《單片機原理及應用 》課件-第4章

第4章單片機的中斷系統(tǒng)4.1中斷系統(tǒng)的基本概念4.2中斷系統(tǒng)的結構及控制

任務4-1用外部中斷控制LED點亮或熄滅

任務4-2利用中斷設計一個三人搶答器

任務4-3利用中斷設計一個方波脈沖計數(shù)器本章小結習題

4.1中斷系統(tǒng)的基本概念

“中斷”的概念是什么?顧名思義,中斷就是將當前某一工作暫停下來,轉去處理一些與當前工作過程無關或間接相關或臨時發(fā)生的事件,處理完后,再繼續(xù)執(zhí)行原工作。在單片機中,“中斷”是一個很重要的概念。中斷技術的進步使單片機的發(fā)展和應用大大地推進了一步。所以,中斷功能的強弱已成為衡量單片機功能完善與否的重要指標。

單片機采用中斷技術后,大大提高了它的工作效率和處理問題的靈活性,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)提高了CPU的工作效率,實現(xiàn)了CPU和外部設備的并行工作。計算機有了中斷功能后,就解決了快速CPU與低速外設之間的矛盾,可以使CPU和外設同時工作。CPU啟動外設以后,繼續(xù)執(zhí)行主程序,同時外設也在工作。當外設把數(shù)據準備好后,就發(fā)出中斷請求,請求CPU中斷正在執(zhí)行的程序,轉去執(zhí)行中斷服務程序(如輸入/輸出處理),中斷服務程序執(zhí)行完之后,CPU恢復執(zhí)行主程序,外設也繼續(xù)工作。這樣,CPU可以指揮多個外設同時工作,從而大大提高了CPU的效率。

(2)實現(xiàn)了實時控制。所謂實時控制,就是要求計算機能及時地響應被控對象提出的分析、計算和控制等請求,使被控對象保持在最佳工作狀態(tài),以達到預定的控制效果。由于這些控制參數(shù)的請求都是隨機發(fā)出的,而且要求單片機必須做出快速響應并及時處理,對此,只有靠中斷技術才能實現(xiàn)。

(3)便于突發(fā)故障(如硬件故障、運算錯誤、電源掉電、程序故障等)的及時發(fā)現(xiàn),提高系統(tǒng)可靠性。若在運行過程中出現(xiàn)了事先預料不到的情況或故障時,如電源掉電、存儲出

錯、運算溢出、傳輸錯誤等,可以利用中斷系統(tǒng)自行處理,而不必停機。

(4)能使用戶通過鍵盤發(fā)出請求,隨時可以對運行中的計算機進行干預。

中斷處理程序類似于程序設計中的調用子程序,但它們又有區(qū)別:中斷的產生是隨機的,它既保護斷點,又保護現(xiàn)場,主要為外設服務和為處理各種事件服務。保護斷點是由硬件自動完成的,保護現(xiàn)場須在中斷處理程序中用相應的指令完成。調用子程序是程序中事先安排好的,它只保護斷點,主要為主程序服務(與外設無關)。

1.中斷的概念

當計算機執(zhí)行正常程序時,系統(tǒng)中出現(xiàn)了某些急需處理的異常情況和特殊請求,這時CPU暫時中止現(xiàn)在正在執(zhí)行的程序,轉去對隨機發(fā)生的緊迫事件進行處理(執(zhí)行中斷服務程序),待該事件處理完畢,CPU自動地回到原來被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行,這個過程稱為“中斷”。

“中斷”之后所執(zhí)行的處理程序通常稱為中斷服務程序或中斷處理子程序;原來執(zhí)行的程序稱為主程序;主程序被中斷的位置(地址)稱為斷點;引起中斷的原因,或能夠發(fā)出中斷申請的來源稱為中斷源。中斷源要求服務的請求稱為中斷請求?！爸袛嗾埱蟆蓖ǔＪ且环N電信號,CPU一旦對這個信號進行檢測和響應便可自動轉入該中斷源的中斷服務程序執(zhí)行,并在執(zhí)行完后自動返回原程序處繼續(xù)執(zhí)行。中斷源不同,中斷服務程序的功能也不同。中斷又可看做CPU自動執(zhí)行中斷服務程序并返回原程序處執(zhí)行的過程。中斷過程如圖4－1所示。圖4－1中斷過程示意圖

