單片機(jī)原理及設(shè)計(jì)應(yīng)用第5章課件

1、第五章 MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)第一節(jié) 中斷的概念5.1.1中斷概述1.中斷的概念 當(dāng)CPU正在處理某件事情時(shí)，外部發(fā)生了另一件事情，要求CPU處理，若CPU響應(yīng)這個(gè)事件信號(hào)，則它暫時(shí)終止當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)去處理正在發(fā)生的事件，處理完成后，再回到被中斷的地方，繼續(xù)做原來的工作，這一過程稱為中斷。2、中斷的優(yōu)點(diǎn)1) 實(shí)現(xiàn)分時(shí)操作 采用中斷技術(shù)后，快速的CPU和慢速的外設(shè)可以各做各的事情。2) 進(jìn)行實(shí)時(shí)處理 任何數(shù)據(jù)在任何時(shí)間都有可能向CPU發(fā)出中斷申請，要求處理。利用中斷技術(shù)，CPU可以及時(shí)響應(yīng)和處理來自內(nèi)部功能模塊或外部設(shè)備的中斷請求，并為其服務(wù)，以滿足實(shí)時(shí)處理和控制的要求。CPU 會(huì)根據(jù)

2、當(dāng)時(shí)的情況及時(shí)做出反應(yīng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。3) 故障處理 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中往往會(huì)出現(xiàn)一些異常情況，利用中斷技術(shù)就可以通過中斷系統(tǒng)及時(shí)向CPU請求中斷，做緊急故障處理，當(dāng)正常供電后可繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。4）待機(jī)狀態(tài)的喚醒 在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，為了減少電源的功耗，當(dāng)系統(tǒng)不處理任何事物，處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，可以讓單片機(jī)工作在休眠的低功耗方式。5.1.2中斷處理過程 在中斷系統(tǒng)中，通常將CPU處在正常情況下運(yùn)行的程序稱為主程序，把產(chǎn)生申請中斷信號(hào)的單元和事件稱為中斷源，由中斷源向CPU所發(fā)出的申請中斷信號(hào)稱為中斷請求信號(hào)，CPU接受中斷申請停止現(xiàn)行程序的運(yùn)行而轉(zhuǎn)向?yàn)橹袛喾?wù)稱為中斷響應(yīng)，為中斷服

3、務(wù)的程序稱為中斷服務(wù)程序或中斷處理程序?，F(xiàn)行程序打斷的地方稱為斷點(diǎn)，執(zhí)行完中斷處理程序后返回?cái)帱c(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行主程序稱為中斷返回。5.1.3中斷系統(tǒng)應(yīng)具備的功能1) 實(shí)現(xiàn)中斷及返回 當(dāng)某個(gè)中斷源發(fā)出中斷申請時(shí)，CPU能根據(jù)其輕重程度決定是否給予響應(yīng)。若響應(yīng)了中斷申請，則CPU必須執(zhí)行完正在執(zhí)行的指令，在當(dāng)前指令執(zhí)行后，通過堆棧保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場，然后轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序入口，執(zhí)行該程序。中斷處理完成后，再恢復(fù)現(xiàn)場和斷點(diǎn)，CPU 返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行主程序。2) 實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì) 在系統(tǒng)中存在多個(gè)中斷源，當(dāng)多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)出中斷申請時(shí)，CPU 能找到中斷優(yōu)先級(jí)最高的中斷源，響應(yīng)其中斷請求。3) 實(shí)現(xiàn)中斷嵌

4、套 當(dāng)CPU響應(yīng)某一中斷源的中斷請求，進(jìn)行中斷處理時(shí)，又有級(jí)別更高的中斷源向CPU發(fā)出中斷申請，則CPU會(huì)暫停當(dāng)前中斷的處理程序，轉(zhuǎn)而響應(yīng)級(jí)別更高的中斷請求。直到高級(jí)中斷處理完成后，才返回繼續(xù)處理前面中斷的中斷程序。5.1.4中斷源、中斷信號(hào)、中斷向量1、中斷源 中斷源是指能夠向CPU發(fā)出中斷請求信號(hào)的部件和設(shè)備。 在一個(gè)系統(tǒng)中，往往存在多個(gè)中斷源。對于單片機(jī)講，中斷源一般可分為內(nèi)部中斷源和外部中斷源。2、中斷信號(hào) 中斷信號(hào)是指內(nèi)部或外部中斷源產(chǎn)生的中斷申請信號(hào)，這個(gè)中斷信號(hào)往往是電信號(hào)的某種變化形式，通常有以下幾種類型：脈沖的上升沿或下降沿（上升沿觸發(fā)型或下降沿觸發(fā)型）高電平或低電平（電平觸

