MCS-51的中断结构与控制

MCS-51的中断源及中断结构

(一)中断源

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。

干货｜一文读懂单片机里面的“中断”优先级

中断优先级的内容，有一般紧急的中断，有特别紧急的中断，这取决于具体的系统设计，这就涉及到中断优先级和中断嵌套的概念，今天先简单介绍一下相关寄存器，不做例程说明。

中断的产生背景，实际生活当中还有更复杂的，比如我正在看电视，这个时候来电话了，我要进入接电话的“中断”程序当中去，就在接电话的同时，听到了水开的声音，水开的“中断”也发生了，我们就必须要放下手上的电话，先把煤气关掉，然后再回来听电话，最后听完了电话再看电视，这里就产生了一个优先级的问题。

还有一种情况，我们在看电视的时候，这个时候听到水开的声音，水开的“中断”发生了，我们要进入关煤气的“中断”程序当中，而在关煤气的同时，电话声音响了，而这个时候，我们的处理方式是先把煤气关闭，再去接听电话，最后再看电视。

从这两个过程中，我们可以得到一个结论，就是最最紧急的事情，一旦发生后，我们不管当时处在哪个“程序”当中，我们必须先去处理最最紧急的事情，处理完毕后再去解决其它事情。

在我们的单片机程序当中有时候也是这样的，有一般紧急的中断，有特别紧急的中断，这取决于具体的系统设计，这就涉及到中断优先级和中断嵌套的概念，今天先简单介绍一下相关寄存器，不做例程说明。

中断优先级有两种，一种是抢占优先级，一种是固有优先级，先介绍抢占优先级。来看表1和表2。

表1： IP——中断优先级寄存器的位分配（地址0xB8、可位寻址）

表2： IP——中断优先级寄存器的位描述

IP 这个寄存器的每一位，表示对应中断的抢占优先级，每一位的复位值都是 0，当我们把某一位设置为 1 的时候，这一位的优先级就比其它位的优先级高了。

比如我们设置了 PT0位为 1 后，当单片机在主循环或者任何其它中断程序中执行时，一旦定时器 T0 发生中断，作为更高的优先级，程序马上就会跑到 T0 的中断程序中来执行。

反过来，当单片机正在 T0中断程序中执行时，如果有其它中断发生了，还是会继续执行 T0 中断程序，直到把 T0 中的中断程序执行完毕以后，才会去执行其它中断程序。

当进入低优先级中断中执行时，如又发生了高优先级的中断，则立刻进入高优先级中断执行，处理完高优先级级中断后，再返回处理低优先级中断，这个过程就叫做中断嵌套，也称为抢占。

所以抢占优先级的概念就是，优先级高的中断可以打断优先级低的中断的执行，从而形成嵌套。当然反过来，优先级低的中断是不能打断优先级高的中断的。

表3： 中断查询序列

那么既然有抢占优先级，自然就也有非抢占优先级了，也称为固有优先级。在表3中的最后一列给出的就是固有优先级，请注意，在中断优先级的编号中，一般都是数字越小优先级越高。

从表3中可以看到一共有 1～6 共 6 级的优先级，这里的优先级与抢占优先级的一个不同点就是，它不具有抢占的特性，也就是说即使在低优先级中断执行过程中又发生了高优先级的中断，那么这个高优先级的中断也只能等到低优先级中断执行完后才能得到响应。既然不能抢占，那么这个优先级有什么用呢？

答案是多个中断同时存在时的仲裁。比如说有多个中断同时发生了，当然实际上发生这种情况的概率很低，但另外一种情况就常见的多了，那就是出于某种原因我们暂时关闭了总中断，即 EA=0，执行完一段代码后又重新使能了总中断，即 EA=1，那么在这段时间里就很可能有多个中断都发生了，但因为总中断是关闭的，所以它们当时都得不到响应，而当总中断再次使能后，它们就会在同时请求响应了，很明显，这时也必需有个先后顺序才行，这就是非抢占优先级的作用了——如表3中，谁优先级最高先响应谁，然后按编号排队，依次得到响应。

抢占优先级和非抢占优先级的协同，可以使单片机中断系统有条不紊的工作，既不会无休止的嵌套，又可以保证必要时紧急任务得到优先处理。在后续的学习过程中，中断系统会与我们如影随形，处处都有它的身影，随着学习的深入，相信你对它的理解也会更加的深入。

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