第2講MSP430單片機的GPIO與中斷系統(tǒng)

3.1通用IO端口3.1.1MSP430端口概述通用I/O端口是MSP430單片機最重要也是最常用的外設模塊。通用I/O端口不僅可以直接用于輸入/輸出，而且可以為MSP430單片機應用系統(tǒng)提供必要的邏輯控制信號。MSP430F5xx/6xx系列單片機最多可以提供12個通用I/O端口（P1～P11和PJ），大部分端口有8個引腳，少數(shù)端口引腳數(shù)少于8個。每個I/O引腳都可以被獨立地設置為輸入或者輸出引腳，并且每個I/O引腳都可以被獨立地讀取或者寫入，所有的端口寄存器都可以被獨立地置位或者清零。P1~P4引腳具有中斷能力。從P1和P2端口的各個I/O引腳引入的中斷可以獨立地被使能，并且被設置為上升沿或者下降沿觸發(fā)中斷。所有P1端口的I/O引腳的中斷都來源于同一個中斷向量P1IV。同理，P2端口的中斷源都來源于另一個中斷向量P2IV?？梢詫γ總€獨立的端口進行字節(jié)訪問，或者將兩個結(jié)合起來進行字訪問。端口組合P1和P2、P3和P4、P5和P6、P7和P8可結(jié)合起來稱為PA、PB、PC和PD端口。當進行字操作寫入PA口時，所有的16位數(shù)據(jù)都被寫入這個端口；利用字節(jié)操作寫入PA端口低字節(jié)時，高字節(jié)保持不變；利用字節(jié)指令寫入PA端口的高字節(jié)時，低字節(jié)保持不變。其他端口也是一樣。當寫入的數(shù)據(jù)長度小于端口的最大長度時，那些沒有用到的位保持不變。應用這個規(guī)則來訪問所有端口，除了中斷向量寄存器P1IV和P2IV，它們只能進行字節(jié)操作。13.1通用IO端口3.1.1MSP430端口概述GPIO基本都是用于芯片與片外器件或設備的交互。檢測數(shù)字輸入，如鍵盤或開關(guān)信號；驅(qū)動LED，蜂鳴器或LCD等其他指示器；控制片外器件，較高級的使用可以用它們（通過程序）模擬很多器件的時序達到控制相應器件的目的，比如模擬SPI和模擬總線等。GPIO(GeneralPurposeI/O)，通用輸入輸出端口。2MSP430的GPIO特點（1/4）2023/2/43

有端口P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、S和COM。產(chǎn)品因型號不同可包含上述所有或部分端口。如下表所示：MSP430的GPIO特點（2/4）2023/2/44具有中斷能力的端口：P1~P4。端口P1~P4具有輸入輸出、中斷和外部模塊功能。這些功能可以通過它們各自9個控制寄存器的設置來實現(xiàn)。所有P1端口的I/O引腳的中斷都來源于同一個中斷向量P1IV。同理，P2端口的中斷源都來源于另一個中斷向量P2IV。不具有中斷能力的端口：其他端口

P5和其他端口沒有中斷能力，其余功能同P1~P4，可以實現(xiàn)輸入／輸出功能和外圍模塊功能。端口COM和S

這些端口實現(xiàn)與液晶片的直接接口。COM端口為液晶片的公共端，S口為液晶片的段碼端。MSP430的GPIO特點（3/4）功能豐富2023/2/45MSP430各端口和功能，如下表所示：端口引腳還可以獨立的配置成特殊功能，例如：USART–通用串行同步/異步通信模塊；模擬信號比較器；模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器；其他功能(請參見具體芯片的數(shù)據(jù)手冊)。MSP430的GPIO特點（4/4）寄存器豐富2023/2/46MSP430各種端口有大量的控制寄存器供用戶操作。最大限度提供了輸入/輸出的靈活性。每個I/O口都可以獨立編程。輸入或輸出可任意組合。P1和P2所有I/O口都具有邊沿可選的輸入中斷功能?？梢园醋止?jié)輸入輸出，也可按位進行操作?？稍O置I/O口的上拉或下拉功能?？膳渲肐/O驅(qū)動能力（高驅(qū)動強度或低驅(qū)動強度）。GPIO寄存器（1/9）2023/2/47PxDIR輸入／輸出方向寄存器相互獨立的8位分別定義了8個引腳的輸入/輸出方向。使用輸入和輸出功能時，應該先定義端口的方向。PxDIR配置：

