《單片機(jī)原理、接口與C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》課件第5章

第5章MCS-51的中斷5.1概述5.2MCS-51中斷系統(tǒng)5.3中斷處理5.4中斷程序的編寫與外部中斷的擴(kuò)充

5.1概述

1.中斷的概念

在人們的日常生活中，中斷的例子是非常普遍的。例如，當(dāng)你正在上網(wǎng)時(shí)，電話鈴響了，你會(huì)中斷上網(wǎng)而去接電話，在通話期間，門鈴又響了，你會(huì)告訴對(duì)方暫停一下，去開(kāi)門，而后回去接電話，通話結(jié)束后，再繼續(xù)上網(wǎng)。這當(dāng)中不但有中斷，而且有中斷嵌套。

中斷就是當(dāng)CPU正在執(zhí)行程序時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部或外部發(fā)生了某一事件，請(qǐng)求CPU迅速處理，于是CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序處理所發(fā)生的事件，處理完該突發(fā)事件后，再回到原來(lái)被中斷的地方，繼續(xù)原來(lái)的工作。中斷過(guò)程如圖5.1所示。圖5.1中斷過(guò)程產(chǎn)生中斷請(qǐng)求的事件稱為中斷源。中斷源可以分為硬件中斷和軟件中斷。CPU處理中斷的過(guò)程稱為中斷響應(yīng)。中斷響應(yīng)后CPU將執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。中斷源每發(fā)出一次中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)一次。中斷服務(wù)程序執(zhí)行結(jié)束之后，CPU返回主程序稱為中斷返回。中斷服務(wù)程序和子程序有本質(zhì)上的區(qū)別：子程序是主程序的一部分，需要在主程序中主動(dòng)調(diào)用才能執(zhí)行；中斷服務(wù)程序是相應(yīng)的中斷源調(diào)用的，不但與主程序無(wú)關(guān)，還會(huì)中斷主程序的執(zhí)行。

當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)中斷源時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)中斷源同時(shí)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求的情況，但CPU任何一個(gè)時(shí)刻只能對(duì)其中一個(gè)中斷請(qǐng)求作出響應(yīng)，這要靠中斷的優(yōu)先級(jí)來(lái)完成。通常給每個(gè)中斷源指定中斷響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)別，CPU按中斷源的優(yōu)先級(jí)別的高低順序響應(yīng)各個(gè)中斷發(fā)出的中斷請(qǐng)求。

2.中斷的功能

中斷系統(tǒng)是單片機(jī)的重要組成部分。利用中斷技術(shù)可以更好地發(fā)揮單片機(jī)系統(tǒng)的處理能力，提高CPU的工作效率，及時(shí)響應(yīng)突發(fā)事件，有效地解決CPU與外設(shè)之間的速度匹配問(wèn)題，提高CPU的工作效率和實(shí)時(shí)處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)外部設(shè)備的管理。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中中斷的功能主要有：

(1)實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)的速度匹配。CPU速度非常快，而外設(shè)(如打印機(jī))的速度一般都不快，這樣CPU可以分時(shí)為外設(shè)服務(wù)，外設(shè)有請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)外設(shè)，外設(shè)無(wú)請(qǐng)求時(shí)，執(zhí)行主程序。

(2)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制?，F(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)可以隨時(shí)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，在滿足中斷服務(wù)的條件時(shí)，CPU轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，馬上處理響應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的及時(shí)處理。在單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)料想不到的情況和故障(存儲(chǔ)出錯(cuò)、運(yùn)算溢出等)，有了中斷，單片機(jī)就可以利用中斷及時(shí)自行處理這些故障。

(4)可以通過(guò)外設(shè)(如鍵盤)來(lái)請(qǐng)求中斷，實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系。 5.2MCS-51中斷系統(tǒng)

MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)如圖5.2所示。圖5.2MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

1.中斷請(qǐng)求標(biāo)志寄存器TCON

中斷請(qǐng)求標(biāo)志寄存器TCON用于鎖存定時(shí)器和外部中斷的中斷請(qǐng)求，其字節(jié)地址為88H。該寄存器有位地址，能進(jìn)行位尋址。TCON各位的定義如表5.1所示。表5.1中斷請(qǐng)求標(biāo)志寄存器TCON

2.串口控制寄存器SCON

SCON是用于串口控制的特殊功能寄存器，字節(jié)地址為98H，有位地址，能進(jìn)行位尋址。SCON的低兩位鎖存串口的接收中斷請(qǐng)求和發(fā)送中斷請(qǐng)求。SCON各位的定義如表5.2所示。表5.2串口控制寄存器SCON

