MCS-51单片机的中断系统

在CPU 与外设交换信息时，存在着一个快速的 CPU 与慢速的外设之间的矛盾。为解决这个问题，发展了中断的概念。

    单片机在某一时刻只能处理一个任务，当多个任务同时要求单片机处理时，这一要求应该怎么实现呢？通过中断可以实现多个任务的资源共享。

    中断现象在现实生活中也会经常遇到，例如，你在看书——手机响了——你在书上作个记号——你接通电话和对方聊天——谈话结束——从书上的记号处继续看书。这就是一个中断过程。通过中断，你一个人在一特定的时刻，同时完成了看书和打电话两件事情。用计算机语言来描述，所谓的中断就是，当 CPU 正在处理某项事务的时候，如果外界或者内部发生了紧急事件，要求 CPU 暂停正在处理工作而去处理这个紧急事件，待处理完后，再回到原来中断的地方，继续执行原来被中断的程序，这个过程称作中断。

    从中断的定义我们可以看到中断应具备中断源、中断响应、中断返回这样三个要素。中断源发出中断请求，单片机对中断请求进行响应，当中断响应完成后应进行中断返回，返回被中断的地方继续执行原来被中断的程序。

 

MCS-51单片机的中断系统

 

MCS-51单片机的中断源

          MCS-51单片机的中断源共有两类，它们分别是：外部中断和内部中断

1.  外部中断源

         外部中断0（#INT0）：来自P3.2引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。

         外部中断1（#INT1）：来自#P3.3引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。

2.  内部中断源

         定时器∕计数器0（T0）：定时功能时，计数脉冲来自片内；计数功能时，计数脉冲来自片外P3.4引脚。发生溢出时，产生中断请求。

         定时器∕计数器1(T1)：定时功能时，计数脉冲来自片内；计数功能时，计数脉冲来自片外P3.5引脚。发生溢出时，产生中断请求。

         串行口：为完成串行数据传送而设置。单片机完成接受或发送一组数据时，产生中断请求。

 

 

中断控制的专用寄存器

    MCS-51单片机为用户提供了四个专用寄存器，来控制单片机的中断系统。

 

       1.  定时器控制寄存器（TCON）

该寄存器用于保存外部中断请求以及定时器的计数溢出。进行字节操作时，寄存器地址为88H。按位操作时，各位的地址为88H～8FH。寄存器的内容及位地址表示如下： 

 

位地址	8FH	8EH	8DH	8CH	8BH	8AH	89H	88H
位符号	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

 

             IT₀ 和IT₁——外部中断请求触发方式控制位

IT₀ （IT₁）＝1    脉冲触发方式，下降沿有效

IT₀ （IT₁）＝0    电平触发方式，低电平有效

      IE0和IE1——外中断请求标志位

   当CPU采样到#INT0（或#INT1）端出现有效中断请求时，IE₀（IE₁）位由硬件置“ 1”。当中断响应完成转向中断服务程序时，由硬件把IE （或IE ）清零。

         TR₀ 和TR₁——定时器运行控制位

     TR₀ （TR₁ ）＝0    定时器/计数器不工作

     TR₀ （TR₁ ）＝1    定时器/计数器开始工作

         TF₀和TF₁——计数溢出标志位

    当计数器产生计数溢出时，相应的溢出标志位由硬件置“1”。当转向中断服务时，再由硬件自动清“0”。计数溢出标志位的使用有两种情况：采用中断方式时，作中断请求标志位来使用；采用查询方式时，作查询状态位来使用。

 

2.  串行口控制寄存器（SCON）

进行字节操作时，寄存器地址为98H。按位操作时，各位的地址为98H~9FH。寄存器的内容及位地址表示如下：  

 

位地址	9FH	9EH	9DH	9CH	9BH	9AH	99H	98H
位符号	SM0	SM1	SM2	REN	TB8	RB8	TI	RI

 

