tài)取反即可。而 TO/TI 無論 是采用方式 O、方式 1 或方式 2，都不可能直接實(shí)現(xiàn) 1 分鐘的定時(shí)時(shí)間。對(duì)于這種長(zhǎng)時(shí)間的定時(shí)，一般可以 采用兩種方法：一種方法是采用定時(shí)器定時(shí)加軟件計(jì)數(shù)方法來實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)定時(shí)，這種方法省硬件資源。另一種 方法是

11、將兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器合用實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)定時(shí)方法，這種方法占用兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中一個(gè)作為定TH I O|Tl. VOEOIIHiO時(shí)器，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器，所以硬件資源占用多，而且要進(jìn)行外部連線。下面采用定時(shí)器定時(shí)加軟件計(jì)數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)定時(shí)功能。假設(shè)用 TI 定時(shí) 50ms，軟件計(jì)數(shù) 1200 次，實(shí)現(xiàn) I 分鐘定時(shí)。為此用 20H 單元作 50ms 計(jì)數(shù)單元，計(jì)滿 20 次為Is； 21H 單元為秒計(jì)數(shù)單元，計(jì)滿 60 次為 I 分鐘。(1) 方式控制字：要實(shí)現(xiàn) 50ms 的定時(shí)只有 TI 工作于方式 1，所以方式控制字為：00010000B=10H。(2) 定時(shí)初值 t即M 111 nviin

12、i tiF切I諂H圖 3 . 10 例 3. 2 的控制程序流程圖(3)程序流程圖如圖 3. 10 所示ORGLJMPORGLJMPMAIN : MOVMOVMOVMOVSETBSETBETBMOV,程序清單如下：0000HMAIN001BHINTTISP，#70H ;設(shè)置堆棧區(qū)TMOD，#10H ;送方式控制字THI，#3CH ; 送定時(shí)初值TLI，#080HEA開放 TI 中斷ETITRI啟動(dòng) TI 開始定時(shí)20H，#20 ; 秒單元賦初值MOV21H ，#60 ;分單元賦初值SJMP$ ; 等待INTTl ： MOVTHl ，#3CH ;重裝初值MOVTLl #0BOHDJNZ20H，N

13、0 ;ls 未到，轉(zhuǎn) NOMOV20H ，#20DJNZ21H ，N0 ;1 分鐘未到，轉(zhuǎn) NOMOV21H ，#60CPLPl0N0： RETIEND在上述兩個(gè)例子中，中斷服務(wù)程序都要進(jìn)行計(jì)數(shù)器初值重裝等操作。這樣在定時(shí)器溢出發(fā)出中斷請(qǐng)求 到重裝完初值并在此基礎(chǔ)上重新開始計(jì)數(shù)定時(shí)，總有一定的時(shí)間間隔，造成定時(shí)時(shí)間多增加了若干微秒的 時(shí)間。如果采用工作方式 2，可避免重裝初值所造成的誤差，使定時(shí)器定時(shí)比較精確，但方式2 的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度只有 8 位，定時(shí)時(shí)間較短。前面兩個(gè)例子是定時(shí)器方式的應(yīng)用，比較起來，方式 0 沒有可取之處，如果要求定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，直接 就使用方式l ，而不會(huì)去考慮使用方式 0。通

14、過兩個(gè)例子，基本掌握了定時(shí)中斷該如何應(yīng)用，實(shí)際上定時(shí)器 肼數(shù)器的中斷請(qǐng)求標(biāo)志也可以供查詢使用，請(qǐng)看例33。例 3 3 將 T0 對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，每計(jì)滿 100 次后從 Pl 0 輸出寬度為 1ms 的高電平，如此循環(huán) 下去 (時(shí)鐘頻率為 6MHz) 。解：上述問題是 T0 交替工作于計(jì)數(shù)器方式和定時(shí)器方式，先計(jì)數(shù)，計(jì)滿100 次后改為定時(shí)器方式，1ms 后又回到計(jì)數(shù)器方式。設(shè)計(jì)數(shù)器為方式2，定時(shí)器為方式 1，則：(1)T0 的方式控制字：計(jì)數(shù)時(shí)為 000001 10B=06H ，定時(shí)時(shí)為 O0000001B=01H 。(2)T0 的定時(shí)初值：計(jì)數(shù)初值為9cH;定時(shí)初值為 FEOCH。程序流

