第5章MCS-51單片機定時系統(tǒng)與中斷系統(tǒng)本章學習目標：了解中斷的基本概念和功能。掌握中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方式。掌握中斷系統(tǒng)的中斷處理過程。了解定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)與工作原理。掌握定時器/的四種工作方式的特點及應(yīng)用。5.1中斷系統(tǒng)及應(yīng)用中斷是指CPU正在處理某件事情的時候，外部發(fā)生了某一事件，請求CPU迅速去處理。CPU暫時中斷當前的工作，轉(zhuǎn)入處理所發(fā)生的事件，處理完以后，再回來繼續(xù)執(zhí)行被終止了的工作，這個過程稱為中斷。實現(xiàn)中斷功能的硬件和軟件稱為中斷系統(tǒng)，產(chǎn)生中斷請求的請求源稱為中斷源。原來正在執(zhí)行的程序稱為主程序，主程序被斷開的位置稱為斷點。5.1.1中斷的概念5.1.2中斷源以8051為例，共有3類5個中斷源，5個中斷源中共有兩個外部中斷、兩個定時中斷和一個串行中斷。（1）外部中斷源外部中斷是由外部原因（如打印機、鍵盤、控制開關(guān)、外部故障）引起的，可以通過兩個固定引腳來輸入到單片機內(nèi)的信號，即外部中斷0和外部中斷1。外部中斷0中斷請求信號輸入端，P3.2的第二功能。由定時器控制寄存器TCON中的IT0位決定中斷請求信號是低電平還是下降沿有效。一旦輸入信號有效，即向CPU申請中斷，并且硬件自動使IE0置1。外部中斷1中斷請求信號輸入端，P3.3的第二功能。由定時器控制寄存器TCON中的IT1位決定中斷請求信號是低電平還是下降沿有效。一旦輸入信號有效，即向CPU申請中斷，并且硬件自動使IE1置1。2）定時中斷類定時中斷是由內(nèi)部定時（或計數(shù)）溢出或外部定時（或計數(shù)）溢出引起的，即T0和T1中斷。當定時器對單片機內(nèi)部定時脈沖進行計數(shù)而發(fā)生計數(shù)溢出時，即表明定時時間到，由硬件自動使TF0（TF1）置1，并申請中斷。當定時器對單片機外部計數(shù)脈沖進行計數(shù)而發(fā)生計數(shù)溢出時，即表明計數(shù)次數(shù)到，由硬件自動使TF0（TF1）置1，并申請中斷。外部計數(shù)脈沖是通過兩個固定引腳來輸入到單片機內(nèi)的。（3）串行口中斷類串行口中斷是為接收或發(fā)送串行數(shù)據(jù)而設(shè)置的。串行中斷請求是在單片機芯片內(nèi)部發(fā)生的。RXD—串行口輸入端，P3.0的第二功能。當接收完一幀數(shù)據(jù)時，硬件自動使RI置1，并申請中斷。TXD—串行口輸出端，P3.1的第二功能。當發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)時，硬件自動使TI置1，并申請中斷。

當某中斷源的中斷申請被CPU響應(yīng)之后，CPU將把此中斷源的中斷入口地址裝入PC，中斷服務(wù)程序即從地址開始執(zhí)行。因一般在此地址存放的是一條絕對轉(zhuǎn)移指令，可使程序從此地址跳轉(zhuǎn)到用戶安排的中斷服務(wù)程序去，因而將此地址稱為中斷入口，也稱為中斷矢量。5.1.3中斷系統(tǒng)控制1．定時器控制寄存器TCON作用是控制定時器的啟動和停止。

