《微控制器原理及應(yīng)用技術(shù)》課件第5章

第5章中斷、定時/計數(shù)器與串行口5.1中斷

5.2定時/計數(shù)器

5.3串行接口教學(xué)提示：本章主要介紹MCS51系列單片機的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)功能單元中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器和串行通信口。以這些片內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)功能模塊為基礎(chǔ)，通過簡化功能部件或新增其它功能部件，即可形成8051系列單片機中的高檔機型和低檔機型。所以，掌握本章內(nèi)容對了解MCS51系列單片機的原理和應(yīng)用是至關(guān)重要的。

教學(xué)要求：MCS51系列單片機片內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)功能單元主要包括中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器和串行通信口等。通過本章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握各功能模塊特有的邏輯結(jié)構(gòu)和基本功能，從而進一步了解各功能模塊在實際領(lǐng)域中的應(yīng)用，為后面章節(jié)的學(xué)習(xí)奠定重要的基礎(chǔ)。

中斷技術(shù)是計算機的重要技術(shù)之一。計算機引入中斷技術(shù)，一方面可以實時處理控制現(xiàn)場瞬時發(fā)生的事件，提高計算機處理故障的能力；另一方面，可以解決CPU和外設(shè)之間的速度匹配問題，提高CPU的效率。計算機的中斷技術(shù)，使計算機的工作更加靈活、效率更高。在某種條件下，可以說中斷系統(tǒng)功能的強弱是衡量計算機性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。5.1中斷5.1.1中斷系統(tǒng)概述

計算機與外設(shè)交換信息時，存在高速的CPU和低速的外設(shè)之間的矛盾。若采用查詢方式，不但占用CPU的操作時間，還降低了響應(yīng)速度。另外，一般還要求CPU能夠?qū)ν獠侩S機或定時出現(xiàn)的緊急事件做到及時響應(yīng)處理。為解決此類突發(fā)性問題，引入了“中斷”概念。

1.中斷的概念

在日常生活中經(jīng)常會出現(xiàn)類似中斷的現(xiàn)象，比如在課堂教學(xué)中，當(dāng)老師正在按備課教案給同學(xué)們講課時，課堂中任何一個同學(xué)都可能突然提出問題，老師如果認(rèn)為有必要馬上回答這個問題，他會暫停正在講授的課程內(nèi)容，解答同學(xué)的問題，問題解決后，老師接著剛才的內(nèi)容繼續(xù)講授課程。這樣一個過程實質(zhì)上就是一個中斷過程?？梢赃@樣來理解：老師按教案講課的是“主程序”；提問的同學(xué)是“中斷源”；提問打斷老師正常授課的過程可稱為“中斷請求”；老師認(rèn)為有必要馬上回答這個問題，可稱為“中斷允許”；暫停正在講授的課程內(nèi)容解答同學(xué)的疑問，可稱為“中斷響應(yīng)”；解答疑問的過程可稱為“中斷處理”；解答完疑問繼續(xù)講授課程內(nèi)容可稱為“中斷返回”。

相應(yīng)地，單片機的“中斷”是指單片機在運行某一段程序過程中，由于單片機系統(tǒng)內(nèi)、外的某種原因，有必要中止原程序的執(zhí)行，而去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，待處理結(jié)束后，再返回來繼續(xù)執(zhí)行被中斷程序的過程。一個完整的中斷處理的基本過程應(yīng)包括：中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回。單片機中實現(xiàn)中斷功能的部件稱為中斷系統(tǒng)，也就是中斷管理系統(tǒng)。產(chǎn)生中斷的請求源稱為中斷源，中斷源向CPU發(fā)出的請求稱為中斷申請，CPU暫停當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)去處理中斷源事件稱為中斷響應(yīng)，中斷的地方稱為斷點，對中斷源事件的處理過程稱為中斷服務(wù)，事件處理完畢CPU返回到被中斷的地方稱為中斷返回。

在上面課堂教學(xué)的例子中，如果把教學(xué)、答疑和了解教學(xué)效果都定義成課堂教學(xué)的任務(wù)，顯然，按照一般的純授課模式是沒有辦法完成的，逐個去問學(xué)生了解教學(xué)的效果或存在什么疑問雖然可行，但效率太低。通過引入課堂提問機制，可以實時地了解學(xué)生存在的疑問和教學(xué)的效果，完成教學(xué)、答疑和了解教學(xué)效果的任務(wù)。對于單片機也一樣，有了中斷機制，單片機在實際應(yīng)用中將可以同時面對多項任務(wù)，快速響應(yīng)并及時處理突發(fā)事件，使單片機具備實時處理的能力。尤其是當(dāng)外部設(shè)備速度較慢時，如果不采用中斷技術(shù)，CPU將處于不斷等待狀態(tài)，效率極低；采用中斷方式，CPU將只在外部設(shè)備提出請求時才中斷正在執(zhí)行的任務(wù)，來執(zhí)行外部設(shè)備請求任務(wù)，這樣極大地提升了CPU的使用效率。

2.中斷的任務(wù)

單片機可以接受的中斷申請一般不止一個，對于這些不止一個的中斷源進行管理，就是中斷系統(tǒng)的任務(wù)。這些任務(wù)一般包括以下幾方面。

1)開中斷或關(guān)中斷

中斷的開放或關(guān)閉可以通過指令對相關(guān)特殊功能寄存器的操作來實現(xiàn)，這是CPU能否接收中斷申請的關(guān)鍵，只有在開中斷的情況下，才有可能接收中斷源申請。

2)中斷排隊

一般單片機系統(tǒng)都允許有多個中斷源，當(dāng)幾個中斷源同時向CPU請求中斷服務(wù)時，就出現(xiàn)了CPU優(yōu)先響應(yīng)哪一個中斷請求的問題。為此系統(tǒng)必須根據(jù)中斷源的輕重緩急進行排隊，具體實現(xiàn)方法為將各個中斷源分成若干個優(yōu)先級，再按如下原則處理：

①不同級的中斷源同時申請中斷時,先響應(yīng)高級,后響應(yīng)低級。

②同級的中斷源同時申請中斷時，按事先規(guī)定，即默認(rèn)的優(yōu)先順序。③處理低級中斷又收到高級中斷請求時，停止低級轉(zhuǎn)去先執(zhí)行高級。

④處理高級中斷又收到低級中斷請求時，不響應(yīng)它，等待做完高級處理后再處理低級中斷。

因此，面對系統(tǒng)中多個中斷源，同時申請中斷，CPU首先響應(yīng)優(yōu)先級別高的中斷申請，服務(wù)結(jié)束后再響應(yīng)級別低的中斷源。當(dāng)CPU響應(yīng)某一中斷請求并正在運行該中斷服務(wù)程序時，若有優(yōu)先級高的中斷源發(fā)出中斷申請，CPU就中斷正在處理的低級中斷服務(wù)程序，保留斷點，去響應(yīng)高級別的中斷申請，待完成了高級中斷服務(wù)程序后，再繼續(xù)從斷點處執(zhí)行被打斷的低級中斷服務(wù)程序，這就是中斷嵌套。

注意：當(dāng)發(fā)生中斷嵌套時，在中斷服務(wù)子程序編寫中，必須注意采用堆棧或其它方式對用戶數(shù)據(jù)進行保護。

3)中斷響應(yīng)

當(dāng)某一個中斷源發(fā)出中斷申請時，CPU能決定是否響應(yīng)這個中斷請求(當(dāng)CPU在執(zhí)行更急、更重要的工作時，可以暫不響應(yīng)中斷)。若允許響應(yīng)這個中斷請求，CPU必須在現(xiàn)行的指令執(zhí)行完后，把斷點處的PC值(即下一條應(yīng)執(zhí)行的指令地址)壓入堆棧保存起來，稱為保護斷點，這是由硬件自動完成的。同時，用戶在編程時要注意把有關(guān)的寄存器內(nèi)容和狀態(tài)標(biāo)志位壓入堆棧保存起來，這稱為保護現(xiàn)場。保護斷點和現(xiàn)場之后即可執(zhí)行中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完畢，需恢復(fù)原保留的寄存器的內(nèi)容和標(biāo)志位的狀態(tài)，稱為恢復(fù)現(xiàn)場，并執(zhí)行中斷返回指令，中斷返回指令的功能為恢復(fù)斷點處的PC值(稱為恢復(fù)斷點)，使CPU返回斷點，繼續(xù)執(zhí)行主程序。完整的中斷過程如圖5.1所示。

