單片機教程十七:單片機的中斷系統

單片機中斷系統的概念：什么是中斷，我們從一個生活中的例程引入。你正在家中看書，突然電話鈴響了，你放下書本，去接電話，和來電話的人交談，然后放下電話，回來繼續看你的書。這就是生活中的“中斷”的現象，就是正常的工作過程被外部的事件打斷了。仔細研究一下生活中的中斷，對于我們學習單片機的中斷也很有好處。

第一、什么可經引起中斷，生活中很多事件能引起中斷：有人按了門鈴了，電話鈴響了，你的鬧鐘鬧響了，你燒的水開了….等等諸如此類的事件，我們把能引起中斷的稱之為中斷源，單片機中也有一些能引起中斷的事件，8031中一共有5個：兩個外部中斷，兩個計數/定時器中斷，一個串行口中斷。

第二、中斷的嵌套與優先級處理：設想一下，我們正在看書，電話鈴響了，同時又有人按了門鈴，你該先做那樣呢？如果你正是在等一個很重要的電話，你一般不會去理會門鈴的，而反之，你正在等一個重要的客人，則可能就不會去理會電話了。如果不是這兩者（即不等電話，也不是等人上門），你可能會按你常常的習慣去處理。總之這里存在一個優先級的問題，單片機中也是如此，也有優先級的問題。優先級的問題不僅僅發生在兩個中斷同時產生的情況，也發生在一個中斷已產生，又有一個中斷產生的情況，比如你正接電話，有人按門鈴的情況，或你正開門與人交談，又有電話響了情況。考慮一下我們會怎么辦吧。

第三、中斷的響應過程：當有事件產生，進入中斷之前我們必須先記住現在看書的第幾頁了，或拿一個書簽放在當前頁的位置，然后去處理不一樣的事情（因為處理完了，我們還要回來繼續看書）：電話鈴響我們要到放電話的地方去，門鈴響我們要到門那邊去，也說是不一樣的中斷，我們要在不一樣的地點處理，而這個地點常常還是固定的。計算機中也是采用的這種辦法，五個中斷源，每個中斷產生后都到一個固定的地方去找處理這個中斷的程序，當然在去之前首先要保存下面將執行的指令的地址，以便處理完中斷后回到原來的地方繼續往下執行程序。具體地說，中斷響應能分為以下幾個步驟：1、保護斷點，即保存下一將要執行的指令的地址，就是把這個地址送入堆棧。2、尋找中斷入口，根據5個不一樣的中斷源所產生的中斷，查找5個不一樣的入口地址。以上工作是由計算機自動完成的，與編程者無關。在這5個入口地址處存放有中斷處理程序（這是程序編寫時放在那兒的，如果沒把中斷程序放在那兒，就錯了，中斷程序就不能被執行到）。3、執行中斷處理程序。4、中斷返回：執行完中斷指令后，就從中斷處返回到主程序，繼續執行。究竟單片機是怎么樣找到中斷程序所在位置，又怎么返回的呢？我們稍后再談。

MCS-51單片機中斷系統的結構：
5個中斷源的符號、名稱及產生的條件如下。
INT0：外部中斷0，由P3．2端口線引入，低電平或下跳沿引起。
INT1：外部中斷1，由P3．3端口線引入，低電平或下跳沿引起。
T0：定時器／計數器0中斷，由T0計滿回零引起。
T1：定時器／計數器l中斷，由T1計滿回零引起。
TI／RI：串行I／O中斷，串行端口完成一幀字符發送／接收后引起。
整個中斷系統的結構框圖見下圖一所示。

<51單片機中斷系統結構>

如圖所示，由與中斷有關的特殊功能寄存器、中斷入口、次序查詢邏輯電路等組成，包括5個中斷請求源，4個用于中斷控制的寄存器IE、IP、ECON和SCON來控制中斷類弄、中斷的開、關和各種中斷源的優先級確定。