（1）TF1（TCON.7）：定時器/計數(shù)器T1溢出標志位。當T1被啟動計數(shù)后，從初值進行加1計數(shù)，當T1計滿溢出時，由硬件自動使TF1置1，并申請中斷。該標志一直保持到CPU響應(yīng)中斷后，才由硬件自動清0。也可用軟件查詢該標志位，并由軟件清0。（2）TR1（TCON.6）：定時器/計數(shù)器T1啟停控制位。（3）TF0（TCON.5）：定時/計數(shù)器T0溢出標志位，其功能同TF1。（4）TR0（TCON.4）：定時/計數(shù)器T0啟?？刂莆?，其功能同TR1。（5）IE1（TCON.3）：外部中斷請求標志位。IE1=1表示外部中斷向CPU申請中斷。當CPU響應(yīng)外部中斷請求時，由硬件自動使IE1清0（負邊沿觸發(fā)方式）。（6）IT1（TCON.2）：外部中斷觸發(fā)方式選擇位。（7）IE0（TCON.1）：外部中斷請求標志位。其功能同IE1（8）IT0（TCON.0）：外部中斷觸發(fā)方式選擇位。其功能同IT1。2．串行口控制寄存器（SCON）（1）TI（SCON.1）：串行發(fā)送中斷請求標志。CPU將一個字節(jié)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF后啟動發(fā)送，每發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)，硬件自動使TI置1。但CPU響應(yīng)中斷后，硬件并不自動使TI清0，必須由軟件使TI清0。（2）RI（SCON.0）：串行接收中斷請求標志位。在串行口允許接收時，每接收完一幀數(shù)據(jù)，硬件自動使RI置1。但CPU響應(yīng)中斷后，硬件并不能自動使RI清0，必須由軟件清0。3．中斷允許寄存器IE

中斷允許寄存器IE的作用是控制CPU對中斷的開放或屏蔽以及每個中斷源是否允許中斷。（1）EA（IE.7）：CPU中斷總控位。EA=1，CPU開放中斷，每個中斷源是被允許還是被禁止，分別由各中斷源的中斷允許位確定：EA=0，CPU屏蔽所有的中斷要求，稱為關(guān)中斷。（2）ES（IE.4）：串行口中斷允許位。ES=1，允許串行口中斷：ES=0，禁止串行口中斷。4．中斷優(yōu)先級控制寄存器IP作用是設(shè)定各中斷源的優(yōu)先級別。各位的功能說明如下：（1）PS（IP.4）：串行口中斷優(yōu)先級控制位。PS=1，串行口為高優(yōu)先級中斷；PS=0，串行口為低優(yōu)先級中斷。（2）PT1（IP.3）：定時器T1中斷優(yōu)先級控制位。PT1=1，T1為高優(yōu)先級中斷；PT1=0，T1為低優(yōu)先級中斷。（3）PX1（IP.2）：外部中斷中斷優(yōu)先級控制位。PX1=1，為高優(yōu)先級中斷；PX1=0，為低優(yōu)先級。（4）PT0（IP.1）：定時器T0中斷優(yōu)先級控制位。PT0=1，T1為高優(yōu)先級中斷；PT0=0，T0為低優(yōu)先級中斷。（5）PX0（IP.0）：外部中斷中斷優(yōu)先級控制位。PX0=1，為高優(yōu)先級中斷；PX0=0，為低優(yōu)先級5.1.4中斷處理過程中斷處理過程可分為3個階段，即中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回。1．中斷響應(yīng)（1）CPU的中斷響應(yīng)條件①首先要由中斷源發(fā)出中斷申請；②中斷總允許EA=1，即CPU允許所有中斷源申請中斷。③中斷的中斷源的中斷允許位為1，即此中斷源可以向CPU申請中若滿足上述條件，CPU一般會響應(yīng)中斷，但如果有下列任何一種情況存在，則中斷響應(yīng)會受到阻斷。①CPU正在執(zhí)行一個同級或高一級的中斷服務(wù)程序；②當前的機器周期不是正在執(zhí)行的指令的最后一個周期，即正在執(zhí)行的指令還未完成前，任何中斷請求都得不到響應(yīng)；③正在執(zhí)行的指令是返回指令或者對專業(yè)寄存器IE、IP進行讀/寫的指令，此時。在執(zhí)行RETI或者讀寫IE或IP之后，不會馬上響應(yīng)中斷請求，至少在執(zhí)行一條其他之后才會響應(yīng)。若存在上述任何一種情況，中斷查詢結(jié)果就被取消，否則，在緊接著的下一個機器周期，就會響應(yīng)中斷。（2）中斷優(yōu)先級的判定中斷源的優(yōu)先級別分別為高級和低級，通過軟件設(shè)置中斷優(yōu)先級寄存器IP相關(guān)位來設(shè)定每個中斷源的級別

