秦曉飛系列-單片機原理及應用-第5章 中斷系統(tǒng)

第5章中斷系統(tǒng)主講教師：秦曉飛

上海理工大學光電學院第5章中斷系統(tǒng)§5.1微機的輸入/輸出方式§5.2中斷的概念§5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制§5.4中斷響應及中斷處理過程§5.5中斷程序舉例5.1微機的輸入/輸出方式5.1微機的輸入/輸出方式5.1.1無條件傳送方式CPU總是認為外設在任何時刻都處于“準備好”的狀態(tài)。這種傳送方式不需要交換狀態(tài)信息，只需在程序中加入訪問外設的指令，數(shù)據(jù)傳送便可以實現(xiàn)。此種方法很少使用。5.1.2查詢傳送方式在輸入時，需要查詢外設的輸入數(shù)據(jù)是否準備好；在輸出時，需要查詢外設是否把上一次CPU輸出的數(shù)據(jù)處理完畢。查詢傳送也叫條件傳送：通過查詢外設的狀態(tài)信息，確信外設已處于“準備好”，計算機才發(fā)出訪問外設的指令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。狀態(tài)信息：一般為1位二進制碼。5.1微機的輸入/輸出方式5.1.2查詢傳送方式查詢傳送過程：5.1微機的輸入/輸出方式5.1.2查詢傳送方式查詢傳送的特點：優(yōu)點：通用性好，可以用于各類外設和CPU間的數(shù)據(jù)傳送。缺點：CPU在完成一次數(shù)據(jù)傳送后要等待很長時間才能進行下一次的傳送。在等待過程中，CPU不能進行其他操作，所以效率比較低。5.1.3直接存儲器存取（DMA,DirectMemoryAccess）方式CPU讓出數(shù)據(jù)總線（懸浮狀態(tài)），使外設和存儲器之間直接傳送（不通過CPU）數(shù)據(jù)的方式。適用于外設和存儲器之間有大量的數(shù)據(jù)需要傳送及外設工作速度很快的情況。5.1.4中斷傳送方式當CPU正在處理某事件的時候，外部發(fā)生的某一事件請求CPU迅速去處理，于是CPU暫時中止當前的工作，轉去處理所發(fā)生的事件。中斷服務處理完該事件后，再返回到原來被中止的地方繼續(xù)原來的工作，這樣的過程稱為中斷。5.1微機的輸入/輸出方式5.1.4中斷傳送方式5.2中斷的概念5.2中斷的概念中斷系統(tǒng)：實現(xiàn)中斷功能的部件稱為中斷系統(tǒng)，又稱中斷機構。中斷源：產生中斷的請求源稱為中斷源。中斷請求：中斷源向CPU提出的處理請求，稱為中斷請求或中斷申請。中斷響應過程：CPU暫時中止自身的事物，轉去處理事件的過程，稱為CPU的中斷響應過程。中斷服務：對事件的整個處理過程，稱為中斷服務（或中斷處理）。中斷返回：中斷處理完畢，在返回到原來被中止的地方，稱為中斷返回。中斷方式的特點：①中斷方式消除了CPU在查詢方式中的等待現(xiàn)象，大大提高了CPU的工作效率。②將從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過中斷方式及時傳送給CPU，經過處理后可立即作出反應，實現(xiàn)現(xiàn)場控制。采用查詢方式很難做到及時采集，實時控制。5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.089C51/S51中斷系統(tǒng)結構圖5-3中斷系統(tǒng)結構5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.089C51/S51中斷系統(tǒng)結構有5個中斷請求源(89C52有6個)，4個用于中斷控制的寄存器IE、IP、TCON(用6位)和SCON(用2位)，用來控制中斷的類型、中斷的開／關和各種中斷源的優(yōu)先級別。5個中斷源有兩個中斷優(yōu)先級，每個中斷源可以編程為高優(yōu)先級或低優(yōu)先級中斷，可以實現(xiàn)二級中斷服務程序嵌套。中斷技術實現(xiàn)的功能：①分時操作：計算機的中斷系統(tǒng)可以使CPU與外設同時工作。CPU在啟動外設后，便繼續(xù)執(zhí)行主程序；而外設被啟動后，開始進行準備工作。當外設準備就緒時，就向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應該中斷請求并為其服務完畢后，返回原來的斷點處繼續(xù)運行主程序。外設在得到服務后，也繼續(xù)進行自己的工作。因此，CPU可以使多個外設同時工作，并分時為各外設提供服務，從而提高了CPU的利用率和輸入和輸出的速度。②實時處理：當計算機用于實時控制時，請求CPU提供服務時隨機發(fā)生的。有了中斷系統(tǒng)，CPU就可以立即響應并加以處理。③故障處理：計算機在運行時往往會出現(xiàn)一些故障，如斷電、存儲器奇偶校驗出錯、運算溢出等。有了中斷系統(tǒng)，當出現(xiàn)上述情況時，CPU可及時轉去執(zhí)行故障處理程序，自行處理故障而不必停機。5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.189C51/S51中斷源89C51/S51的5個中斷源：①INT0——外部中斷0請求，低電平有效。通過P3.2引腳輸入。②INT1——外部中斷1請求，低電平有效。通過P3.3引腳輸入。③T0——定時器/計數(shù)器0溢出中斷請求。④T1——定時器/計數(shù)器1溢出中斷請求。⑤TX/RX——串行口中斷請求。當串行口完成一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收時，便請求中斷。每個中斷源都對應一個中斷請求標志位，它們設置在特殊功能寄存器TCON和SCON中。當這些中斷源請求中斷時，相應的標志分別由TCON和SCON中的相應位來鎖存。5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.189C51/S51中斷源中斷源常用信號來源：①I/O外設：一般I/O設備在完成自身操作后，向CPU發(fā)出中斷請求。②硬件故障：故障引起斷電等后果時，須保存重要信息。③實時時鐘：定時控制或檢測，用定時中斷作為時鐘，實現(xiàn)固定時間延時。④為調試程序而設定的中斷源：調試斷點。其中，④由人為設定，為自愿中斷；①②③由隨機事件觸發(fā)，為強迫中斷。5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.2中斷控制1.中斷請求標志①TF1：定時器/計數(shù)器T1溢出中斷請求標志位。當啟動T1計數(shù)后，T1從初值開始加1計數(shù)，計數(shù)器最高位產生溢出時，由硬件使TF1置1，并向CPU發(fā)出中斷請求。當CPU響應中斷時，硬件將自動對TF1清0。②TF0：定時器/計數(shù)器T0溢出中斷請求標志位。含義與TF1類同。③IE1：外部中斷1的中斷請求標志。