圖5.1中斷的過程

4)中斷請求的撤除

在響應(yīng)中斷申請以后，返回主程序之前，中斷請求應(yīng)該撤除。否則，就等于中斷申請依然存在，這將影響對其它中斷申請的響應(yīng)。中斷請求的撤除與中斷返回指令并不是同一個過程，不同的中斷系統(tǒng)中斷請求的撤除方法不同。5.1.2MCS51單片機的中斷系統(tǒng)

為了保證系統(tǒng)安全可靠、使用靈活，51系列單片機的中斷系統(tǒng)采用了多級管理的機制。為了解決多級嵌套問題，51系列單片機還設(shè)置了兩級中斷優(yōu)先級。51系列單片機的中斷系統(tǒng)由中斷源、中斷標(biāo)志位寄存器、中斷允許寄存器(IE)、中斷優(yōu)先級寄存器(IP)及其它輔助電路組成，如圖5.2所示。

圖5.2MCS51的中斷系統(tǒng)由圖5.2可知，一個中斷的產(chǎn)生受到中斷標(biāo)志位寄存器、中斷允許寄存器(IE)、中斷優(yōu)先級寄存器(IP)的控制。中斷標(biāo)志位寄存器中有6個標(biāo)志位，對應(yīng)6個中斷請求信號，若收到有效的請求信號，則對應(yīng)標(biāo)志位將硬件置“1”。中斷允許寄存器(IE)中的每一位對應(yīng)不同的中斷源，而且每一位均可由用戶軟件設(shè)定為“允許(1)”或“禁止(0)”中斷。值得注意的是，欲使某中斷源允許中斷，設(shè)置IE對應(yīng)位的同時還必須設(shè)置IE中的最高位EA，使EA＝1，即CPU開放中斷，EA相當(dāng)于中斷允許的“總開關(guān)”。至于中斷優(yōu)先級寄存器(IP)，該寄存器的每一位也同樣對應(yīng)不同的中斷源，其復(fù)位清“0”將會把對應(yīng)中斷源設(shè)置為低優(yōu)先級中斷；置“1”將把對應(yīng)中斷源設(shè)置為高優(yōu)先級。例如，對于外部中斷請求0和定時器T0中斷來說，若要使T0中斷的優(yōu)先級高于外部中斷請求0中斷，則可將PX0清“0”，使之處于低優(yōu)先級，而將PT0置“1”，使之處于高優(yōu)先級。注意：單片機復(fù)位后，IE和IP均被清0。設(shè)計程序時，在程序初始化中用戶應(yīng)根據(jù)需要將上述寄存器中的相應(yīng)位置“1”或清“0”，來實現(xiàn)允許或禁止優(yōu)先級設(shè)置等內(nèi)容，中斷程序才能正常執(zhí)行。

1.中斷源與中斷請求信號

向單片機發(fā)出中斷請求的來源稱為中斷源。80C51單片機的中斷源共有5個中斷源，分別是2個外部中斷源、2個定時中斷源和1個串行中斷源。

1)外部中斷源

外部中斷是由外部原因(如打印機、鍵盤、控制開關(guān)、外部故障等)引起的，可以通過INT0(P3.2引腳)和INT1(P3.3引腳)兩個固定引腳輸入到單片機，分別稱為外部中斷0(INT0)和外部中斷1(INT1)。

外部中斷請求有兩種信號觸發(fā)方式，即電平觸發(fā)方式和脈沖觸發(fā)方式(邊沿觸發(fā)方式)，可通過設(shè)置有關(guān)控制位進行定義。電平觸發(fā)方式的中斷請求是低電平有效，只要單片機在中斷請求輸入端上采樣到有效的低電平時，就觸發(fā)外部中斷。脈沖觸發(fā)方式的中斷請求是脈沖的下降沿有效，單片機在相鄰兩個機器周期中對中斷請求信號進行采樣，如果第一個機器周期采樣到高電平，第二個機器周期采樣為低電平，即得到有效的中斷請求，則觸發(fā)外部中斷

2)定時中斷源

定時中斷是由定時/計數(shù)器溢出引起的中斷，51單片機有兩個定時/計數(shù)器，所以有兩個定時中斷源。當(dāng)定時器對單片機內(nèi)部的定時脈沖進行計數(shù)而發(fā)生溢出時，表明定時時間到，由硬件自動觸發(fā)中斷。當(dāng)定時器對單片機外部的計數(shù)脈沖進行計數(shù)而發(fā)生溢出時，表明計數(shù)次數(shù)到，由硬件自動觸發(fā)中斷。外部計數(shù)脈沖是通過T0和T1引腳輸入到單片機內(nèi)的，T0輸入端是P3.4的第二功能，T1輸入端是P3.5的第二功能。

3)串行中斷源

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)串口接收或發(fā)送完一幀串行數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生一個中斷請求，通知CPU從串口取走數(shù)據(jù)或發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。因為串行中斷請求是在單片機芯片內(nèi)部自動發(fā)生的，所以不需要在芯片上設(shè)置引入端。

2.中斷系統(tǒng)的控制與實現(xiàn)

MCS51單片機提供了5個中斷源，而這5個中斷源的控制與實現(xiàn)是通過MCS51單片機片內(nèi)的4個特殊功能寄存器(SFR)來實現(xiàn)的。這4個控制寄存器分別為：中斷標(biāo)志位(定時/計數(shù)器控制)寄存器(TCON)、中斷標(biāo)志位(串行口控制)寄存器(SCON)、中斷允許寄存器(IE)和中斷優(yōu)先級寄存器(IP)。下面分別介紹和中斷相關(guān)的特殊功能寄存器。

1)中斷標(biāo)志位(定時/計數(shù)器控制)寄存器(TCON)

TCON既稱為中斷標(biāo)志位寄存器，又稱為定時／計數(shù)器控制寄存器，其在RAM區(qū)的地址為88H。它主要用來控制2個定時／計數(shù)器溢出中斷標(biāo)志及2個外部中斷INT0和INT1請求標(biāo)志。與中斷相關(guān)對應(yīng)位如表5.1所示。表5.1TCON控制寄存器對應(yīng)位定義①IT0：外部中斷INT0觸發(fā)方式控制位。當(dāng)IT0＝0時，外部中斷0選擇電平觸發(fā)方式(低電平有效);當(dāng)IT0＝1時,外部中斷0選擇邊沿觸發(fā)方式(下降沿有效)。

②IE0：外部中斷0中斷請求標(biāo)志位。

當(dāng)IT0＝0時，外部中斷0選擇電平觸發(fā)方式(低電平有效)。CPU在每個機器周期的S5P2采樣INT0引腳電平，當(dāng)采樣到低電平時，將IE0置1，向CPU請求中斷。當(dāng)采樣到高電平時，將IE0清“0”。值得一提的是，在電平觸發(fā)方式下，CPU響應(yīng)中斷時，不能自動清除IE0標(biāo)志，IE0的狀態(tài)完全由INT0的狀態(tài)決定。因此，中斷返回前必須撤除INT0引腳的低電平。當(dāng)IT0＝1時,外部中斷0選擇邊沿觸發(fā)方式(下降沿有效)。CPU在每個機器周期的S5P2采樣INT0引腳電平，若在連續(xù)兩個機器周期內(nèi)，第一次采到INT0引腳為高電平，第二個機器周期采樣到INT0為低電平時，則由硬件置位IE0＝1，并向CPU請求中斷。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷并轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時，IE0標(biāo)志將由硬件自動清0。注意：INT0高低電平應(yīng)至少保持一個機器周期。

對于外部中斷1的IT1、IE1，其觸發(fā)方式的控制和標(biāo)志位管理完全與上述外部中斷0類同，此處不再贅述。

③TF0(或TFl)：片內(nèi)定時／計數(shù)器T0(或T1)溢出中斷請求標(biāo)志位。在啟動T0(或T1)計數(shù)后，T0(或T1)即從初值開始加1計數(shù)。當(dāng)計數(shù)值計滿后從最高位產(chǎn)生溢出時，由硬件置位TF0(或TFl)，向CPU申請中斷。CPU響應(yīng)中斷時，自動復(fù)位該標(biāo)志位。

④TCON.4和TCON.6：即TR0和TR1,是定時/計數(shù)器啟動控制位，將在定時器一節(jié)詳述，此處不再贅述。

2)中斷標(biāo)志位(串行口控制)寄存器(SCON)

SCON既稱為中斷標(biāo)志位寄存器，又稱為串行口控制寄存器，其在RAM區(qū)的地址為98H。與中斷相關(guān)是SCON的低2位，用來鎖存串行口的接收中斷和發(fā)送中斷標(biāo)志，其定義如表5.2所示。表5.2SCON控制寄存器對應(yīng)位定義