如果幾個同一優(yōu)先級別的中斷源同時向CPU請求中斷，CPU通過硬件查詢電路首先響應(yīng)自然優(yōu)先級較高的中斷源的中斷請求。其自然優(yōu)先級由硬件規(guī)定。

（3）中斷響應(yīng)過程如果中斷響應(yīng)條件滿足，且不存在中斷阻斷的情況，則CPU將響應(yīng)中斷。此時，中斷系統(tǒng)通過硬件生成調(diào)用指令（LCALL），此指令將自動把斷點地址壓入堆棧保護起來（但不保護狀態(tài)字寄存器PSW及其他寄存器內(nèi)容），然后將對應(yīng)的中斷入口地址裝入程序計數(shù)器PC，使程序轉(zhuǎn)向中斷入口地址，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

在MCS-51機中各中斷源與之對應(yīng)的入口地址分配如表5-2所示。2．中斷處理中斷服務(wù)程序從入口地址開始執(zhí)行，直至遇到中斷返回RETI指令為止，這個過程稱為中斷處理（又稱中斷服務(wù)）。進入中斷服務(wù)程序后，一般要先保護現(xiàn)場，然后再執(zhí)行中斷處理程序，在返回主程序以前，再恢復現(xiàn)場。（1）因為各入口地址之間，只相隔8個字節(jié)，一般的中斷服務(wù)程序是容納不下的，因而最常用的方法是在中斷入口地址單元存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，這樣可使中斷服務(wù)程序靈活地安排在64KB程序存儲器的任何空間。（2）若要在執(zhí)行當前中斷程序時禁止更高優(yōu)先級中斷源中斷，要先用軟件關(guān)閉CPU中斷，或禁止更高級中斷源的中斷，而在中斷返回前再開放中斷。（3）在保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場時，為了不使現(xiàn)場數(shù)據(jù)受到破壞或者造成混亂，一般規(guī)定在保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場時，CPU不影響新的中斷請求。這就要求在編寫中斷服務(wù)程序時，注意在保護現(xiàn)場之前要關(guān)中斷，在恢復現(xiàn)場之后開中斷。3．中斷返回（1）中斷返回中斷返回是指中斷服務(wù)完成后，CPU返回到原程序的斷點，CPU返回到原程序的斷點（即原來斷開的位置），繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。中斷返回通過執(zhí)行中斷返回指令RETI來實現(xiàn)，該指令的功能是首先將相應(yīng)的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器置0，以開放同級別中斷源的中斷請求；其次，從堆棧區(qū)把斷點地址取出，送回到程序計數(shù)器PC中。因此，不能用RET指令代替RETI指令。（2）中斷請求的撤除①定時器溢出中斷請求的撤除

CPU在響應(yīng)中斷后，硬件會自動清除中斷請求標志TF0和TF1。②串行口中斷的撤除在CPU響應(yīng)中斷后，硬件不能清除中斷請求標志TI和RI，而要由軟件來清除相應(yīng)的標志。③外部中斷的撤除外部中斷為邊沿觸發(fā)方式時，CPU響應(yīng)中斷后，硬件會自動清除中斷請求標志IE0和IE1。外部中斷為電平觸發(fā)方式時，CPU響應(yīng)中斷后，硬件會自動清除中斷請求標志IE0和IE1，但由于和加到或引腳的外部中斷請求信號并未撤除，中斷請求標志IE0或IE1會再次被置1，所以在CPU響應(yīng)中斷后應(yīng)立即撤除和引腳上的低電平。

