第4章-S12中斷系統(tǒng)教材

第4章

S12中斷系統(tǒng)

S12中斷系統(tǒng)概述

S12中斷優(yōu)先級

S12中斷程序設(shè)計實例

前言

中斷是用以提高計算機工作效率的一種重要技術(shù)，最初它只是作為計算機與外設(shè)交換信息的一種同步控制方式而提出的，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是CPU速度的迅速提高，對計算機內(nèi)部機制的要求也越來越高，希望計算機能隨時發(fā)現(xiàn)各種錯誤，當系統(tǒng)出現(xiàn)意想不到的事件時，能及時妥善處理。于是，中斷的概念得以延伸，除了傳統(tǒng)的外部事件（硬件）引起的中斷事件外，還有CPU內(nèi)部軟件中斷的概念。所謂中斷，是指CPU在正常執(zhí)行程序的過程中，由于內(nèi)部/外部事件或由程序的預(yù)先安排，引起了CPU暫時中斷當前程序的運行，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行由內(nèi)部/外部事件或預(yù)先安排的時間而需要執(zhí)行的中斷服務(wù)子程序，在中斷服務(wù)子程序執(zhí)行完畢后，CPU再重新回來執(zhí)行當前的程序。利用中斷可以大大提高CPU的工作效率。實現(xiàn)中斷功能的控制邏輯稱為中斷機構(gòu)或中斷系統(tǒng)。前言 盡管單片機或者微控制器中的中斷系統(tǒng)各不相同，但中斷系統(tǒng)的基本功能是相同的：能實現(xiàn)中斷響應(yīng)、中斷處理（服務(wù)）、中斷返回和中斷屏蔽；能實現(xiàn)中斷優(yōu)先級排隊（管理）；能實現(xiàn)中斷嵌套。4.1S12中斷系統(tǒng)概述

S12系列單片機的中斷屬于異常情況處理的一部分，異常情況處理還包括復(fù)位，所以本章除論述了S12系列單片機的中斷系統(tǒng)，也簡要介紹了S12系列單片機的幾種復(fù)位情況。正常情況下，單片機有序的執(zhí)行相應(yīng)程序，按照明確的獲取-解碼-執(zhí)行的方式順序處理各種指令。程序計數(shù)器記錄了下一條程序指令位于內(nèi)存中的位置，即使當程序為了相應(yīng)分支或跳轉(zhuǎn)指令而偏離了正常的順序處理，但仍然是在順序事件處理的控制范圍之內(nèi)。可能發(fā)生的異常情況會打破這種事件處理的順序流，將一個正常程序流的中斷歸為一個異常情況，異常情況不一定總是和錯誤相關(guān)聯(lián)的，中斷是在一個處理器上運行多個系統(tǒng)的有效方法。通過上面的論述可以知道，S12程序運行時可能發(fā)生的異?？煞譃閮深悾簭?fù)位和中斷，而中斷又進一步分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。S12系列單片機的異常分類如圖4.1所示。4.1S12中斷系統(tǒng)概述4.1S12中斷系統(tǒng)概述

4.1.1S12單片機的復(fù)位· S12系列單片機共有四種事件可以觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。 （1）外部復(fù)位

S12配備一個標記為RESET的低電平有效復(fù)位引腳，當該引腳電壓為低電平時，觸發(fā)復(fù)位。 （2）上電復(fù)位 在S12的VDD引腳上的一個正向變化將觸發(fā)上電復(fù)位，這意味著當給S12上電時，它以一個已知的、確定的設(shè)置啟動。4.1S12中斷系統(tǒng)概述

4.1.1S12單片機的復(fù)位 （3）計算機工作正常（COP）復(fù)位

COP系統(tǒng)允許S12檢測軟件運行故障，通常COP在軟件開發(fā)過程中是關(guān)閉的。但是，一旦某個基于S12的系統(tǒng)完全運行后，這是一項重要的安全保障功能之一。COP系統(tǒng)包含一個用戶設(shè)置的倒計數(shù)定時器，一旦定時器過期，則觸發(fā)一個系統(tǒng)復(fù)位。為了防止定時器過期，執(zhí)行的程序必須在倒計數(shù)定時器失效之前，向ARM/RESETCOP定時器寄存器（COPRST）中寫入$55和$AA。若某個程序陷入一個死循環(huán)，它將不能發(fā)送上述必須的信息，因此將產(chǎn)生COP復(fù)位。為了有效地實現(xiàn)這個功能，向COPRST寄存器中寫入$55的代碼應(yīng)該有策略的分布在程序的重要部分，寫入$AA的代碼則可以放在程序的其他部分。這樣，一旦微控制器在某代碼處運行失效，將不會產(chǎn)生需要的代碼序列（$55或$AA），這樣就會觸發(fā)COP復(fù)位。可以在程序設(shè)計中設(shè)置多對$55和$AA，實現(xiàn)錯誤恢復(fù)功能。4.1S12中斷系統(tǒng)概述