3.定時(shí)器T2控制寄存器T2CON

MCS-51單片機(jī)的52子系列有1個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2，對(duì)其控制的寄存器為T2CON，字節(jié)地址為C8H，有位地址，能進(jìn)行位尋址。T2CON的高2位用于鎖存T2的中斷請(qǐng)求。T2CON各位的定義如表5.3所示。表5.3定時(shí)器T2控制寄存器T2CON5.2.2中斷控制

1.中斷允許控制寄存器IE(A8H)

MCS-51單片機(jī)中對(duì)各中斷源的允許和屏蔽是通過(guò)中斷允許控制寄存器IE來(lái)完成的。IE的字節(jié)地址為A8H，有位地址，能進(jìn)行位尋址。IE各位的定義如表5.4所示。表5.4中斷允許控制寄存器IE

2.中斷優(yōu)先控制寄存器IP

MCS-51單片機(jī)的6個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)分為2級(jí)，每個(gè)中斷源均可設(shè)置為高級(jí)中斷和低級(jí)中斷，并可實(shí)現(xiàn)2級(jí)中斷嵌套，中斷的優(yōu)先級(jí)是通過(guò)中斷優(yōu)先控制寄存器IP設(shè)置的。IP寄存器的字節(jié)地址為B8H，可以進(jìn)行位尋址，各位的定義如表5.5所示。表5.5中斷優(yōu)先控制寄存器IP綜上，若某位置為“1”，則相應(yīng)的中斷源設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)；若某位清“0”，則相應(yīng)的中斷設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)。MCS-51單片機(jī)復(fù)位后，IP低6位全部被清“0”，將所有中斷源設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)中斷。中斷的優(yōu)先要靠用戶在軟件中對(duì)IP進(jìn)行設(shè)計(jì)。中斷優(yōu)先級(jí)要遵循下列3條原則：

(1)低優(yōu)先級(jí)中斷可以被高優(yōu)先級(jí)中斷所中斷，反之則不能。

(2)任何一種中斷一旦得到響應(yīng)，就不會(huì)被同優(yōu)先級(jí)或低優(yōu)先級(jí)中斷所中斷，即若某一中斷被設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)中斷，則在執(zhí)行該中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)，不能被其它任何中斷源的中斷請(qǐng)求所中斷。

(3)當(dāng)幾個(gè)相同優(yōu)先級(jí)中斷同時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU按照自然優(yōu)先級(jí)順序響應(yīng)各個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求。自然優(yōu)先級(jí)順序如表5.6所示。表5.6同級(jí)中斷的優(yōu)先級(jí) 5.3中斷處理

5.3.1中斷響應(yīng)

1.中斷響應(yīng)條件

MCS-51的CPU響應(yīng)中斷的首要條件是中斷源要有請(qǐng)求，且中斷允許，即寄存器IE的總允許位EA=1，申請(qǐng)中斷的中斷源對(duì)應(yīng)的IE相應(yīng)位為1。CPU在每一個(gè)機(jī)器周期的S5P2狀態(tài)，對(duì)所有中斷源按照用戶設(shè)置的優(yōu)先級(jí)和自然優(yōu)先級(jí)進(jìn)行順序檢測(cè)，并在S6狀態(tài)找到所有有效的中斷請(qǐng)求。在滿足下列條件時(shí)，CPU在下一個(gè)機(jī)器周期的S1狀態(tài)開(kāi)始響應(yīng)中斷，否則，丟棄中斷采樣的結(jié)果。

(1)無(wú)同級(jí)或高級(jí)中斷正在服務(wù)。

(2)現(xiàn)行指令執(zhí)行完最后一個(gè)機(jī)器周期，即要等到當(dāng)前執(zhí)行的指令執(zhí)行結(jié)束。

(3)若現(xiàn)行指令為RETI或需要訪問(wèn)特殊功能寄存器IE或IP的指令，則執(zhí)行完該指令且該指令緊接著的下一條指令也要執(zhí)行完。

2.中斷響應(yīng)過(guò)程

CPU響應(yīng)中斷過(guò)程如下：

(1)置位相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)有效觸發(fā)器(中斷系統(tǒng)包含兩個(gè)不可編程的優(yōu)先級(jí)有效觸發(fā)器，一個(gè)用于已進(jìn)入高優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)，另一個(gè)用于已進(jìn)入低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù))。

(2)由硬件自動(dòng)將當(dāng)前指令的下一條指令的地址送入堆棧，進(jìn)行斷點(diǎn)保護(hù)。

(3)根據(jù)中斷標(biāo)記，將相應(yīng)的中斷入口地址送入程序計(jì)數(shù)器PC，程序轉(zhuǎn)到中斷入口處執(zhí)行中斷服務(wù)程序。各個(gè)中斷源在程序存儲(chǔ)器中的中斷入口地址如表5.7所示。表5.7中斷服務(wù)程序的入口地址

