MCS-51的中断结构与控制

MCS-51的中断源及中断结构

向CPU发出中断请求的信号称为中断源。在2.1.2节中我们已经了解到MCS-51系列单片机中有5个中断源，其中2个外部中断源，3个内部中断源，具体如下：

：外部中断，由引脚P3.2引入中断请求。

：外部中断，由引脚P3.3引入中断请求。

➢ 定时计数器T0： 内部中断，定时计数器0溢出时发出中断请求。

➢ 定时计数器T1： 内部中断，定时计数器1溢出时发出中断请求。

➢ 串行口中断： 内部中断，包括串行接收中断RI和串行发送中断TI。

MCS-51单片机自然优先级如表4-1所示。

表4-1　优先级的排列

MCS-51系列单片机的中断系统结构如图4-2所示。

图4-2　MCS-51中断结构

由图4-2可以看出，中断系统中涉及TCON、SCON、IE以及IP四个特殊功能寄存器，它们主要有以下功能：

➢ 锁存中断请求标志： TCON和SCON锁存各中断源的中断请求标志位。

➢ 中断允许寄存器IE： 控制CPU是否响应中断源的请求。

➢ 中断优先级寄存器IP： 设置各中断源的优先级，每个中断源可编程为高优先级中断或低优先级中断。

1. TCON中的中断标志位

TCON的字节地址为88H，可进行位寻址，其具体的结构、位名称、位地址以及功能如表4-2所示。

表4-2　TCON的结构、位名称、位地址以及功能

IT0(D0位)： 外部中断

的触发方式控制位，由软件进行置“1”和清“0”。IT0=1时，为边沿触发方式(即当引脚P3.2出现下降沿脉冲信号时，中断请求有效);IT0=0时，为电平触发方式(即当引脚P3.2为低电平信号时，中断请求有效)。

IE0(D1位)： 外部中断

的请求标志位。当CPU检测到外部中断请求时，该标志位置“1”，当CPU转向中断处理子程序时，由硬件自动清“0”(只适用于边沿触发方式)。

注意

在电平触发方式中，CPU转向中断处理子程序时，不能自动清除IE标志位，也不能由软件进行清除。所以在中断返回前需撤销引脚上的低电平，否则就会产生CPU多次响应一次中断的错误。

IT1(D2位)和IE1(D3位)： 外部中断

的触发方式控制位和请求标志位，其

含义与IT0和IE0相同。

➢ TR0(D4位)： 定时计数器T0的启动停止标志位，由用户编程确定。TR0=1时，定时器开始计数(即从设定的初值作加1计数);TR0=0时，定时器停止。

➢ TF0(D5位)： 定时计数器T0的中断溢出标志位。定时器作加1计数，当最高位产生进位时，定时器计数溢出，此时，由硬件置位TF0=1，CPU响应中断后，由硬件清“0”，TF0=0。