4.1.1S12單片機的復(fù)位 （4）時鐘監(jiān)控復(fù)位 當系統(tǒng)時鐘頻率低于某個預(yù)設(shè)置值或停止工作時，將觸發(fā)時鐘監(jiān)控復(fù)位。 當上述事件觸發(fā)復(fù)位時，S12單片機在程序計數(shù)器中放置一個復(fù)位向量，處理器執(zhí)行啟動例程。COP復(fù)位和時鐘監(jiān)控復(fù)位具有各自的復(fù)位向量。4.1S12中斷系統(tǒng)概述

4.1.2S12單片機的中斷

S12系列單片機的中斷分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。S12的編程模型中有一個條件代碼寄存器，如圖6.2所示，其中的X位和I位與中斷相關(guān)，X位是不可屏蔽中斷的屏蔽位，置為“1”則不可屏蔽中斷被關(guān)閉，置為“0”則允許不可屏蔽中斷；I位是可屏蔽中斷的屏蔽位，置為“1”則可屏蔽中斷被關(guān)閉，置為“0”則允許可屏蔽中斷。在系統(tǒng)復(fù)位時，這些中斷屏蔽位默認為“1”，所以單片機復(fù)位后，不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷都處于關(guān)閉狀態(tài)。4.1S12中斷系統(tǒng)概述

4.1.2S12單片機的中斷

1．不可屏蔽中斷

不可屏蔽中斷包括軟件中斷、非法指令陷阱和

中斷，下面簡要介紹常用的幾個不可屏蔽中斷。 （1）軟件中斷

SWI實質(zhì)上是一條指令，但其執(zhí)行過程與中斷相同，即通過中斷矢量確定目標地址，中斷矢量為$FFF6～$FFF7，它自動保存MCU的寄存器和返回地址，最后必須通過RTI指令返回。 （2）非法指令陷阱

MCU正常工作時，每次獲得的都是由匯編或編譯程序生成的有效操作碼，MCU能夠正確解釋并執(zhí)行它們，但當受到干擾或系統(tǒng)出現(xiàn)混亂時，可能得到無法識別的操作碼，即非法指令，這時MCU自動產(chǎn)生一次中斷，中斷矢量地址為$FFF8～$FFF9。4.1S12中斷系統(tǒng)概述

4.1.2S12單片機的中斷

1．不可屏蔽中斷

（3）XIRQ XIRQ是非屏蔽中斷引腳，無論MCU處于哪種運行狀態(tài)，該引腳一旦被拉成低電平，MCU執(zhí)行完當前指令后，都會響應(yīng)該中斷，中斷矢量為$FFF4～$FFF5。該中斷一般用于系統(tǒng)掉電檢測、硬件故障等重要事件處理，當MCU處于等待或暫停模式時，該中斷將喚醒MCU。4.1S12中斷系統(tǒng)概述

4.1.2S12單片機的中斷

2．可屏蔽中斷

可屏蔽中斷可以在程序控制下由用戶開啟或者關(guān)閉?？善帘沃袛嗟拈_關(guān)是條件代碼寄存器（CCR）中的I位。通過清除I可以開啟可屏蔽中斷。S12系列單片機中的可屏蔽中斷數(shù)量非常多，這里僅對做簡要介紹，其他的可屏蔽中斷可參見相關(guān)功能模塊的章節(jié)。

S12系列單片機配備一個標記為的外部引腳，當該引腳出現(xiàn)低電平或者電平下降沿時，則會產(chǎn)生中斷請求，這也是S12單片機接受外部事件中斷的主要手段。有一個中斷控制寄存器（INTCR）和的設(shè)置相關(guān)，如圖6.3所示。4.1S12中斷系統(tǒng)概述

4.1.2S12單片機的中斷

通過該寄存器中的IRQE位和IRQEN位對IRQ中斷進行設(shè)置。

IRQE：中斷電平/邊沿有效選擇：

0表示IRQ引腳配置為低電平有效；

1表示IRQ引腳配置為下降沿有效。

IRQEN：外部IRQ中斷請求使能：

0表示IRQ中斷關(guān)閉；

1表示IRQ中斷允許。4.1S12中斷系統(tǒng)概述

4.1.2S12單片機的中斷

3．中斷堆棧操作順序

因為中斷響應(yīng)過程中，會有隱含的堆棧操作，所以中斷響應(yīng)前，堆棧必須有效，即堆棧指針SP必須指向一個有效的RAM區(qū)，而且堆棧的大小必須不少于9個字節(jié)。中斷響應(yīng)堆棧操作如表6.1所示。4.2S12中斷優(yōu)先級