5、發(fā)型）電平的變化（狀態(tài)變化觸發(fā)型）3、中斷向量 中斷源發(fā)出的請求信號(hào)被CPU檢測到之后，如果單片機(jī)的中斷控制系統(tǒng)允許響應(yīng)中斷，CPU會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移，執(zhí)行一個(gè)固定的程序空間地址中的指令。這個(gè)固定的地址稱作中斷入口地址，也叫做中斷向量。中斷入口地址往往是由單片機(jī)內(nèi)部硬件決定的。5.1.5中斷優(yōu)先級(jí)和中斷嵌套 由于一個(gè)單片機(jī)會(huì)有若干個(gè)中斷源，CPU可以接收若干個(gè)中斷源發(fā)出的中斷請求。但在同一時(shí)刻，CPU只能響應(yīng)這些中斷請求中的其中一個(gè)。為了避免CPU同時(shí)響應(yīng)多個(gè)中斷請求帶來的混亂，在單片機(jī)中為每一個(gè)中斷源賦予一個(gè)特定的中斷優(yōu)先級(jí)。對于中斷優(yōu)先級(jí)的確定，通常是由單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)規(guī)定的。一般的確定規(guī)則方式為

6、兩種：1）某中斷對應(yīng)的中斷向量地址越小，其中斷優(yōu)先級(jí)越高（硬件確定方式）。2）通過軟件對中斷控制寄存器的設(shè)定，改變中斷的優(yōu)先級(jí)（用戶軟件可設(shè)置方式）。5.1.6中斷響應(yīng)條件與中斷控制中斷的屏蔽 單片機(jī)擁有眾多中斷源，但在某一具體設(shè)計(jì)中通常并不需要使用所有的中斷源，或者在系統(tǒng)軟件運(yùn)行的某些關(guān)鍵階段不允許中斷打斷現(xiàn)行程序的運(yùn)行，這就需要一套軟件可控制的中斷屏蔽/允許系統(tǒng)。因而從對中斷源的控制角度講，中斷源還可分成非屏蔽中斷、可屏蔽中斷和軟件中斷。2）中斷控制與中斷響應(yīng)條件 在單片機(jī)中，對應(yīng)每一個(gè)中斷源都有一個(gè)相應(yīng)的中斷標(biāo)志位，該中斷標(biāo)志位將占據(jù)中斷控制寄存器中的一位。當(dāng)單片機(jī)檢測到某一中斷源產(chǎn)生符

7、合條件的中斷信號(hào)時(shí)，其硬件會(huì)自動(dòng)將該中斷源對應(yīng)的中斷標(biāo)志位置“1”，這就意味著有中斷信號(hào)產(chǎn)生了，向CPU申請中斷。 響應(yīng)A中斷 = 全局中斷允許標(biāo)志中斷A允許標(biāo)志中斷A標(biāo)志 只有當(dāng)全局中斷允許標(biāo)志位為“1”（由用戶軟件設(shè)置），中斷A允許標(biāo)志位為“1”，中斷A標(biāo)志位為“1”時(shí)，CPU才會(huì)響應(yīng)中斷A的請求信號(hào)。第二節(jié) MCS-51單片機(jī)中斷系統(tǒng)5.2.1中斷請求源MCS-51提供了5個(gè)中斷請求源其中： 2個(gè)外部中斷請求INT0(P3.2)和INT1(P3.3) 2個(gè)片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1的溢出中斷請求TF0（TCON.5）和TF1（TCON.7） 1個(gè)為片內(nèi)串行口發(fā)送或接收中斷請求TI或RI中

8、斷入口地址（中斷矢量）表中斷源入口地址（中斷矢量）外部中斷00003HT0溢出中斷000BH外部中斷10013HT1溢出中斷001BH串行口中斷0023H5.2.2與中斷源有關(guān)的特殊寄存器1、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCONTCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 TCON寄存器位定義表IT0：外部中斷0觸發(fā)方式控制位IT0=0,外部中斷控制為電平觸發(fā)方式CPU采樣INT0(P3.2)的輸入電平，若采到低電平，則認(rèn)為有中斷請求，置位IE0。若采到高電平，則認(rèn)為無或撤除了中斷請求，對IE0清零。注意：在該方式中，CPU響應(yīng)中斷

