80C51的中斷系統(tǒng)及定時計數(shù)器課件

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80C51的中斷系統(tǒng)及定時/計數(shù)器

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5.180C51的中斷系統(tǒng)

5.1.180C51的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一、中斷的概念電腦具有即時處理能力，能對外界發(fā)生的事件進行及時處理,這是依靠它們的中斷系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

CPU在處理某一事件A時，發(fā)生了另一事件B請求CPU迅速去處理（中斷發(fā)生）；CPU暫時中斷當前的工作，轉(zhuǎn)去處理事件B（中斷回應(yīng)和中斷服務(wù)）；待CPU將事件B處理完畢後，再回到原來事件A被中斷的地方繼續(xù)處理事件A（中斷返回），這一過程稱為中斷。3

引起CPU中斷的根源，稱為中斷源。中斷源向CPU提出的中斷請求。CPU暫時中斷原來的事務(wù)A，轉(zhuǎn)去處理事件B。對事件B處理完畢後，再回到原來被中斷的地方（即中斷點），稱為中斷返回。實現(xiàn)上述中斷功能的部件稱為中斷系統(tǒng)（中斷機構(gòu)）。4

隨著電腦技術(shù)的應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)中斷技術(shù)不僅解決了快速主機與慢速I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送問題，而且還具有如下優(yōu)點：分時操作。CPU可以分時為多個I/O設(shè)備服務(wù)，提高了電腦的利用率；即時回應(yīng)。CPU能夠及時處理應(yīng)用系統(tǒng)的隨機事件，系統(tǒng)的即時性大大增強；可靠性高。CPU具有處理設(shè)備故障及掉電等突發(fā)性事件的能力，從而使系統(tǒng)可靠性提高。5

二、80C51中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

80C51的中斷系統(tǒng)有5個中斷源，2個優(yōu)先順序，可實現(xiàn)二級中斷嵌套

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5.1.280C51的中斷源

一、中斷源1、（P3.2）?？捎蒊T0(TCON.0)選擇其為低電平有效還是下降沿有效。當CPU檢測到P3.2引腳上出現(xiàn)有效的中斷信號時，中斷標誌IE0(TCON.1)置1，向CPU申請中斷。2、（P3.3）。可由IT1(TCON.2)選擇其為低電平有效還是下降沿有效。當CPU檢測到P3.3引腳上出現(xiàn)有效的中斷信號時，中斷標誌IE1(TCON.3)置1,向CPU申請中斷。3、TF0（TCON.5），片內(nèi)定時/計數(shù)器T0溢出中斷請求標誌。當定時/計數(shù)器T0發(fā)生溢出時，置位TF0，並向CPU申請中斷。4、TF1（TCON.7），片內(nèi)定時/計數(shù)器T1溢出中斷請求標誌。當定時/計數(shù)器T1發(fā)生溢出時，置位TF1，並向CPU申請中斷。5、RI（SCON.0）或TI（SCON.1），串行口中斷請求標誌。當串行口接收完一幀串行數(shù)據(jù)時置位RI或當串行口發(fā)送完一幀串行數(shù)據(jù)時置位TI，向CPU申請中斷。

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二、中斷請求標誌1、TCON的中斷標誌

IT0（TCON.0），外部中斷0觸發(fā)方式控制位。當IT0=0時，為電平觸發(fā)方式。當IT0=1時，為邊沿觸發(fā)方式（下降沿有效）。IE0（TCON.1），外部中斷0中斷請求標誌位。IT1（TCON.2），外部中斷1觸發(fā)方式控制位。IE1（TCON.3），外部中斷1中斷請求標誌位。TF0（TCON.5），定時/計數(shù)器T0溢出中斷請求標誌位。TF1（TCON.7），定時/計數(shù)器T1溢出中斷請求標誌位。

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2、SCON的中斷標誌

RI（SCON.0），串行口接收中斷標誌位。當允許串行口接收數(shù)據(jù)時，每接收完一個串行幀，由硬體置位RI。同樣，RI必須由軟體清除。TI（SCON.1），串行口發(fā)送中斷標誌位。當CPU將一個發(fā)送數(shù)據(jù)寫入串行口發(fā)送緩衝器時，就啟動了發(fā)送過程。每發(fā)送完一個串行幀，由硬體置位TI。CPU回應(yīng)中斷時，不能自動清除TI，TI必須由軟體清除。