中斷請求源：

（1）外部中斷請求源：即外中斷0和1，經由外部管腳引入的，在單片機上有兩個管腳，名稱為INT0、INT1，也就是P3.2、P3.3這兩個管腳。在內部的TCON中有四位是與外中斷有關的。IT0：INT0觸發方式控制位，可由軟件進和置位和復位，IT0=0，INT0為低電平觸發方式，IT0=1，INT0為負跳變觸發方式。這兩種方式的差異將在以后再談。IE0：INT0中斷請求標志位。當有外部的中斷請求時，這位就會置1（這由硬件來完成），在CPU響應中斷后，由硬件將IE0清0。IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。（2）內部中斷請求源TF0：定時器T0的溢出中斷標記，當T0計數產生溢出時，由硬件置位TF0。當CPU響應中斷后，再由硬件將TF0清0。TF1：與TF0類似。TI、RI：串行口發送、接收中斷，在串行口中再講解。2、中斷允許寄存器IE在MCS－51中斷系統中，中斷的允許或禁止是由片內可進行位尋址的8位中斷允許寄存器IE來控制的。見下表EAX

其中EA是總開關，如果它等于0，則所有中斷都不允許。ES－串行口中斷允許ET1－定時器1中斷允許EX1－外中斷1中斷允許。ET0－定時器0中斷允許EX0－外中斷0中斷允許。如果我們要設置允許外中斷1，定時器1中斷允許，其它不允許，則IE能是EAX

即8CH，當然，我們也能用位操作指令SETB EA

SETB ET1SETB EX1

來實現它。3、五個中斷源的自然優先級與中斷服務入口地址外中斷0：0003H定時器0：000BH外中斷1：0013H定時器1：001BH串行口：0023H它們的自然優先級由高到低排列。寫到這里，大家應當明白，為什么前面有一些程序一始我們這樣寫：

ORG 0000HLJMP START

ORG 0030H

START：。

這樣寫的目的，就是為了讓出中斷源所占用的向量地址。當然，在程序中沒用中斷時，直接從0000H開始寫程序，在原理上并沒有錯，但在實際工作中最好不這樣做。優先級：單片機采用了自然優先級和人工設置高、低優先級的策略，即能由程序員設定那些中斷是高優先級、哪些中斷是低優先級，由于只有兩級，必有一些中斷處于同一級別，處于同一級別的，就由自然優先級確定。

開機時，每個中斷都處于低優先級，我們能用指令對優先級進行設置。看表2中斷優先級中由中斷優先級寄存器IP來高置的，IP中某位設為1，對應的中斷就是高優先級，不然就是低優先級。

XX

X

PS

PT1

PX1

PT0

PX0

例：設有如下要求，將T0、外中斷1設為高優先級，其它為低優先級，求IP的值。IP的首3位沒用，可任意取值，設為000，后面根據要求寫就能了XX

因此，最終，IP的值就是06H。例：在上例中，如果5個中斷請求同時發生，求中斷響應的次序。響應次序為：定時器0－＞外中斷1－＞外中斷0－＞實時器1－＞串行中斷。

MCS－51的中斷響應過程：

1、中斷響應的條件：講到這兒，我們依然對于計算機響應中斷感到神奇，我們人能響應外界的事件，是因為我們有多種“傳感器“――眼、耳能接受不一樣的信息，計算機是如何做到這點的呢？其實說穿了，一點都不希奇，MCS51工作時，在每個機器周期中都會去查詢一下各個中斷標記，看他們是否是“1“，如果是1，就說明有中斷請求了，所以所謂中斷，其實也是查詢，不過是每個周期都查一下而已。這要換成人來說，就相當于你在看書的時候，每一秒鐘都會抬起頭來看一看，查問一下，是不是有人按門鈴，是否有電話。。。。很蠢，不是嗎？可計算機本來就是這樣，它根本沒人聰明。了解了上述中斷的過程，就不難解中斷響應的條件了。在下列三種情況之一時，CPU將封鎖對中斷的響應：