         其中与中断有关的控制位共2位：

          TI——串行口发送中断请求标志位

当发送完一帧串行数据后，由硬件置“1”；在转向中断服务程序后，用软件清“0”。

          RI——串行口接收中断请求标志位

     当接收完一帧串行数据后，由硬件置“1”；在转向中断服务程序后，用软件清“0”。串行中断请求由TI和RI的逻辑或得到。就是说，无论是发送标志还是接收标志，都会产生串行中断请求。

 

3.  中断允许控制寄存器（IE）

进行字节操作时，寄存器地址为0A8H。按位操作时，各位的地址为0A8H~0AFH。寄存器的内容及位地址表示如下：

位地址	0AFH	0AEH	0ADH	0ACH	0ABH	0AAH	0A9H	0A8H
位符号	EA	/	/	ES	ET1	EX1	ET0	EX0

    其中与中断有关的控制位共6位：

         EA——中断允许总控制位

  EA＝0 中断总禁止，禁止所有中断

EA＝1  中断总允许，总允许后中断的禁止或允许由各中断源的中断允许控制位进行设置。

        EX₀和EX₁——外部中断允许控制位

 EX₀（EX₁）＝0     禁止外部中断

 EX₀（EX₁）＝1     允许外部中断

        ET₀和ET₁——定时器/计数器中断允许控制位

 ET₀（ET₁）＝0     禁止定时器/计数器中断

 ET₀（ET₁）＝0     允许定时器/计数器中断

        ES——串行中断允许控制位

 ES=0     禁止串行中断

 ES=1     允许串行中断

可见，MCS-51单片机通过中断允许控制寄存器对中断的允许（开放）实行两级控制。即以EA位作为总控制位，以各中断源的中断允许位作为分控制位。当总控制位为禁止时，关闭整个中断系统，不管分控制为状态如何，整个中断系统为禁止状态；当总控制位为允许时，开放中断系统，这时才能由各分控制位设置各自中断的允许与禁止。

MCS-51单片机复位后（IE）＝00H，因此中断系统处于禁止状态。单片机在中断响应后不会自动关闭中断。因此在转中断服务程序后，应根据需要使用有关指令禁止中断，即以软件方式关闭中断。

 

4.  中断优先级控制寄存器（IP）

MCS-51单片机的中断优先级控制比较简单，因为系统只定义了高、低2个优先级。高优先级用“1”表示，低优先级用“0”表示。各中断源的优先级由中断优先级寄存器（IP）进行设定。IP寄存器地址0B8H，位地址为0BFH～0B8H。寄存器的内容及位地址表示如下：

位地址	0BFH	0BEH	0BDH	0BCH	0BBH	0BAH	0B9H	0B8H
位符号	/	/	/	PS	PT1	PX1	PT0	PX0

其中：

PX₀——外部中断0优先级设定位；

PT₀——定时中断0优先级设定位；

PX₁——外部中断1优先级设定位；

PT₁——定时中断1优先级设定位；

PS——串行中断优先级设定位。

以上各位设置为“0”时，则相应的中断源为低优先级；设置为“1”时，则相应的中断源为高优先级。

优先级的控制原则是：

         低优先级中断请求不能打断高优先级的中断服务；但高优先级中断请求可以打断低优先级的中断服务，从而实现中断嵌套。

         如果一个中断请求已被响应，则同级的其它中断服务将被禁止。即同级不能嵌套。

         如果同级的多个中断同时出现，则按CPU查询次序确定哪个中断请求被响应。其查询次序为：外部中断0→定时中断→外部中断→定时中断→串行中断。

         中断优先级控制，除了中断优先级控制寄存器之外，还有两个不可寻址的优先级状态触发器。其中一个用于指示某一高优先级中断正在进行服务，从而屏蔽其它高优 先级中断；另一个用于指示某一低优先级中断正在进行服务，从而屏蔽其它低优先级中断，但不能屏蔽高优先级的中断。此外，对于同级的多个中断请求查询的次序 安排，也是通过专门的内部逻辑实现的。