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一、中斷允許控制

CPU對中斷系統(tǒng)所有中斷以及某個中斷源的開放和遮罩是由中斷允許寄存器IE控制的。

5.1.380C51中斷的控制

EX0(IE.0)，外部中斷0允許位；ET0(IE.1)，定時/計數(shù)器T0中斷允許位；EX1(IE.2)，外部中斷0允許位；ET1(IE.3)，定時/計數(shù)器T1中斷允許位；ES（IE.4)，串行口中斷允許位；EA(IE.7)，CPU中斷允許（總允許）位。10

二、中斷優(yōu)先順序控制

80C51單片機有兩個中斷優(yōu)先順序，即可實現(xiàn)二級中斷服務(wù)嵌套。每個中斷源的中斷優(yōu)先順序都是由中斷優(yōu)先順序寄存器IP中的相應(yīng)位的狀態(tài)來規(guī)定的

。PX0（IP.0），外部中斷0優(yōu)先順序設(shè)定位；PT0（IP.1），定時/計數(shù)器T0優(yōu)先順序設(shè)定位；PX1（IP.2），外部中斷0優(yōu)先順序設(shè)定位；PT1（IP.3），定時/計數(shù)器T1優(yōu)先順序設(shè)定位；PS（IP.4），串行口優(yōu)先順序設(shè)定位。11

同一優(yōu)先順序中的中斷申請不止一個時，則有中斷優(yōu)先權(quán)排隊問題。同一優(yōu)先順序的中斷優(yōu)先權(quán)排隊，由中斷系統(tǒng)硬體確定的自然優(yōu)先順序形成，其排列如所示：12

80C51單片機的中斷優(yōu)先順序有三條原則：CPU同時接收到幾個中斷時，首先回應(yīng)優(yōu)先順序別最高的中斷請求。正在進行的中斷過程不能被新的同級或低優(yōu)先順序的中斷請求所中斷。正在進行的低優(yōu)先順序中斷服務(wù)，能被高優(yōu)先順序中斷請求所中斷。

為了實現(xiàn)上述後兩條原則，中斷系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有兩個用戶不能尋址的優(yōu)先順序狀態(tài)觸發(fā)器。其中一個置1，表示正在回應(yīng)高優(yōu)先順序的中斷，它將阻斷後來所有的中斷請求；另一個置1，表示正在回應(yīng)低優(yōu)先順序中斷，它將阻斷後來所有的低優(yōu)先順序中斷請求。13

5.280C51單片機中斷處理過程

一、中斷回應(yīng)條件CPU回應(yīng)中斷的條件是：中斷源有中斷請求；此中斷源的中斷允許位為1；

CPU開中斷（即EA=1）。同時滿足時，CPU才有可能回應(yīng)中斷。5.2.1中斷回應(yīng)條件和時間

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CPU執(zhí)行程式過程中，在每個機器週期的S5P2期間，中斷系統(tǒng)對各個中斷源進行採樣。這些採樣值在下一個機器週期內(nèi)按優(yōu)先順序和內(nèi)部順序被依次查詢。如果某個中斷標誌在上一個機器週期的S5P2時被置成了1，那麼它將於現(xiàn)在的查詢週期中及時被發(fā)現(xiàn)。接著CPU便執(zhí)行一條由中斷系統(tǒng)提供的硬體LCALL指令，轉(zhuǎn)向被稱作中斷向量的特定地址單元，進入相應(yīng)的中斷服務(wù)程式。

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遇以下任一條件，硬體將受阻，不產(chǎn)生LCALL指令：CPU正在處理同級或高優(yōu)先順序中斷；當前查詢的機器週期不是所執(zhí)行指令的最後一個機器週期。即在完成所執(zhí)行指令前，不會回應(yīng)中斷，從而保證指令在執(zhí)行過程中不被打斷；正在執(zhí)行的指令為RET、RETI或任何訪問IE或IP寄存器的指令。即只有在這些指令後面至少再執(zhí)行一條指令時才能接受中斷請求。若由於上述條件的阻礙中斷未能得到回應(yīng)，當條件消失時該中斷標誌卻已不再有效，那麼該中斷將不被回應(yīng)。就是說，中斷標誌曾經(jīng)有效，但未獲回應(yīng)，查詢過程在下個機器週期將重新進行。16

二、中斷回應(yīng)時間某中斷的回應(yīng)時序如圖：若M1週期的S5P2前某中斷生效，在S5P2期間其中斷請求被鎖存到相應(yīng)的標誌位中去；M2恰逢指令的最後一個機器週期，且該指令不是RETI或訪問IE、IP的指令。於是，M3和M4便可以執(zhí)行硬體LCALL指令，M5週期將進入了中斷服務(wù)程式。80C51的中斷回應(yīng)時間（從標誌置1到進入相應(yīng)的中斷服務(wù)），至少要3個完整的機器週期。