①TI：串行口發(fā)送中斷標(biāo)志。在串行口以方式0發(fā)送時，每當(dāng)發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，由硬件置位TI；若以方式1、2、3發(fā)送時，在發(fā)送停止位的開始時置位TI。TI＝1表示串行口發(fā)送器正在向CPU申請中斷。值得注意的是,當(dāng)CPU響應(yīng)該中斷后，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時并不復(fù)位TI，TI必須由用戶在中斷服務(wù)程序中用軟件清“0”。

②RI：串行口接收中斷標(biāo)志。若串行口接收器允許接收并以方式0工作，則每當(dāng)接收到第8位數(shù)據(jù)時置位RI；若以方式1、2、3工作，且SM2＝0時，則每當(dāng)接收器接收到停止位的中間時置位RI；當(dāng)串行口以方式2或方式3工作，且SM2＝1時，僅當(dāng)接收到的第9位數(shù)據(jù)RB8為1后，同時還要接收到停止位的中間時置位RI。RI為1表示串行口接收器正向CPU申請中斷，同樣RI必須由用戶在中斷服務(wù)程序中清“0”。

單片機復(fù)位后，TCON和SCON寄存器各位被清“0”。

3)中斷允許寄存器(IE)

IE是中斷允許寄存器，其在RAM區(qū)的地址為A8H。CPU對中斷系統(tǒng)所有中斷以及某個中斷源的“允許”和“禁止”都是由它來控制的。IE的狀態(tài)可通過程序由軟件設(shè)定，某位設(shè)定為“1”表示相應(yīng)的中斷源被允許開放。相反,設(shè)定為“0”表示相應(yīng)的中斷源被禁止使用。單片機復(fù)位后，IE寄存器各位被清“0”，禁止所有中斷。IE寄存器的各位定義如表5.3所示。表5.3中斷允許控制寄存器的位定義

4)中斷優(yōu)先級寄存器(IP)

IP是中斷優(yōu)先級寄存器，其在RAM區(qū)的地址為B8H。MCS51單片機中有兩個中斷優(yōu)先級，可實現(xiàn)二級中斷服務(wù)嵌套。每個中斷源的中斷優(yōu)先等級均是由中斷優(yōu)先級寄存器(IP)來決定的。IP中各個位的狀態(tài)可以由軟件設(shè)定，當(dāng)置為“1”時，則相應(yīng)的中斷源被置為高優(yōu)先級。相反，當(dāng)清為“0”時，則相應(yīng)的中斷源被設(shè)為低優(yōu)先級。IP寄存器的各位定義如表5.4所示。表5.4中斷優(yōu)先級寄存器的位定義①PX0：外部中斷0優(yōu)先級控制位。

②PT0：定時器0中斷優(yōu)先級控制位。

③PXl：外部中斷1優(yōu)先級控制位。

④PTl：定時器1中斷優(yōu)先級控制位。

⑤PS：串行口中斷優(yōu)先級控制位。

MCS51單片機中規(guī)定上述對應(yīng)位，當(dāng)設(shè)置為“1”時為高優(yōu)先級，為“0”時為低優(yōu)先級。然而在多個中斷源并存的情況下，面對同一優(yōu)先級中的中斷源，單片機中規(guī)定了其中斷優(yōu)先的排隊問題。同一優(yōu)先級的中斷優(yōu)先排隊，由中斷系統(tǒng)硬件確定，其排列順序如表5.5所示。

3.中斷初始化程序

中斷初始化程序?qū)嵸|(zhì)上就是對TCON、SCON、IE和IP寄存器的管理和控制。只要這些寄存器的相應(yīng)位按照要求進行了狀態(tài)預(yù)置，CPU就會按照人們的意圖對中斷源進行管理和控制。中斷服務(wù)程序一般不獨立編寫，而是包含在主程序中，通過編寫指令對以下5個內(nèi)容進行設(shè)置：

(1)中斷服務(wù)程序入口地址的設(shè)定。

(2)某一中斷源中斷請求的允許與禁止。

(3)對于外部中斷請求，還需進行觸發(fā)方式的設(shè)定。

(4)各中斷源優(yōu)先級別的設(shè)定。

(5)CPU開中斷與關(guān)中斷。

例5.1編寫指令設(shè)置外部中斷0為電平觸發(fā)方式，高優(yōu)先級。

分析：可用兩種方法完成，即用位操作指令和字節(jié)操作指令。

①方法1：用位操作指令完成。

SETBEA；開中斷允許總控制位

SETBEX0；外中斷0開中斷

SETBPX0；外中斷0高優(yōu)先級

CLRIT0；電平觸發(fā)

②方法2:用其它指令也可完成同樣功能。

MOVIE，#81H；同時置位EA和EX0

ORLIP，#01H；置位PX0

ANLTCON，#0FEH；使IT0為0

這兩種方法都可以完成題目規(guī)定的要求。一般情況下，用方法1比較簡單。因為在編制中斷初始化程序時，只需知道控制位的名稱就可以了，而不必記住它們在寄存器中的確切位置。例5.2試編寫設(shè)置外部中斷INT0和串行接口中斷為高優(yōu)先級，外部中斷INT1為低優(yōu)先級，并屏蔽T0和T1中斷請求的初始化程序段。

分析：根據(jù)題目要求，只要能將中斷請求優(yōu)先級寄存器IP的第0、4位置“1”,其余位置“0”，將中斷請求允許寄存器的第0、2、4、7位置“l(fā)”，其余位置“0”就可以了。

編程如下：

ORG0000H

SJMPMAIN

ORG0003H；外部中斷0的入口地址

LJMPINT0INT；跳轉(zhuǎn)到外部中斷0的中斷服務(wù)程序

ORG0013H；外部中斷1的入口地址

LJMPINT1INT；跳轉(zhuǎn)到外部中斷1的中斷服務(wù)程序

ORG0023H；串口中斷的入口地址

LJMPSIOINT；跳轉(zhuǎn)到串口中斷的中斷服務(wù)程序

ORG0030H

MAIN：…；編寫主程序

MOVIP，#00010001B；設(shè)外部中斷INT0和串行口中斷為高優(yōu)先級

MOVIE，#10010101B；允許INT0、INT1串行口中斷，開CPU中斷5.1.3中斷處理過程

不同的計算機，在具體的中斷處理過程上存在一些細小的差別,但是，基本處理過程是相同的。一個完整的中斷處理的基本過程應(yīng)該包括：中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷處理以及中斷返回。中斷處理過程如圖5.3所示。

圖5.3中斷處理不同的計算機由于中斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)不完全相同，因而中斷響應(yīng)的方式有所不同。在此，僅以MCS51單片機為例來介紹中斷處理的過程。

1.中斷請求

中斷請求是中斷源(或者通過接口電路)向CPU發(fā)出請求中斷的信號，要求CPU中斷原來執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去為它服務(wù)。一般單片機提供有多條中斷請求線，當(dāng)中斷源有服務(wù)要求時，可通過中斷請求線向CPU發(fā)出信號，請求CPU中斷。中斷請求信號可以是電平信號，也可以是脈沖信號。中斷請求信號應(yīng)該一直保持到CPU做出反應(yīng)為止。

2.中斷響應(yīng)

中斷響應(yīng)是在滿足CPU的中斷響應(yīng)條件之后，CPU對中斷源中斷請求的回答。在這一階段，CPU要完成中斷服務(wù)以前的所有準(zhǔn)備工作，包括保護斷點和把程序轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序的入口地址(通常稱為矢量地址)。

單片機在運行時，并不是任何時刻都會響應(yīng)中斷請求，而是在滿足中斷響應(yīng)條件之后才會響應(yīng)。

1)CPU的中斷響應(yīng)條件

①有中斷源發(fā)出中斷申請。

②中斷總允許位EA＝1，即CPU允許所有中斷源申請中斷。

③申請中斷的中斷源的中斷允許位為1，即此中斷源可以向CPU申請中斷。

以上是CPU響應(yīng)中斷的基本條件，若滿足，CPU一般會響應(yīng)中斷。但如果有下列任何一種情況存在，中斷響應(yīng)都會受到阻斷。①CPU正在執(zhí)行一個同級或高一級的中斷服務(wù)程序。

②當(dāng)前的機器周期不是正在執(zhí)行的指令的最后一個周期，即正在執(zhí)行的指令完成前，任何中斷請求都得不到響應(yīng)。

③正在執(zhí)行的指令是返回(RETI)指令或者對專用寄存器IE、IP進行讀／寫的指令，此時，在執(zhí)行RETI或者讀寫IE或IP之后，不會馬上響應(yīng)中斷請求。