➢ TR1(D6位)和TF1(D7位)： 定时计数器T0的启动停止标志位和中断溢出标志位，其含义与TR0和TF0相同。

2. SCON中的中断标志位

SCON的字节地址为98H，可进行位寻址，其具体的结构、位名称、位地址以及功能如表4-3所示。

表4-3　SCON的结构、位名称、位地址以及功能

➢ RI： 串行口接收中断标志位，当串行口接收到一帧数据时，RI置1，CPU响应中断后，硬件不能自动清除RI，需要由软件清“0”。

➢ TI： 串行口发送中断标志位，当串行口发送一帧数据时，T1置1，CPU响应中断后，硬件不能自动清除RI，同样需要由软件清“0”。

提示

RI和TI通过一个或门向CPU发中断请求，CPU响应中断请求后，首先需要判断是RI和TI哪一个中断源发出的请求，才能去执行相应的中断子程序。

串行中断的有关内容以及SCON中的其他标志位含义将在项目六中进行详细讲述。

3. 中断允许控制寄存器IE

IE控制所有中断源的开放和屏蔽，字节地址为A8H，可进行位寻址，其具体的结构、位名称、位地址以及控制的相应中断源如表4-4所示。

表4-4　IE的结构、位名称、位地址以及功能

EX0： 外部中断

的中断允许控制位。EX0=1时，

开中断;EX0=0时，

关中断。

➢ ET0： 定时计数器T0中断允许控制位。ET0=1时，T0开中断;ET0=0时，T0关中断。

EX1： 外部中断

的中断允许控制位。EX1=1时，

开中断;EX1=0时，

关中断。

➢ ET1： 定时计数器T1中断允许控制位。ET0=1时，T1开中断;ET0=0时，T1关中断。

➢ ES： 串行口中断允许控制位。ES=1时，串行口开中断;ES=0时，串行口关中断。

➢ EA： CPU中断允许控制位。EA=1时，CPU全部开中断;EA=0时，CPU全部关中断。

提示

CPU复位时，IE各位清0，禁止所有中断。

4. 中断优先级控制寄存器IP

MCS-51单片机中有两个中断优先级，中断优先级控制寄存器IP用来定义每个中断源的中断优先级。IP的结构、位名称、位地址以及控制的中断源如表4-5所示。

表4-5　IP的结构、位名称、位地址以及功能

IP的状态由用户来设定，某位为1，则相应的中断源处于高优先级中断;某位为0，则相应的中断源处于低优先级中断。

提示

单片机复位时，IP各位清0，各中断源处于低优先级中断。

MCS-51的中断处理过程

图4-3　中断处理过程

中断处理过程如图4-3所示，单片机工作时，在每个机器周期中都去查询各个中断标记位，如果某位是“1”，就说明有中断请求了;接下来需要判断中断请求是否满足响应条件;如果满足响应条件，CPU将进行相应的中断处理;中断处理完毕，进行中断返回，继续执行指令。

如果本次查询中没有中断请求或中断请求不能满足响应条件，CPU将继续原来的指令执行操作。

(一)中断响应

CPU检测到中断请求后，需要判断此中断请求是否满足响应条件，中断响应条件如下：

(1)CPU开中断，申请中断请求的中断源开中断。

(2)没有响应同级别或更高级别的中断。

提示

中断二级嵌套的响应原则：

① 同一中断优先级中，有多个中断请求时，按自然优先级进行响应(即查询顺序)。

② 当前进行的中断只能被高优先级的中断所打断(同级别或低优先级的中断请求不予响应)。

(3)当前处在所执行指令的最后一个周期。单片机有单周期指令、双周期指令、三周期指令和两个四周期指令，如果正在执行的是多字节指令，需要等整条指令执行结束，才能响应中断。

(4)如果正执行的指令是返回指令(RETI)或访问IP、IE寄存器的指令，那么CPU将至少再执行一条指令才能响应中断。

满足中断条件的情况下，CPU响应中断过程如下：

① 将IP中相应的优先级控制位置1，以阻断后来的同级和低级的中断请求。

② 撤销该中断源的中断请求标志，否则，中断返回后将重复响应该中断。

③ 保护断点地址，程序转向执行中断服务子程序。

提示

中断响应时间：

以外部中断0为例，INT0的引脚电平在每个机器周期的S5P2时刻经反相器锁存到TCON的IE0标志位，CPU在下一个机器周期查询新置入的IE0和IE1，满足相应条件，CPU将执行一条两个机器周期的长调用指令LCALL，由硬件将中断矢量地址装到PC中，使程序转入中断矢量入口。所以，从产生外部中断到中断执行，至少需要3个机器周期。

若正在处理的程序为RETI或访问IP，IE等，则额外等待的时间不会多于5个机器周期。所以外部中断的响应时间在3～8个机器周期之间。

(二)中断处理

中断处理过程一般可以分为保护现场、执行中断服务程序和恢复现场三个过程。

(1)保护现场

执行中断服务子程序之前，CPU只保护了一个地址(PC的值)，如果主程序和中断服务子程序中都用到一些公共存储空间(如A、PSW和DPTR等)，那么执行中断服务子程序前需要将这些数据保存起来，以免返回主程序时出现错误。