上述四个专用寄存器的用途可以用下图说明。

 

 

中断响应过程

中断响应过程为，中断源发出中断请求→对中断请求进行响应→执行中断服务程序→返回主程序。这个过程可分为三个阶段来完成。

1.  中断采样

对于外部中断请求，中断请求信号来自于单片机外部，计算机要想知道有没有中断请求发生，必须对信号进行采样。

① 电平触发方式的外中断请求（IT₀/IT₁＝0）采样到高电平时，表明没有中断请求，IE₀或IE₁继续为“0”。采样到低电平时，IE₀/IE₁由硬件自动置“1”，表明有外中断请求发生。

② 脉冲触发式的外中断请求（IT₀/IT₁＝1）在相邻的机器周期采样到的电平由高电平变为低电平时，则IE₀/IE₁由硬件自动置“1”，否则为“0”。

2.  中断查询

由CPU测试TCON和SCON中的各个中断标志位的状态，确定有那个中断源发生请求，查询时按优先级顺序进行查询，即先查询高优先级再查询低优先级。如果同级，按以下顺序查询：

#INT0→T0→#INT1→T1→ S

如果查询到有标志位为“1”，表明有中断请求发生，接着就从相邻的下一机器周期开始进行中断响应。

3.  中断响应

当CPU查询到中断请求时，由硬件自动产生一条LCALL指令，LCALL指令执行时，首先将PC内容压入堆栈进行断点保护，再把中断入口地址装入PC，使程序转向相应的中断区入口地址。LCALL指令的形式如下：

LCALL   addr16    ；addr16：中断入口地址

入口地址已由系统设定，如下：                                                     

中断源	入口地址
	0003H
T0	000BH
	0013H
T1	001BH
S	0023H

从表中可以看出，每个中断区只有8个单元，很难安排下一个中断程序，一般是在中断入口地址处加一条跳转指令，跳转到用户的服务程序入口。编写中断服务程序的格式一般如下：

ORG    0000H

SJMP    MAIN

ORG    0003H

AJMP   1NJERRVP

        MAIN：    ···

HERE：     SJMP   HERE

1NJERRVP：     ···                  ；中断响应程序

RETI

并不是所有的请求都被响应，当遇到下列情况之一时不响应这些中断请求：

（1）CPU正在处理一个同级或者高级的中断服务

（2）当前指令还没有执行完毕

（3）当前指令是RET、RETI或者是访问IP、IE的指令，执行完这些指令后，还必须再执行一条指令，才响应中断请求。

    注意：MCS-51单片机对中断查询结果不作记忆，当有新的查询结果出现时，因为以上原因而被拖延的查询结果将不复存在，其中断请求也就不能再被响应了。

中断请求的撤销

    中断响应后，TCON和SCON的中断请求标志位应及时撤销。否则意味着中断请求仍然存在，有可能造成中断的重复查询和响应，因此需要在中断响应完成后，撤销其中断标志。

1.  定时中断请求的撤销

硬件自动把TF₀（TF₁）清0，不需要用户参与。

2.  串行中断请求的撤销

需要软件清零。

3.  外部中断请求的撤销

（1）脉冲触发方式的外中断请求撤销

中断标志位的清零是自动的，脉冲信号过后就不存在了，因此其撤销是自动的。

（2）电平触发方式的外中断请求撤销

中断标志位的清零是自动的，但是如果低电平持续存在，在以后的机器周期采样时，又会把中断请求标志位（IE 0 /IE 1）置位。为此，需要外加电路，把中断请求信号从低电平强制为高电平。电路如图所示：

 

 

 电平触发方式的外中断请求撤销

通过直接置位端#Sd使中断请求信号强制从低电平变为高电平，要实现此功能需要在中断入口地址处加入如下两条指令：

                ORL   P₁, #01H

                ANL   P₁, #0FEH