若存在上述任何一種情況，則CPU不會馬上響應(yīng)中斷，而把該中斷請求鎖存在各自的中斷標(biāo)志位中，在下一個機器周期再按順序查詢。由于存在中斷阻斷的情況而未被及時響應(yīng)，待上述阻斷中斷響應(yīng)的條件被撤消之后，由于中斷標(biāo)志還存在，仍會響應(yīng)。

2)中斷響應(yīng)過程

如果中斷響應(yīng)條件滿足，且不存在中斷阻斷的情況，則CPU響應(yīng)中斷。CPU一旦響應(yīng)中斷，首先對相應(yīng)的優(yōu)先級有效觸發(fā)器置位。然后,執(zhí)行1條由硬件產(chǎn)生的長調(diào)用指令“LCALL”，自動地把斷點地址壓入堆棧保護(但不保護狀態(tài)寄存器PSW和其它寄存器內(nèi)容)，再把與各中斷源對應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址送入程序計數(shù)器PC，同時清除中斷請求標(biāo)志(串行口中斷和外部電平觸發(fā)中斷除外)，從而程序便轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)程序。以上過程均由中斷系統(tǒng)自動完成。

MCS51中斷入口地址和中斷輸入引腳是一一對應(yīng)的，從哪個中斷輸入引腳進入的中斷請求，它的中斷服務(wù)程序入口地址一定是某個固定值。如,從INT0(P3.2)引腳進入的中斷請求，轉(zhuǎn)向的中斷入口地址是0003H單元。

3.中斷處理

中斷處理又稱中斷服務(wù)程序，從中斷入口地址開始執(zhí)行，直到返回指令“RETI”為止，這個過程(或程序)稱為中斷處理。此過程一般包括保護現(xiàn)場、處理中斷源的請求及恢復(fù)現(xiàn)場三部分內(nèi)容。因為一般主程序和中斷服務(wù)程序都可能會用到累加器、PSW寄存器和一些其它寄存器。CPU在進入中斷服務(wù)程序后，用到上述寄存器時就會破壞它原來存在寄存器中的內(nèi)容，一旦中斷返回，將會造成主程序的混亂。因此，在進入中斷服務(wù)程序后，一般要先保護現(xiàn)場(即相關(guān)寄存器內(nèi)容被壓棧保存)，然后再執(zhí)行處理中斷源的請求的服務(wù)程序。執(zhí)行完畢后，在返回主程序以前，要恢復(fù)現(xiàn)場(即相關(guān)寄存器內(nèi)容被恢復(fù))。

保護現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場一般采用PUSH和POP指令來實現(xiàn)。PUSH和POP指令一般成對出現(xiàn)，以保證寄存器的內(nèi)容不會改變。要注意堆棧操作的“先進后出，后進先出”原則。

下面的例5.3是一個在中斷服務(wù)程序中經(jīng)常用到的保護現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場的實例。例5.3設(shè)在主程序中用到了寄存器PSW、ACC、B、DPTR，而在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時需要用到這些寄存器。因此，在中斷服務(wù)程序里要保護PSW、ACC、B、DPTR的內(nèi)容，以免破壞主程序中相應(yīng)用到的寄存器PSW、ACC、B、DPTR內(nèi)容。

程序如下：

ORG0003H

AJMPSERVICE；跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序

SERVICE：PUSHPSW；保護程序狀態(tài)字

PUSHACC；保護累加器A

PUSHB；保護寄存器B

PUSHDPL；保護數(shù)據(jù)指針低字節(jié)

PUSHDPH；保護數(shù)據(jù)指針高字節(jié)

；中斷處理具體內(nèi)容

POPDPH；恢復(fù)現(xiàn)場，即恢復(fù)各寄存器內(nèi)容

POPDPL

POPB

POPACC

POPPSW

RETI

4.中斷返回

中斷返回是指執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，程序返回到斷點(即原來程序執(zhí)行時被斷開的位置)，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。中斷返回由專門的中斷返回指令RETI實現(xiàn)，該指令的功能是把斷點地址取出，送回到程序計數(shù)器PC中。另外，它還通知中斷系統(tǒng)已完成中斷處理，將清除優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器。特別要注意,不能用子程序返回指令“RET”代替中斷返回指令“RETI”。因為用RET指令雖然也能控制PC返回到原來中斷的地方，但RET指令沒有清零中斷優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器的功能，中斷控制系統(tǒng)會認(rèn)為中斷仍在進行，其后果是與此同級的中斷請求將不被相應(yīng)。所以,中斷服務(wù)程序結(jié)束時必須使用RETI指令。

5.中斷響應(yīng)時間

所謂中斷響應(yīng)時間是指從查詢中斷請求標(biāo)志位到轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序入口地址所需的機器周期數(shù)(對單一中斷源而言)。響應(yīng)中斷最短需要3個機器周期。若CPU查詢中斷請求標(biāo)志的周期正好是執(zhí)行1條指令的最后1個機器周期，則不需等待就可以響應(yīng)。而響應(yīng)中斷執(zhí)行1條長調(diào)用指令需要2個機器周期，加上查詢的1個機器周期，一共需要3個機器周期才開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

中斷響應(yīng)的最長時間由下列情況決定：若中斷查詢時正在執(zhí)行RETI或者訪問IE或IP指令的第1個機器周期，這樣連查詢在內(nèi)需要2個機器周期(以上3條指令均需2個機器周期)。若緊接著要執(zhí)行的指令正好是MUL或DIV指令(兩者均為4周期指令)，則需等該指令執(zhí)行完后才能進入中斷響應(yīng)周期，再用2個機器周期執(zhí)行1條長調(diào)用指令轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。這樣，總共需要8個機器周期。其它情況下的中斷響應(yīng)時間一般在3～8個機器周期之間。5.1.4中斷請求的撤除

CPU響應(yīng)中斷請求后，在中斷返回前，必須撤除請求，否則會錯誤地再一次引起中斷過程。51單片機的5個中斷源請求的撤除方法分別如下：

1.定時器與串口中斷請求的撤除

對于定時器0或1溢出中斷，CPU在響應(yīng)中斷后，中斷請求將會硬件自動撤除。即當(dāng)定時器0或1溢出時，中斷請求標(biāo)志TF0或TF1置1，通知CPU響應(yīng)中斷，在響應(yīng)條件滿足且不受阻的情況下CPU響應(yīng)中斷，同時用硬件自動清除了中斷請求標(biāo)志位TF0或TF1，無須采取其它措施。

對于串行口中斷，CPU響應(yīng)中斷后沒有用硬件清除中斷標(biāo)志位，必須由用戶編制的中斷服務(wù)程序來清除相應(yīng)的中斷標(biāo)志，即用指令CLRTI或CLRRI來清除串行發(fā)送或串行接收中斷標(biāo)志。

2.外部中斷請求的撤除

MCS51單片機的中斷系統(tǒng)的兩個外部中斷源有兩種觸發(fā)(申請)方式，即電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)?？赏ㄟ^對TCON寄存器中的IT0位和ITl位清除為“0”使其工作在電平觸發(fā)方式，或設(shè)置為“1”使其工作在邊沿觸發(fā)方式。

在邊沿觸發(fā)方式中，單片機在采樣中斷輸入信號時，如果連續(xù)采樣到1個周期的高電平和緊接著1個周期的低電平，則中斷請求標(biāo)志位就被置位，并請求中斷。這種方式下,CPU響應(yīng)中斷進入中斷服務(wù)程序時，請求標(biāo)志位會被CPU自動清除。所以,該方式適合于以負脈沖形式輸入的外部中斷請求。由于外部中斷源在每個機器周期被采樣1次，所以輸入的高電平或低電平至少必須保持12個振蕩周期，以保證能被采樣到。

在電平觸發(fā)方式中，單片機在每個機器周期的S5P2期間采樣中斷輸入信號，若為低電平，則可直接觸發(fā)外部中斷。在這一觸發(fā)方式中，中斷源必須持續(xù)請求，直至中斷產(chǎn)生為止,且要求在中斷服務(wù)程序返回之前，必須撤除中斷請求信號，否則機器將認(rèn)為又發(fā)生了另一次中斷請求。因此,電平觸發(fā)方式適合于外部中斷輸入為低電平，且在中斷服務(wù)程序中能清除該中斷源的申請信號的情況。

