第4章 單片機中斷系統(tǒng)與定時器《單片機原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》

《單片機原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》?精品課件合集第X章XXXX第四章單片機中斷系統(tǒng)與定時器4.14.24.34.4第四章 單片機中斷系統(tǒng)與定時器中 斷 系 統(tǒng) 概 述中

斷

的

概

念

與

功

能51單片機中斷系

統(tǒng)51單片機定時器/計數(shù)器4.1 中斷系統(tǒng)概述當(dāng)CPU

與外設(shè)交換信息時，若采用查詢方式，CPU

就要浪費很多時間去等待外設(shè)。這樣就引出一個快速的CPU

與慢速的外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送的矛盾，這也是計算機在發(fā)展過程中遇到的嚴重問題之一。為解決這個問題，一方面要提高外設(shè)的工作速度，另一方面發(fā)展了中斷概念。中斷系統(tǒng)是計算機的重要指標(biāo)之一。中斷又是一項重要的計算機技術(shù)，這一技術(shù)在單片機中得到了充分繼承。其實，中斷現(xiàn)象不僅在計算機中存在，就是在我們的日常生活中也同樣存在。4.1 中斷系統(tǒng)概述把這種方法上升到計算機理論，就是一個資源（CPU）面對多項任務(wù)，但由于資源有限，因此就可能出現(xiàn)資源競爭的局面，即幾項任務(wù)來爭奪一個CPU。而中斷技術(shù)就是解決資源競爭的有效方法，采用中斷技術(shù)可以使多項任務(wù)共享一個資源，所以中斷技術(shù)實質(zhì)上就是一種資源共享技術(shù)。4

.

2 中斷的概念與功能中斷的概念外界突然發(fā)生了緊急情況，要求CPU

暫時停下現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)向為臨時發(fā)生的事件進行處理，處理完后，再返回繼續(xù)執(zhí)行原來程序，這個過程叫“中斷”。中斷是一種在發(fā)生了一個外部的事件時調(diào)用相應(yīng)的處理程序的過程。中斷服務(wù)程序與中斷時CPU正在運行的主程序是相互獨立的，相互不傳遞數(shù)據(jù)。中斷源：向CPU

發(fā)出中斷請求的設(shè)備或事件稱為“中斷源”。中斷請求：中斷源向CPU

提出的處理請求，稱為中斷請求或中斷申請。中斷響應(yīng)過程：CPU

暫時中止自身的事務(wù)，轉(zhuǎn)去處理事件的過程，稱為CPU

的中斷響應(yīng)過程。4

.

2 中斷的概念與功能中斷的概念中斷服務(wù)：對事件的整個處理過程，稱為中斷服務(wù)（或中斷處理）。中斷返回：中斷處理完畢，執(zhí)行中斷返回指令，自動彈出斷點地址到PC，再回到原來被中止的地方，稱為中斷返回。中斷優(yōu)先級：一個系統(tǒng)中，常有多個中斷源同時申請中斷，這時，CPU

必須確定首先服務(wù)的中斷源以及服務(wù)順序。在計算機應(yīng)用系統(tǒng)中，中斷源的優(yōu)先級是根據(jù)事件的實時性、重要性和軟件處理的方便性來安排的。4

.

2 中斷的概念與功能中斷的概念中斷嵌套：當(dāng)CPU

在執(zhí)行某一個中斷處理程序時，若有一優(yōu)先級更高的中斷源請求服務(wù)，則CPU

應(yīng)該能掛起（用保護斷點的方式）正在運行的低優(yōu)先級中斷處理程序，響應(yīng)這個高優(yōu)先級中斷請求，即在中斷過程中發(fā)生的又一次中斷。矢量中斷：識別中斷源的方法。要求提供中斷源的信號類型或其中斷服務(wù)程序的入口地址，又稱中斷矢量，即每個中斷源都預(yù)先指定好各自的中斷標(biāo)志和中斷矢量。中斷系統(tǒng)：一個計算機系統(tǒng)的中斷源有多個，用來管理這些中斷源的邏輯電路稱為中斷系統(tǒng)。中斷屏蔽：指通過設(shè)置相應(yīng)的中斷屏蔽位，禁止響應(yīng)某個中斷。4

.