圖5-1外部中斷的撤除電路中斷服務(wù)程序的開始部分：INT0：ANLP1，#0FEH

ORLP1，#01HCLRIE0……4．中斷響應(yīng)時間中斷響應(yīng)時間，是從查詢中斷請求標志位開始到轉(zhuǎn)向中斷入口地址所需的機器周期數(shù)。MCS-51單片機的最短響應(yīng)時間為3個機器周期。MCS-51單片機最長響應(yīng)時間為8個機器周期。5.2定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，常常要求有有一些定時或延時控制，如定時輸出、定時檢測和定時掃描等；也往往要求有計數(shù)功能，能對外部事件進行計數(shù)。要實現(xiàn)上述功能，一般可用下面3種方法。1．軟件定時：讓CPU循環(huán)執(zhí)行一段程序，以實現(xiàn)軟件定時。但軟件定時占用了CPU時間，降低了CPU的利用率，因此軟件定時的時間不宜太長。2．硬件定時：采用時基電路（例如555定時芯片），外接必要的元器件（電阻和電容），即可構(gòu)成硬件定時電路。這種定時電路在硬件連接好以后，定時值與定時范圍不能由軟件進行控制和修改，即不可編程。3．可編程的定時器：這種定時器的定時值及定時范圍可以很容易地用軟件來確定和修改，因而功能強，使用靈活，例如8253可編程芯片。5.2.1定時器/計數(shù)器的的結(jié)構(gòu)及功能定時器/計數(shù)器T0由TH0和TL0構(gòu)成，T1由TH1和TH1構(gòu)成。TMOD（定時器方式寄存器）用于控制和確定各定時器/計數(shù)器的功能和工作模式。TCON用于控制定時器/計數(shù)器T0、T1啟動和停止計數(shù)，同時包含定時器/計數(shù)器的狀態(tài)。它們屬于特殊功能寄存器，這些寄存器的內(nèi)容靠軟件設(shè)計。系統(tǒng)復位時，寄存器的所有位都被清零。定時器/計數(shù)器T0、T1都是加法計數(shù)器，每輸入一個脈沖，計數(shù)器加1，當加到計數(shù)器為全1時，再輸入一個脈沖，就使計數(shù)器發(fā)生溢出，溢出時，計數(shù)器回零，并置位TCON（定時器控制寄存器）中的TF0或TF1，以表示定時時間已到或計數(shù)值已滿，向CPU發(fā)出中斷申請。2．T0和T1的功能選擇在TMOD中，有一個控制位（C/），分別用于選擇T0和T1是工作在定時器方式，還是計數(shù)器方式。（1）計數(shù)功能所謂計數(shù)，是對外部事件進行計數(shù)。當選擇計數(shù)器方式時，計數(shù)脈沖來自相應(yīng)的外部輸入引腳T0（P3.4）或T1（P3.5）。當輸入信號發(fā)生由1至0的負跳變時，計數(shù)器（T0或T1）的值增1。每個機器周期中采樣值為1，而在下一個周期中采樣值為0，則在緊跟著的再下一個周期的S3P1期間，計數(shù)值就加1（2）定時功能

T0、T1的定時功能也是通過計數(shù)實現(xiàn)的。當選擇定時器方式時，計數(shù)脈沖來自于內(nèi)部時鐘脈沖，每個機器周期使計數(shù)器的值加1。每個機器周期等于12個時鐘周期，故計數(shù)速率為振蕩頻率的1/12。例如當采用6MHz晶體時，計數(shù)速率為2MHz，即2us計數(shù)器加1。計數(shù)值乘以單片機的機器周期就是定時時間。5.2.2定時器/計數(shù)器的控制1．定時器方式寄存器TMODTMOD的作用是設(shè)置T0、T1的工作方式。

各位功能說明如下（1）GATE：門控位。GATE=0：軟件啟動定時器，即用指令使TCON中的TR1（TR0）置1即可啟動定時器1或定時器0。GATE=1：軟件和硬件共同啟動定時器，即用指令使TCON中的TR1（TR0）置1，只有外部中斷引腳輸入高電平時才能啟動定時器。（2）：功能選擇位。