對于電平觸發(fā)的外部中斷，由于CPU對外部中斷0和1引腳沒有控制作用，因此需要外接電路來撤除中斷請求信號。

圖5.4外部中斷請求(電平觸發(fā)方式)的撤除圖圖5.4描述了一種外部中斷撤除的可行性方案。該外部中斷請求信號通過D觸發(fā)器加到單片機外部中斷0或1引腳。當(dāng)外部中斷信號使D觸發(fā)器的CLK端發(fā)生正跳變時，由于D端接地，Q端輸出為0，因此向單片機發(fā)出中斷請求。CPU響應(yīng)中斷后，利用1根口線(如P1.0)作應(yīng)答線。

在中斷服務(wù)程序中,用以下兩條指令來撤除中斷請求：

ANLP1，#0FEH；P1.0＝0，則置位端S有效，D觸發(fā)器置位，Q＝1

ORLP1，#01H；P1.0＝0，則置位端S無效，D觸發(fā)器接收信號

第1條指令使P1.0為0，而P1口的其它各位的狀態(tài)不變。由于P1.0接至D觸發(fā)器的置“1”端(S)，故D觸發(fā)器的Q為1，從而撤除了中斷請求信號。第2條指令又使P1.0為1，即S為1，使以后產(chǎn)生新的外部中斷請求信號又能向單片機申請中斷。5.1.5中斷程序應(yīng)用舉例

MCS51共有5個中斷源，由4個特殊功能寄存器TCON、SCON、IE和IP進行管理和控制。中斷程序一般包含中斷初始化程序和中斷服務(wù)程序兩部分。

中斷服務(wù)程序是一種為中斷源的特定情況要求服務(wù)的獨立程序段，以中斷返回指令RETI結(jié)束，中斷服務(wù)完后返回到原來被中斷的地方(即斷點)，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。中斷服務(wù)程序的固定入口：

0003H單元——外部中斷INT0的中斷服務(wù)程序入口；

000BH單元——內(nèi)部定時器／計數(shù)器T0的中斷服務(wù)程序入口；

0013H單元——外部中斷INT1的中斷服務(wù)程序入口；

001BH單元——內(nèi)部定時器／計數(shù)器T1的中斷服務(wù)程序入口；

0023H單元——串行口的中斷服務(wù)程序入口。在編寫中斷服務(wù)程序時，應(yīng)注意以下4點：

(1)各中斷源入口地址之間只相隔8個字節(jié)。中斷服務(wù)程序放在此處，一般容量是不夠的。常用的方法是在中斷入口地址單元處，存放—條無條件轉(zhuǎn)移指令，如“LJMPAddress”，使程序跳轉(zhuǎn)到用戶安排的中斷服務(wù)程序起始地址處。

(2)在執(zhí)行當(dāng)前中斷程序時，為了禁止更高優(yōu)先級中斷源的中斷請求，可先用軟件關(guān)閉CPU中斷，或屏蔽更高級中斷源的中斷，在中斷返回前再開放被關(guān)閉或被屏蔽的中斷。

(3)在多級中斷情況下，應(yīng)在保護現(xiàn)場之前關(guān)掉中斷，在恢復(fù)現(xiàn)場之后打開中斷。如果在中斷處理時允許有更高級的中斷打斷它，則在保護現(xiàn)場之后開中斷，恢復(fù)現(xiàn)場之前關(guān)中斷。

圖5.5故障顯示電路

(4)中斷時，現(xiàn)場保護由中斷服務(wù)程序來完成。因此，在編寫中斷服務(wù)程序時必須考慮保護現(xiàn)場的問題。在MCS51單片機中，現(xiàn)場一般包括累加器A、工作寄存器R0~R7及程序狀態(tài)字PSW等。

例5.4圖5.5為多個故障顯示電路，當(dāng)系統(tǒng)無故障時，4個故障源輸入端X1～X4全為低電平，顯示燈全滅；當(dāng)某部分出現(xiàn)故障，其對應(yīng)的輸入由低電平變?yōu)楦唠娖?，從而引起MCS51單片機中斷，中斷服務(wù)程序的任務(wù)是判定故障源，并用對應(yīng)的發(fā)光二極管LED1～LED4進行顯示。編程如下：ORG0000H；程序開始

AJMPMAIN；轉(zhuǎn)主程序

ORG0003H；外部中斷INT0入口地址

AJMPSERVICE；轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序

MAIN：ORLP1，#0FFH；燈全滅，準(zhǔn)備讀入

SETBIT0；選擇邊沿方式

SETBEX0；允許INT0中斷

SETBEA；CPU開中斷

AJMP$；等待中斷

SERVICE：JNBP1.3，N1；若X1無故障,轉(zhuǎn)

CLRP1.4；若X1有故障，LED1亮

N1：JNBP1.2，N2；若X2無故障,轉(zhuǎn)

CLRP1.5；若X2有故障，LED2亮

N2：JNBP1.1，N3；若X3無故障,轉(zhuǎn)

CLRP1.6；若X3有故障，LED3亮

N3：JNBP1.0，N4；若X4無故障,轉(zhuǎn)

CLRP1.7；若X4有故障，LED4亮

N4：RETI

這個程序主要分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序主要完成初始化的工作，中斷服務(wù)程序主要檢測故障源是否發(fā)生，如果某故障源發(fā)生，則將相應(yīng)的指示燈點亮。在此主程序和中斷服務(wù)程序中，不存在使用寄存器之間的干涉問題,因此，在中斷服務(wù)程序中不用保護現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場。

例5.5利用單片機的定時器計數(shù)來產(chǎn)生中斷。假定單片機晶振選擇12MHz，選擇使用T0每1ms產(chǎn)生一次中斷請求，用于調(diào)用動態(tài)顯示程序DISP，即顯示程序在此屬于中斷服務(wù)程序。

分析：先安排好不同程序的入口地址，在主程序中完成定時器和中斷的初始化，然后打開對應(yīng)中斷允許位和總中斷允許位。在中斷服務(wù)程序中要注意保護和恢復(fù)現(xiàn)場。

主程序如下：ORG0000H

LJMPMAIN；跳轉(zhuǎn)到主程序入口

ORG000BH

LJMPDISP；跳轉(zhuǎn)到定時器T0中斷入口地址處

ORG0030H

MAIN：…

；進行定時器初始化

MOVTMOD，#00000001B；設(shè)置T0工作在模式1

MOVTH0，#0FCH；

MOVTL0，#18H；設(shè)置計數(shù)初值FC18H＝64536＝65536－1000

SETBTR0；TR0＝1，啟動定時器T0開始計數(shù)

SETBET0；開放定時器T0中斷允許位

SETBEA；開放總中斷允許位，等待T0計數(shù)滿出…

中斷服務(wù)程序代碼：DISP：PUSHACC

PUSHPSW；保護現(xiàn)場

CLRTR0；因為已經(jīng)響應(yīng)中斷請求，故停止定時器T0

MOVTH0，#0FCH

MOVTL0，#18H；重新賦計數(shù)初值

SETBTR0；重新啟動定時器T0

…(顯示程序代碼略)…

POPPSW

POPACC；按先入后出次序恢復(fù)現(xiàn)場

RETI；中斷服務(wù)程序結(jié)束，返回斷點，必須用RETI指令

在測量控制系統(tǒng)中，常常要求有實時時鐘來實現(xiàn)定時測控或延時動作，也會要求有計數(shù)器實現(xiàn)對外部事件計數(shù)，如測電機轉(zhuǎn)速、頻率、脈沖個數(shù)等。

實現(xiàn)定時/計數(shù)功能，有軟件定時、硬件定時和可編程定時/計數(shù)器3種主要方法：5.2定時/計數(shù)器

1)軟件定時

軟件定時也稱軟件延時，是讓機器執(zhí)行一個程序段。這個程序段本身沒有具體的執(zhí)行目的，通過正確的挑選指令和安排循環(huán)次數(shù)實現(xiàn)軟件延時。由于執(zhí)行每條指令都需要時間，執(zhí)行這一段程序所需要的時間就是延時時間。這種軟件定時的特點是時間精確，且不需要外加硬件電路，但要加CPU的執(zhí)行時間，降低了CPU的工作效率。因此軟件定時的時間不宜過長。此外，軟件定時方法在某些情況下無法使用。

2)硬件定時

對于時間較長的定時，常采用硬件電路完成。硬件定時的特點是定時功能完全由硬件電路來完成，不占用CPU時間，但需要通過改變電路的原件參數(shù)來調(diào)節(jié)定時時間，在使用上不夠靈活方便。例如,采用如小規(guī)模集成電路器件555，外接必要的元器件(電阻和電容)，即可構(gòu)成硬件定時。這樣的定時電路簡單，但要改變定時范圍，必須改變電阻和電容，這種定時電路在硬件連接好后，修改不方便。