9、后不能自動(dòng)使IE0清零，也不能由軟件使IE0清零，所以在中斷返回前必須清除INT0引腳上的低電平，否則會(huì)再次響應(yīng)中斷，造成出錯(cuò)。而且中斷請求有效信號(hào)（低電平）至少保持兩個(gè)機(jī)器周期。IT0=1，外部中斷控制為邊沿觸發(fā)方式CPU采樣INT0(P3.2)的輸入電平，若連續(xù)兩次采樣，一個(gè)周期采樣為高電平，接著下一個(gè)周期采樣為低電平，則IE0置1，表示外部中斷0正在向CPU請求中斷，直到該中斷被CPU響應(yīng)時(shí)IE0由硬件自動(dòng)清零。注意：在該方式中，為了保證CPU在兩個(gè)機(jī)器周期內(nèi)檢測到先高后低的負(fù)跳變，輸入的高低電平的持續(xù)時(shí)間起碼要保持一個(gè)機(jī)器周期。IE0（IE1）：外部中斷0（1）標(biāo)志，IE0=1，則表示

10、外部中斷0向CPU請求中斷。由硬件置1，響應(yīng)中斷后硬件清0。IT1：外部中斷1觸發(fā)方式控制位，功能與IT0類似。IE1：外部中斷1標(biāo)志，功能與IE0類似。TF0：T0溢出標(biāo)志，溢出時(shí)，即定時(shí)器/計(jì)數(shù)器內(nèi)部數(shù)據(jù)超出最大值，由硬件使TF0置1，發(fā)中斷請求，響應(yīng)后TF0由硬件清0。TF1：T1溢出標(biāo)志。TR0和TR1是控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和停止的，在定時(shí)器/計(jì)數(shù)器章節(jié)介紹。2、串行口控制寄存器SCONTI：串行口發(fā)送中斷標(biāo)志 在串行口以方式0發(fā)送時(shí)，每當(dāng)發(fā)送完8位數(shù)據(jù)，由硬件使TI置1。 若以方式1、2、3方式發(fā)送時(shí)，在發(fā)送停止位的開始時(shí)使TI置1。RI：串行口接收中斷標(biāo)志 以方式0工作，每當(dāng)接

11、收到第8位，則使RI置1 以方式1、2、3工作，且SM2=0時(shí)，接受到停止位的中間時(shí)使RI置1 以方式2、3工作，且SM2=1時(shí)，僅當(dāng)接收到第9位數(shù)據(jù)RB8為1，且同時(shí)還要接收到停止位的中間時(shí)才使RI置1。3、中斷允許寄存器 IEIEAFHACHABHAAHA9HA8HA8HEA/ESET1TX1ET0EX0IE寄存器位定義表 低高EA：CPU中斷開放標(biāo)志EA=1，CPU開放中斷，EA=0，CPU禁止所有中斷；ES：串行口中斷允許位ES=1,允許串行口中斷，ES=0，禁止串行口中斷；ET1：T1溢出中斷允許位ET1=1,允許T1溢出中斷，ET1=0，禁止T1溢出中斷；EX1：外部中斷1中斷允許

12、位 EX1=1,允許外部中斷1中斷，EX1=0，禁止外部中斷1中斷ET0：T0溢出中斷允許位ET0=1,允許T0溢出中斷，ET0=0，禁止T1溢出中斷；EX0：外部中斷0中斷允許位 EX0=1,允許外部中斷0中斷，EX0=0，禁止外部中斷1中斷。4、中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IPIPBCHBBHBAHB9HB8HB8H/PSPT1PX1PT0PX0IP寄存器位定義表PS：串行口中斷優(yōu)先級(jí)控制位 PS=1，串行口中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)中斷 PS=0，串行口中斷設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)中斷；PT1：T1溢出中斷優(yōu)先級(jí)控制位 PT1=1，T1溢出中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)中斷 PT1=0，T1溢出中斷設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)中斷；PX1：外

13、部中斷1中斷優(yōu)先級(jí)控制位 PX1=1，外部中斷1中斷設(shè)置為高級(jí)中斷 PX1=0，外部中斷1中斷設(shè)置為低級(jí)中斷；PT0：T0溢出中斷優(yōu)先級(jí)控制位 PT0=1，T0溢出中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)中斷 PT0=0，T0溢出中斷設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)中斷；PX0：外部中斷0中斷優(yōu)先級(jí)控制位 PX0=1，外部中斷0中斷設(shè)置為高級(jí)中斷 PX0=0，外部中斷0中斷設(shè)置為低級(jí)中斷5.2.3硬件查詢順序中斷源中斷優(yōu)先級(jí)別外部中斷0最高T0溢出中斷外部中斷1T1溢出中斷串行口中斷最低 若同時(shí)收到幾個(gè)同一優(yōu)先級(jí)的中斷請求時(shí)，哪一個(gè)先得到服務(wù)，這取決于中斷內(nèi)部的硬件查詢順序。中斷優(yōu)先級(jí)順序表5.2.4 51單片機(jī)中斷響應(yīng)條件及響應(yīng)

