第5章 MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

第五章MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

5.1中斷的基本概念5.2MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)及管理5.3中斷處理過程5.4中斷系統(tǒng)應(yīng)用5.1中斷的基本概念

所謂中斷，是指CPU對(duì)系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生的某個(gè)事件的一種響應(yīng)過程，即CPU暫時(shí)停止正在執(zhí)行的程序轉(zhuǎn)而執(zhí)行預(yù)先安排好的處理該事件的服務(wù)子程序（中斷服務(wù)子程序），當(dāng)處理完畢后，CPU又自動(dòng)返回原來的程序繼續(xù)運(yùn)行。圖5-1中斷流程

從中斷的執(zhí)行過程看來，計(jì)算機(jī)的中斷過程與子程序的調(diào)用有相似之處，但是它們之間有本質(zhì)的區(qū)別：

首先，子程序的執(zhí)行是程序員事先安排好的，在程序中通過調(diào)用指令來執(zhí)行的，而中斷服務(wù)子程序的執(zhí)行則是由隨機(jī)事件引起的，程序員也不知道何時(shí)中斷服務(wù)子程序會(huì)被執(zhí)行；

其次，子程序一般與主程序有關(guān)，它的執(zhí)行受到主程序或上一級(jí)子程序的控制，而中斷服務(wù)子程序一般是用來處理隨機(jī)事件的，與被中斷的程序沒有關(guān)系。圖5-2MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖5.2.1中斷源

所謂中斷源，是指引起中斷的原因和發(fā)出中斷申請(qǐng)的來源。MCS-51單片機(jī)有5個(gè)中斷源，可分為3類：1.外部輸入中斷源（外中斷）2個(gè)2.定時(shí)\計(jì)數(shù)器溢出中斷源（定時(shí)\計(jì)數(shù)器中斷）2個(gè)3.串行口中斷請(qǐng)求源（串行中斷）1個(gè)。5.2.2中斷請(qǐng)求標(biāo)志寄存器

1．TCON寄存器的中斷標(biāo)志TCON是一個(gè)8位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器，字節(jié)地址為88H，可位尋址。其8個(gè)位中有6個(gè)位與中斷有關(guān)：2.SCON中的中斷標(biāo)志SCON是一個(gè)8位的串行控制寄存器，字節(jié)地址為98H，可位尋址。其8個(gè)位中有2個(gè)位是中斷標(biāo)志位：5.2.3中斷的控制1.中斷允許控制MCS-51單片機(jī)中的特殊功能寄存器IE是中斷允許寄存器，它控制CPU對(duì)中斷源的開放或屏蔽，以及每個(gè)中斷源是否允許中斷。IE是個(gè)8位寄存器，字節(jié)地址為A8H，可位尋址。其各位的定義如下：圖5-6兩級(jí)中斷嵌套過程示意圖MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)遵循以下幾條規(guī)則：（1）正在進(jìn)行的中斷過程不能被新的同級(jí)或低先級(jí)的中斷請(qǐng)求所中斷。（2）正在進(jìn)行的低先級(jí)中斷能被高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求所中斷，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)中斷嵌套。（3）CPU同時(shí)接時(shí)到幾個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，首先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)最高的中斷請(qǐng)求。若同時(shí)接收到幾個(gè)同一優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求，CPU通過硬件查詢按自然優(yōu)先級(jí)確定響應(yīng)的先后順序，用戶無法決定。

表5-1自然優(yōu)先級(jí)順序

中斷源中斷級(jí)別外部中斷0T0溢出中斷外部中斷1T1溢出中斷串行口中斷最高

最低5.3中斷處理過程

5.3.1中斷請(qǐng)求MCS-51單片機(jī)的5個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求均由硬件自動(dòng)完成，中斷請(qǐng)求完成后，相應(yīng)的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位被硬件置1。定時(shí)/計(jì)數(shù)器和串行口的中斷請(qǐng)求信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生，而外部中斷1和外部中斷0的中斷請(qǐng)求信號(hào)則需從引腳INT0和INT1輸入，中斷系統(tǒng)在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2對(duì)引腳信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣的結(jié)果設(shè)置中斷標(biāo)志位。5.3.2中斷查詢和響應(yīng)1．中斷查詢MCS-51單片機(jī)在每個(gè)機(jī)器周期的s6狀態(tài)按照中斷優(yōu)先級(jí)的高低順序?qū)χ袛鄻?biāo)志位進(jìn)行查詢，即CPU對(duì)TCON和SCON的各標(biāo)志位的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，以確定是否有中斷請(qǐng)求以及是哪個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求。中斷查詢?cè)谥噶顖?zhí)行的每個(gè)機(jī)器周期中不停重復(fù)進(jìn)行，若查詢到有標(biāo)志位被置位且滿足響應(yīng)的條件，則CPU將在下個(gè)機(jī)器周期的S1狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)。2．中斷響應(yīng)