CPU正在處理一個同級或更高級別的中斷請求。

現行的機器周期不是當前正執行指令的最后一個周期。我們知道，單片機有單周期、雙周期、三周期指令，當前執行指令是單字節沒有關系，如果是雙字節或四字節的，就要等整條指令都執行完了，才能響應中斷（因為中斷查詢是在每個機器周期都可能查到的）。

當前正執行的指令是返回批令（RETI）或訪問IP、IE寄存器的指令，則CPU至少再執行一條指令才應中斷。這些都是與中斷有關的，如果正訪問IP、IE則可能會開、關中斷或改變中斷的優先級，而中斷返回指令則說明本次中斷還沒有處理完，所以都要等本指令處理結束，再執行一條指令才能響應中斷。

2、中斷響應過程CPU響應中斷時，首先把當前指令的下一條指令（就是中斷返回后將要執行的指令）的地址送入堆棧，然后根據中斷標記，將對應的中斷入口地址送入PC，PC是程序指針，CPU取指令就根據PC中的值，PC中是什么值，就會到什么地方去取指令，所以程序就會轉到中斷入口處繼續執行。這些工作都是由硬件來完成的，不必我們去考慮。這里還有個問題，大家是否注意到，每個中斷向量地址只間隔了8個單元，如0003－000B，在如此少的空間中如何完成中斷程序呢？很簡單，你在中斷處安排一個LJMP指令，不就能把中斷程序跳轉到任何地方了嗎？一個完整的主程序看起來應該是這樣的：

ORG 0000HLJMP START

ORG 0003H

LJMP INT0 ；轉外中斷0ORG 000BH

RETI ；沒有用定時器0中斷，在此放一條RETI，萬一 “不小心“產生了中斷，也不會有太大的后果。。

中斷程序完成后，一定要執行一條RETI指令，執行這條指令后，CPU將會把堆棧中保存著的地址取出，送回PC，那么程序就會從主程序的中斷處繼續往下執行了。注意：CPU所做的保護工作是很有限的，只保護了一個地址，而其它的所有東西都不保護，所以如果你在主程序中用到了如A、PSW等，在中斷程序中又要用它們，還要保證回到主程序后這里面的數據還是沒執行中斷以前的數據，就得自己保護起來。

中斷系統的控制寄存器：
中斷系統有兩個控制寄存器IE和IP，它們分別用來設定各個中斷源的打開／關閉和中斷優先級。此外，在TCON中另有4位用于選擇引起外部中斷的條件并作為標志位。

1．中斷允許寄存器--IE
IE在特殊功能寄存器中，字節地址為A8H，位地址(由低位到高位)分別是A8H-AFH。
IE用來打開或關斷各中斷源的中斷請求，基本格式如下圖二所示：

EA：全局中斷允許位。EA＝0，關閉全部中斷；EA＝1，打開全局中斷控制，在此條件下，由各個中斷控制位確定相應中斷的打開或關閉。
×：無效位。
ES：串行I／O中斷允許位。ES＝1，打開串行I／O中斷；ES＝0，關閉串行I／O中斷。
ETl；定時器／計數器1中斷允許位。ETl＝1，打開T1中斷；ETl＝O，關閉T1中斷。
EXl：外部中斷l中斷允許位。EXl＝1，打開INT1；EXl＝0，關閉INT1。
ET0：定時器／計數器0中斷允許位。ET0＝1，打開T0中斷；ET0＝0，關閉TO中斷。
EXO：外部中斷0中斷允許位。Ex0＝1，打開INT0;EX0=0,關閉INT0.