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將相應(yīng)的優(yōu)先順序狀態(tài)觸發(fā)器置1（以阻斷後來的同級或低級的中斷請求）。執(zhí)行一條硬體LCALL指令，即把程式計數(shù)器PC的內(nèi)容壓入堆疊保存，再將相應(yīng)的中斷服務(wù)程式的入口地址送入PC。執(zhí)行中斷服務(wù)程式。

中斷回應(yīng)過程的前兩步是由中斷系統(tǒng)內(nèi)部自動完成的，而中斷服務(wù)程式則要由用戶編寫程式來完成。

5.2.2中斷回應(yīng)過程

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5.2.3中斷返回

RETI指令的具體功能是：將中斷回應(yīng)時壓入堆疊保存的中斷點地址從棧頂彈出送回PC，CPU從原來中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行程式；將相應(yīng)中斷優(yōu)先順序狀態(tài)觸發(fā)器清0，通知中斷系統(tǒng)，中斷服務(wù)程式已執(zhí)行完畢。

注意，不能用RET指令代替RETI指令。在中斷服務(wù)程式中PUSH指令與POP指令必須成對使用，否則不能正確返回中斷點

。19

若外部中斷定義為電平觸發(fā)方式，中斷標誌位的狀態(tài)隨CPU在每個機器週期採樣到的外部中斷輸入引腳的電平變化而變化，這樣能提高CPU對外部中斷請求的回應(yīng)速度。但外部中斷源若有請求，必須把有效的低電平保持到請求獲得回應(yīng)時為止，不然就會漏掉；而在中斷服務(wù)程式結(jié)束之前，中斷源又必須撤銷其有效的低電平，否則中斷返回之後將再次產(chǎn)生中斷。電平觸發(fā)方式適合於外部中斷輸入以低電平輸入且中斷服務(wù)程式能清除外部中斷請求源的情況。例如，並行介面晶片8255的中斷請求線在接受讀或?qū)懖僮麽峒幢谎}位，因此，以其去請求電平觸發(fā)方式的中斷比較方便。20

若外部中斷定義為邊沿觸發(fā)方式，在相繼連續(xù)的兩次採樣中，一個週期採樣到外部中斷輸入為高電平，下一個週期採樣到為低電平，則在IE0或IE1中將鎖存一個邏輯1。即便是CPU暫時不能回應(yīng)，中斷申請標誌也不會丟失，直到CPU回應(yīng)此中斷時才清零。這樣，為保證下降沿能被可靠地採樣到，外中斷引腳上的高低電平（負脈衝的寬度）均至少要保持一個機器週期（若晶振為12MHz時，為1微秒）。

邊沿觸發(fā)方式適合於以負脈衝形式輸入的外部中斷請求，如ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)束標誌信號EOC為正脈衝，經(jīng)反相後就可以作為80C51的中斷輸入。21

5.2.4中斷程式舉例

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ORG0000HSTART：LJMPMAIN；跳轉(zhuǎn)到主程序

ORG0003HLJMPINTO；轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程式

ORG0030H；主程序

MAIN：CLRIT0；設(shè)為電平觸發(fā)方式

SETBEA；CPU開放中斷

SETBEX0；允許中斷

MOVDPTR，#1000H；設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)地址指針

……ORG0200H；中斷服務(wù)程式

INT0：PUSHPSW；保護現(xiàn)場

PUSHACCCLRP3.0；由P3.0輸出0NOPNOPSETBP3.0；由P3.0輸出1，撤除

MOVA，P1；輸入數(shù)據(jù)

MOVX@DPTR，A；存入數(shù)據(jù)記憶體

INCDPTR；修改數(shù)據(jù)指針，指向下一個單元

……POPACC；恢復(fù)現(xiàn)場

POPPSWRETI；中斷返回23

例多外部中斷源的系統(tǒng)示例。設(shè)有5個外部中斷源，中斷優(yōu)先順序排隊順序為：XI0、XI1、XI2、XI3、XI4。試設(shè)計它們與80C51單片機的介面。24