（P3.3）。當檢測到外部中斷引腳1上存在有效的中斷請求信號時，由硬件使IE1置1。④IE0：外部中斷0的中斷請求標志。

（P3.2）。其含義與IE1類同。TF1TF0IE1IT1IE0IT0TCON（88H）8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H圖5-4TCON中的中斷標志位5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.2中斷控制1.中斷請求標志⑤IT1：外部中斷1的中斷觸發(fā)方式控制位。

IT1=0時，外部中斷1程控為電平觸發(fā)方式。CPU在每一個機器周期S5P2期間采樣外部中斷請求引腳的輸入電平。若外部中斷1請求為低電平，則使IE1置1；若為高電平，則使IE1清0。

IT1=1時，外部中斷1程控為邊沿觸發(fā)方式。CPU在每一個機器周期S5P2期間采樣外部中斷請求引腳的輸入電平。如果在相繼的兩個機器周期采樣過程中，一個機器周期采樣到外部中斷1請求引腳為高電平，接著的下一個機器周期采樣到為低電平，則使IE1置1。直到CPU響應該中斷時，才由硬件使IE1清0。⑥IT0：外部中斷0的中斷觸發(fā)方式控制位。其含義與IT1類同。TF1TF0IE1IT1IE0IT0TCON（88H）8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H圖5-4TCON中的中斷標志位5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.2中斷控制1.中斷請求標志①TI：串行口發(fā)送中斷請求標志。

