第5章MCS51單片微型計算機的輸入輸出和中斷系統(tǒng)

計算機基本輸入/輸出接口概述

計算機在實際應(yīng)用中，程序、數(shù)據(jù)或從現(xiàn)場采集到的各種信號要通過輸入設(shè)備送到計算機中去處理。計算機處理后的結(jié)果或各種控制信號要輸出到輸出裝置或執(zhí)行機構(gòu)，以便顯示、打印或?qū)崿F(xiàn)各種控制動作。常用的輸入裝置有鍵盤和各種現(xiàn)場采集裝置；輸出裝置有打印機、顯示器和現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。I/O設(shè)備種類:有電子式、機械式及其它各種形式。速度差異:有秒級、毫秒級、微秒級信號類型:有數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量。數(shù)據(jù)的格式有串行、并行等。因此，外圍設(shè)備一般不能與計算機直接相連，必須通過專門的中介電路—接口，才能與CPU進行信息交換。I/O接口:用于連接CPU與I/O設(shè)備的所有接口統(tǒng)稱為I/O接口。

某些通用集成電路芯片可以用作I/O接口，如74LS373、74LS165等。更大量的I/O接口芯片是專門為計算機設(shè)計的，如ADC0809、MAX232、8279等。I/O接口電路應(yīng)有以下功能：1）數(shù)據(jù)緩沖：2）信號變換：3）電平轉(zhuǎn)換：4）傳送控制命令和狀態(tài)信息：計算機與外圍設(shè)備間傳送三種信息：數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。如計算機與打印機接口時，首先計算機將待打印的字符代碼（數(shù)據(jù)信息）送入電路鎖存，同時通過I/O電路送出控制信息啟動打印機接收字符代碼并打印一行字符。打印完后，打印機要通過I/O電路向計算機發(fā)出打印機“空閑”的狀態(tài)信息，要求計算機再次輸出數(shù)據(jù)。

輸入/輸出的編址方式

1．I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址2．I/O接口單獨編址

輸入/輸出的工作方式1、無條件傳送方式2、查詢傳送方式3．中斷傳送方式4.直接數(shù)據(jù)信道傳送（DMA）方式

圖5-3查詢方式輸入接口電路

P0.7

····

P0.0

8051

ALE地址鎖存器三態(tài)緩沖器數(shù)據(jù)鎖存器QRD

DC≥1A7≥1D0 輸入裝置8位數(shù)據(jù)VCC選通A3如何編程讀取輸入裝置數(shù)據(jù)

MOVR0,#0FEH ;指向狀態(tài)端口TEST:MOVXA,@R0 ;讀取狀態(tài)信息

JNB ACC.0,TEST ;輸入裝置準(zhǔn)備好嗎？ ；D0=0繼續(xù)等待

DEC R0 ;數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，指向數(shù)據(jù)端口

MOVXA,@R0 ;讀入數(shù)據(jù)MCS-51系列單片機輸入/輸出端口控制MCS-51系列單片機輸入/輸出概述MCS-51系列單片機有4個8位雙向并行輸入/輸出（I/O）端口：P0、P1、P2和P3，共32位，P0口為三態(tài)雙向口，可驅(qū)動8個TTL電路，P1、P2、P3口為準(zhǔn)雙向口（作為輸入時，口線被拉成高電平）。此四個端口都可以做為單獨的輸入或輸出使用，即每一支I/O腳位都可以做輸入用，也可以做為輸出使用。當(dāng)做為輸出時，則每一只管腳可位編程輸出高電平“1”或低電平“0”驅(qū)動外部電路。 實際應(yīng)用中，P0口用于輸出外部存儲器的低8位地址，并分時復(fù)用作為與外部存儲器連接的數(shù)據(jù)總線口；P2口用于輸出高8位地址；P3口常用于特殊功能寄存器。只有P1口是留給用戶使用的基本I/O口，供用戶使用。MCS-51單片機輸入輸出（I/O）端口編程