2 中斷的概念與功能中斷的功能實現(xiàn)CPU

與外設(shè)的速度配合；實現(xiàn)實時控制；實現(xiàn)故障的及時處理；實現(xiàn)人機聯(lián)系。中斷系統(tǒng)需要解決的基本問題中斷源；中斷響應(yīng)與返回；優(yōu)先級控制。4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷源定時中斷：定時中斷是為滿足定時或計數(shù)的需要而設(shè)置的。為此在單片機芯片內(nèi)部有兩個定時器/計數(shù)器，以對其中的計數(shù)結(jié)構(gòu)進行計數(shù)的方法，來實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。串行中斷：串行中斷是為串行數(shù)據(jù)傳送的需要而設(shè)置的。每當(dāng)串行口接收或發(fā)送完一組串行數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生一個中斷請求。外中斷：外中斷是由外部信號引起的，共有2

個中斷源，即外部中斷“0”和外部中斷“1”。它們的中斷請求信號分別由引腳INT0（P3.2）和INT1（P3.3）引入。4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)示意圖4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)每個中斷源都對應(yīng)一個中斷請求標(biāo)志位，中斷源和相關(guān)的特殊功能寄存器以及內(nèi)部硬件構(gòu)成了51

單片機的中斷系統(tǒng)。在51

單片機中，用于此目的的控制寄存器共有4

個，即定時器控制寄存器TCON、中斷允許控制寄存器IE、中斷優(yōu)先級控制寄存器IP

以及串行口控制寄存器SCON。這4個控制寄存器都屬于專用寄存器之列。4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)中斷允許控制寄存器IE：可字節(jié)尋址，也可以位尋址。用戶通過對這個特殊功能寄存器的編程設(shè)置，可靈活控制每個中斷源的中斷允許或禁止。中斷優(yōu)先級寄存器IP：可字節(jié)尋址，也可以位尋址。用戶通過對這個特殊功能寄存器的編程設(shè)置，可靈活地控制每個中斷源的中斷優(yōu)先級。4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)定時器控制寄存器TCON：可字節(jié)尋址，也可以位尋址。這個寄存器既有定時器/計數(shù)器的控制功能又有中斷控制功能，用戶通過對這個特殊功能寄存器的IT0、IT1

編程設(shè)置，可靈活地控制2

個外部中斷源的請求方式。串行口控制寄存器SCON：可字節(jié)尋址，也可以位尋址。4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷響應(yīng)的條件單片機響應(yīng)中斷的條件為中斷源有請求（中斷允許寄存器IE

相應(yīng)位置1），且CPU開中斷（即EA＝1）。如有中斷請求，且不滿足下列條件之一，則在下一個機器周期的S1

期間響應(yīng)中斷：CPU

正處在為一個同級或高級的中斷服務(wù)中。查詢中斷請求的機器周期不是當(dāng)前指令的最后一個機器周期。當(dāng)前指令是返回指令（RET、RETI）或訪問IE、IP的指令。4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷響應(yīng)過程采樣中斷請求。對采樣到的中斷標(biāo)志進行查詢。CPU

響應(yīng)中斷。執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷請求的撤除。中斷返回。由此過程可知，51

單片機響應(yīng)中斷后，只保護斷點而不保護現(xiàn)場信息（如累加器A、工作寄存器Rn、程序狀態(tài)字PSW等），且不能清除串行口中斷標(biāo)志TI和RI，也無法清除電平觸發(fā)的外部中斷請求信號。這都需要用戶在編制中斷服務(wù)程序時予以考慮。4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷響應(yīng)時間是指CPU

檢測到中斷請求信號到轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序入口所需要的機器周期數(shù)。51

單片機響應(yīng)中斷的最短時間需3

個機器周期。中斷響應(yīng)的最長時間由下列情況所決定：若中斷檢測時正在執(zhí)行RETI或訪問IE或IP指令的第一個機器周期，則包括檢測在內(nèi)需要2