CPU將一個數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF時，就啟動發(fā)送。每發(fā)送完一幀串行數(shù)據(jù)后，硬件置位TI。但CPU響應中斷時，并不清除TI，必須在中斷服務程序中由軟件對TI清0。②RI：串行口接收中斷請求標志。在串行口允許接收時，每接收完一個串行幀，硬件置位RI。同樣，CPU響應中斷時不會清除RI，必須在中斷服務程序中由軟件對RI清0。圖5-5SCON中的中斷標志位TIRI

SCON（98H）9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.2中斷控制2.中斷允許控制①EA：中斷允許總控制位。

EA=0，屏蔽所有的中斷請求；

EA=1，CPU開放中斷。對各中斷源的中斷請求是否允許，還要取決于各中斷源的中斷允許控制位的狀態(tài)。這就是所謂的兩級控制。②ES：串行口中斷允許位。

ES=0，禁止串行口中斷； ES=1，允許串行口中斷。③ET1：定時器/計數(shù)器T1的溢出中斷允許位。

ET1=0，禁止T1中斷； ET1=1，允許T1中斷。④EX1：外部中斷1的溢出中斷允許位。

EX1=0，禁止外部中斷1中斷； EX1=1，允許外部中斷1中斷。⑤ET0：定時器/計數(shù)器T0的溢出中斷允許位。

ET0=0，禁止T0中斷； ET0=1，允許T0中斷。⑥EX0：外部中斷0的溢出中斷允許位。

EX0=0，禁止外部中斷0中斷； EX0=1，允許外部中斷0中斷。圖5-6IE中的中斷允許控制位EAESET1EX1ET0EX0

IE（A8H）AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.2中斷控制2.中斷允許控制例5-1：假設允許片內定時器/計數(shù)器中斷，禁止其他中斷。試根據(jù)假設條件設置IE的相應值。解：

（IE）=10001010B=8AH

（a）用字節(jié)操作指令 MOVIE，#8AH；或MOVA8H，#8AH；

（b）用位操作指令SETBET0；定時器/計數(shù)器0允許中斷SETBET1；定時器/計數(shù)器1允許中斷SETBEA；CPU開中斷圖5-6IE中的中斷允許控制位EAESET1EX1ET0EX0

IE（A8H）AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.2中斷控制3.中斷優(yōu)先級控制89C51/S51有兩個中斷優(yōu)先級。每個中斷請求源均可編程為高優(yōu)先級或低優(yōu)先級。中斷系統(tǒng)中有兩個不可尋址的“優(yōu)先級生效”觸發(fā)器，分別指出CPU正在執(zhí)行的高、低優(yōu)先級的中斷服務程序。當其為1時則分別屏蔽所有的中斷請求。①PS：串行口中斷優(yōu)先級控制位②PT1：定時器/計數(shù)器T1中斷優(yōu)先級控制位③PX1：外部中斷1中斷優(yōu)先級控制位④PT0：定時器/計數(shù)器T0中斷優(yōu)先級控制位⑤PX0：外部中斷0中斷優(yōu)先級控制位若某控制位為1，則相應的中斷源規(guī)定為高級中斷；反之，為0，則相應的中斷源規(guī)定為低級中斷。圖5-7IP中的中斷優(yōu)先級控制位PSPT1PX1PT0PX0IP（B8H）