P1口既可以做輸入端口又可以做輸出端口。在我們所用的實驗板中，P1口通過反向驅(qū)動電路ULN2003控制數(shù)碼管工作。試根據(jù)實驗板I/O控制端口原理圖，設(shè)計通過89S51單片機的P1口控制二極管發(fā)光（要求用軟件延時使其產(chǎn)生動態(tài)效果）。根據(jù)硬件原理，通過P1口可控制發(fā)光二極管及蜂鳴器工作。I/O口控制原理圖如圖5-5所示。硬件電路分析：圖中反向驅(qū)動放大器ULN2003接發(fā)光二極管陰極，發(fā)光二極管陽極通過限流電阻接+5V電源（限流電阻的計算應(yīng)以發(fā)光二極管亮度滿足要求即可。電流小，亮度不夠；電流大，耗電、影響二極管壽命，一般二極管電流為15mA左右）。J2為3列8行排針，排針的1、4、7、10、13、16、19接ULN2003的輸入，3、6、9、12、15、18、21、24為排針的中間引腳，2、5、8、11、14、17、20、23接89S51的P1口。要由編程控制發(fā)光二極管發(fā)光，ULN2003必須輸出低電平，而ULN2003的輸入必須接89S51的P1口，才能通過軟件編程控制二極管發(fā)光，所以應(yīng)借助短路環(huán)將J2中的（1、2）、（4、5）、（7、8）、（10、11）、（19、20）短接。將J15中的（1、2）、（4、5）用短路環(huán)短接。硬件電路檢測。線路接好后，用萬用表電阻檔檢測89S51的P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16是否與ULN2003的輸入1、2、3、4、5、6、7接通。若接通，硬件電路連接正常，若不通，應(yīng)檢查線路硬件故障，直至接通為止（注意：不能測P10、P11、P12、P13與ULN2003的輸出端）軟件編程分析：1）通過置位指令或字節(jié)傳送指令使P10~P16輸出為“1”時，通過ULN2003輸出為“0”，則LED亮、蜂鳴器叫；當(dāng)P1口輸出為“0”時，LED熄滅、蜂鳴器停。2）要讓二極管發(fā)光，必使P1端口為高電平

SETBP1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 SETB P1.3 SETB P1.4 SETB P1.5 SETB P1.6或MOVP1,#7FH軟件延時子程序:入口參數(shù)R7、R6，

出口：參數(shù)無DELAY: MOV R7,#0FH ;2usDELA0: MOV R6,#20H ;2usDELA1: NOP ;1us DJNZ R6,DELA1 ;2us

DJNZ R7,DELA0 ;2us RET ;2us軟件延時子程序的執(zhí)行時間計算：晶振選12MHZ2+[2+(1+2)*32+2]*15+2=1504us若需要其它的延時時間可在上述程序中再加循環(huán)層或減少循環(huán)層。實驗二I/O端口實驗計算機中的中斷請求與控制

1、CPU中斷請求與控制 當(dāng)CPU正在處理某件事情時，發(fā)生了更緊急的事件請求CPU處理，此時，CPU暫停當(dāng)前工作，轉(zhuǎn)去處理緊急事件即響應(yīng)中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序處理完后，CPU回到原工作地點繼續(xù)原來的工作，這一過程稱為中斷。如圖5-4所示圖5-4中斷響應(yīng)過程2、中斷的優(yōu)點

1）計算機與其他設(shè)備多任務(wù)同時工作、分時操作，提高了計算機的利用率；2）實時處理控制系統(tǒng)中的各種信息，提高了計算機的靈活性；3）使計算機及時處理故障等突發(fā)事件，提高了可靠性。圖5-6中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖中斷系統(tǒng)有五個中斷源外部中斷源1）INT0（入口地址0003H），外部中斷0。由P3.2端口線引入，低電平或下降沿引起。2)INT1（入口地址0013H），外部中斷1。由P3.3端口線引入，低電平或下降沿引起。內(nèi)部中斷源3）T0（入口地址000BH）：定時/計數(shù)器0中斷，由T0回零溢出引起。4）T1（入口地址001BH）