3.中斷響應(yīng)時(shí)間

中斷響應(yīng)時(shí)間指從開(kāi)始查詢中斷請(qǐng)求標(biāo)志位到轉(zhuǎn)向中斷入口地址所需的機(jī)器周期數(shù)。在單級(jí)中斷系統(tǒng)中，中斷的響應(yīng)時(shí)間最短為3個(gè)機(jī)器周期，最長(zhǎng)為8個(gè)機(jī)器周期。

中斷請(qǐng)求標(biāo)志位查詢占1個(gè)機(jī)器周期。若這個(gè)機(jī)器周期又恰好是指令的最后一個(gè)機(jī)器周期，則在這個(gè)機(jī)器周期結(jié)束后，CPU響應(yīng)中斷，產(chǎn)生硬件長(zhǎng)調(diào)用LCALL指令，而執(zhí)行這條長(zhǎng)調(diào)用指令需要2個(gè)機(jī)器周期。這樣，中斷響應(yīng)時(shí)間為3個(gè)機(jī)器周期。

中斷響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)為8個(gè)機(jī)器周期。如果CPU正在執(zhí)行的是RETI或訪問(wèn)IP、IE指令，則等待時(shí)間不會(huì)多于2個(gè)機(jī)器周期，而中斷系統(tǒng)規(guī)定把這幾條指令執(zhí)行完，必須再繼續(xù)執(zhí)行一條指令后才能響應(yīng)中斷，即中斷返回后至少要執(zhí)行一條主程序才能響應(yīng)下一中斷的請(qǐng)求。如果這條指令恰好是4個(gè)機(jī)器周期長(zhǎng)的指令，再加上執(zhí)行長(zhǎng)調(diào)用指令LCALL所需的2個(gè)機(jī)器周期，則總共需要8個(gè)機(jī)器周期。

5.3.2中斷返回與撤銷

1.中斷返回

中斷程序的最后一條指令一定是RETI。CPU從中斷服務(wù)程序的入口地址開(kāi)始執(zhí)行程序直到遇見(jiàn)RETI，RETI表示中斷服務(wù)程序結(jié)束。CPU執(zhí)行這條指令后，首先要清除中斷響應(yīng)時(shí)置位的中斷優(yōu)先級(jí)有效觸發(fā)器，而后從棧頂彈出斷點(diǎn)地址送給程序計(jì)數(shù)器PC，那么程序就返回到主程序的中斷處繼續(xù)往下執(zhí)行了。

中斷前硬件只是保護(hù)斷點(diǎn)地址，而沒(méi)有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保護(hù)，所以如果在主程序中用到了如A、PSW等寄存器，并且在中斷程序中也要用它們，就需要保證回到主程序后這些寄存器的數(shù)據(jù)還是沒(méi)執(zhí)行中斷以前的數(shù)據(jù)。這就需要在響應(yīng)中斷之前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，而在執(zhí)行RETI指令后，中斷返回之前恢復(fù)保存起來(lái)的數(shù)據(jù)。

2.中斷請(qǐng)求的撤銷

CPU響應(yīng)中斷后，在中斷返回之前，中斷請(qǐng)求標(biāo)志要及時(shí)清除，否則中斷請(qǐng)求仍然存在，它將會(huì)引起另一次中斷。MCS-51各中斷源請(qǐng)求撤銷的方法各不相同。

(1)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1計(jì)數(shù)溢出產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。硬件自動(dòng)使TF0?=?1、TF1?=?1，向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后，由硬件自動(dòng)使TF0?=?0、TF1?=?0，即中斷自動(dòng)撤銷。圖5.3低電平觸發(fā)的外部中斷的撤銷

(3)串行口的中斷。CPU響應(yīng)中斷后，硬件不能自動(dòng)清除TI和RI標(biāo)志位，所以，在CPU響應(yīng)中斷后，必須在中斷服務(wù)程序中用軟件清除相應(yīng)的中斷標(biāo)志位來(lái)撤銷中斷請(qǐng)求。

(4)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2計(jì)數(shù)溢出產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。外部T2EX(P1.1)引腳上的下降沿也可以發(fā)出中斷請(qǐng)求，相應(yīng)的中斷標(biāo)志為TF2和EXF2，CPU響應(yīng)中斷后，硬件不能自動(dòng)清除TF2或EXF2標(biāo)志位，必須在中斷服務(wù)程序中用軟件清除相應(yīng)的中斷標(biāo)志位來(lái)撤銷中斷請(qǐng)求。

5.4中斷程序的編寫與外部中斷的擴(kuò)充

1.中斷服務(wù)程序的編寫

51系列單片機(jī)中共有5個(gè)中斷源，4個(gè)特殊功能寄存器TCON、SCON、IE和IP。在編寫中