2.中斷的處理過程

CPU響應中斷源的中斷請求后,就轉去進行中斷處理。不同的中斷源,其中斷處理內容可能不同,但中斷處理流程都相似,具體如圖4－2所示。圖4－2中斷處理流程

從圖4－2可以看到中斷處理的過程,下面做幾點補充說明:

(1)保護現(xiàn)場與恢復現(xiàn)場。為了使中斷服務程序的執(zhí)行不破壞CPU中寄存器或存儲單元的原有內容,以免在中斷返回后影響主程序的運行,需要把CPU中有關寄存器或存儲單元的內容推入堆棧中保護起來,這就是保護現(xiàn)場。而在中斷服務程序結束時和返回主程序之前,則需要把保護起來的那些現(xiàn)場內容從堆棧中彈出,以便恢復寄存器或存儲單元原有的內容,這就是恢復現(xiàn)場。注意:一定要按先進后出的原則進行推入和彈出堆棧。

(2)開中斷與關中斷。在中斷處理正在進行的過程中,可能又有新的中斷請求到來,一般說來,為防止這種高于當前優(yōu)先級的中斷請求打斷當前的中斷服務程序的執(zhí)行,CPU響應中斷后應關中斷(很多CPU是自動關中斷的,但8051單片機不是自動的,需要用軟件指令關閉),而編寫保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場的程序也應在關閉中斷后進行,以免使保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場的工作被干擾,這樣,就可屏蔽其他中斷請求了。如果想響應更高級的中斷源的中斷請求,那么應在現(xiàn)場保護之后,將CPU處于開中斷的狀態(tài),這樣就使系統(tǒng)具有了中斷嵌套的功能。

(3)中斷服務。中斷服務是中斷處理程序的主要內容,將根據中斷功能去編寫,以滿足用戶的需要。復雜的中斷服務程序也可以采用子程序形式。

(4)中斷返回。中斷返回是把當前運行的中斷服務程序轉回到被中斷請求中斷的主程序上來。

4.2中斷系統(tǒng)的結構及控制

4.2.1中斷系統(tǒng)的結構MCS－51系列單片機的中斷系統(tǒng)結構如圖4－3所示,它由中斷源、中斷源寄存器、中斷允許寄存器、中斷優(yōu)先級控制寄存器等組成。圖4－3MCS－51系列單片機的中斷系統(tǒng)結構

1.中斷源

中斷源是系統(tǒng)中允許請求中斷的事件。當中斷源希望CPU對它服務時,就產生一個中斷請求信號,并加載到CPU中斷請求輸入端,通知CPU,這就形成了對CPU的中斷請求。

在MCS51系列單片機中,中斷源通常有以下幾種:

(1)外部設備中斷源。外部設備主要用于輸入和輸出數(shù)據,所以它是最原始和最廣泛的中斷源。在作為中斷源時,通常要求它在輸入或輸出一個數(shù)據時能自動產生一個“中斷

請求”信號(如TTL高電平或TTL低電平),送到CPU的中斷請求輸入線INT0或INT1,以供CPU檢測和響應。輸入/輸出設備,如鍵盤、打印機等都可以用做中斷源。

(2)被控對象中斷源。在計算機用做實時控制時,被控對象常常被用做中斷源,用于產生中斷請求信號。例如,電壓、電流、溫度、壓力、流量和流速等超越上限和下限,以及

開關和繼電器的閉合或斷開等都可以作為中斷源來產生中斷請求信號,要求CPU通過執(zhí)行中斷服務程序來加以處理。因此,被控對象常常用做實時控制計算機的巨大中斷源。

(3)故障中斷源。故障源是產生故障信息的來源,把它作為中斷源可以使CPU以中斷的方式對已發(fā)生的故障進行及時處理。計算機故障中斷源有內部和外部之分:CPU內部故