3)可編程定時/計數(shù)器

可編程定時/計數(shù)器是為方便微機系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用而研制的，它是硬件定時，又可以通過軟件編程來確定定時時間。這種定時方法是通過對系統(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)值就改變了定時時間，使用起來既靈活又方便。此外，由于采用計數(shù)方法實現(xiàn)定時，所以本身就具有計數(shù)功能，可以對外來脈沖計數(shù)。

MCS51單片機在設(shè)計中也充分考慮了方便用戶應(yīng)用的問題，它的內(nèi)部提供了兩個16位可編程的定時/計數(shù)器：T0和T1，并且這兩個定時/計數(shù)器可以通過軟件的方式進行設(shè)置使其工作在不同的方式，給設(shè)計者帶來極大的方便，下面將對其做詳細介紹。5.2.1定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)

MCS51單片機片內(nèi)集成有兩個16位可編程的定時/計數(shù)器：T0和T1，其結(jié)構(gòu)如圖5.6所示。

它的基本部件是兩個16位寄存器T0和T1，每個16位寄存器分成兩個8位寄存器(T0由高8位TH0和低8位TL0組成，T1由高8位TH1和低8位TL1組成)。圖5.6定時/計數(shù)器T0、T1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖TMOD是定時/計數(shù)器的工作方式寄存器，由它確定定時/計數(shù)器的工作方式和功能；TCON是定時/計數(shù)器的控制寄存器，用于控制T0、T1的啟動和停止以及設(shè)置溢出標(biāo)志。通過對這些特殊功能寄存器(SFR)的編程，可以使其工作在不同的方式和狀態(tài)。

2.定時/計數(shù)器的工作原理

圖5.7給出了定時器/計數(shù)器T0或T1的工作(結(jié)構(gòu))原理圖。由圖可看出,MCS51單片機的定時/計數(shù)器由振蕩器分頻輸入電路、外部計數(shù)脈沖輸入電路、計數(shù)脈沖選擇電路、計數(shù)啟?？刂齐娐?、加1計數(shù)器和溢出標(biāo)志位組成。圖中X＝0或1，代表定時/計數(shù)器T0或T1相應(yīng)的信號或寄存器的相應(yīng)位。由圖5.7可見，定時/計數(shù)器的核心是一個加1計數(shù)器，每輸入一個脈沖，計數(shù)值加1，當(dāng)計數(shù)到計數(shù)器全為1時，再輸入一個脈沖就使計數(shù)值回零，同時從最高位溢出一個脈沖使控制寄存器TCON的TFX(X＝0或1)位置1，作為計數(shù)器的溢出標(biāo)志。加1計數(shù)器由兩個8位特殊功能寄存器THX和TLX(X＝0或1)組成，它們可以被編程設(shè)置為不同的組合狀態(tài)(13位、16位、兩個分開的8位等)，從而形成定時/計數(shù)器的4種工作方式。

圖5.7定時/計數(shù)器T0或T1的結(jié)構(gòu)原理圖加1計數(shù)器計數(shù)工作的啟動和停止由相應(yīng)的電路控制。方式寄存器TMOD的GATE位為0時，由寄存器TCON的TRX(X＝0或1)位啟動(即TRX＝1)或停止(即TRX＝0)；GATE位為1，且TRX為1時，中斷引腳INT0(或INT1)為高電平時，啟動；為低電平時，停止。

通過方式寄存器TMOD的C/位來選擇加1計數(shù)器計數(shù)脈沖的來源：當(dāng)C/＝0時，計數(shù)脈沖來自系統(tǒng)的時鐘振蕩器的12分頻，由于這時的計數(shù)脈沖為一時間基準(zhǔn)，脈沖數(shù)乘以脈沖間隔時間就是定時時間，這時定時/計數(shù)器工作于定時器狀態(tài);當(dāng)C/＝1時，計數(shù)脈沖來自系統(tǒng)外部的脈沖源，這時定時/計數(shù)器成為外部事件計數(shù)器，工作于計數(shù)器狀態(tài)。

1)定時器狀態(tài)

作定時器使用時，加1計數(shù)器的計數(shù)脈沖來自于內(nèi)部時鐘振蕩器。此時輸入脈沖是由內(nèi)部時鐘振蕩器的輸出經(jīng)12分頻后送來的，這就是機器周期。如果晶振頻率為12MHz，則一個機器周期是1μs，定時器每接收一個輸入脈沖的時間為1μs。要定一段時間，只需計算脈沖個數(shù)即可。定時時間t的計算公式為：t＝脈沖個數(shù)×機器周期。

2)計數(shù)器狀態(tài)

作計數(shù)器使用時，加1計數(shù)器的計數(shù)脈沖來自于外部引腳。此時輸入脈沖是由外部引腳P3.4(T0)或P3.5(T1)輸入到計數(shù)器的。在每個機器周期的S5P2期間采樣T0、T1引腳電平。當(dāng)某周期采樣到一高電平輸入，而下一周期又采樣到一低電平時，則計數(shù)器加“1”。由于檢測一個從“1”到“0”的下降沿需要2個機器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個機器周期，否則會出現(xiàn)漏計數(shù)現(xiàn)象，所以最高計數(shù)頻率為晶振頻率的1/24。當(dāng)晶振頻率為12MHz時，最高計數(shù)頻率不超500kHz，即計數(shù)脈沖的周期要大于2μs。5.2.2定時/計數(shù)器的控制與實現(xiàn)

MCS51單片機中的定時/計數(shù)功能(狀態(tài))都是通過軟件設(shè)定來控制實現(xiàn)的。與控制實現(xiàn)相關(guān)的寄存器主要有兩個，分別為工作方式寄存器(TMOD)和控制寄存器(TCON)。另外，定時/計數(shù)器除了可用作定時器或計數(shù)器之外，還可用作串行接口的波特率發(fā)生器。

1.工作方式寄存器(TMOD)

工作方式寄存器(TMOD)用于設(shè)置定時/計數(shù)器的工作方式，其格式定義如圖5.8所示。

圖5.8TMOD的格式定義

TMOD的高4位用于管理定時器T1，低4位用于管理定時器T0。圖5.8中各位含義如下：

GATE：門控位。當(dāng)GATE＝1，只有INT0(或INT1)引腳為高電平，且由軟件使TR0(或TR1)置1時，才能啟動定時器工作，即以外部中斷啟動定時器；當(dāng)GATE＝0時，只要用軟件使TR0(或TR1)置位就可以啟動定時器工作，不需要參考INT0或INT1的引腳狀態(tài)。

C/T：定時/計數(shù)器方式選擇位。當(dāng)C/T＝1時，選擇計數(shù)器；當(dāng)C/T＝0時，選擇定時器。

M1M0：工作模式定義位，如表5.6所示。表5.6工作模式選擇

2.控制寄存器(TCON)

控制寄存器(TCON)的作用是控制定時器的啟動、停止以及溢出標(biāo)志位的管理，外部中斷觸發(fā)方式控制情況。TCON支持位尋址操作，其定義格式如表5.7所示。表5.7TCON格式定義

TF1：定時／計數(shù)器T1的溢出標(biāo)志。T1計數(shù)滿產(chǎn)生溢出時，由硬件使該位置1，并申請中斷。若中斷開放，進入中斷服務(wù)程序后，由硬件自動清0。若中斷被禁止，可以采取查詢方式，用軟件完成清0。

TR1：T1的運行控制位。用軟件控制，置1時，啟動T1；清0時，停止T1。

TF0：T0的溢出標(biāo)志。T0計數(shù)溢出時，該位由內(nèi)部硬件置位。若中斷開放，即響應(yīng)中斷，進入中斷服務(wù)程序后，由硬件自動清0；若中斷禁止，在查詢方式下用軟件清0。

TR0：T0的運行控制位。用軟件控制，置1時，啟動T0；清0時，停止T0。

IE1：外部中斷1下降沿觸發(fā)標(biāo)志位。

IE0：外部中斷0下降沿觸發(fā)標(biāo)志位。

IT1：外部中斷1觸發(fā)類型選擇位。

IT0：外部中斷0觸發(fā)類型選擇位。

TCON的低4位與中斷有關(guān)，請參見本章“中斷系統(tǒng)”章節(jié)。注意:復(fù)位后TCON的所有位均清0,T0和T1均處于停止?fàn)顟B(tài)。5.2.3定時/計數(shù)器的工作方式

MCS51單片機的定時/計數(shù)器(以下簡寫為T/C)，可以通過設(shè)置工作方式寄存器(TMOD)使其工作在4種不同的模式。T0有4種工作方式(方式0、1、2、3)，T1有3種工作方式(方式0、1、2)。此外，T1還可以作為串行通信接口的波特率發(fā)生器。下面以定時器T0為例,分別對其4種工作模式進行介紹。