=0時，以定時器方式工作；=1時，以計數(shù)器方式工作。（3）M1、M0：方式選擇位。C/TC/TC/T2．定時器控制寄存器TCON

定時器控制寄存器TCON的作用是控制定時器的啟動和停止，并保存T0、T1的溢出和中斷標志。（1）TF1（TCON.7）：定時器/計數(shù)器T1溢出標志位。當T1計數(shù)計滿溢出時，由硬件自動使TF1置1，并申請中斷。對該標志位有兩種處理方法，一種是以中斷方式工作，即TF1置1并申請中斷，響應(yīng)中斷后，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，并由硬件自動使TF1清0；另一種以查詢方式工作，即通過查詢該位是否為1來判斷是否溢出，TF1置1后必須用軟件使TF1清0。（2）TR1（TCON.6）：定時器/計數(shù)器T1啟停控制位。當GATE=0時，用軟件使TR1置1即啟動T1，用軟件使TR1清0則停止T1。當GATE=1時，用軟件使TR1置1的調(diào)試外部中斷的引腳輸入高電平才能啟動T1。（3）TF0（TCON.5）：定時/計數(shù)器T0溢出標志位，其功能同TF1。（4）TR0（TCON.4）：定時/計數(shù)器T0啟?？刂莆唬涔δ芡琓R1。（5）IE1（TCON.3）：外部中斷請求標志位。（6）IT1（TCON.2）：外部中斷觸發(fā)方式選擇位。（7）IE0（TCON.1）：外部中斷請求標志位。（8）IT0（TCON.0）：外部中斷觸發(fā)方式選擇位。5.2.3定時器/計數(shù)器的四種工作方式1．定時器/計數(shù)器的初始化定時器/計數(shù)器是一種可編程部件，在使用定時器/計數(shù)器前，一般都要對其進行初始化，以確定其以特定的功能工作。初始化的步驟如下。（1）確定定時器/計數(shù)器的工作方式，確定方式控制字，并寫入TMOD。（2）預(yù)置定時初值或計數(shù)初值，根據(jù)定時時間或計數(shù)次數(shù)，計算定時初值或計數(shù)初值，并寫入TH0、TL0或TH1、TL1。（3）根據(jù)需要開放定時器/計數(shù)器的中斷，給中斷允許控制寄存器IE中的相關(guān)位賦值。（4）啟動定時器/計數(shù)器，給TCON的TR1或TR0置1。2．定時初值或計數(shù)初值的計算方法3．四種工作方式（1）方式0

在定時器/計數(shù)器啟動工作前，CPU先要為它裝入方式控制字，以設(shè)定其工作方式，然后再為它裝入定時器/計數(shù)器初值，并通過指令啟動其工作。13位計數(shù)器按加1計數(shù)器計數(shù)，計滿為零時能自動向CPU發(fā)出溢出中斷請求，但若要它再次計數(shù)，CPU必須在其中斷服務(wù)程序中為它重裝初值。（2）方式1

在本方式下，定時器/計數(shù)器是按16位加1計數(shù)器工作的，該計數(shù)器由高8位TH和低8位TL組成，如圖5-7所示。定時器/計數(shù)器在方式1下的工作情況和方式0時相同，只是最大定時/計數(shù)值是方式0時的8倍。（3）方式2

在方式2時，定時器/計數(shù)器被拆成一個8位寄存器TH（TH0/TH1）和一個8位計數(shù)器TL（TL0/TL1），CPU對它們初始化時必須送相同的定時初值/計數(shù)初值。當定時器/計數(shù)器啟動后，TL按8位加1計數(shù)器計數(shù)，每當它計滿回零時，一方面向CPU發(fā)出溢出中斷請求，另一方面從TH中重新獲得初值并啟動計數(shù)，如圖5-8所示。（4）方式3TH0和TL0按兩個獨立的8位計數(shù)器工作，T1只能按不需要中斷的方式2工作，如圖所示。例5-1單片機時鐘頻率為12MHz，計算定時5ms所需的定時器初值。解：定時器工作在方式2和方式3下時的最大定時時間只有0.256ms，因此要想獲得5ms的定時時間，定時器必須在方式0或方式1。（1）方式05.3MCS-51單片機外部中斷源的擴展1．定時器擴展法