Bit=1:將端口引腳設置為輸出模式；

Bit=0:將端口引腳設置為輸入模式。例，設置P1端口的P1.0引腳為輸出方向，其余引腳（P1.1~P1.7）設置為輸入方向。 P1DIR=0x01;//設置P1端口P1.0引腳為輸出方向GPIO寄存器（2/9）2023/2/48PxIN輸入寄存器該寄存器是只讀寄存器，即用戶不能對它寫入。這個寄存器是只讀的，其中的每一位都反映了其對應的I/O引腳的輸入信號(引腳配置為通用I/O)。PxIN配置: Bit=1:輸入為高電平; Bit=0:輸入為低電平;GPIO寄存器（3/9）2023/2/49PxOUT輸出寄存器輸出寄存器是可讀可寫的。這個寄存器的每個位都反映了寫入相應輸出引腳的值。將需要的值寫入該寄存器，控制輸出引腳的電平狀態(tài)。PxOUT配置: Bit=1:輸出為高電平; Bit=0:輸出為低電平;PxREN寄存器中的每一位可使能或禁用相應I/O引腳的上拉/下拉電阻。PxREN配置: Bit=1:使能上拉/下拉電阻; Bit=0:禁用上拉/下拉電阻。當使能引腳上拉或下拉功能時，通過設置PxOUT相應位來選擇。GPIO寄存器（4/9）2023/2/410PxREN上拉或下拉電阻使能寄存器Bit=1:引腳選擇上拉;上拉電阻簡單來說就是把電平拉高，通常用4.7－10K的電阻接到Vcc電源。VCC引腳Px.xRR引腳上拉PxREN寄存器中的每一位可使能或禁用相應I/O引腳的上拉/下拉電阻。PxREN配置: Bit=1:使能上拉/下拉電阻; Bit=0:禁用上拉/下拉電阻。當使能引腳上拉或下拉功能時，通過設置PxOUT相應位來選擇。GPIO寄存器（4/9）2023/2/411PxREN上拉或下拉電阻使能寄存器Bit=1:引腳選擇上拉上拉電阻簡單來說就是把電平拉高，通常用4.7－10K的電阻接到Vcc電源。Bit=0:引腳選擇下拉;下拉電阻則是把電平拉低，電阻接到GND地線上。VCC引腳Px.xRR引腳下拉GPIO寄存器（5/9）2023/2/412PxSEL功能選擇寄存器I/O端口還具有其他片內(nèi)外設功能，為減少引腳，將這些外設功能與I/O端口引腳復用來實現(xiàn)。PxSEL來選擇引腳的I/O端口功能與外圍模塊功能。PxSEL的配置: Bit=0:選擇引腳為I/O端口; Bit=1:選擇引腳為外設功能。GPIO寄存器（6/9）2023/2/413PxDS輸出驅(qū)動強度寄存器PxDS寄存器的每個位，設置引腳的輸出強度為高驅(qū)動強度或低驅(qū)動強度。默認值為低驅(qū)動強度。PxDS的配置: Bit=0:低驅(qū)動強度； Bit=1:高驅(qū)動強度。GPIO寄存器（7/9）2023/2/414PxIE中斷使能寄存器（僅中斷端口P1和P2）該寄存器的8位與端口的8個引腳一一對應，其中某一位置位表示允許對應的引腳在電平變化（上升沿或下降沿）時產(chǎn)生中斷，否則，表示禁止該位的中斷。每個PxIE位使能的中斷請求都與相應的PxIFG中斷標志相關(guān)聯(lián)，可通過寫PxOUT和PxDIR來設置PxIFG。PxIE的配置: Bit=1:允許中斷； Bit=0:禁止中斷。GPIO寄存器（8/9）2023/2/415PxIES中斷觸發(fā)沿選擇寄存器（僅中斷端口P1和P2）如果允許Px口的某個引腳中斷(即PxIE和GIE已設置)，還需定義該引腳的中斷觸發(fā)方式。該寄存器可讀可寫，寄存器的8位分別對應Px口8個引腳PxIES的配置: Bit=1:下降沿使相應中斷標志置位； Bit=0:上升沿使相應中斷標志置位。GPIO寄存器（9/9）2023/2/416PxIFG中斷標志寄存器（僅中斷端口P1和P2）該寄存器用來表示對應引腳是否產(chǎn)生了由PxIES設定的電平跳變。如果在GIE置位，引腳對應的中斷使能寄存器PxIE位置位，則會向CPU請求中斷處理。中斷標志PxIFG.0～PxIFG.7共用一個中斷向量，PxIFG.0～PxIFG.7不會自動復位。必須用軟件來判定是對哪一個事件服務，并將相應的標志復位。PxIFG的配置: Bit=0:沒有中斷請求； Bit=1:有中斷請求。4.1中斷的基本概念1．中斷定義