（1）中斷響應(yīng)的條件

中斷響應(yīng)是CPU對(duì)中斷源提出的中斷請(qǐng)求的接受。一個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求要被響應(yīng)，必須滿足四個(gè)條件：首先開放CPU中斷，即中斷允許控制位EA=1；其次，中斷源有中斷請(qǐng)求，即中斷標(biāo)志位被置位；第三，相應(yīng)的中斷充許位被置位，即某個(gè)中斷源允許中斷；第四，無同級(jí)或高級(jí)中斷正在被服務(wù)。

以上是中斷請(qǐng)求被響應(yīng)必須滿足的條件，中斷請(qǐng)求最終能否被響應(yīng)，還要看程序執(zhí)行的狀態(tài)，若遇到以下情況，中斷請(qǐng)求仍不能被響應(yīng)：當(dāng)前正在執(zhí)行的指令還沒有執(zhí)行完；正在執(zhí)行訪問IE、IP的指令或執(zhí)行RETI指令。對(duì)后一種情況，只有在執(zhí)行這些指令后至少還要再執(zhí)行一條指令，才能響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求。

如果存在以上情況，CPU將丟棄中斷查詢結(jié)果，不能響應(yīng)中斷請(qǐng)求，查詢過程在下個(gè)機(jī)器周期重新進(jìn)行。（2）中斷響應(yīng)的過程

當(dāng)CPU查詢到有效的中斷請(qǐng)求且滿足中斷響應(yīng)的條件時(shí)，緊接著就進(jìn)行中斷響應(yīng)。中斷響應(yīng)的主要過程是由硬件自動(dòng)生成一條長(zhǎng)調(diào)用指令“LCALLaddr16”。這里的addr16就是程序存儲(chǔ)器中相應(yīng)的中斷入口地址。例如：對(duì)于定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的響應(yīng)，硬件自動(dòng)生成的長(zhǎng)調(diào)用指令是：“LCALL000BH”。CPU指行該指令時(shí)時(shí)，首先將當(dāng)前PC的內(nèi)容壓入堆棧以保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，再將相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址裝入PC，使程序轉(zhuǎn)向響應(yīng)中斷請(qǐng)求的中斷入口地址。各中斷源的服務(wù)程序的入口地址是固定的，如表5-2所示。除此之外，還將由硬件自動(dòng)清除中斷請(qǐng)求標(biāo)志位（TF0、TF1、IE0、IE1）。中斷源中斷入口地址外部中斷0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部中斷1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1串行口中斷0003H000BH0013H001BH0023H表5-2中斷入口地址表（3）中斷響應(yīng)的時(shí)間

中斷響應(yīng)的時(shí)間是指從中斷響應(yīng)有效（標(biāo)志位置1）到轉(zhuǎn)向其中斷服務(wù)程序地址區(qū)的入口地址所需要的時(shí)間。

對(duì)于單一中斷源中斷系統(tǒng)，中斷響應(yīng)時(shí)間最少需要3個(gè)機(jī)器周期：其中查詢中斷請(qǐng)求標(biāo)志位需要一個(gè)機(jī)器周期，且該機(jī)器周期恰好處于正在執(zhí)行的指令的最后一個(gè)機(jī)器周期，則CPU無需等待即可響應(yīng)中斷請(qǐng)求，執(zhí)行由硬件自動(dòng)生成的長(zhǎng)調(diào)用指令，需要2個(gè)機(jī)器周期，一共需要3個(gè)機(jī)器周期。

中斷響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)則需要8個(gè)機(jī)器周期：這種情況出現(xiàn)在CPU進(jìn)行中斷標(biāo)志查詢時(shí)，剛好才開始執(zhí)行訪問IE、IP的指令或執(zhí)行RETI指令，則需把當(dāng)前指令指行完且再繼續(xù)執(zhí)行完一條指令才始開響應(yīng)中斷請(qǐng)求。執(zhí)行RETI指令或訪問IE、IP指令時(shí)，需要2個(gè)機(jī)器周期，而再執(zhí)行一條指令最長(zhǎng)需要4個(gè)機(jī)器周期（如MUL、DIV指令），加上執(zhí)行硬件自動(dòng)生成的長(zhǎng)調(diào)用指令LCALL需要2個(gè)機(jī)器周期，最長(zhǎng)需8個(gè)機(jī)器周期。（4）中斷請(qǐng)求的撤銷某個(gè)中斷請(qǐng)求被響應(yīng)后，應(yīng)該撤銷該中斷請(qǐng)求，以免該中斷請(qǐng)求再次引起中斷。①對(duì)于定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷后，硬件會(huì)自動(dòng)把中斷標(biāo)志位（TF0或TF1）清0，因此，定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷請(qǐng)求是自動(dòng)撤銷的。②對(duì)于外部中斷請(qǐng)求，若外部中斷請(qǐng)求信號(hào)觸發(fā)方式為脈沖方式，由于脈沖信號(hào)過后即消失，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后由硬件自動(dòng)清除中斷請(qǐng)求標(biāo)志位（IE0或IE1），因此脈沖方式的外部中斷請(qǐng)求是自動(dòng)撤銷的。而對(duì)于電平觸發(fā)方式的外部中斷請(qǐng)求，中斷請(qǐng)求標(biāo)志位（IE0或IE1）是由硬件自動(dòng)完成的，但中斷請(qǐng)求信號(hào)的低電平可能繼續(xù)存在，在CPU響應(yīng)中斷后，又會(huì)將已清除的中斷標(biāo)志位IE0或IE1重新置位，再次引起中斷，因此，電平觸發(fā)的外部中斷請(qǐng)求的撤銷，除了清除中斷請(qǐng)求標(biāo)志位之外，還應(yīng)立即撤除引腳上（INT0或INT1）上的低電平信號(hào)。③對(duì)于串行口中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷后，中斷請(qǐng)求標(biāo)志位RI和TI不會(huì)被硬件自動(dòng)清0，只能使用軟件清0，因此，串行口中斷請(qǐng)求的撤銷只能使用軟件的方法。5.3.3中斷處理1．現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。