中斷優先寄存器--IP：
IP在特殊功能寄存器中，字節地址為B8H，位地址(由低位到高位)分別是B8H一BFH,IP用來設定各個中斷源屬于兩級中斷中的哪一級，IP的基本格式如下圖三所示：

×：無效位。
PS：串行I／O中斷優先級控制位。PS＝1，高優先級；PS＝0，低優先級。
PTl：定時器／計數器1中斷優先級控制位。PTl＝1，高優先級；PTl＝0，低優先級。
Pxl：外部中斷1中斷優先級控制位。Pxl＝1，高優先級；PXl＝O，低優先級。
PT0：定時器／計數器o中斷優先級控制位。PT0＝1，高優先級；PTO＝0，低優先級。
Px0：外部中斷0中斷優先級控制位。Px0＝1，高優先級；Px0＝0，傷優先級。
在MCS-51單片機系列中，高級中斷能夠打斷低級中斷以形成中斷嵌套；同級中斷之間，或低級對高級中斷則不能形成中斷嵌套。若幾個同級中斷同時向CPU請求中斷響應，則CPU按如下順序確定響應的先后順序：

INT0一T0---INT1一T1一RI／T1.

中斷的響應過程

若某個中斷源通過編程設置，處于被打開的狀態，并滿足中斷響應的條件，而且①當前正在執行的那條指令已被執行完
1、當前末響應同級或高級中斷
2、不是在操作IE，IP中斷控制寄存器或執行REH指令則單片機響應此中斷。
在正常的情況下，從中斷請求信號有效開始，到中斷得到響應，通常需要3個機器周期到8個機器周期。中斷得到響應后，自動清除中斷請求標志(對串行I／O端口的中斷標志，要用軟件清除)，將斷點即程序計數器之值(PC)壓入堆棧(以備恢復用)；然后把相應的中斷入口地址裝入PC，使程序轉入到相應的中斷服務程序中去執行。
各個中斷源在程序存儲器中的中斷入口地址如下：
中斷源 入口地址
INT0(外部中斷0) 0003H
TF0(TO中斷) 000BH
INT1(外部中斷1) 0013H
TFl(T1中斷) 001BH
RI／TI(串行口中斷) 0023H
由于各個中斷入口地址相隔甚近，不便于存放各個較長的中斷服務程序，故通常在中斷入口地址開始的二三個單元中，安排一條轉移類指令，以轉入到安排在那兒的中斷服務程序。以T1中斷為例，其過程下如圖四所示。
由于5個中斷源各有其中斷請求標志0，TF0，IEl，TFl以及RI／TI，在中斷源滿足中斷請求的條件下，各標志自動置1，以向CPU請求中斷。如果某一中斷源提出中斷請求后，CPU不能立即響應，只要該中斷請求標志不被軟件人為清除，中斷請求的狀態就將一直保持,直到CPU響應了中斷為止,對串行口中斷而言，這一過程與其它4個中斷的不同之處在于；即使CPU響應了中斷，其中斷標志RI／TI也不會自動清零，必須在中斷服務程序中設置清除RI／TI的指令后，才會再一次地提出中斷請求。
CPU的現場保護和恢復必須由被響應的相應中斷服務程序去完成，當執行RETI中斷返回指令后，斷點值自動從棧頂2字節彈出，并裝入PC寄存器，使CPU繼續執行被打斷了的程序。
下面給出一個應用定時器中斷的實例。
現要求編制一段程序，使P1．0端口線上輸出周期為2ms的方波脈沖。設單片機晶振頻率
Fosc＝6MHZ．
1、方法：利用定時器T0作1ms定時，達到定時值后引起中斷，在中斷服務程序中，使P1．0的狀態取一次反，并再次定時1ms。
2、定時初值：機器周期MC＝12/fosc＝2us。所以定時lms所需的機器周期個數為500D，亦即0lF4H。設T0為工作方式1(16位方式)，則定時初值是(01F4H)求補＝FEOCH

串行端口的控制寄存器：

串行端口共有2個控制寄存器SCON和PCON，用以設置串行端口的工作方式、接收／發送的運行狀態、接收／發送數據的特征、波特率的大小，以及作為運行的中斷標志等。
①串行口控制寄存器SCON
SCON的字節地址是98H，位地址(由低位到高位)分別是98H一9FH。SCON的格式如圖五所示。