S12與多個中斷源相連，所以在同一時刻可能會有兩個或兩個以上的中斷源同時請求中斷，這就要求必須根據(jù)任務(wù)的輕重緩急給每個中斷源分配不同的中斷優(yōu)先級。當兩個或兩個以上中斷源同時發(fā)生時，優(yōu)先級高的中斷將先被處理。一般來說，不可屏蔽中斷的優(yōu)先級高于可屏蔽中斷的優(yōu)先級。復(fù)位以及不可屏蔽中斷的優(yōu)先級從高到低依次為：4.2S12中斷優(yōu)先級4.2S12中斷優(yōu)先級4.2S12中斷優(yōu)先級 表6.2中的最后一列表示最高優(yōu)先級中斷設(shè)定寄存器（HPRIO）中可以設(shè)置的數(shù)值，通過設(shè)置該寄存器，可以將某個可屏蔽中斷的優(yōu)先級“推進”為可屏蔽中斷中的最高優(yōu)先級中斷。最高優(yōu)先級中斷設(shè)定寄存器（INTCR）如圖6.4所示。 復(fù)位后該寄存器默認值為$F2，表示IRQ（$FFF2，$FFF3）中斷在可屏蔽中斷中的優(yōu)先級最高。4.2S12中斷優(yōu)先級 需要注意的是，通過HPRIO設(shè)定的優(yōu)先級并不表示當出現(xiàn)中斷嵌套時，高優(yōu)先級中斷可以中止低優(yōu)先級中斷的服務(wù)程序執(zhí)行，而轉(zhuǎn)向高優(yōu)先級中斷的服務(wù)程序運行。這里高優(yōu)先級作用只有當多個中斷源同時請求中斷時才能體現(xiàn)，這時S12單片機將首先響應(yīng)高優(yōu)先級的中斷，低優(yōu)先級的中斷不會得到響應(yīng)。4.2S12中斷優(yōu)先級

S12單片機默認的中斷處理機制如圖6.5所示。從圖中可以看到，S12單片機默認狀態(tài)下在進入中斷服務(wù)程序時，I位自動置1，所以禁止其他可屏蔽中斷，盡管在處理中斷A的服務(wù)程序過程中又來了更高級別的中斷B的中斷請求，單片機也無法及時處理，必須等待當前中斷服務(wù)程序執(zhí)行完以后才能響應(yīng)。4.2S12中斷優(yōu)先級

如果希望在S12單片機中實現(xiàn)中斷嵌套，一個比較簡單的方法是進入中斷服務(wù)程序時，將可屏蔽中斷屏蔽位I清零。這樣可以實現(xiàn)如圖6.6所示的中斷嵌套。4.2S12中斷優(yōu)先級

從圖6.6中可以看到，這樣簡單的處理也可能會帶來問題，就是低優(yōu)先級的中斷請求會使得高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序掛起。因為在中斷B的服務(wù)程序中清除可屏蔽中斷屏蔽位I，所以此時任何可屏蔽中斷請求都可以得到處理，出現(xiàn)了低優(yōu)先級的中斷A打斷高優(yōu)先級B中斷服務(wù)程序的情況。為了解決這個問題，可以只在中斷A的服務(wù)程序中清除可屏蔽中斷屏蔽位I，而在中斷B的服務(wù)程序中不做處理，這樣就可以得到如圖6.7所示的中斷處理機制，這樣只有高優(yōu)先級的中斷請求可以打斷低優(yōu)先級中斷的服務(wù)程序。4.3S12中斷程序設(shè)計實例

本實例硬件連接如圖6.8所示，PORTA端口連接1個8位撥碼開關(guān)，PORTB端口連接8只LED，單片機IRQ引腳外接一個按鍵，按鍵按下為低電平。要求編程實現(xiàn)利用

IRQ作為中斷源，采用中斷方式，利用8位撥碼開關(guān)控制8只LED燈的循環(huán)點亮速度，撥碼開關(guān)的不同狀態(tài)設(shè)置代表燈循環(huán)點亮時點亮速度值的設(shè)定。4.3S12中斷程序設(shè)計實例 中斷服務(wù)程序可以有兩種編寫方式，一種是利用中斷編號關(guān)聯(lián)中斷服務(wù)程序；另外一種是通過在.prm文件中的聲明關(guān)聯(lián)中斷服務(wù)程序。首先介紹利用中斷編號編寫中斷服務(wù)程序。從表6.2中可以看到，中斷向量表依次自上而下從0開始編號，IRQ中斷在表格中是第7個，所以編號為6，下面是部分實例程序代碼