ORG0003HLJMPINSE0；轉(zhuǎn)外部中斷0服務(wù)程式入口

ORG0013HLJMPINSE1；轉(zhuǎn)外部中斷1服務(wù)程式入口

…………INSE0：PUSHPSW；XI0中斷服務(wù)程式

PUSHACC…………POPACCPOPPSWRETI

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INSE1：PUSHPSW；中斷服務(wù)程式

PUSHACCJBP1.0，DV1；P1.0為1，轉(zhuǎn)XI1中斷服務(wù)程式

JBP1.1，DV2；P1.1為1，轉(zhuǎn)XI2中斷服務(wù)程式

JBP1.2，DV3；P1.2為1，轉(zhuǎn)XI3中斷服務(wù)程式

JBP1.3，DV4；P1.3為1，轉(zhuǎn)XI4中斷服務(wù)程式INRET：POPACCPOPPSWRETIDV1：……；XI1中斷服務(wù)程式

AJMPINRETDV2：……；XI2中斷服務(wù)程式

AJMPINRETDV3：……；XI3中斷服務(wù)程式

AJMPINRETDV4：……；XI4中斷服務(wù)程式

AJMPINRET26

5.380C51的定時/計數(shù)器

實現(xiàn)定時功能，比較方便的辦法是利用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器。也可以採用下麵三種方法：軟體定時：軟體定時不佔用硬體資源，但佔用了CPU時間，降低了CPU的利用率。採用時基電路定時：例如採用555電路，外接必要的元器件（電阻和電容），即可構(gòu)成硬體定時電路。但在硬體連接好以後，定時值與定時範圍不能由軟體進行控制和修改，即不可編程。採用可編程晶片定時：這種定時晶片的定時值及定時範圍很容易用軟體來確定和修改，此種晶片定時功能強，使用靈活。在單片機的定時/計數(shù)器不夠用時，可以考慮進行擴展。27

5.3.1定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

一、定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)定時/計數(shù)器的實質(zhì)是加1計數(shù)器（16位），由高8位和低8位兩個寄存器組成。TMOD是定時/計數(shù)器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的啟動和停止及設(shè)置溢出標誌。

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二、定時/計數(shù)器的工作原理加1計數(shù)器輸入的計數(shù)脈衝有兩個來源,一個是由系統(tǒng)的時鐘振盪器輸出脈衝經(jīng)12分頻後送來；一個是T0或T1引腳輸入的外部脈衝源。每來一個脈衝計數(shù)器加1，當加到計數(shù)器為全1時，再輸入一個脈衝就使計數(shù)器回零，且計數(shù)器的溢出使TCON中TF0或TF1置1，向CPU發(fā)出中斷請求（定時/計數(shù)器中斷允許時）。如果定時/計數(shù)器工作於定時模式，則表示定時時間已到；如果工作於計數(shù)模式，則表示計數(shù)值已滿。

可見，由溢出時計數(shù)器的值減去計數(shù)初值才是加1計數(shù)器的計數(shù)值。

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設(shè)置為定時器模式時，加1計數(shù)器是對內(nèi)部機器週期計數(shù)（1個機器週期等於12個振盪週期，即計數(shù)頻率為晶振頻率的1/12）。計數(shù)值N乘以機器週期Tcy就是定時時間t

。設(shè)置為計數(shù)器模式時，外部事件計數(shù)脈衝由T0或T1引腳輸入到計數(shù)器。在每個機器週期的S5P2期間採樣T0、T1引腳電平。當某週期採樣到一高電平輸入，而下一週期又採樣到一低電平時，則計數(shù)器加1，更新的計數(shù)值在下一個機器週期的S3P1期間裝入計數(shù)器。由於檢測一個從1到0的下降沿需要2個機器週期，因此要求被採樣的電平至少要維持一個機器週期。當晶振頻率為12MHz時，最高計數(shù)頻率不超過1/2MHz，即計數(shù)脈衝的週期要大於2微秒。

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5.3.2定時/計數(shù)器的控制

80C51單片機定時/計數(shù)器的工作由兩個特殊功能寄存器控制。TMOD用於設(shè)置其工作方式；TCON用於控制其啟動和中斷申請。一、工作方式寄存器TMOD

工作方式寄存器TMOD用於設(shè)置定時/計數(shù)器的工作方式，低四位用於T0，高四位用於T1。其格式如下：31

GATE：門控位。GATE＝0時，只要用軟體使TCON中的TR0或TR1為1，就可以啟動定時/計數(shù)器工作；GATA＝1時，要用軟體使TR0或TR1為1，同時外部中斷引腳或也為高電平時，才能啟動定時/計數(shù)器工作。即此時定時器的啟動條件，加上了或引腳為高電平這一條件。

:定時/計數(shù)模式選擇位。＝0為定時模式；=1為計數(shù)模式。M1M0：工作方式設(shè)置位。定時/計數(shù)器有四種工作方式，由M1M0進行設(shè)置。32