(2)执行中断服务程序

在MCS-51系列单片机中，五个中断源都有它们各自的中断入口地址。

：0003H

➢ T0： 000BH

：0013H

➢ T1： 001BH

➢ 串口中断： 0023H

可以看出，中断服务程序的存储空间很小，如果我们需要的程序超出了空间的限制，这时可以在中断处安排一条LJMP指令把中断服务程序跳转到其他地址。

提示

中断响应标志的清除：

CPU在响应中断请求后，该中断的中断请求在中断返回前应当清除，以免重复中断，被再次响应。

边沿触发的外部中断，定时器中断，均有硬件自动清除;串行口中断，需由软件清除;电平触发的外部中断需由外接触发器控制清除。

(3)恢复现场

恢复现场和保护现场相对，返回主程序前需要将保护现场过程中压入堆栈的相关数据弹出，以保证程序返回断点时能正确执行。

(三)中断返回

中断返回由中断返回指令RETI来实现。这条指令的功能是把断点地址从堆栈中弹出，送回到程序计数器PC;通知中断系统已完成中断处理，并同时清除优先级状态。

C51中断函数的定义

C51编译器支持在C源程序中直接开发中断过程，C51编译器及其对C语言的扩充允许编程者对中断所有方面的控制和寄存器组的使用。中断服务函数的完整语法如下：

函数的返回值 函数名([参数]) interrupt n [using m]

{

函数体;

}

关于函数的使用进行以下说明：

(1)对中断程序而言，函数的返回值和参数一般为void。

(2)interrupt n 中n的取值为0～31的常数，不允许用表达式，表示中断向量的编号。在8051中，一般0代表外部中断0，1代表定时器0，2代表外部中断1，3代表定时器1，4代表串行中断。

(3)using m 中m的取值为0～3的常数，不允许用表达式，表示内部RAM中的第r组工作寄存器。在调用中断函数时，要求中断过程调用的函数所使用的寄存器组必须与其相同。

下面我们看一个使用C51语言编写的中断程序。

【例】 设单片机的fosc=12MHz，要求用T0的方式1编程，在P1.0脚输出周期为2ms的方波。

用C语言编写的中断服务程序如下：

在编写中断服务程序时必须注意不能进行参数传递，不能有返回值。

单片机C语言之函数

函数定义

函数是一个自我包含的完成一定相关功能的执行代码段。通常C语言的编译器会自带标准的函数库，这些都是一些常用的函数。标准函数已由编译器软件商编写定义，使用者直接调用就能了，而无需定义。但是标准的函数不足以满足使用者的特殊要求，因此C语言允许使用者根据需要编写特定功能的函数，要调用它必须要先对其进行定义。

定义的模式如下：

函数类型 函数名称(形式参数表)

函数类型是说明所定义函数返回值的类型。返回值其实就是一个变量，只要按变量类型来定义函数类型就行了。如函数不需要返回值函数类型能写作“void”表示该函数没有返回值。注意的是函数体返回值的类型一定要和函数类型一致，不然会造成错误。

函数名称的定义在遵循C语言变量命名规则的同时，不能在同一程序中定义同名的函数，这将会造成编译错误(同一程序中是允许有同名变量的，因为变量有全局和局部变量之分)。

形式参数是指调用函数时要传入到函数体内参与运算的变量，它可以是一个、几个或没有。当函数不需要形式参数时(即无参函数)，括号内为空或写入“void”表示，但括号不能少。

函数体中能包含有局部变量的定义和程序语句，如函数要返回运算值则要使用return语句进行返回。若在函数的{｝号中也能什么也不写，这就成了空函数。在一个程序项目中可以写一些空函数，在以后的修改和升级中能方便的在这些空函数中进行功能扩充。