BCHBBHBAHB9HB8H5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.2中斷控制3.中斷優(yōu)先級控制同級內多個中斷響應順序當同時接收到幾個同一優(yōu)先級的中斷請求時，響應哪個中斷源則取決于內部硬件查詢順序。中斷源 同級內的中斷優(yōu)先級外部中斷0中斷高級定時器/計數(shù)器T0溢出中斷外部中斷1定時器/計數(shù)器T1溢出中斷串行口中斷低級圖5-8中斷源優(yōu)先級排列順序5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.2中斷控制3.中斷優(yōu)先級控制中斷優(yōu)先級控制實現(xiàn)的功能①按內部查詢順序排隊當數(shù)個中斷源同時向CPU發(fā)出中斷請求時，CPU根據(jù)設計者事先確定的中斷源順序號的次序，依次響應其中斷請求。②實現(xiàn)中斷嵌套當CPU正在處理一個中斷請求時，又出現(xiàn)了另一個優(yōu)先級比它高的中斷請求，這時，CPU就暫時中止執(zhí)行對原來優(yōu)先級較低的中斷源的服務程序，保護當前斷點，轉去響應優(yōu)先級更高的中斷請求，并為它服務。待服務結束，再繼續(xù)執(zhí)行原來較低級的中斷服務程序。該過程稱為中斷嵌套。該中斷系統(tǒng)稱為多級中斷系統(tǒng)。CPU在執(zhí)行主程序低級中斷請求響應低級中斷請求CPU執(zhí)行低級中斷服務程序高級中斷請求響應高級中斷請求CPU執(zhí)行高級中斷服務程序返回低級中斷程序返回主程序圖5-9二級中斷嵌套5.389C51/S51中斷系統(tǒng)結構及中斷控制5.3.2中斷控制3.中斷優(yōu)先級控制例5-2：設8031的片外中斷為高優(yōu)先級，片內中斷為低優(yōu)先級。設置IP相應值。解：（IP）=00000101B=05H

(a)用字節(jié)操作指令

MOVIP，#05H；或MOV0B8H，#05H； (b)用為操作指令

SETBPX0SETBPX1CLRPSCLRPT0CLRPT1PSPT1PX1PT0PX0IP（B8H）

BCHBBHBAHB9HB8H5.4中斷響應及中斷處理過程5.4中斷響應及中斷處理過程在89C51/S51內部，中斷表現(xiàn)為CPU的微查詢操作89C51/S51在每個機器周期的S6中查詢中斷源，在下一個機器周期的S1中響應。中斷處理過程可分為3個階段①中斷響應②中斷處理③中斷返回保護現(xiàn)場為外設服務恢復現(xiàn)場主程序NKN+mK+1返回中斷處理圖5-10中斷處理的大致流程5.4中斷響應及中斷處理過程5.4.1中斷響應1.中斷響應條件①有中斷源發(fā)出中斷請求。②中斷總允許位EA=1，即CPU中斷。③申請中斷的中斷源的中斷允許位為1，即中斷沒有被屏蔽。④無同級或更高級中斷正在被服務。⑤當前的指令周期已經結束。⑥若現(xiàn)行指令為RETI或是訪問IE或IP指令時，該指令以及緊接著的另一條指令已執(zhí)行完。5.4中斷響應及中斷處理過程5.4.1中斷響應2.中斷響應的自主操作過程89C51/S51的CPU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志。如查詢到某個中斷標志為1，則將在接下來的機器周期S1期間按優(yōu)先級進行中斷處理。中斷系統(tǒng)通過硬件自動將相應的中斷矢量地址裝入PC，以便進入相應的中斷服務程序。表現(xiàn)為CPU的自主操作。89C51/S51單片機的中斷系統(tǒng)中有兩個不可編程的“優(yōu)先級生效”觸發(fā)器。一個是“高優(yōu)先級生效”觸發(fā)器，用以指明已進行高級中斷服務，并阻止其他一切中斷請求；一個是“低優(yōu)先級生效”觸發(fā)器，用以指明已進行低優(yōu)先級中斷服務，并阻止除高優(yōu)先級以外的一切中斷請求。89C51/S51單片機一旦響應中斷，首先置位相應的中斷“優(yōu)先級生效”觸發(fā)器，然后由硬件執(zhí)行一條長調用指令LCALL，把當前PC值壓入堆棧，以保護斷點，再將相應的中斷服務程序的入口地址(如外中斷0的入口地址為0003H)送入PC，于是CPU接著從中斷服務程序的入口處開始執(zhí)行。5.4中斷響應及中斷處理過程5.4.1中斷響應2.中斷響應的自主操作過程對于有些中斷源，CPU在響應中斷后會自動清除中斷標志，如定時器溢出標志TF0、TF1和邊沿觸發(fā)方式下的外部中斷標志IE0、IE1；而有些中斷標志不會自動清除，只能由用戶用軟件清除，如串行口接收發(fā)送中斷標志RI、TI；在電平觸發(fā)方式下的外部中斷標志IE0和IE1，則是根據(jù)引腳INT0和INT1的電平變化的，CPU無法直接干預，需在引腳外加硬件(如D觸發(fā)器)使其自動撤銷外部中斷請求。綜上，中斷響應的自主操作如下：①把當前PC值壓入堆棧，保護斷點。②將相應的中斷服務程序的入口地址送入PC。③對有些中斷源，CPU會自動清除中斷標志。④執(zhí)行中斷服務程序。⑤執(zhí)行到返回指令RETI，中斷服務程序結束，將堆棧內容彈出到PC，返回到原來斷點繼續(xù)執(zhí)行。5.4中斷響應及中斷處理過程5.4.1中斷響應3.中斷響應時間CPU不是在任何情況下都對中斷請求予以響應，而不同的情況下對中斷響應的時間是不同的。對于順利的中斷響應，其最短的響應時間為3個機器周期。對于受阻的中斷響應，則響應時間會更長一些。若中斷系統(tǒng)只有一個中斷源，則響應時間為3~8個機器周期之間。