：定時/計數(shù)器1中斷，由T1回零溢出引起。5）TI/RI（入口地址0023H）：串行I/O中斷，完成一幀字符發(fā)送/接收引起。中斷控制所涉及的寄存器1、定時控制寄存器TCON每一種工作方式的啟動、計數(shù)、停止及溢出標(biāo)志由TCON控制。定時器控制字TCON的格式如下：TF0TR0IE1IT1IE0IT0TR1TF1D5D4D3D2D1D0D6

D7外部中斷1的觸發(fā)工作方式外部中斷1的中斷請求標(biāo)志位定時器0、1的啟動及定時時間到標(biāo)志位外部中斷0的中斷請求標(biāo)志位外部中斷0的觸發(fā)工作方式觸發(fā)方式:邊沿觸發(fā)、電平觸發(fā)IT0=1INT0為邊沿觸發(fā)IT0=0，INT0為電平觸發(fā)IT1=1INT1為邊沿觸發(fā)IT1=0，INT1為電平觸發(fā)IE0=0，INT0無中斷請求IE1=0，INT1無中斷請求IE0=1，INT0有中斷請求IE1=1，INT1有中斷請求根據(jù)硬件設(shè)計軟件設(shè)置（1）邊沿(跳變）觸發(fā)方式：

根據(jù)具體硬件電路設(shè)計,在P3.2管腳有一由高到低電平變化，看邊沿觸發(fā)的電平變化。5V0V軟件置位IT0SETBIT0機器周期機器周期CPU響應(yīng)外部中斷的過程: CPU檢測到INT0電平由高到低變化時，自動置位IE0=1，并響應(yīng)外部中斷0的申請，首先自動清除IE0（即使IE0=0），并到外部中斷0的入口地址：0003H執(zhí)行中斷服務(wù)程序。（2）電平觸發(fā)方式：電平觸發(fā)方式，看圖硬件電路設(shè)計，軟件CLRIT00VCPU響應(yīng)中斷為止2、中斷允許寄存器IE（A8H）

IE在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址A8H，位地址分別是A8H～AFH。IE控制CPU對中斷源總的開放或禁止以及每個中斷源是否允許中斷。其格式如圖所示。3、SCON串行口寄存器

SCON串行口寄存器的位狀態(tài)鎖存發(fā)送TI、接收RI中斷標(biāo)志TIRI用于串行通訊TI（SCON.1）：串行口發(fā)送中斷標(biāo)志位。當(dāng)CPU將一個數(shù)據(jù)寫入串行口發(fā)送緩沖區(qū)SBUF時，就啟動發(fā)送。每發(fā)送完一個串行幀，由硬件置位TI。此時，若ES=1、EA=1（中斷允許），CPU響應(yīng)串口發(fā)送中斷服務(wù)。若EA、ES某一個不為1，則不允許中斷，此時只能通過查詢方式判斷發(fā)送結(jié)束。RI（SCON.0）：串行口接收中斷標(biāo)志位。當(dāng)允許串行口接收數(shù)據(jù)時，每接收完一個串行幀，由硬件置位，若EA=1、ES=1，CPU響應(yīng)串口接收中斷服務(wù)。若EA、ES某一個不為1，則不允許中斷，此時只能通過查詢方式判斷接收結(jié)束。4、中斷優(yōu)先寄存器IP（B8H）

IP在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址為B8H，位地址分別是B8H～BFH，IP用來鎖存各中斷源優(yōu)先級的控制位，其格式如圖所示。中斷優(yōu)先級順序最高最低