15、程圖如圖稗序清單如下：TIM ：CLRTR0 ;停止 T0 工作SETBPl0Pl0 為高電平MOVTMOD ，#01H ; T0 為定時(shí)方式MOVTH0，#0FEH; 送定時(shí)初值MOVTL0 ，#0CHSETBTR0 ;啟動(dòng) T0 定時(shí)SJMPWAITl311 所示。0RG0030HCNT： CLRTR0MOVTMOD ， #06HMOVTH0 ，#9CH ；T0 為計(jì)數(shù)方式送計(jì)數(shù)初值MOVSETBTL0 ，#9CHTR0 ；啟動(dòng) T0 計(jì)數(shù)CLRPl，0Pl0 為低電平WAITl ：JBCTF0， TIM100 次未滿則等待TFO , CNT ;1ms 未到則等待WAIT2END例 3.4

16、 利用 TO 確定外部麗引腳上出現(xiàn)的正脈沖的寬度，并將測(cè)到的機(jī)器周期的個(gè)數(shù)存入30H 開始的單元中。解：根據(jù)要求，將 TO 設(shè)定為定時(shí)器工作方式 I，門控位 GATE 置 1，初值取 0。當(dāng)外部 INTO 引腳變?yōu)?高電平時(shí)啟動(dòng) TO 定時(shí)（外觸發(fā)）；當(dāng)外部麗引腳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)停止TO 定時(shí)。這樣 TO 停止定時(shí)時(shí)的當(dāng)前值就是外部麗引腳為高電平期間所經(jīng)過的機(jī)器周期的個(gè)數(shù)（假設(shè)外部的脈沖寬度不超過 65535 個(gè)周期）。方式控制字為 00001001B，即 09H。（2）T0 的定時(shí)初值為 0000H。程序流程圖如圖 3 . 12 所示。WAIT2 : JBCSJMP圖 3 . 11 例 3. 3

17、 的控制程序流程圖圖 3. 12 例 3. 4 的控制程序流程程序清單如下：ORG0030HPI1NI恤電Iri ID HtH!flWAITl : JNBSETBP3. 2，WAITlTRO ；;等待 P3. 2 變?yōu)楦唠娖?啟動(dòng) TO 開始定時(shí)WAIT2 ： JBP3 2，WAIT2 ；等待 P32 變?yōu)榈碗娖紺LRTR0MOVR0， #30H ；數(shù)據(jù)指針賦值MOV R0 ， TL0 ；保存機(jī)器周期數(shù)據(jù)的低 8 位INCR0MOVR0， TH0 ；保存機(jī)器周期數(shù)據(jù)的高 8 位SJMP$END思考題 3-3 ：如果要求既測(cè)量外部脈沖信號(hào)的高電平寬度， 又要求測(cè)量外部脈沖信號(hào)的低電平寬度， 該 如何處理呢 ?本章小結(jié)中斷是一個(gè)過程，是 CPU 暫?，F(xiàn)行操作，去為提出服務(wù)要求的外設(shè)服務(wù)，當(dāng)服務(wù)完成后回到原有操作 繼續(xù)執(zhí)行的過程，中斷是計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)。本章要求：了解中斷源、中斷的功能、中斷系統(tǒng)的組成 與功能、中斷優(yōu)先權(quán)管理、中斷響應(yīng)條件、中斷響應(yīng)過程、中斷嵌套等基本概念；掌握 MCS-51 單片機(jī)的 5 個(gè)中斷源；掌握外部中斷的觸發(fā)方式， INT0 與 INT1 的觸發(fā)方式有邊沿方式與電平方式兩種；掌握定時(shí) 器計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖來源， 計(jì)數(shù)脈