+

+S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6將中斷源鎖存到標志位查詢到中斷標志，硬件調用LCALL執(zhí)行LCALL所用時間3個機器周期正在執(zhí)行的RET剩余的1個機器周期下一條指令周期（1~4）5.4中斷響應及中斷處理過程5.4.2中斷處理1.中斷處理概念CPU響應中斷后即轉入中斷服務程序的入口，執(zhí)行中斷服務程序。從中斷服務程序的第一條指令開始到返回指令為止，這個過程稱為中斷處理或中斷服務。2.中斷處理包括的內容不同的中斷源服務的內容及要求各不相同，其處理過程也就有所區(qū)別。一般情況，中斷處理包括兩部分內容：①保護現(xiàn)場：如在中斷服務程序中要用到PSW、工作寄存器和SFR等寄存器時，則在進入中斷服務之前應將它們的內容保護起來，在中斷結束、執(zhí)行RETI指令前應恢復現(xiàn)場。②為中斷源服務：針對中斷源的具體要求進行相應的處理。5.4中斷響應及中斷處理過程5.4.2中斷處理3.編寫中斷服務程序時的注意問題①中斷矢量入口之間只有8個字節(jié)，不足以存放ISR，通常在中斷矢量地址單元處放一條無條件轉移指令，使中斷服務程序可靈活地安排在64KBROM的任何空間。②在中斷服務程序中，應注意用軟件保護現(xiàn)場，以免中斷返回后丟失原來寄存器、累加器中的信息。③若要在執(zhí)行當前中斷程序時禁止更高優(yōu)先級中斷，可以先用軟件關閉CPU中斷或禁止某中斷源中斷，在中斷返回前再開放中斷。④在保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場時，為了不使現(xiàn)場信息受到破壞或造成混亂，一般在此情況下，應關CPU中斷，使CPU暫不響應新的中斷請求。這樣就要求在編寫中斷服務程序時，應注意在保護現(xiàn)場之前關中斷，在保護現(xiàn)場之后若允許高優(yōu)先級中斷打斷它，則應開中斷。同樣在恢復現(xiàn)場之前應關中斷，恢復之后再開中斷。5.4.3中斷返回在中斷服務程序中，最后一條指令必須為中斷返回指令RETI。CPU執(zhí)行該指令時，一方面清除中斷響應時所置位的“優(yōu)先級生效”觸發(fā)器，另一方面從當前棧頂彈出斷點地址送入程序計數(shù)器PC，從而返回主程序。注意在中斷服務程序中，PUSH和POP指令必須成對使用，否則，不能正確返回斷點。圖5-11中斷服務子程序流程圖5.5中斷程序舉例5.5中斷程序舉例5.5.1主程序1.主程序的起始地址89C51/S51系列單片機復位后，（PC）=0000H，而0003H~002BH分別為各中斷源的入口地址。編程時應在0000H處寫一條跳轉指令（一般為長跳轉指令），主程序是以跳轉的目標地址作為起始地址開始編寫，一般從0030H開始。2.主程序的初始化內容

