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。

深度解析，单片机运行原理，你知道吗？

单片机是将中央处理单元（CPU）、储存器、输入输出集成在一片芯片上，可以说单片机就是一台微型计算机，只是和我们平常使用的计算机相比它的功能有所不同，也没有我们用的计算机那样强大。

计算机可以运行一个个应用，单片机可以按照工程师的编写可执行文件，实现各种各样的功能。那么，单片机是怎么知道要执行什么指令，做什么动作呢，我们的指令又是怎么被单片机识别呢？了解这个过程，可以加深对单片机的理解。

CPU

首先要从CPU的组成说起，CPU是由晶体管组成的，这些晶体管是一种半导体器件，比如二极管就是最为常见的半导体器件。电流只能从正极流向负极，反向则截止。

晶体管通过各种组合方式构成门电路：与门，或门，非门，异或门等。门电路又称为逻辑门，是数字电路的基础，常见门电路，及其真值表：

我们了解下与门电路：

与门电路可以想象为两个串联开关控制一个灯泡，只有同时闭合两个开关，灯泡才会被点亮。开关表示晶体管的导通与截止，灯泡的点亮与熄灭表示电路输出的高低电平。

其他门电路也是由各种晶体管构成，不同的输入，有不同的输出，构成各种功能。各种门电路通过复杂的组合就成了CPU了。然后用CPU完成各种复杂计算的。

加法器

有了CPU，我们用它来算一道小学生算术题1+1=2，看看它是怎么计算的，从一个简单加法器开始，加法器由半加器组成。

半加器

半加器由一个与门和异或门构成。不考虑低位进位来的进位值，只有两个输入，两个输出。

1+1=2，2在二进制中表示为0010。在半加器中：异或门输入不同的电平（不是同时高或低），输出为高，也就是1+0或0+1,输出1，当两个都输入为1输出为0，与门则输出为1，也就是进位。可以把它抽象成一个黑盒子：

全加器

用两个半加器可以组成一个全加器：

当多位数相加时，半加器可用于最低位求和，并给出进位数。第二位的相加有两个待加数(B和进位CO)，还有一个来自前面低位送来的进位数 (A)。这三个数相加，得出本位和数（全加和数）和进位数。同样可以把它抽象出来：

这个黑盒子就是一个函数，输入两个加数，相加运算，输出和数。

如果要计算多位数的相加，则需要多个全加器以及其他门电路，组合出更复杂的加法器。减法的运算可以用加法来分解：

减法：10 - 5 = 10 +（-5），须通过反码，补码等操作。

其他运算器也有相关的门电路来组成，有关知识这里不展开。

从加法器我们不难得出，CPU的运算是各种门电路的高低电平的输入和输出，高电平为1，低电平为0，把我们平常的十进制数字转成二进制数输入，输出二进制数。

寄存器

两个数字相加用全加器的组合来完成，如果是多个数字的相加呢？比如1+2+3+4+5+……+100,该怎么完成呢？

按照我们的计算过程来看这个问题，我们先把前两个数拿出来相加，得到的和再和第三个数相加，依次累加到100，转换到单片机来完成，那就要把所有的相加数放到一个存储器中，以便在每次的相加中取出，还要把每次相加的和数保存起来用到下一次的相加，这就用到了寄存器了。

寄存器-1保存1-100的数字，寄存器-2保存每次的相加结果。计算1-100的相加，寄存器-2的初始值为0，依次取出寄存器-1的数字和寄存器-2的结果相加：

1+0=1，

2+1=3，

3+3=6，

4+6=10……

锁存器

但是寄存器是怎么帮我们保存数据的呢？这就要锁存器（Latch）来帮助了，两个或非门组成了一个最简单的锁存器。

简单的说，这个单元记住了之前S端的输入1，直到我们把R端设为1，输出端Q才变回0。

然后在这个简单锁存器加上控制端G和一个输入端D就变成了D锁存器：

它有两个输入端，分别是一个信号控制G,一个输入数据信号D，一个输出Q。它的功能就是在G有效的时候把D的值传给Q，也就是锁存的过程。

触发器

把两个D锁存器结合到一起就成了D触发器（DATA flip-flop）。触发器也叫双稳态门，又称双稳态触发器，是一种可以在两种状态下运行的数字逻辑电路。

触发器一直保持它们的状态，直到它们收到输入脉冲，又称为触发。常见的触发器包括：RS 触发器、D 触发器和 JK触发器等，其中D触发器最为常用。

当锁存器-1控制G为有效信号时，D的输入传到到锁存器-2的输入，但是此时锁存器-2的控制信号不是有效的，所以锁存器-2的输出Q没有改变；当锁存器-1的控制G变为无效，锁存器-2的控制信号变为有效，锁存器-2的输出Q就改变了，也就是触发器的D输入传到了Q，并且D没有输入就一直不变。

时序电路

我们再来看看1—100的累加过程，如果寄存器-1和寄存器-2的存储速度不一样，或者运算单元取数不协调，也就是寄存器-2没来得及存储，或者寄存器-1还没取出下一个参与运算的数字，则此次的运算就会就会出错，又会影响到下一次的运算，这个影响会无限放大到之后的结果，并且单片机还有很多外设需要同步运行，这时就需要一个统一指挥来同步各个部分的行动，什么时候该做什么，做到哪一步了。

这个指挥就是时钟。时钟电路产生脉冲信号给电路，可以认为给一次脉冲信号，单片机各个部位就动一下，电路就刷新一下，这就做到了行动统一。前面的D锁存器，D触发器G输入端就是时钟脉冲信号输入，控制G输入信号，进而控制Q的输出，或者记住Q值。这是内存最初的样子。

到此，我们知道了寄存器就是一种时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。

一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器，一般有8位寄存器、16位寄存器等。它被广泛的用于各类数字系统和计算机中。

- 运行程序 -

有了前面的铺垫，我们来分析一下，代码从是怎么被单片机识别的，并转换成功能输出的。

首先工程师把代码逻辑写好，再编译成单片机的可执行程序，这个可执行程序实际上就是变成由0，1组成的按一定规律排列好的二进制数，再用烧录器写进单片机。

单片机内部就是由我们前面学的门电路的各种组合，门电路也由半导体器件构成，这些半导体PN结是一种特殊的熔丝。空白的单片机内部是矩阵排列的熔丝，在烧录过程，程序中0的地方就熔断，1的地方就导通。烧录好之后，单片机就有了逻辑功能。

执行程序过程：从程序存储区读取程序指令——分析指令——执行指令。

读取指令：就是根据程序计算器（PC）的地址取出相应的指令，送到指令寄存器。

分析指令：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令是我们之前的加法运算中的取加数，则寻找加数的地址。

执行指令：无非是把一条二进制代码，转换成数字信号（高低电平），操作逻辑门电路，就像我们的加法器一样输入输出。把经过逻辑门运算的结果输出，把单片机的相关引脚电平输出高或低。

也就是单片机上电开机，单片机处于初始状态，可以认为初始状态中程序计算器（PC）就有了第一个指令地址，在时序电路作用下，送到指令寄存器，分析指令，执行指令，输出功能，如此循环。单片机就这样自动进入执行程序过程。

当然单片机运行的过程是很复杂的，这里只是个人简单的理解，总结。

从晶体管组合成逻辑电路，逻辑电路组合成单片机，再从单片机在到现在的计算机，超级计算机，是一个不断积累，不停进步的过程。想要你的人生也是这样的精彩过程吗，来找我领取入门资料，开启与导师的一对一互动，进入高阶学习，成就精彩人生。

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