SMo，SMl：
串行口工作方式控制位。
00--方式0；01--方式1；
10--方式2；11--方式3。
SM2：
僅用于方式2和方式3的多機通訊控制位
發送機SM2＝1(要求程控設置)。
當為方式2或方式3時：
接收機 SM2＝1時，若RB8＝1，可引起串行接收中斷；若RB8＝0，不
引起串行接收中斷。SM2＝0時，若RB8＝1，可引起串行接收中斷；若
RB8＝0，亦可引起串行接收中斷。
REN:
串行接收允許位。
0--禁止接收；1--允許接收。
TB8:
在方式2，3中，TB8是發送機要發送的第9位數據。
RB8:
在方式2，3中，RB8是接收機接收到的第9位數據，該數據正好來自發
送機的TB8。
TI:
發送中斷標志位。發送前必須用軟件清零，發送過程中TI保持零電平，
發送完一幀數據后，由硬件自動置1。如要再發送，必須用軟件再清零。
RI:
接收中斷標志位。接收前，必須用軟件清零，接收過程中RI保持零電
平，接收完一幀數據后，由片內硬件自動置1。如要再接收，必須用軟件
再清零。

電源控制寄存器PCON

PCON的字節地址為87H，無位地址，PCON的格式如圖六所示。需指出的是，對80C31單片機而言，PCON還有幾位有效控制位。

SMOD：波特率加倍位。在計算串行方式1，2，3的波特率時；0---不加倍；1---加倍。

串行中斷的應用特點：

8031單片機的串行I／O端口是一個中斷源，有兩個中斷標志RI和TI，RI用于接收，TI用于發送。
串行端口無論在何種工作方式下，發送／接收前都必須對TI／RI清零。當一幀數據發送／接收完后，TI/RI自動置1，如要再發送／接收，必須先用軟件將其清除。
在串行中斷被打開的條件下，對方式0和方式1來說，一幀數據發送／接收完后，除置位TI／RI外，還會引起串行中斷請求，并執行串行中側目務程序。但對方式2和方式3的接收機而言，還要視SM2和RB8的狀態，才可確定RI是否被置位以及串行中斷的開放：
SM2 RB8 接收機中斷標志與中斷狀態
0 1 激活RI，引起中斷
1 0 不激活RI，不引起中斷
1 1 激活RI，引起中斷
單片機正是利用方式2，3的這一特點，實現多機間的通信。串行端口的常用應用方法見相關章節。

波特率的確定：

對方式0來說，波特率已固定成fosc／12，隨著外部晶振的頻率不同，波特率亦不相同。常用的fosc有12MHz和6MHz，所以波特率相應為1000×103和500×103位／s。在此方式下，數據將自動地按固定的波特率發送／接收，完全不用設置。
對方式2而言，波特率的計算式為2SMOD·fosc／64。當SMOD＝0時，波特率為fm／64；當SMOD＝1時，波特率為fosc／32。在此方式下，程控設置SMOD位的狀態后，波特率就確定了，不需要再作其它設置。
對方式1和方式3來說，波特率的計算式為2SMOD／32×T1溢出率，根據SMOD狀態位的不同，波特率有Tl／32溢出率和T1／16溢出率兩種。由于T1溢出率的設置是方便的，因而波特率的選擇將十分靈活。
前已敘及，定時器Tl有4種工作方式，為了得到其溢出率，而又不必進入中斷服務程序，往往使T1設置在工作方式2的運行狀態，也就是8位自動加入時間常數的方式。由于在這種方式下，T1的溢出率(次／秒)計算式可表達成：

下面一段主程序和中斷服務程序，是利用串行方式l從數據00H開始連續不斷增大地串行發送一片數據的程序例。設單片機晶振的頻率為6MHZ，波特率為1200位／秒。