14、過程每個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)對所有中斷源都進(jìn)行順序檢測，并可在任意一個(gè)周期的S6期間，找到所有有效的中斷請求，并對其優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，只要滿足下列具體條件：無同級(jí)或高級(jí)中斷正在服務(wù)現(xiàn)行的指令執(zhí)行到最后一個(gè)機(jī)器周期且已結(jié)束；若現(xiàn)行指令為RETI或需訪問特殊功能寄存器IE或IP指令時(shí)，執(zhí)行完該指令且緊隨其后的另一條指令也已執(zhí)行完則單片機(jī)便在緊接著的下一個(gè)機(jī)器周期S1期間響應(yīng)中斷，否則將丟棄中斷查詢的結(jié)果。若滿足上述條件，則CPU 就會(huì)在下一個(gè)機(jī)器周期響應(yīng)中斷。2、響應(yīng)過程在CPU響應(yīng)中斷之后，會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序來完成設(shè)定的中斷功能，具體響應(yīng)過程如下：首先置位響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)有效觸發(fā)器；CPU根據(jù)查到的中斷

15、源，通過硬件自動(dòng)生成調(diào)用指令(LCALL)，并轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷矢量單元(一組存放中斷服務(wù)子程序入口地址的單元)，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，且通過堆棧保護(hù)斷點(diǎn)；對響應(yīng)的中斷入口地址值裝入程序計(jì)數(shù)器PC，使程序轉(zhuǎn)向該中斷入口地址，以執(zhí)行中斷服務(wù)程序，直到遇見中斷返回指令RETI。RETI必須安排在中斷服務(wù)程序的最后，用于返回?cái)帱c(diǎn)，且開放中斷邏輯。至此，中斷響應(yīng)全部完成。3、中斷處理過程中應(yīng)注意的問題1) 中斷申請的撤銷2）數(shù)據(jù)保護(hù)3) 中斷響應(yīng)時(shí)間4、外部中斷源的擴(kuò)展MCS-51單片機(jī)只提供兩個(gè)外部中斷源INT0和INT1，若服務(wù)于多個(gè)外設(shè)，這顯然不夠。可采用一些方法進(jìn)行擴(kuò)展。借用定時(shí)器擴(kuò)展外部中斷源定時(shí)

16、器/計(jì)數(shù)器T0 和T1 是兩個(gè)內(nèi)部中斷源，若不作為定時(shí)器和計(jì)數(shù)器使用，可將其擴(kuò)展為外部中斷源。方法是：將T0 或T1 設(shè)置成計(jì)數(shù)器工作方式，初值最大(FFFFH)，來一個(gè)脈沖，加1即產(chǎn)生溢出中斷。中斷和查詢結(jié)合的方法若系統(tǒng)有多個(gè)中斷請求源，再用定時(shí)器T0或T1就不夠使用，可采用中斷和查詢結(jié)合的方法擴(kuò)展中斷源。在外部中斷1引腳上連接4個(gè)外設(shè)的中斷源，通過OC門產(chǎn)生中斷請求信號(hào)INT1。第三節(jié) 中斷系統(tǒng)應(yīng)用程序 例5-2現(xiàn)在規(guī)定外部中斷0( INT0 )為電平觸發(fā)方式，高優(yōu)先級(jí)，試寫出有關(guān)的初始化程序。幾個(gè)特殊功能寄存器有關(guān)控制位的賦值一般都包含在主程序中，而中斷服務(wù)程序是一種具有特定功能的獨(dú)立程

17、序段，應(yīng)根據(jù)中斷源的具體要求進(jìn)行編寫。初始化程序如下：SETB EA ；開中斷SETB EX0 ；允許INT0中斷SETB PX0 ；將INT0設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)CLR IT0 ；設(shè)置為電平觸發(fā)方式例5-3規(guī)定外部中斷1( INT1 )為邊沿觸發(fā)方式，低優(yōu)先級(jí)。在中斷服務(wù)程序中將寄存器B的內(nèi)容右循環(huán)移一位，B 的初值為10H。試編寫主程序和中斷服務(wù)子程序。 ORG 0000H ；主程序 LJMP MAIN ；主程序轉(zhuǎn)至MAIN ORG 0013H ；中斷服務(wù)子程序 LJMP INT ；轉(zhuǎn)至INTMAIN：SETB EA ；中斷總允許 SETB EX1 ；中斷源允許 CLR PX1 ；設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)