障中斷源引起內部中斷,如除法中除數(shù)為零中斷等;CPU外部故障中斷源引起外部中斷,如掉電中斷等。在掉電時,當電壓降低到一定值時,就發(fā)出中斷申請,由中斷系統(tǒng)響應中斷,執(zhí)行中斷服務程序,保護現(xiàn)場和啟用備用電源,以保存存儲器中的信息。待電壓恢復后,繼續(xù)執(zhí)行掉電前的用戶程序。

和上述CPU故障中斷源相似,被控對象的故障源也可用做故障中斷源,以便對被控對象進行應急處理,從而減少系統(tǒng)在發(fā)生故障時的損失。

(4)定時/計數(shù)脈沖中斷源。定時/計數(shù)脈沖中斷源也有內部和外部之分。內部定時/計數(shù)脈沖中斷源是由單片機內部的定時器/計數(shù)器溢出(全“1”變全“0”)時自動產生的;外部定時/計數(shù)脈沖中斷源是由外部定時脈沖通過CPU的中斷請求輸入線或者定時器/計數(shù)器的輸入線引起的。

在51單片機中,單片機的類型不同,其中斷源的個數(shù)和中斷標志位的定義也有差別。以AT89C51單片機為例,有4類5個中斷源,即2個外部中斷源、1個定時器中斷源和1個串行口中斷源。

1)外部中斷源

AT89C51有2個外部中斷源,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(P4.2)和INT1(P4.4)引入。

外部中斷請求方式有電平觸發(fā)方式和邊沿觸發(fā)方式兩種?？梢酝ㄟ^有關寄存器控制位的定義進行設定。電平觸發(fā)方式是低電平有效。在這種方式下,只要單片機在中斷請求輸入端(INT0和INT1)上采樣到有效的低電平,就激活外部中斷。邊沿觸發(fā)方式是脈沖的負跳變有效。在此方式下,CPU在兩個相鄰機器周期對中斷請求引入端進行采樣,如果前一次檢測為高電平,后一次檢測為低電平,即為有效的中斷請求。

2)定時器中斷源

定時器中斷是一種內部中斷,是為滿足定時或計數(shù)的需要而設置的。8051內部有兩個16位的定時器/計數(shù)器(T0和T1),可以實現(xiàn)定時和計數(shù)功能。這兩個定時器/計數(shù)器在內

部定時脈沖或從引腳輸入的計數(shù)脈沖作用下發(fā)生溢出(從全“1”變?yōu)槿?”)時,即向CPU提出溢出中斷請求,以表明定時時間到或計數(shù)值已滿。定時器溢出中斷常用于需要定時控制的場合。

3)串行口中斷源

串行口中斷也是一種內部中斷,它是為數(shù)據的串行傳送需要而設置的。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種。每當串行口發(fā)送或接收完一組數(shù)據時,就會自

動向CPU發(fā)出串行口中斷請求。

中斷源和中斷觸發(fā)方式如表4－1所示。

當某中斷源的中斷請求被CPU響應之后,CPU將把此中斷源的入口地址裝入程序計數(shù)器PC中,中斷服務程序即從此地址開始執(zhí)行。此地址稱為中斷入口地址,亦稱為中斷矢量。在8051單片機中各中斷源與中斷入口的對應關系見表4－2。

2.中斷源寄存器

51單片機的中斷源寄存器有兩個,即定時器控制寄存器(TCON)和串行口控制寄存器(SCON),它們可以向CPU發(fā)出中斷請求,通過其中的中斷標志位的狀態(tài)來標記是哪些中

斷源向CPU發(fā)出了中斷請求。

1)定時器控制寄存器(TCON)

定時器控制寄存器單元地址為88H,位地址為88H~8FH,其相應的位符號見表4－3。

該寄存器具有定時器/計數(shù)器的控制功能和中斷控制功能,其中與中斷有關的控制位共有以下6位:

(1)TF1:T1溢出中斷標志位。當T1產生溢出中斷時,該位由硬件自動置位(即TF1=1);當T1的溢出中斷被CPU響應之后,該位由硬件自動復位(即TF1/0)。定時器溢出中斷標志位的使用有兩種情況:采用中斷方式時,該位作為中斷請求標志位來使用;采用查詢方式時,該位作為查詢狀態(tài)位來使用。

(2)TF0:T0溢出中斷標志位。其功能與TF1類似。

(3)IE1:外部中斷1中斷請求標志位。當CPU檢測到INT1上中斷請求有效時,IE1由硬件自動置位;在CPU響應中斷請求后進入相應中斷服務程序執(zhí)行時,該位由硬件自

動復位。

(4)IT1:外部中斷1觸發(fā)方式標志位。若IT1=1,則為邊沿觸發(fā)方式(下降沿有效);若IT1=0,則為電平觸發(fā)方式(低電平有效)。該位可由軟件置位或復位。

(5)IE0:外部中斷0中斷請求標志位。其功能與IE1類似。

(6)IT0:外部中斷0觸發(fā)方式標志位。其功能與IT1類似。

例4－1若51單片機中斷系統(tǒng)的狀態(tài)是T1有溢出中斷標志,T0無溢出中斷標志,外部中斷1無中斷信號,中斷信號設置為下降沿有效,外部中斷0有中斷信號,中斷信號設置為低電平有效,則定時器控制寄存器TCON里相關位TF1、TF0、IE1、IT1、IE0、IT0的狀態(tài)如何?

由于T1有溢出中斷標志,T0無溢出中斷標志,因此其對應的終端標記位TF1=1、TF0=0;外部中斷1無中斷信號,且中斷信號設置為下降沿有效,則其對應的終端標記位IE1=0、IT1=1;外部中斷0有中斷信號,且中斷信號設置為低電平有效,則其對應的終端標記位IE0=1、IT1=0。

2)串行口控制寄存器(SCON)

串行口控制寄存器單元地址為98H,位地址為98H~9FH,其相應的位符號見表4－4。

SCON中與中斷有關的控制位共有2位,各位含義如下:

(1)TI:串行口發(fā)送中斷標志位。當串行口發(fā)送完一幀串行數(shù)據后,該位由硬件自動置位,但在CPU響應串行口中斷后轉向中斷服務程序執(zhí)行時,該位是不能由硬件自動復位的,因此用戶應在串行口中斷服務程序中通過指令來使它復位。

(2)RI:串行口接收中斷標志位。當串行口接收完一幀串行數(shù)據后,該位由硬件自動置位,同樣該位也不能由硬件自動復位,應由用戶在中斷服務程序中將其復位。

4.2.2中斷系統(tǒng)的控制

51單片機有一個中斷允許控制寄存器(IE)和一個中斷優(yōu)先級控制寄存器(IP)。中斷允許控制寄存器(IE)的功能是控制各個中斷請求能否通過(即是否允許使用各個中斷);中

斷優(yōu)先級控制寄存器(IP)的功能是設置每個中斷的優(yōu)先級。

1.中斷允許控制寄存器(IE)

中斷允許控制寄存器單元地址為A8H,位地址為A8H~AFH,其相應的位符號見表4－5。

IE中與中斷有關的控制位共有6位,各位含義如下:

(1)EA:CPU中斷總允許位。該位狀態(tài)可由用戶通過程序設置:EA=0,CPU禁止所有中斷源的中斷請求,亦稱關中斷;EA=1,CPU開放所有中斷源的中斷請求,但這些中斷請求最終能否被CPU響應還取決于IE中相應中斷源的中斷允許位狀態(tài)。

(2)ES:串行口中斷允許位。若ES=0,禁止串行口中斷;若ES=1,允許串行口中斷。

(3)ET1:T1中斷允許位。若ET1=0,禁止T1中斷;若ET1=1,允許T1中斷。

(4)EX1:外部中斷1中斷允許位。若EX1=0,禁止外部中斷1中斷;若EX1=1,允許外部中斷l(xiāng)中斷。

(5)ET0:T0中斷允許位。若ET0=0,禁止T0中斷;若ET0=1,允許T0中斷。

(6)EX0:外部中斷0中斷允許位。若EX0=0,禁止外部中斷0中斷;若EX0=1,允許外部中斷0中斷。

MCS－51單片機復位以后,IE寄存器中各中斷允許位均被清“0”,禁止所有中斷。

例4－251單片機編程時欲使用中斷系統(tǒng),允許INT0、INT1、T0、T1中斷,則應該如何設置中斷允許控制寄存器IE的值?