個機器周期（以上三條指令均需2

個機器周期）；若緊接著要執(zhí)行的指令恰好是執(zhí)行時間最長的乘除法指令，則這兩條指令的執(zhí)行時間均為4

個機器周期；再用2

個機器周期執(zhí)行一條長調(diào)用指令轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，總共需要8

個機器周期。其他情況下的中斷響應(yīng)時間一般為3～8

個機器周期。4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷響應(yīng)與執(zhí)行過程中斷響應(yīng)就是對中斷源提出的中斷請求的接受，是在中斷查詢之后進行的，當(dāng)查詢到有效的中斷請求時，緊接著就進行中斷響應(yīng)。中斷響應(yīng)的主要內(nèi)容是由硬件自動生成一條長調(diào)用指令LCALL。其格式為LCALL

addrl6，這里的addrl6

就是程序存儲器中相應(yīng)中斷源的入口地址。中斷響應(yīng)與執(zhí)行過程示意圖4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷優(yōu)先級——中斷優(yōu)先級控制正在進行的中斷過程不能被新的同級或低優(yōu)先級的中斷請求所中斷，一直到該中斷服務(wù)程序結(jié)束，返回了主程序且執(zhí)行了主程序中的一條指令后，CPU

才響應(yīng)新的中斷請求。正在進行的低優(yōu)先級中斷服務(wù)能被高優(yōu)先級中斷請求所中斷，實現(xiàn)兩級中斷嵌套。CPU

同時接收到幾個中斷請求時，首先響應(yīng)優(yōu)先級最高的中斷請求。4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷優(yōu)先級——自然優(yōu)先級系統(tǒng)復(fù)位時低優(yōu)先級是默認值。當(dāng)有若干中斷源處于同一中斷優(yōu)先級時，若同時接收到幾個同一優(yōu)先級的中斷請求，在這種情況下，響應(yīng)的優(yōu)先順序由中斷系統(tǒng)的硬件確定，CPU

自動按自然優(yōu)先級執(zhí)行，用戶無法決定。順序從高到低如下：外部中斷源0→定時器0→外部中斷源1→定時器1→串口中斷4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷程序舉例——主程序主程序是以跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址作為起始地址開始編寫，一般從0030H開始。主程序的初始化是對將要用到的51

單片機內(nèi)部部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設(shè)定。51

單片機復(fù)位后，特殊功能寄存器IE、IP的內(nèi)容均為00H，所以應(yīng)對IE，IP

進行初始化編程，以開放CPU中斷，允許某些中斷源中斷和設(shè)置中斷優(yōu)先級等。主程序地址安排4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷程序舉例——中斷服務(wù)程序如果中斷程序的指令代碼少于8

個字節(jié)，則可從規(guī)定的中斷服務(wù)程序入口地址開始，直接編寫中斷服務(wù)程序；若中斷服務(wù)程序的指令代碼大于8個字節(jié)，則應(yīng)采用與主程序相同的方法，在相應(yīng)的入口處寫一條跳轉(zhuǎn)指令，并以跳轉(zhuǎn)指令的目標(biāo)地址作為中斷服務(wù)程序的起始地址進行編程。以INT0

為例，中斷矢量地址為

0003H，中斷服務(wù)程序從0200H

開始。中斷服務(wù)程序地址4.3 51單片機中斷系統(tǒng)中斷程序舉例——中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序編制中的注意事項：為了使中斷服務(wù)程序的執(zhí)行不破壞CPU中寄存器或存儲單元的原有內(nèi)容，以免在中斷返回后影響主程序的運行，用戶在進入中斷服務(wù)之后，首先要把CPU中有關(guān)寄存器或存儲單元的內(nèi)容推入堆棧中保護起來。在保護現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場時，為了不使現(xiàn)場信息受到破壞或造成混亂，一般應(yīng)關(guān)閉CPU中斷，使CPU