函数的调用

(一)函数调用的一般说明

函数定义好以后，要被其它函数调用了才能被执行。C语言的函数是能相互调用的，但在调用函数前，必须对函数的类型进行说明，就算是标准库函数也不例外。

标准库函数的说明会被按功能分别写在不一样的头文件中，使用时只要在文件最前面用#include预处理语句引入相应的头文件。如前面使用的printf函数的说明是放在文件名为stdio.h的头文件中。

调用就是指一个函数体中引用另一个已定义的函数来实现所需要的功能，这个时候函数体称为主调用函数，函数体中所引用的函数称为被调用函数。主函数只是相对于被调用函数而言。

一个函数体中能调用数个其它的函数，这些被调用的函数同样也能调用其它函数，也能嵌套调用。但是在c51语言中有一个函数是不能被其它函数所调用的，它就是main主函数。

标准库函数只要用#include引入已写好说明的头文件，在程序就能直接调用函数了。如调用的是自定义的函数则要用如下形式编写函数类型说明：

类型标识符 函数的名称(形式参数表);

这样的说明方式是用在被调函数定义和主调函数是在同一文件中。也能把这些写到文件名.h的文件中用#include“文件名.h”引入。

如果被调函数的定义和主调函数不是在同一文件中的，则要用如下的方式进行说明，说明被调函数的定义在同一项目的不一样文件之上，这样说明的函数也能称为外部函数，定义如下：

extern类型标识符 函数的名称(形式参数表);

函数的定义和说明是完全不一样的，在编译的角度上看函数的定义是把函数编译存放在ROM的某一段地址上，而函数说明是告诉编译器要在程序中使用那些函数并确定函数的地址。如果在同一文件中被调函数的定义在主调函数之前，这个时候能不用说明函数类型。也就是说在main函数之前定义的函数，在程序中就能不用写函数类型说明了。能在一个函数体调用另一个函数(嵌套调用)，但不允许在一个函数定义中定义另一个函数。还要注意的是函数定义和说明中的“类型、形参表、名称”等都要相一致。

(二)函数调用的一般形式

调用函数的一般形式如下：

函数名 (实际参数表)

“函数名”就是指被调用的函数。

实际参数表能为零或多个参数，多个参数时要用逗号隔开，每个参数的类型、位置应与函数定义时所的形式参数一一对应，它的作用就是把参数传到被调用函数中的形式参数，如果类型不对应就会产生一些错误。调用的函数是无参函数时不写参数，但不能省后面的括号。

下面我们看一下在实际应用中函数不同的调用方式：

1. 函数语句

例如printf(“Hello World!\n”);

它以“Hello World!\n”为参数调用printf这个库函数，在这里函数调用被看作了一条语句。

2. 函数参数

“函数参数”这种方式是指被调用函数的返回值当作另一个被调用函数的实际参数，如temp=StrToInt(CharB(16));CharB的返回值作为StrToInt函数的实际参数传递。

3. 函数表达式

例如temp=Count();

这个函数的调用作为一个运算对象出现在表达式中，称为函数表达式。例子中Count()返回一个int类型的返回值直接赋值给temp。注意的是这种调用方式要求被调用的函数能返回一个同类型的值，不然会出现不可预料的错误。

C51常用头文件

下面介绍一些常用的C51头文件：

absacc.h——包含允许直接访问8051不同存储区的宏定义;

assert.h——文件定义assert 宏，可以用来建立程序的测试条件;

ctype——字符转换和分类程序;

intrins.h——文件包含指示编译器产生嵌入式固有代码的程序的原型;

math.h——数学程序;

reg51.h——51的特殊寄存器;

reg52.h——52的特殊寄存器;

setjmp.h——定义jmp_buf类型和setjmp和longjmp程序的原型;

stdarg.h——可变长度参数列表程序;

stdlib.h——存储区分配程序;

stdio.h——标准输入和输出程序;