中斷是暫停CPU正在運行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的中斷服務程序，完畢后返回被中斷的程序繼續(xù)運行的現(xiàn)象和技術(shù)。2．中斷源

把引起中斷的原因或者能夠發(fā)出中斷請求的信號源統(tǒng)稱為中斷源。中斷首先需要由中斷源發(fā)出中斷請求，并征得系統(tǒng)允許后才會發(fā)生。在轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務程序前，程序需保護中斷現(xiàn)場；在執(zhí)行完中斷服務程序后，應恢復中斷現(xiàn)場。中斷源一般分成兩類：外部硬件中斷源和內(nèi)部軟件中斷源。外部硬件中斷源包括可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。內(nèi)部軟件中斷源產(chǎn)生于單片機內(nèi)部，主要有以下3種：①由CPU運行結(jié)果產(chǎn)生；②執(zhí)行中斷指令INT3；③使用DEBUG中單步或斷點設置引起。173．中斷向量表4.1中斷的基本概念

中斷向量是指中斷服務程序的入口地址，每個中斷向量被分配給4個連續(xù)的字節(jié)單元，兩個高字節(jié)單元存放入口的段地址CS，兩個低字節(jié)單元存放入口的偏移量IP。為了讓CPU方便地查找到對應的中斷向量，就需要在內(nèi)存中建立一張查詢表，即中斷向量表。4．中斷優(yōu)先級

凡事都有輕重緩急之分，不同的中斷請求表示不同的中斷事件，因此，CPU對不同中斷請求相應地也有輕重緩急之分。在單片機中，給每個中斷源指定一個優(yōu)先級，稱為中斷優(yōu)先級。5．斷點和中斷現(xiàn)場

斷點是指CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序被中斷時的下一條指令的地址，又稱斷點地址。

中斷現(xiàn)場是指CPU在轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務程序前的運行狀態(tài)，包括CPU狀態(tài)寄存器和斷點地址等。4.2MSP430單片機中斷源MSP430單片機的中斷源結(jié)構(gòu)如圖4.2.1所示。MSP430單片機的中斷優(yōu)先級是固定的，由硬件確定，用戶不能更改。當多個中斷同時發(fā)生中斷請求時，CPU按照中斷優(yōu)先級的高低順序依次響應。MSP430單片機包含3類中斷源：系統(tǒng)復位中斷源、不可屏蔽中斷源和可屏蔽中斷源。圖4.2.1MSP430單片機的中斷源結(jié)構(gòu)MSP430單片機的中斷向量表被安排在0FFFFH～0FF80H空間，具有最大64個中斷源。表4.2.1為MSP430單片機的中斷向量表。4.2MSP430單片機中斷源表4.2.1MSP430中斷向量表4.3中斷響應過程

中斷響應過程為從CPU接收一個中斷請求開始至執(zhí)行第一條中斷服務程序指令結(jié)束，共需要6個時鐘周期。中斷響應過程如下：①執(zhí)行完當前正在執(zhí)行的指令；②將程序計數(shù)器（PC）壓入堆棧，程序計數(shù)器指向下一條指令；③將狀態(tài)寄存器（SR）壓入堆棧，狀態(tài)寄存器保存了當前程序執(zhí)行的狀態(tài)；④如果有多個中斷源請求中斷，選擇最高優(yōu)先級，并掛起當前的程序；⑤清除中斷標志位，如果有多個中斷請求源，則予以保留等待下一步處理；⑥清除狀態(tài)寄存器SR，保留SCG0，因而CPU可從任何低功耗模式下喚醒；⑦將中斷服務程序入口地址加載給程序計數(shù)器（PC），轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷服務子程序。中斷響應過程示例圖如圖4.3.1所示。圖4.3.1中斷響應過程示例圖4.4中斷返回過程

通過執(zhí)行中斷服務程序終止指令（RETI）開始中斷的返回，中斷返回過程需要5個時鐘周期，主要包含以下過程：①從堆棧中彈出之前保存的狀態(tài)寄存器給SR；②從堆棧中彈出之前保存的程序計數(shù)器給PC；③繼續(xù)執(zhí)行中斷時的下一條指令。中斷返回過程示意圖如圖4.4.1所示。圖4.4.1中斷返回過程示意圖4.5中斷嵌套