1.方式0

當(dāng)M1M0＝00時，T/C設(shè)定為工作方式0，構(gòu)成13位的T/C。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5.9所示。在此工作方式下，T/C為13位計數(shù)器，由THX的8位和TLX的低5位組成(高3位未用)，滿計數(shù)值為213。T/C啟動后立即加1計數(shù)，當(dāng)TLX的低5位計數(shù)溢出時,向THX進位，THX計數(shù)溢出則對相應(yīng)的溢出標(biāo)志位TFX置位，以此作為定時器溢出中斷標(biāo)志。當(dāng)單片機進入中斷服務(wù)程序時，由內(nèi)部硬件自動清除該標(biāo)志。

圖5.9定時/計數(shù)器方式0的邏輯結(jié)構(gòu)圖當(dāng)TMOD寄存器中的C/T＝0時,為定時方式，將振蕩器12分頻的信號作為輸入脈沖計數(shù)；當(dāng)C/T＝1時,為計數(shù)方式，對外部脈沖輸入端TX輸入的脈沖進行計數(shù)。計數(shù)脈沖能否加到計數(shù)器上，由啟動信號來控制。當(dāng)GATE＝0時，或門輸出為1，與門處于開啟狀態(tài)，只要TRX＝1，則與門輸出為1，T/C啟動。當(dāng)GATE＝1時，啟動信號TRX·INTX，此時T/C的啟動受到TRX與INTX信號的雙重控制。

13位定時/計數(shù)器是為了與Intel公司早期的產(chǎn)品MCS48系列單片機(該系列已過時，且計數(shù)初值裝入易出錯)兼容，所以在實際應(yīng)用中常由16位的方式1取代。

2.方式1

當(dāng)M1M0＝01時，T/C設(shè)定為工作方式1，構(gòu)成16位定時／計數(shù)器。其中,THX作為高8位，TLX作為低8位，滿計數(shù)值為256，其余同方式0類似。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5.10所示。

圖5.10定時/計數(shù)器方式1的邏輯結(jié)構(gòu)圖用方式1構(gòu)成16位加1定時/計數(shù)器時，計數(shù)個數(shù)M與計數(shù)初值X的關(guān)系如下：

M＝216－X

用于定時功能時，定時時間t的計算公式為：t＝M×機器周期＝(216－X)×機器周期；若晶振頻率為12MHz，機器周期則為1μs，初值X＝0～65536時，可定時范圍為1μs～65536μs。

3.方式2

當(dāng)M1M0＝10時，T/C工作在方式2，構(gòu)成1個8位的自動重裝初值的定時/計數(shù)器。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5.11所示。

在前述的方式0和方式1中，當(dāng)計數(shù)滿后，下一次定時／計數(shù)需用軟件向THX和TLX重新預(yù)置計數(shù)初值。而在方式2中THX和TLX被當(dāng)做兩個8位計數(shù)器，計數(shù)過程中，THX寄存8位初值并保持不變，由TLX進行8位計數(shù)。圖5.11定時/計數(shù)器方式2的邏輯結(jié)構(gòu)圖計數(shù)溢出時，由硬件使TF0置“1”產(chǎn)生溢出中斷標(biāo)志，并向CPU請求中斷，此時還自動將THX中的初值重新裝到TLX中去，即重裝初值。計數(shù)個數(shù)M與計數(shù)初值X的關(guān)系如下：

M＝28－X

用于定時功能時，定時時間t的計算公式為：t＝M×機器周期＝(28－X)×機器周期；若晶振頻率為12MHz，機器周期則為1μs，初值X＝0～255時，可定時范圍為1μs～256μs。

除此之外，方式2控制也與方式1類似。

4.方式3

方式3只適用于定時器T0。T0分成為兩個獨立的8位計數(shù)器TL0和TH0，在使用時應(yīng)注意以下幾個特點。

(1)TL0：可作為定時/計數(shù)器使用，占用了T0的控制位(C/T、GATE、TR0、TF0和INT0)，其功能和操作與方式0或方式1完全相同；TH0：只能作定時器用，僅占據(jù)了定時器T1的兩個控制信號TR1和TF1。因此，TH0不受外部INT1門控，TH0的啟﹑停受TR1控制，TH0的溢出將置位TF1。

(2)TH0：只能作為定時器運行，當(dāng)T0為方式3時，定時器T1雖仍可用于方式0、1、2，但不能使用中斷方式。當(dāng)作為波特率發(fā)生器使用時，只需設(shè)置好工作方式，便可自行運行。如要停止工作，只需送入1個把它設(shè)置為方式3的方式控制字就可以了。由于定時器T1不能在方式3下使用，如果硬把它設(shè)置為方式3，就相當(dāng)于停止工作。方式3的邏輯結(jié)構(gòu)如圖5.12所示。

圖5.12定時/計數(shù)器方式3的邏輯結(jié)構(gòu)圖

5.2.4定時/計數(shù)器的應(yīng)用舉例

MCS51單片機中的定時/計數(shù)器是可編程的，一般要求在使用之前必須進行初始化。在編程時需要注意兩個事項：正確寫入控制字；正確計算計數(shù)初值。

1.初始化步驟

(1)確定工作方式：對TMOD各位按功能賦值。

(2)預(yù)置定時或計數(shù)初值：可以直接將初值寫入TH0、TH1或TL0、TL1中。

(3)根據(jù)需要開放定時/計數(shù)器中斷：直接對IE中的位進行位操作。

(4)啟動定時/計數(shù)器，分為兩種情況：①采用軟件啟動時，將對應(yīng)的TR0或TR1置1；

②采用外部中斷啟動時，則需要給外部中斷引腳(INT0或INT1)加啟動電平。

當(dāng)實現(xiàn)了啟動要求后，定時器就按規(guī)定的工作方式和初值進行計數(shù)或定時。

2.定時/計數(shù)器的初值計算

由于定時/計數(shù)器有4種工作方式，不同工作方式下,計數(shù)器的位數(shù)不同，其最大計數(shù)模值也不同。設(shè)最大計數(shù)模值為N，晶振頻率為12MHz，則各方式的N表達式為：方式0：13位計數(shù)器，N＝213＝8192，最大定時時間是8.192ms；

方式1：16位計數(shù)器，N＝216＝65536，最大定時時間是65.536ms；

方式2：8位計數(shù)器，N＝28＝256，最大定時時間是0.256ms；

方式3：定時器0分成兩個8位計數(shù)器，所以兩個N都是256；定時器1停止計數(shù)。定時器/計數(shù)器工作時，是從計數(shù)初值開始加1計數(shù)的，并在計數(shù)到最大值(全“1”)時，溢出產(chǎn)生中斷。定時工作時，初值X計算如下：

其中,Ttiming是定時時間，TOSC是單片機的晶振周期，12TOSC是機器周期。

例5.6設(shè)單片機工作在12MHz主頻下，要產(chǎn)生100μs的定時時間，請問工作于方式2時，計數(shù)器初值應(yīng)該是多少？分析：工作主頻是12MHz，則機器周期是1μs，計數(shù)次數(shù)為

100μs1μs＝100次

工作在方式2，則計數(shù)初值為

X＝N－100＝256－100＝156＝9CH

例5.7若單片機時鐘頻率是12MHz，計算定時1ms所需的定時器初值。分析：定時器工作在方式3和方式2下時最大定時時間僅為0.256ms，所以該例必須選擇工作方式為方式0或方式1。所以剩下的工作主要就是根據(jù)定時1ms得知需要加1的次數(shù)為1000次，然后計算定時初值。

若采用方式0，定時器初值為X＝N－計數(shù)值＝8192－1000＝7192＝1C18H＝1110000011000B

在二進制表達式中用空格區(qū)分傳給不同寄存器的值，即

TH0＝11100000B＝E0H

TL0＝11000B＝18H(TL0只用低5位，高3位補0)

若采用方式1，定時器初值為X＝N－計數(shù)值＝65536－1000＝64536＝FC18H即TH0＝FCH，TL0＝18H

3.定時/計數(shù)器應(yīng)用實例

例5.8方式1應(yīng)用：利用定時/計數(shù)器(T0)的方式1，產(chǎn)生一個50Hz的方波，此方波由P1.0引腳輸出，晶振頻率為12MHz。圖5.1350Hz方波示意圖分析：方波頻率f＝50Hz，則周期T＝1/50＝0.02s，如果讓定時器計滿0.01s，P1.0輸出“0”，再計滿0.01s，P1.0輸出“1”，就能滿足要求如圖5.13所示。所以此題轉(zhuǎn)化為由T0產(chǎn)生0.01s定時的問題。