二、控制寄存器TCON

TCON的低4位用於控制外部中斷,已在前面介紹。TCON的高4位用於控制定時/計數(shù)器的啟動和中斷申請。其格式如下：TF1（TCON.7）：T1溢出中斷請求標誌位。T1計數(shù)溢出時由硬體自動置TF1為1。CPU回應(yīng)中斷後TF1由硬體自動清0。T1工作時，CPU可隨時查詢TF1的狀態(tài)。所以，TF1可用作查詢測試的標誌。TF1也可以用軟體置1或清0，同硬體置1或清0的效果一樣。TR1（TCON.6）：T1運行控制位。TR1置1時，T1開始工作；TR1置0時，T1停止工作。TR1由軟體置1或清0。所以，用軟體可控制定時/計數(shù)器的啟動與停止。TF0（TCON.5）：T0溢出中斷請求標誌位，其功能與TF1類同。TR0（TCON.4）：T0運行控制位，其功能與TR1類同。33

5.3.3定時/計數(shù)器的工作方式

一、方式0

方式0為13位計數(shù)，由TL0的低5位（高3位未用）和TH0的8位組成。TL0的低5位溢出時向TH0進位，TH0溢出時，置位TCON中的TF0標誌，向CPU發(fā)出中斷請求。34

定時器模式時有:N＝t/Tcy

計數(shù)初值計算的公式為：定時器的初值還可以採用計數(shù)個數(shù)直接取補法獲得。計數(shù)模式時，計數(shù)脈衝是T0引腳上的外部脈衝。

門控位GATE具有特殊的作用。當GATE=0時，經(jīng)反相後使或門輸出為1，此時僅由TR0控制與門的開啟，與門輸出1時，控制開關(guān)接通，計數(shù)開始；當GATE=1時，由外中斷引腳信號控制或門的輸出，此時控制與門的開啟由外中斷引腳信號和TR0共同控制。當TR0=1時，外中斷引腳信號引腳的高電平啟動計數(shù)，外中斷引腳信號引腳的低電平停止計數(shù)。這種方式常用來測量外中斷引腳上正脈衝的寬度。

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二、方式1方式1的計數(shù)位數(shù)是16位，由TL0作為低8位、TH0作為高8位，組成了16位加1計數(shù)器。計數(shù)個數(shù)與計數(shù)初值的關(guān)係為：

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三、方式2方式2為自動重裝初值的8位計數(shù)方式。

工作方式2特別適合於用作較精確的脈衝信號發(fā)生器。

計數(shù)個數(shù)與計數(shù)初值的關(guān)係為：

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四、方式3方式3只適用於定時/計數(shù)器T0，定時器T1處於方式3時相當於TR1=0，停止計數(shù)。

工作方式3將T0分成為兩個獨立的8位計數(shù)器TL0和TH0

。

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5.3.4定時/計數(shù)器用於外部中斷擴展

擴展方法是，將定時/計數(shù)器設(shè)置為計數(shù)器方式，計數(shù)初值設(shè)定為滿程，將待擴展的外部中斷源接到定時/計數(shù)器的外部計數(shù)引腳。從該引腳輸入一個下降沿信號，計數(shù)器加1後便產(chǎn)生定時/計數(shù)器溢出中斷。例如，利用T0擴展一個外部中斷源。將T0設(shè)置為計數(shù)器方式，按方式2工作，TH0、TL0的初值均為0FFH，T0允許中斷，CPU開放中斷。其初始化程式如下：

MOVTMOD，#06H；置T0為計數(shù)器方式2MOVTL0，#0FFH；置計數(shù)初值

MOVTH0，#0FFHSETBTR0；啟動T0工作

SETBEA；CPU開中斷

SETBET0；允許T0中斷

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5.3.5定時/計數(shù)器應(yīng)用舉例

初始化程式應(yīng)完成如下工作：對TMOD賦值，以確定T0和T1的工作方式。計算初值,並將其寫入TH0、TL0或TH1、TL1。中斷方式時，則對IE賦值，開放中斷。使TR0或TR1置位，啟動定時/計數(shù)器定時或計數(shù)。40

例利用定時/計數(shù)器T0的方式1，產(chǎn)生10ms的定時，並使P1.0引腳上輸出週期為20ms的方波，採用中斷方式，設(shè)系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz。解：1、計算計數(shù)初值X：由於晶振為12MHz，所以機器週期Tcy為1μS。所以：N＝t/Tcy

＝10×10－3/1×10－6＝10000X＝65536－10000＝55536＝D8F0H即應(yīng)將D8H送入TH0中，F(xiàn)0H送入TL0