所謂現(xiàn)場(chǎng)是指中斷時(shí)刻單片機(jī)中某些寄存器和存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)或狀態(tài)。為了避免中斷服務(wù)子程序的執(zhí)行破壞這些數(shù)據(jù)或狀態(tài)，需要把它們存入堆棧當(dāng)中保護(hù)起來，以免中斷返回后影響主程序的執(zhí)行，這就是現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)要在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序之前進(jìn)行。2.關(guān)中斷和開中斷。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)不充許被打斷的情況，可以在現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)之前關(guān)中斷，即禁止CPU響應(yīng)中斷，將中斷允許控制位EA清0，以免破壞現(xiàn)場(chǎng)；在現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)之后再開中斷，為下一次的中斷做好準(zhǔn)備。5.3.4中斷返回

中斷服務(wù)子程序的最后一條指令必須是返回指令RETI，它是中斷服務(wù)子程序結(jié)束的標(biāo)志。CPU執(zhí)行這條指令時(shí)，把響應(yīng)中斷時(shí)置1的中斷優(yōu)先級(jí)觸發(fā)器清0，然后從堆棧中彈出棧頂上的兩個(gè)字節(jié)的斷點(diǎn)地址送程序計(jì)數(shù)器PC，使程序回到斷點(diǎn)處重新執(zhí)行被中斷了的程序。由于RETI指令和RET指令兩者功能不同，所以中斷服務(wù)子程序的返回不能使用RET指令。5.4中斷系統(tǒng)應(yīng)用

例5.1如圖5-8所示是單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。將P1口設(shè)置成數(shù)據(jù)輸入口，外部設(shè)備每準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)出一個(gè)正脈沖，使D觸發(fā)器Q端置0，向

送入一個(gè)低電平中斷請(qǐng)求信號(hào)。中斷響應(yīng)后，利用P3.0向D觸發(fā)器的直接置位端SD輸出一個(gè)負(fù)脈沖，使D觸發(fā)器的Q端置1，撤銷低電平的中斷請(qǐng)求信號(hào)，從而撤銷中斷請(qǐng)求。例5-8單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意圖程序如下：

ORG0000HSTART：LJMPMAIN；跑轉(zhuǎn)到主程序ORG0003HLJMPINT0；轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序ORG0030H；主程序MAIN：CLRIT0；設(shè)置低電平觸發(fā)方式SETBEA；CPU開放中斷SETBEX0；允許外部中斷0中斷MOVDPTR，#1000H；設(shè)置數(shù)據(jù)指針…ORG0100H；中斷服務(wù)子程序INT0：PUSHPSW；現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)PUSHA；由P3.0輸出負(fù)脈沖CLRP3.0NOPNOPSETBP3.0MOVA，P1；輸入數(shù)據(jù)MOVX@DPTR，A；存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器INCDPTR；修改數(shù)據(jù)指針，指向下一個(gè)單元…POPA；現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)POPPSWRETI；中斷返回例5.2某工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng),具有溫度、壓力、PH值等多路監(jiān)控功能，中斷源的接口電路如圖5-9所示。對(duì)于PH值，在小于7時(shí)向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后使P3.0引腳輸出高電平，經(jīng)驅(qū)動(dòng)，使加緘管道電磁閥接通1秒，以調(diào)整PH值。ORG0030H；外部中斷0的中斷服務(wù)子程入口JBP1.0，INT00；檢測(cè)轉(zhuǎn)移指令表JBP1.1，INT01JBP1.2，INT02JBP1.3，INT03ORG0080；PH<7時(shí)中斷服務(wù)子程序INT02：PUSHPSW

；現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)

PUSHASETBPSW.3；工作寄存器設(shè)置為1組，以保護(hù)原0組的內(nèi)容SETBP3.0

；接通加堿管道電磁閥ACALLDELAY；調(diào)用1秒延時(shí)子程序