實現(xiàn)方法有兩種：

(1)查詢方式：通過查詢T0的溢出標(biāo)志TF0是否為“1”。當(dāng)TF＝1時，定時時間已到，對P1.0取反操作。

(2)中斷方式：CPU正常執(zhí)行主程序，一旦定時時間到，TF0＝1向CPU申請中斷，CPU響應(yīng)了T0的中斷，就執(zhí)行中斷程序，在中斷程序里對P1.0取反操作。解題步驟：

①計數(shù)初值：由于晶振為12MHz，所以1個機器周期為1μs。設(shè)定時0.01s的計數(shù)初值為X，則有(216－X)×1×10－6μs＝0.01s，X＝55536＝D8F0H，因此在程序中應(yīng)給THX、TLX賦值，采用定時器T0，則(TH0)＝0D8H，(TL0)＝0F0H。

②確定TMOD方式字：GATE＝0，C/T＝0，M1M0＝01,可取方式控制字為TMOD＝01H，即T0的方式1。③源程序如下：

查詢方式:ORG0000H

LJMPMAIN；跳轉(zhuǎn)到主程序

ORG0100H；主程序

MAIN：MOVTMOD，#01H；置T0工作于方式1

LOOP：MOVTH0，#0D8H；裝入計數(shù)初值

MOVTL0，#0F0H

SETBTR0；啟動定時器T0

JNBTF0，$；TF0＝0，定時時間未到，等待

CLRTF0；TF0＝1，定時時間到，清TF0

CPLP1.0；P1.0取反輸出

SJMPLOOP

END

中斷方式:ORG0000H

LJMPMAIN；跳轉(zhuǎn)到主程序

ORG000BH；T0的中斷入口地址

LJMPT0_INT；轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序

ORG0100H

MAIN：MOVTMOD，#01H；置T0工作于方式1

MOVTH0，#0D8H；裝入計數(shù)初值

MOVTL0，#0F0H

SETBET0；T0開中斷

SETBEA；CPU開中斷

SETBTR0；啟動T0

…；繼續(xù)執(zhí)行主程序其它部分

SJMP$；等待中斷

T0_INT：CPLP1.0；P1.0取反輸出

MOVTH0，#0D8H；重新裝入計數(shù)初值

MOVTL0，#0F0H

RETI；中斷返回

END例5.9方式2應(yīng)用：用T1方式2計數(shù)，要求每計滿100次，將P1.0端取反。

分析：外部計數(shù)信號由T1(P3.5)引入，每跳變一次計數(shù)器加1，由程序查詢TF1。

①計數(shù)初值：X＝N－計數(shù)值＝256－100＝156＝9CH，TH1＝TL1＝9CH。

②確定TMOD方式字：根據(jù)題意,可設(shè)置TMOD＝60H。

③源程序如下：MOVTMOD，#60H；設(shè)置T1為方式2計數(shù)器

MOVTH1，#9CH；賦初值

MOVTL1，#9CH；

SETBTR1；啟動計數(shù)器工作

DEL：JBCTF1，REP；查詢是否計數(shù)溢出

AJMPDEL；

REP：CPLP1.0；若計數(shù)溢出，則輸出取反

AJMPDEL

例5.10方式3應(yīng)用：設(shè)晶振頻率為6MHz，定時/計數(shù)器T0工作于方式3，TL0和TH0作為兩個獨立的8位定時器，通過TL0和TH0的中斷分別使P1.0和P1.1口產(chǎn)生400μs和800μs的方波。分析：當(dāng)采用方式3時，對于TH0來說，需要借用定時器T1的控制信號。

①計算計數(shù)初值：

X0＝28－200×10－62×10－6＝156＝9CH

X1＝28－400×10－62×10－6＝56＝38H

②確定TMOD方式字：對定時器T0來說，M1M0＝11、C/T＝0、GATE＝0，定時器T1不用，取為全0,則TMOD＝00000011B＝03H

③程序如下：

ORG1000H;主程序

MAIN：MOVTMOD，#03H;T0工作于方式3

MOVTL0，#9CH;置計數(shù)初值

MOVTH0，#38H

SETBTR0;啟動TL0

SETBET0;允許T0中斷(用于TL0)

SETBTR1;啟動TH0

SETBET1;允許T1中斷(用于TH0)

SETBEA;CPU開中斷

HALT：SJMPHALT;暫停，等待中斷

ORG000BH;TL0中斷服務(wù)程序

CPLP1.0;P1.0取反

MOVTL0，#9CH;重新裝入計數(shù)初值

RETI;中斷返回

ORG001BH;TH0中斷服務(wù)程序

CPLP1.1;P1.1取反

MOVTH0，#38H;重新裝入計數(shù)初值

RETI;中斷返回

在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中往往存在多個控制單元，其中控制單元之間的通信無疑是支撐整個控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。常用的通信方式有：并行通信、串行通信、以太網(wǎng)通信及現(xiàn)場總線通信等。由于串行通信具有結(jié)構(gòu)簡單、使用信號線少、成本低廉等優(yōu)點，所以是控制系統(tǒng)中最簡單、使用最廣泛的一種通信方式。5.3串行接口5.3.1串行通信的基本概念

1.并行通信與串行通信

計算機的數(shù)據(jù)交換(傳送)方式可分為兩種：并行通信和串行通信。

1)并行通信

在數(shù)據(jù)傳輸時，如果一個數(shù)據(jù)編碼字符的所有位都同時發(fā)送、并排傳輸，又同時被接收，則將這種傳送方式稱為并行通信。并行通信要求物理信道為并行內(nèi)總線或者并行外總線。并行通信的特點是傳送速度快、效率高。但由于需要的傳送數(shù)據(jù)線多，因而傳輸成本高。并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x通常小于30米。在計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送都是并行傳送的。

2)串行通信

在數(shù)據(jù)傳輸時，如果一個數(shù)據(jù)編碼字符的所有位都不是同時發(fā)送，而是按一定順序，一位接一位地在信道中被發(fā)送和接收，則將這種傳送方式稱為串行通信。串行通信的物理信道為串行總線。串行通信可借助串行I/O口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)依次按位發(fā)送或接收，排列成隊，僅用一條傳輸線路。因此，串行通信節(jié)省傳輸成本，尤其對大數(shù)據(jù)量和遠距離數(shù)據(jù)通信,選用該方式最適合。

串行通信的特點是成本低，但速度慢。通常計算機與外界的數(shù)據(jù)傳送大多是采用串行通信，其傳送距離可以從幾米直到上千公里。

2.串行通信的種類

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，可將串行通信分為同步通信和異步通信。

1)同步通信

同步通信是一種數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)拇型ㄐ欧绞?，通信時發(fā)送方把需要發(fā)送的多個字節(jié)數(shù)據(jù)和校驗信息連接起來，組成數(shù)據(jù)塊,如圖5.14所示。發(fā)送時，發(fā)送方只需在數(shù)據(jù)塊前插入1～2個特殊的同步字符，然后按特定速率逐位輸出(發(fā)送)數(shù)據(jù)塊內(nèi)的各位數(shù)據(jù)。接收方在接收到特定的同步字符后，也按相同速率接收數(shù)據(jù)塊內(nèi)的各位數(shù)據(jù)。在這種通信方式中，數(shù)據(jù)塊內(nèi)的各位數(shù)據(jù)之間沒有間隔，傳輸效率高，但發(fā)送、接收雙方必須保持同步(使用同一時鐘信號)，且數(shù)據(jù)塊長度越大，對同步要求就越高。因此，同步通信的特點是：傳輸效率高，但設(shè)備復(fù)雜(發(fā)送方能自動插入同步字符，接收方能自動檢出同步字符，且發(fā)送和接收時鐘相同，即除了數(shù)據(jù)線外，還需要時鐘線)，成本高，一般只用在高速數(shù)字通信系統(tǒng)中。典型的同步通信格式如下：

圖5.14同步通信幀格式

2)異步通信

異步通信是以字符幀為單位進行傳輸。每幀數(shù)據(jù)由4部分組成：起始位(占1位)、數(shù)據(jù)位(占５～８位)、奇偶校驗位(占１位，也可以沒有校驗位)、停止位(占1或2位),如圖5.15所示。圖中給出的是8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗位、1位停止位和1位起始位，共11位組成一個傳輸幀。

圖5.15異步通信幀格式對于發(fā)送方，傳送時先輸出起始位“0”作為聯(lián)絡(luò)信號，接下來