暫不響應(yīng)新的中斷請求。若要在執(zhí)行當(dāng)前中斷程序時禁止更高優(yōu)先級中斷，可以先用軟件關(guān)閉CPU

中斷或禁止某中斷源中斷，在中斷返回前再開放中斷。及時清除那些不能被硬件自動清除的中斷請求標(biāo)志，以免產(chǎn)生錯誤的中斷。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器概述定時器/計數(shù)器是51單片機的重要功能模塊之一。在檢測、控制及智能儀器等應(yīng)用中，常用定時器作實時時鐘來實現(xiàn)定時檢測、定時控制；還可用定時器產(chǎn)生毫秒寬的脈沖，來驅(qū)動步進電機一類的電器機械。計數(shù)器主要用于外部事件的計數(shù)。定時器/計數(shù)器特點定時器/計數(shù)器有多種方式，可以是計數(shù)方式，也可以是定時方式。定時器/計數(shù)器的計數(shù)值是可變的，當(dāng)然計數(shù)的最大值是有限的，這取決于計數(shù)器的位數(shù)。計數(shù)的最大值也就限定了定時的最大值。在到達設(shè)定的定時或計數(shù)值時發(fā)出中斷申請，以便實現(xiàn)功能控制。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時方法軟件定時：軟件定時是靠執(zhí)行一個循環(huán)程序以進行時間延遲。時間不精確，不需外加硬件電路。但軟件定時要占用CPU，增加CPU

開銷，因此軟件定時的時間不宜太長。硬件定時：對于時間較長的定時，常使用硬件電路完成。硬件定時方法的特點是定時功能全部由硬件電路完成，不占CPU

時間，定時精確。可編程定時器定時：是通過對系統(tǒng)時鐘脈沖的計數(shù)來實現(xiàn)的。計數(shù)值通過程序設(shè)定，改變計數(shù)值，也就改變了定時時間，使用起來既靈活又方便。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器計數(shù)功能的實現(xiàn)所謂計數(shù)是指對外部事件進行計數(shù)。外部事件的發(fā)生以輸入脈沖表示，因此計數(shù)功能的實質(zhì)就是對外來脈沖進行計數(shù)。當(dāng)設(shè)置為計數(shù)工作方式時，51

單片機有T0（P3.4）和T1（P3.5）兩個信號引腳，分別是這兩個計數(shù)器的計數(shù)輸入端。外部輸入的脈沖在負跳變時有效，進行計數(shù)器加l（加法計數(shù)）。計數(shù)方式下，單片機在每個機器周期的S5P2

拍節(jié)對外部計數(shù)脈沖進行采樣。如果前一個機器周期采樣為高電平，后一個機器周期采樣為低電平，即為一個有效的計數(shù)脈沖。在在下一機器周期的S3P1

進行計數(shù)?？梢姴蓸佑嫈?shù)脈沖是在2

個機器周期進行的。鑒于此，計數(shù)脈沖的頻率不能高于振蕩脈沖頻率的l/24。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時功能的實現(xiàn)定時功能也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，不過此時的計數(shù)脈沖來自單片機的內(nèi)部，即每個機器周期產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖。也就是對片內(nèi)機器時鐘（周期方波）進行計數(shù)，每個機器周期計數(shù)器加1。由于一個機器周期等于12

個振蕩脈沖周期，因此計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12。定時時間的長短與計數(shù)器事先裝入的初值有關(guān)，裝入的初值越大，定時越短。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)51

系列單片機內(nèi)部就有兩個定時器/計數(shù)器T0

和T1。每個定時器/計數(shù)器都具有定時和計數(shù)兩種功能。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)定時器/計數(shù)器的核心是16

位加法計數(shù)器，16

位加1

計數(shù)器由兩個8

位的特殊功能寄存器組成，分別用TH0、TL0

及TH1、TL1

表示。它們可被程序控制為不同的組合狀態(tài)（13

位、16位、兩個分開的8

位等），只需用指令改變TMOD（工作方式控制寄存器）的相應(yīng)位，就形成了定時器/計數(shù)器不同的四種工作方式。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器的工作原理定時器/計數(shù)器的核心是一個加1

計數(shù)器，其輸入的計數(shù)脈沖有兩個來源：一個是外部脈沖源，另一個是系統(tǒng)的時鐘振蕩器。計數(shù)器對兩個脈沖源之一進行輸入計數(shù)，每輸入一個脈沖，計數(shù)值加1。加1

