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

(二)中断结构

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。

基于proteus的51单片机开发实例24-矩阵键盘（行列式键盘）

1. 基于proteus的51单片机开发实例24-矩阵键盘

1.1. 实验目的

图1 矩阵键盘电路

本实例我们来学习矩阵键盘（行列式键盘）的电路设计、编程实现。目的是通过较少的I/O口来识别多个按键。

1.2. 设计思路

我们在前面已经学习过独立按键，在独立按键电路中，一个按键连接单片机的一位I/O端口。这样通过检测I/O的状态就能很方便的识别该按键是否按下。这种电路的优点是：电路简单，程序简单，缺点是一个按键就要占用一个I/O口。我们知道，51单片机总共只有4个8位I/O口，如果外部电路功能较多，I/O口就会不够用，例如如果电路中接了一个8位数码管，又接了16个按键，那么即使数码管采用动态扫描法 也需要占用16个I/O口（8位I/O口用于连接数码管8个段，另8位I/O口用于控制8位数码管的每一位），这时如果按键还是采用独立按键的接法，每个按键接一位I/O口，那么又要占用16个I/O口，这样就把单片机的I/O口全部占完了，如果这时候想加一个蜂鸣器，就没有多余的I/O口了。所以很与必要考虑如何用较少的I/O口实现更多的功能。

矩阵键盘就是基于用较少I/O口连接更多按键的思路实现的。通常将多个按键排列成矩阵形式，这也是矩阵键盘名称的由来，编程时，是按照矩阵的行、列组合判断是那个按键被按下的，因此又称为行列式键盘。

1.3. 基础知识

最常见的矩阵键盘是4*4键盘，其实现方法是将16个按键按照4x4矩阵方式连接，如下图所示。从连接方式来看，有4根行线和4根列线。每个行线和列线的交汇处就是一个按键位。这样总共有8根线就可以实现16个按键的检测，比一个按键连接一个I/O口节省了一半的I/O端口。

图2 矩阵键盘结构

矩阵键盘的工作原理

一般矩阵键盘都会将按键按照一定的规律赋予不同的标号（例如按照从左到右的顺序，或者从上到下的顺序），当检测到有按键按下后，根据被按下的按键序号赋予一定的键值。程序中就可以根据键值进行相应的处理。

在51单片机中，对于矩阵键盘的处理方法是：使用行列扫描法，将键盘的行线和列线分别连接到单片机的I/O口线上，然后按照如下步骤操作：

第一步：判断是否有按键按下

将行线全部输出低电平，全部列线输出高电平，然后将列线置为输入状态，检测列线的状态，只要有一根列线为低电平 ，就表示矩阵键盘中有按键被按下了。

第二步：按键消除抖动

在第一步中如果检测到有按键按下，则使用软件消抖的方法延时20ms左右，再次判断是否有列线为低电平，如果仍有列线为低电平，则认为确实有按键被按下，则进入到第三步处理，否则，认为是抖动，不予识别，继续回到第一步重新开始按键检测。

第三步：按键识别

确认有按键被按下后，接下来就是最关键的内容：确定那个按键被按下。这需要用逐行扫描的方法来确定。先扫描第一行，即将第一行对应的端口输出低电平，然后读每一列的电平，当出现某一列为低电平，说明该列与第一行的交叉点的按键被按下，如果所有列都是高电平，说明第一行的按键都未被按下，那么开始扫描第二行，以此类推，直到找到被按下的键所在的行与列的交叉点。

第四步：键值确定

在第三步中，当确定有按键被按下，则按照事先确定好的按键序号，根据行与列的交叉位置确定键值。简直一般按照一定的规律排列，例如1,2,3,4....。例如确定第一行第一列的交叉点按键为1号按键，第一行与第二列交叉点的按键为2号按键....第四行与第四列的交叉点的按键为16号按键。

1.4. 电路设计

本实例电路图如图1所示。矩阵键盘电路与单片机的P3口的8额I/O连接，P0口连接一个共阳极数码管，用于演示按键序号，指示那个按键被按下。

1.5. 程序设计

本实例程序代码如下。

为了能让大家更为直观的理解矩阵键盘的扫描原理，本例的代码非常详细的列出了整个矩阵键盘的行列扫描过程，没有采用更简洁的编程方法。

#include<AT89X51.h> //

sbit P34=P3^4; //端口引脚定义

sbit P35=P3^5; //

sbit P36=P3^6; //

sbit P37=P3^7; //

//共阳极数码管段码表，0~9,A,b,c,d,E,F,H,P

unsigned char code Tab[ ]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,

0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0x89}; //

//定义键值的全局变量

unsigned char keyval;

//延时函数

void led_delay(void)

{

unsigned char j;

for(j=0;j<200;j++)

;

}

//数码管显示键值

void display(unsigned char k)

{

P0=Tab[k]; //键值送数码管显示

led_delay(); //延时

}

// void delay20ms(void)

{

unsigned char i,j;

for(i=0;i<100;i++)

for(j=0;j<60;j++)

;

}

void main(void)

{

EA=1; //总中断开启

ET0=1; //定时器T0中断开启

TMOD=0x01; //定时器T0工作方式1

TH0=(65536-500)/256; //定时器初值

TL0=(65536-500)%256; //定时器初值

TR0=1; //开启定时器

keyval=0x00; //键值初始化为0

P2=0xFC;//数码管公共端打开，允许显示

while(1)

{

display(keyval); //数码管显示键值

}

}

//定时器T0中断服务程序

void time0_interserve(void) interrupt 1 using 1

{

TR0=0; //进中断后，先关闭定时器

P3=0xf0; //行线电平全部置低电平，列线全部置高电平

if((P3&0xf0)!=0xf0) //如果列线中有低电平，说明有键被按下

delay20ms(); //延时，消除按键抖动

if((P3&0xf0)!=0xf0) //消抖后仍有列线为低电平，则认为确实有按键按下

{

//扫描第一行

P3=0xfe; //行线第一行置低电平，

if(P34==0) //第一列为低电平，则第一行第一列的按键按下

keyval=1; //按下的按键的键值

if(P35==0) //第二列为低电平，则第一行第二列按键按下

keyval=2; //键值

if(P36==0) //第三列为低电平，则第一行第三列按键按下

keyval=3;

if(P37==0) //第四列为低电平，则第一行第四列按键按下

keyval=4; //

//扫描第二行

P3=0xfd;

if(P34==0)

keyval=5;

if(P35==0)

keyval=6;

if(P36==0)

keyval=7;

if(P37==0)

keyval=8;

//扫描第三行

P3=0xfb;

if(P34==0)

keyval=9;

if(P35==0)

keyval=10;

if(P36==0)

keyval=11;

if(P37==0)

keyval=12;

//扫描第四行

P3=0xf7;

if(P34==0)

keyval=13;

if(P35==0)

keyval=14;

if(P36==0)

keyval=15;

if(P37==0)

keyval=16;

}

TR0=1; //重启定时器

TH0=(65536-500)/256; //定时器赋初值

TL0=(65536-500)%256; //

}

1.6. 实例仿真

编写程序代码，编译生成HEX文件，将HEX文件装载到proteus电路的单片机中，开始仿真，通过按下不同的按键观察数码管显示的键值。

1.7. 总结

通过本实例，我们了解了如何用较少的按键实现矩阵键盘的按键识别。这为我们以后学习如何节约I/O端口打下了基础。

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