MCS-51單片機內(nèi)部計數(shù)器是16位的，在允許中斷的情況下，當計數(shù)從全1變?yōu)槿?時，就產(chǎn)生溢出中斷。如果把計數(shù)器的初值為FFFFH，那么只要計數(shù)輸入端加一個脈沖就可以產(chǎn)生溢出中斷申請。如果把外部中斷輸入加到計數(shù)輸入端，就可以利用外部中斷申請的負脈沖產(chǎn)生定時器溢出中斷申請而轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷入口（000BH或001BH），只要在哪里存放的是為外中斷服務(wù)的中斷子程序，就可以最后實現(xiàn)定時器/計數(shù)器溢出中斷轉(zhuǎn)為外部中斷的目的。擴展步驟：（1）置定時器/計數(shù)器為工作模式2，且為計數(shù)方式，即8位的自動重裝方式。當?shù)?位計數(shù)器溢出時，高8位內(nèi)容自動重新裝入低8位，從而使計數(shù)可以重新按原規(guī)定的初值進行。（2）定時器/計數(shù)器的高8位和低8位都預(yù)置為FFH。（3）將定時器/計數(shù)器的計數(shù)輸入端（P3.5、P3.4）作為擴展的外部中斷請求輸入。（4）在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口開始存放為外中斷服務(wù)程序。借用定時器/計數(shù)器0溢出中斷為外部中斷的初始化程序如下：MOVTMOD，#06H；置T0為工作模式2、計數(shù)方式MOVTL0，#0FFH；置低8位初始值MOVTH0，#0FFH；置高8位初始值SETBEA；開中斷SETBET0；定時器T0允許中斷SETBTR0；啟動計數(shù)器這樣設(shè)置后，定時器T0的輸入就可以作為外部中斷請求的輸入，相當增加了一個邊沿觸發(fā)的外部中斷源，其中中斷服務(wù)程序的入口地址為000BH。2．用查詢方式擴展中斷源ORG0013HLJMPITROU……ITROU：PUSHPSW；保護現(xiàn)場

PUSHACCANLP1，#0FH；取出P1口低4位

JNBP1.0，N1；若非EI1中斷，則轉(zhuǎn)N1ACALLBR0；若為EI1中斷，則轉(zhuǎn)BR0N1：JNBP1.1，N2；若非EI2中斷，則轉(zhuǎn)N2ACALLBR1；若為EI2中斷，則轉(zhuǎn)BR2N2：JNBP1.2，N3；若非EI3中斷，則轉(zhuǎn)N3ACALLBR2；若為EI3中斷，則轉(zhuǎn)BR2N3：JNBP1.3，N4；若非EI4中斷，則轉(zhuǎn)N4ACALLBR3；若為EI4中斷，則轉(zhuǎn)BR3N4：POPACC；恢復現(xiàn)場

POPPSWRETIBR0：…；EI1中斷服務(wù)程序

RETBR1：…；EI2中斷服務(wù)程序

RETBR2：…；EI3中斷服務(wù)程序

RETBR3：…；EI4中斷服務(wù)程序

RET5.4中斷系統(tǒng)的應(yīng)用

在MCS-51單片機中，需要人為地進行管理和控制的有以下幾點：（1）CPU的開中斷與關(guān)中斷；（2）各中斷源中斷請求的允許和禁止；（3）各中斷源優(yōu)先級別的設(shè)定；（4）外部中斷請求的觸發(fā)方式。例5-2設(shè)8031時鐘頻率為12MHz，清編出利用定時器/計數(shù)器T0在P1.0引腳上輸出2秒的方波程序。①主程序主程序包括對8031內(nèi)部定時器T0的初始化和設(shè)定軟件計數(shù)器初值等。由于需要定時50ms，故定時器T0必須工作于方式1。T0的定時初值為：TC=M－t/T計數(shù)=216－50ms/1us=15536=3CB0H相應(yīng)程序如下：

ORG1000HSTART：MOVTMOD，#01H；令T0為定時器方式1MOVTH0，#3CH；裝入定時初值

MOVTL0，#0B0HM