初始化：將用到的內部部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設定。單片機復位后，特殊功能寄存器IE、IP內容均為00H，所以應對IE、IP進行初始化編程，以開放中斷，允許某些中斷源中斷和設置中斷優(yōu)先級等。0000HLJMP00300030H主程序圖5-12主程序地址安排5.5中斷程序舉例5.5.2中斷服務程序1.中斷服務程序的起始地址當CPU接收到中斷請求信號并予以響應后，CPU把當前的PC內容壓入堆棧進行保護，然后轉入響應的中斷服務程序入口處執(zhí)行。中斷系統(tǒng)對五個中斷源分別規(guī)定了各自的入口地址，但這些入口地址相距很近（8個字節(jié)）。如中斷服務程序的指令代碼少于8個字節(jié)，則可從規(guī)定的中斷服務程序入口地址開始，直接編寫中斷服務程序；如中斷服務程序的指令代碼大于8個字節(jié)，則應采用與主程序相同的方法，在相應的入口處寫一條跳轉指令，并以跳轉指令的目標地址作為中斷服務程序的起始地址進行編程。以INT0為例，中斷矢量地址為0003H，中斷服務程序從0200H開始。0003HLJMP02000200H中斷服務程序圖5-13中斷服務程序地址安排5.5中斷程序舉例5.5.2中斷服務程序2.中斷服務程序編寫中的注意事項①視需要確定是否保護現(xiàn)場。②及時清除那些不能被硬件自動清除的中斷請求標志，以免產生錯誤的中斷。③中斷服務程序中的壓棧與彈棧指令必須成對使用，以確保中斷服務程序的正確返回。④主程序和中斷服務程序之間的參數(shù)傳遞，與主程序和子程序的參數(shù)傳遞方式相同。注：與5.4節(jié)內容重復，加深印象。5.5中斷程序舉例5.5.3程序舉例例5-3：如圖5-14所示，將P1口的P1.4~P1.7作為輸入位，P1.0~P1.3作為輸出位。要求利用89C51/S51將開關所設的數(shù)據(jù)讀入單片機內，并依次通過P1.0~P1.3輸出，驅動發(fā)光二極管，以檢查P1.4~P1.7輸入的電平情況（若輸入為高電平則相應的LED亮）?，F(xiàn)要求采用中斷邊沿觸發(fā)方式，每中斷一次，完成一次讀/寫操作。圖5-14外部中斷電路5.5中斷程序舉例5.5.3程序舉例解：如圖所示，采用外部中斷0，中斷申請從INT0輸入，并采用了去抖動電路。當P1.0~P1.3的任何一位輸出0時，相應的發(fā)光二極管就會發(fā)光。當開關K來回拔動一次時，將產生一個下降沿信號，通過INT0發(fā)出中斷請求。中斷服務程序的矢量地址為0003H。主程序如下： ORG0000H LJMPMAIN；上電，轉向主程序 ORG0003H；外部中斷0入口地址 LJMPINSER；轉向中斷服務程序 ORG0030H；主程序MAIN： SETBEX0；允許外部中斷0中斷 SETBIT0；選擇邊沿觸發(fā)方式 SETBEA；CPU開中斷HERE：