由中斷響應過程可知，當進入中斷入口后，MSP430單片機會自動清除總中斷允許標志位GIE，也就是說，MSP430單片機的中斷默認是不能發(fā)生嵌套的，即使高級中斷也不能打斷低級中斷的執(zhí)行，這就避免了當前中斷未完成時進入另一個中斷的可能。如圖4.5.1（a）所示，如果在執(zhí)行中斷服務程序A時，發(fā)生了中斷請求B，B的中斷標志位置1，但不會立即響應B的中斷，需自動等待A執(zhí)行完成返回后（GIE自動恢復），才進入B的中斷服務程序。如圖4.5.1（b）所示，如果在執(zhí)行中斷服務程序A時，有多個中斷發(fā)生，會在A中斷執(zhí)行完畢后，依照中斷優(yōu)先級由高至低的順序依次執(zhí)行各個待執(zhí)行的中斷服務程序。圖4.5.1多種中斷發(fā)生情況示意圖4.5中斷嵌套

由以上兩種情況可知，先發(fā)生的中斷將會導致后發(fā)生的中斷處理延遲。為了避免這種情況，要求所有的中斷都盡快執(zhí)行完畢，則需允許中斷的嵌套，如圖4.5.1（c）所示。這種情況需要在所有的中斷入口處都加一句開中斷的語句：_EINT()，恢復總的中斷允許。中斷嵌套被允許后，所有中斷能夠立即被執(zhí)行，因此，能夠保證事件的嚴格實時性要求。以ADC中斷為例：#pragmavector=ADC12_VECTOR__interruptvoidADC12_ISR(void){_EINT();……}中斷函數(shù)的寫法：

#pragmavector=PORT1_VECTOR__interruptvoid

port_1(void)語法：interruptvoid函數(shù)名（）參數(shù)：中斷函數(shù)沒有參數(shù)。中斷函數(shù)需要指定中斷向量。返回：中斷返回一般是void，沒有返回值。4.5中斷函數(shù)的寫法【例4.1.1】在MSP430單片機系統(tǒng)中，P1.5、P1.6、P1.7發(fā)生中斷后執(zhí)行不同的代碼。#pragmavector=PORT1_VECTOR //P1口中斷源__interruptvoidPort_1(void)//聲明一個中斷服務程序，名為Port_1(){ if(P1IFG&BIT5) //判斷P1中斷標志第5位

{

…… //在這里寫P1.5中斷服務程序

} if(P1IFG&BIT5) //判斷P1中斷標志第6位

{

…… //在這里寫P1.6中斷服務程序

} if(P1IFG&BIT5) //判斷P1中斷標志第7位

{

…… //在這里寫P1.7中斷服務程序

} P1IFG=0; //清除P1所有中斷標志位}4.2

按鍵查詢【例4.1.2】利用軟件循環(huán)查詢P4.2引腳的輸入狀態(tài)，若P4.2輸入為高電平，則使P4.4輸出高電平；若P4.2輸入為低電平，則使P4.4輸出低電平。#include<msp430f6638.h>voidmain(void){WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//關(guān)閉看門狗

P4DIR|=BIT4;//設P4.4為輸出方向

P4DIR&=~BIT2;

//設P4.2為輸入方向

while(1)//循環(huán)查詢P4.2引腳輸入狀態(tài)

{if((P4IN&BIT2)==0)P4OUT|=BIT4;//如果P4.2輸入為高，則使P4.4輸出高

elseP4OUT&=~BIT4;//否則，使P4.4輸出低電平

}}4.6按鍵中斷【例4.1.3】利用按鍵外部中斷方式，實現(xiàn)反轉(zhuǎn)P4.4引腳輸出狀態(tài)。P4.2選擇GPIO功能，內(nèi)部上拉電阻使能，且使能中斷。當P4.2引腳上產(chǎn)生下降沿時，觸發(fā)P4端口外部中斷，在中斷服務程序中，反轉(zhuǎn)P4.4端口輸出狀態(tài)。#include<msp430f6638.h>voidmain(void){WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//關(guān)閉看門狗

P4DIR|=BIT4;//設置P4.4引腳為輸出P4DIR&=~BIT2;//設P4.2為輸入方向

P4REN|=BIT2;P4OUT|=BIT2;//以上兩句組合功能為使能P4.2引腳上拉電阻

P4IES|=BIT2;//P4.2中斷下降沿觸發(fā)

P4IFG&=~BIT2;//清除P4.2中斷標志位

P4IE|=BIT2;//P4.2中斷使能

__bis_SR_register(LPM4_bits+GIE);//進入LPM4，并使能全局中斷}#pragmavector=PORT4_VECTOR__interruptvoidPort_4(void){P4OUT^=BIT4;//反轉(zhuǎn)P4.4端口輸出狀態(tài)

P4IFG&=~BIT2