按照要求只需將中斷允許控制寄存器IE里中斷總允許位及INT0、INT1、T0、T1中斷允許位打開,設置為1即可。C語言程序代碼可以采用字節(jié)整體操作,也可按位操作,都可以實現(xiàn)要求的效果。

2.中斷優(yōu)先級控制寄存器(IP)

MCS－51單片機的中斷優(yōu)先級控制比較簡單,系統(tǒng)只定義了高、低兩個優(yōu)先級。用戶可利用軟件將每個中斷源設置為高優(yōu)先級中斷或低優(yōu)先級中斷,并可實現(xiàn)兩級中斷嵌套。

高優(yōu)先級中斷源可以中斷正在執(zhí)行的低優(yōu)先級中斷服務程序,除非在執(zhí)行低優(yōu)先級中斷服務程序時設置了CPU關中斷或禁止某些高優(yōu)先級中斷源的中斷。同級或低優(yōu)先級中斷源不能中斷正在執(zhí)行的中斷服務程序。

中斷優(yōu)先級控制寄存器為特殊功能寄存器,單元地址為B8H,位地址為B8H~BFH,其相應位符號見表4－6。

IP寄存器中與中斷有關的控制位共有5位,各位含義如下:

(1)PS:串行口中斷優(yōu)先級控制位。若PS=0,設定串行口中斷為低優(yōu)先級中斷;若PS=1,設定串行口中斷為高優(yōu)先級中斷。

(2)PT1:T1中斷優(yōu)先級控制位。若PT1=0,設定T1為低優(yōu)先級中斷;若PT1=1,設定T1為高優(yōu)先級中斷。

(3)PX1:外部中斷1中斷優(yōu)先級控制位。若PX1=0,設定外部中斷1為低優(yōu)先級中斷;若PX1=1,設定外部中斷1為高優(yōu)先級中斷。

(4)PT0:T0中斷優(yōu)先級控制位。若PT0=0,設定T0為低優(yōu)先級中斷;若PT0=1,設定T0為高優(yōu)先級中斷。

(5)PX0:外部中斷0中斷優(yōu)先級控制位。若PX0=0,設定外部中斷0為低優(yōu)先級中斷;若PX0=1,設定外部中斷0為高優(yōu)先級中斷。

系統(tǒng)復位后,IP寄存器中各優(yōu)先級控制位均被清“0”,即將所有中斷源設置為低優(yōu)先級中斷。

例4－3編寫程序段,設置單片機的兩個外部中斷和串行口中斷為高優(yōu)先級,兩個定時器的中斷為低優(yōu)先級。

按題意分析可以看出,需要將兩個外部中斷和串行口中斷在中斷優(yōu)先級控制寄存器(IP)的優(yōu)先級別控制位設置為1,即高優(yōu)先級。

按字節(jié)操作:

IP=0x15;

按位操作:

PX0=1;//設置外中斷0為高級中斷

PX1=1;//設置外中斷1為高級中斷

PS=1;//設置串行口中斷為高優(yōu)先級

MCS－51單片機對中斷優(yōu)先級的處理原則是:

(1)不同級的中斷源同時申請中斷時,先處理高優(yōu)先級中斷后處理低優(yōu)先級中斷。

(2)處理低級中斷又收到高級中斷請求時,停止處理低優(yōu)先級中斷轉而處理高優(yōu)先級中斷。

(3)正在處理高級中斷卻收到低級中斷請求時,不理睬低優(yōu)先級中斷。

(4)同一級的中斷源同時申請中斷時,通過內部硬件查詢邏輯按優(yōu)先級順序確定應響應哪個中斷申請,其優(yōu)先級順序由硬件電路形成,見表4－7。

一個中斷源的中斷請求被響應,需滿足以下必要條件。

(1)CPU開中斷,即IE寄存器中的中斷總允許位EA=1。

(2)中斷源發(fā)出中斷請求,即該中斷源所對應的中斷請求標志位為1。

(3)中斷源的中斷允許位為1,即該中斷沒有被屏蔽。

(4)無同級或更高級中斷正在被服務。

任務4－1用外部中斷控制LED點亮或熄滅

任務目的利用單片機外接的一個按鍵產生外部中斷0信號,通過中斷的方式控制單片機P1口的一個LED點亮或熄滅。任務準備設備及軟件:萬用表、計算機、KeilμVision4軟件、Proteus軟件。

任務實施

1.任務分析

采用單片機外部中斷0引腳外接的按鍵,以中斷方式控制LED發(fā)光二極管D1的點亮與熄滅,觀察任務實施效果。任務的Proteus原理圖如圖4－4所示。圖4－4中斷控制LED亮滅的電路原理圖

2.軟件仿真

(1)打開Keil軟件,在軟件中輸入任務程序,對程序進行編譯,直至沒有錯誤,并生成相應的hex文件。

(2)打開Proteus軟件,繪制如圖4－4所示的電路,導入編譯后生成的hex文件,運行程序,觀察仿真效果,如圖4－5所示。．

任務結論

通過按鍵產生單片機的中斷信號,以中斷的方式來控制P1口上一個LED點亮與熄滅,實現(xiàn)中斷信號的產生和處理。圖4－5中斷控制LED亮滅的仿真效果圖

任務4－2利用中斷設計一個三人搶答器

任務目的采用中斷的方式設計一個三人搶答器,完成三人搶答的結果判斷,并將最終搶答結果送數(shù)碼管顯示。任務準備設備及軟件:萬用表、計算機、KeilμVision4軟件、Proteus軟件。

任務實施

1.任務分析

采用單片機設計三人搶答器,參考電路圖如圖4－6所示。S1、S2、S3分別為三個搶答按鍵,S4為主持人按鍵。當主持人按下按鍵后,三位選手可以按鍵搶答,并將按鍵最快的

選手號送至數(shù)碼管模塊進行顯示。圖4－6三人搶答器電路圖

2.軟件仿真

(1)打開Keil軟件,在軟件中輸入任務程序,對程序進行編譯,直至沒有錯誤,并生成相應的hex文件。

(2)打開Proteus軟件,繪制如圖4－6所示的電路,導入編譯后生成的hex文件,運行程序,觀察仿真效果,如圖4－7所示。

任務結論

通過主持人按鍵產生單片機的中斷信號,在中斷子程序中判斷三名選手按鍵的快慢,并將搶答選手號碼送至數(shù)碼管顯示。圖4－7三人搶答器的仿真效果圖

任務4－3利用中斷設計一個方波脈沖計數(shù)器

任務目的設計一個函數(shù),采用單片機實現(xiàn)一個計數(shù)器,該計數(shù)器利用中斷的方式來實現(xiàn)方波計數(shù)功能,并通過數(shù)碼管觀察。任務準備設備及軟件:萬用表、計算機、KeilμVision4軟件、Proteus軟件。

任務實施

1.任務分析

采用單片機實現(xiàn)該計數(shù)器,利用中斷的方式來實現(xiàn)方波計數(shù)功能,并通過數(shù)碼管觀察。

2.軟件仿真

(1)打開Keil軟件,在軟件中輸入任務程序,對程序進行編譯,直至沒有錯誤,并生成相應的hex文件。

(2)打開Proteus軟件,繪制如圖4－8所示的電路,導入編譯后生成的hex文件,運行程序,觀察仿真效果,如圖4－9所示。圖4－8中斷方式實現(xiàn)方波計數(shù)器的電路原理圖圖4－9中斷方式實現(xiàn)方波計數(shù)器的仿真效果圖

任務結論

采用中斷方式實現(xiàn)方波計數(shù)器,在外部方波脈