string.h——字符串操作程序、缓冲区操作程序。

对于常用的MCS-51单片机，必须包含reg51.h的头文件，因为该文件对51单片机的相关寄存器及位进行了定义，这样在程序中才可以使用这些资源。

reg51.h文件的具体内容如下：

#ifndef __REG51_H__

#define __REG51_H__

/* BYTE Register */ //单元定义

sfr P0 = 0x80;

sfr P1 = 0x90;

sfr P2 = 0xA 0 ;

sfr P3 = 0xB0;

sfr PSW = 0xD0;

sfr ACC = 0xE0;

sfr B = 0xF0;

sfr SP = 0x81;

sfr DPL = 0x82;

sfr DPH = 0x83;

sfr PCON = 0x87;

sfr TCON = 0x88;

sfr TMOD = 0x89;

sfr TL0 = 0x8A;

sfr TL1 = 0x8B;

sfr TH0 = 0x8C;

sfr TH1 = 0x8D;

sfr IE = 0xA8;

sfr IP = 0xB8;

sfr SCON = 0x98;

sfr SBUF = 0x99;

/* BIT Register */

/* PSW */ //位定义

sbit CY = 0xD7;

sbit AC = 0xD6;

sbit F0 = 0xD5;

sbit RS1 = 0xD4;

sbit RS0 = 0xD3;

sbit OV = 0xD2;

sbit P = 0xD0;

/* TCON */

sbit TF1 = 0x8F;

sbit TR1 = 0x8E;

sbit TF0 = 0x8D;

sbit TR0 = 0x8C;

sbit IE1 = 0x8B;

sbit IT1 = 0x8A;

sbit IE0 = 0x89;

sbit IT0 = 0x88;

/* IE */

sbit EA = 0xAF;

sbit ES = 0xAC;

sbit ET1 = 0xAB;

sbit EX1 = 0xAA;

sbit ET0 = 0xA9;

sbit EX0 = 0xA8;

/* IP */

sbit PS = 0xBC;

sbit PT1 = 0xBB;

sbit PX1 = 0xBA;

sbit PT0 = 0xB9;

sbit PX0 = 0xB8;

/* P3 */

sbit RD = 0xB7;

sbit WR = 0xB6;

sbit T1 = 0xB5;

sbit T0 = 0xB4;

sbit INT1 = 0xB3;

sbit INT0 = 0xB2;

sbit TXD = 0xB1;

sbit RXD = 0xB0;

/* SCON */

sbit SM0 = 0x9F;

sbit SM1 = 0x9E;

sbit SM2 = 0x9D;

sbit REN = 0x9C;

sbit TB8 = 0x9B;

sbit RB8 = 0x9A;

sbit TI = 0x99;

sbit RI = 0x98;

#endif

而absacc.h为对8051单片机的不同存储区的宏定义，具体如下：

#define CBYTE ((unsigned char volatile code *) 0) //定义程序存储器;

#define DBYTE ((unsigned char volatile data *) 0) //定义片内数据存储区;

#define PBYTE ((unsigned char volatile pdata *) 0) //定义页寻址空间;

#define XBYTE ((unsigned char volatile xdata *) 0) //定义片外数据存储区。

而intrins.h文件对指示编译器产生嵌入式代码，如空操作执行、位指令、栈操作指令等，该文件的具体内容如下：

extern void _nop_ (void); //空操作8051 NOP指令

extern bit _testbit_ (bit); //测试并清零位8051 JBC指令

extern unsigned char _cror_ (unsigned char，unsigned char); //字符循环左移

extern unsigned int _iror_ (unsigned int，unsigned char); //字符循环右移

extern unsigned long _lror_ (unsigned long，unsigned char); //整数循环右移

extern unsigned char _crol_ (unsigned char，unsigned char); //整数循环右移

extern unsigned int _irol_ (unsigned int，unsigned char); //整数循环左移

extern unsigned long _lrol_ (unsigned long，unsigned char); //长整数循环左移

extern unsigned char _chkfloat_(float); //测试并返回源点数状态

extern void _push_ (unsigned char _sfr); //压入堆栈

extern void _pop_ (unsigned char _sfr); //弹出堆栈

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