18、 SETB IT1 ；邊沿觸發(fā) MOV B,#10HLOOP：SJMP LOOP INT：MOV A,B RR A ；循環(huán)右移一位 MOV B,A RETI ；中斷返回 END第四節(jié) Proteus電路仿真軟件介紹5.4.1簡介Proteus開發(fā)平臺(tái)是英國Labcenter公司開發(fā)的用于嵌入式仿真開發(fā)應(yīng)用平臺(tái),是目前世界上最先進(jìn)完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。利用Proteus和Keil軟件聯(lián)機(jī)使用可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微處理器系統(tǒng)的電路仿真、軟件方針和PCB設(shè)計(jì)等功能。其軟件主要包含兩部分：Proteus ISIS和ARES。其中ISIS用于電路原理圖的設(shè)計(jì)及交互式仿真，ARES主要用

19、于印制電路板的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生最終的PCB文件。在Proteus軟件中提供了大量電子元器件的器件庫，虛擬儀器，總線調(diào)制器等EDA工具。其可支持多種主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真，如68000系列、51系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列、HC11系列等，是一款非常強(qiáng)大的EDA仿真軟件。5.4.2ISIS軟件編輯環(huán)境簡介ISIS軟件是主要進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)，其主要有如下區(qū)域：標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄（命令工具欄和選擇工具欄）、方位控制按鈕、仿真控制按鈕、狀態(tài)欄、預(yù)覽窗口、對象選擇窗口、編譯窗口.圖5-4 Proteus編譯界面圖3、命令工具欄命令工具欄主要分四部分，分別是文件工具、瀏覽工具、編輯工具、設(shè)計(jì)工具

20、，文件工具可完成“File”菜單中的指令操作，瀏覽工具可完成“View”菜單中的指令操作，編輯工具可完成“Edit”和“Library”菜單中的部分命令操作，設(shè)計(jì)工具可完成”Tools”和“Design”菜單中的部分命令操作。 4、選擇工具欄選擇工具欄中主要分三部分，分別是模型工具、配件工具、2D圖形工具。（1）模型工具中： ：單擊元器件并編輯選中的元器件的參數(shù)。：選擇元器件。：設(shè)置連接點(diǎn)。：設(shè)置連線標(biāo)簽。：輸入編輯已有文本。：繪制總線。：繪制子電路框圖或子電路元器件。（2）配件工具：列出可供選擇的各種終端（如電源、地等）。：用于繪制各種引腳。：列出可供選擇的各種仿真分析所需圖表。：分割仿真時(shí)

21、采用此模式，記錄前一步仿真輸出，并作為后一步的仿真輸入。：列出可供選擇的模擬和數(shù)字激勵(lì)源（正弦、脈沖、指數(shù)等激勵(lì)）。：電壓指針，記錄探針處的電壓值，可記錄模擬電壓值或數(shù)字電壓的邏輯值。：電流指針，記錄探針處的電流值，只能記錄模擬電路的電流值。：列出可選的虛擬儀器（如示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器/頻率器等）。（3）2D圖形工具：直線按鈕，用于在電路圖中畫線或創(chuàng)建元器件。：方框按鈕，用于在電路圖中畫方框或創(chuàng)建元器件。：圓按鈕，用于在電路圖中畫圓或創(chuàng)建元器件。：弧線按鈕，用于在電路圖中畫弧線或創(chuàng)建元器件。：任意形狀按鈕，用于在電路圖中畫任意形狀或創(chuàng)建元器件。：文本編輯按鈕，用于在電路圖中插入文字。：符號(hào)按鈕，用于從符號(hào)庫中選擇符號(hào)元器件。：標(biāo)記按鈕，列出可供選擇的各種標(biāo)記類型，用于產(chǎn)生各種標(biāo)記圖標(biāo)。5、方位控制按鈕：順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度。：逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度。：輸入旋轉(zhuǎn)角度，只能是90度的整數(shù)倍。：水平翻轉(zhuǎn)。：垂直翻轉(zhuǎn)。6、仿真控制按鈕用來控制仿真過程的