INT0T0INT1T1串行口中斷優(yōu)先原則A）幾個中斷同時請求時，響應(yīng)高優(yōu)先級。B）正在處理低級中斷時，有高級請求即停止低級中斷，響應(yīng)高級中斷。C）正在進行的中斷不響應(yīng)同級或低級中斷。中斷響應(yīng)過程單片機在每個機器周期的S5P2期間，順序采樣每個中斷源，CPU在下一個機器周期S6期間按優(yōu)先級順序查詢中斷標(biāo)志，如查詢到某個中斷標(biāo)志為1，將在再下一個機器周期S1期間按優(yōu)先級進行中斷處理。中斷得到響應(yīng)后自動清除中斷標(biāo)志，由硬件自動生成一條長調(diào)用指令LCALLaddr16將程序計數(shù)器PC內(nèi)容壓入堆棧保護，然后將對應(yīng)的中斷入口地址裝入程序計數(shù)器PC，使程序轉(zhuǎn)向中斷矢量地址單元中去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。P1P2S1機器周期機器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2響應(yīng)中斷請求的條件1）CPU開中斷，即IE寄存器的中斷允許位EA=12）該中斷源發(fā)出中斷請求，即中斷源對應(yīng)的中斷請求標(biāo)志位為“1”3）該中斷的中斷允許位=1，即該中斷沒有被屏蔽4）無同級或更高級中斷正在服務(wù)下列任何一種情況存在中斷申請將被封鎖：（1）CPU正在執(zhí)行一個同級或高一級的中斷服務(wù)程序。（2）當(dāng)前正在執(zhí)行的那條指令還未執(zhí)行完。（3）當(dāng)前正在執(zhí)行的指令是RETI或?qū)E，IP寄存器進行讀/寫指令，執(zhí)行這些指令后至少再執(zhí)行一條指令才會響應(yīng)中斷。中斷請求撤除中斷返回之前必須撤除中斷請求，否則將會再次引起中斷。注：(1)對T0、T1、跳變觸發(fā)的外部INT0INT1，CPU響應(yīng)中斷后會自動復(fù)位TF0、TF1、IE0、IE1，從而自動撤除中斷請求。

(2)對串行、T2中斷，內(nèi)部無自動復(fù)位，要由軟件清除RI、TI、TF2

如：CLRRI（TI、TF2）中斷服務(wù)程序的編寫：A）在中斷服務(wù)程序入口地址單元應(yīng)放一條長轉(zhuǎn)移指令，以使中斷服務(wù)程序靈活的安排在64K程序存儲器的任何地方。B）硬件提供的LCALL指令只是將PC的斷點壓入堆棧，而對其他寄存器（PSW、A）內(nèi)容未作保護，所以在中斷服務(wù)程序中首先應(yīng)用軟件保護現(xiàn)場，在中斷服務(wù)之后、中斷返回前恢復(fù)現(xiàn)場，以免丟失相關(guān)內(nèi)容。C）中斷服務(wù)程序的最后一條指令必須是RETI中斷服務(wù)程序設(shè)計采用中斷時，程序設(shè)計采用主程序和中斷服務(wù)程序兩部分主程序：（1）設(shè)置中斷允許控制寄存器IE，允許相應(yīng)的中斷請求源中斷（2）設(shè)置中斷優(yōu)先級寄存器IP，確定并分配所使用的中斷源的優(yōu)先級（3）對外部中斷，要設(shè)置中斷請求觸發(fā)方式IT1或IT0中斷服務(wù)程序：處理中斷請求，中斷返回。ORG 0000HLJMP MAINORG 中斷入口地址1LJMP 中斷服務(wù)程序名1ORG 中斷入口地址2LJMP 中斷服務(wù)程序名3MAIN： 主程序中斷服務(wù)程序名1：中斷服務(wù)程序

RETI中斷服務(wù)程序名2：中斷服務(wù)程序

RETI中斷服務(wù)程序流程MCS-51響應(yīng)中斷后，即轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)執(zhí)行時，應(yīng)注意如下問題（1）現(xiàn)場保護與恢復(fù)防止進入中斷服務(wù)中時主程序的有關(guān)信息被破壞。（2）關(guān)中斷與開中斷防止在執(zhí)行中斷時，高一級中斷進入應(yīng)關(guān)中斷，執(zhí)行完本中斷后，在開中斷。（3）中斷處理

完成相應(yīng)的中斷任務(wù)。（4）中斷返回中斷返回RETI，RETI不同于RET，RETI是中斷服務(wù)程序結(jié)束的標(biāo)志，CPU執(zhí)行RETI指令時，首先應(yīng)將中斷優(yōu)先級觸發(fā)器清零，然后將保護的PC指針重新送入PC，使主程序能夠得以在原來中斷處繼續(xù)執(zhí)行程序。注意：RETI