計數(shù)器的基本功能是對輸入脈沖進行計數(shù)，至于其工作在定時還是計數(shù)狀態(tài)，則取決于外接什么樣的脈沖源。當(dāng)脈沖源為時鐘振蕩器（等間隔脈沖序列）時，由于計數(shù)脈沖為一時間基準(zhǔn)，所以脈沖數(shù)乘以計數(shù)脈沖周期就是定時時間，因此是定時功能。當(dāng)脈沖源為間隔不等的外部脈沖發(fā)生器時，就是外部事件的計數(shù)器，因此是計數(shù)功能。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器的工作原理定時器/計數(shù)器原理示意圖4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器控制寄存器工作方式控制寄存器TMOD：用于控制T0

和T1

的工作方式，可通過對TMOD編程設(shè)置來選擇。其各位的定義格式如下所示：定時器工作方式選擇4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器控制寄存器定時器控制寄存器TCON：定時器控制寄存器TCON

除可字節(jié)尋址外，還可位尋址，各位定義及格式如下所示。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器工作方式及應(yīng)用當(dāng)M1M0＝00時，定時器/計數(shù)器設(shè)定為工作方式0，由定時器（T0

或T1）的高8位THX和低5位TLX構(gòu)成13

位定時器/計數(shù)器。在這種模式下，16

位寄存器（TH0

和TL0）只用了13

位。定時器/計數(shù)器方式0

的邏輯結(jié)構(gòu)4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器工作方式及應(yīng)用當(dāng)M1M0＝01

時，定時器/計數(shù)器設(shè)定為工作方式1，構(gòu)成了16

位定時器/計數(shù)器。此時TH0、TL0都是8

位加法計數(shù)器。其他與工作方式0

相同。定時時間和計數(shù)長度均大于方式0。當(dāng)M1M0＝10時，定時器/計數(shù)器設(shè)定為工作方式2。它具有自動重新加載功能，即自動加載計數(shù)初值，TL0作為8

位加法計數(shù)器使用，H0作為初值寄存器使用，TH0、TL0

的初值都由軟件設(shè)置。TL0

計數(shù)溢出時，不僅置位TF0而且發(fā)出重裝載信號，使三態(tài)門打開，將TH0

中的初值自動送入TL0，并從初值開始重新計數(shù)。重裝初值后，TH0

的內(nèi)容保持不變。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器工作方式及應(yīng)用定時器/計數(shù)器方式2

的邏輯結(jié)構(gòu)4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器方式3

的邏輯結(jié)構(gòu)定時器/計數(shù)器工作方式及應(yīng)用當(dāng)M1M0＝11

時，定時器/計數(shù)器設(shè)定為工作方式3。方式3

只適用于定時器T0。在方式3下，T0

被分成兩個相互獨立的8

位計數(shù)器TL0

和TH0。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器工作方式小結(jié)定時/計數(shù)器計數(shù)初始化定時/計數(shù)器的初始化方法：初始化的主要內(nèi)容是對TCON

和TMOD

編程，計算和裝載T0

和T1的計數(shù)初值。分析定時器/計數(shù)器的工作方式，將方式字寫入TMOD

寄存器。計算T0或T1中的計數(shù)初值，并將其寫入TH0、TL0

或TH1、TL1。根據(jù)需要開放CPU

和定時/計數(shù)器的中斷，即對IE

和IP

寄存器編程送初值。啟動定時器/計數(shù)器工作：若要求用軟件啟動，編程時對TCON

中的TR0

或TR1

置位即可啟動；若由外部中斷引腳電平啟動，則對TCON

中的TR0

或TR1

置位后，還需給外引腳加啟動電平。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器工作方式小結(jié)計數(shù)器初值的計算計數(shù)器不同工作方式時的計數(shù)初值。X＝2M－N（M

為計數(shù)器位數(shù)，N

為要求的計數(shù)值）方式0：M＝13，計數(shù)器的最大計數(shù)值213＝8

192；方式1：M＝16，計數(shù)器的最大計數(shù)值216＝65

536；方式2：M＝8，計數(shù)器的最大計數(shù)值28＝256；方式3：同方式2。4.4 51單片機定時器/計數(shù)器定時