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。

51单片机中断学习

一、中断的概念

CPU在处理某一事件A时，发生了另一事件B请求CPU迅速去处理（中断发生）；

CPU暂时中断当前的工作，转去处理事件B（中断响应和中断服务）；

待CPU将事件B处理完毕后，再回到原来事件A被中断的地方继续处理事件A（中断返回），这一过程称为中断

二、中断源

在51单片机中有5个中断源

中断号 优先级 中断源 中断入口地址

0 1（最高） 外部中断0 0003H

1 2 定时器0 000BH

2 3 外部中断1 0013H

3 4 定时器1 0018H

4 5 串口总段 0023H

三、中断寄存器

单片机有10个寄存器主要与中断程序的书写控制有关

1.中断允许控制寄存器IE

2.定时器控制寄存器TCON

3.串口控制寄存器SCON

4.中断优先控制寄存器IP

5.定时器工作方式控制寄存器TMOD

6.定时器初值赋予寄存器（TH0/TH1，TL0/TL1）

寄存器详细说明：http://blog.sina.com.cn/s/blog_a05b986d0101545c.html

四、寄存器功能与赋值说明

注：在用到中断时，必须要开总中断EA,即EA=1。 //开总中断

1.中断允许控制寄存器IE

EX0(EX1):外部中断允许控制位

EX0=1 外部中断0开关闭合 //开外部0中断

EX0=0 外部中断0开关断开

ET0(ET1):定时中断允许控制位

ET0=1 定时器中断0开关闭合 //开内部中断0

ET0=0 定时器中断0开关断开

ES: 串口中断允许控制位

ES=1 串口中断开关闭合 //开串口中断

ES=0 串口中断开关断开

2.定时器控制寄存器 TCON //控制外部中断和定时器中断

外部中断：

IE0(IE1)：外部中断请求标志位

当INT0(INT1)引脚出现有效的请求信号，此位由单片机自动置1，cpu开始响应，处理终端，而当入

中断程序后由单片机自动置0.

//外部中断，即外部中断相应的引脚接入低电平或下降沿信号时，中断开始响应。

IT0(IT1):外部中断触发方式控制位 //选择有效信号

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。

内部中断：

TF0(TF1):内部定时器/计数器溢出中断标志位

当定时器、计数器计数溢出的时候，此位由单片机自动置1，cup开始响应，处理中断，而当进入中

断程序后由单片机自动置0.

//内部中断实际上就是利用内部的计数器，只不过提供计数的脉冲来自单片机自身。

TRO(TR1)：定时器/计数器启动位 //启动定时器

TRO(TR1)=1; 启动定时器/计数器0

TR0(TR1)=0; 关闭定时器/计数器0

3.串口控制寄存器SCON

TI:串行口发送中断标志位

当单片机串口发送完一帧数据后，此位由单片机自动置1，而当进入中断服务程序后是不会自动清0的，

必须由用户在中断服务中用软件清0.

RI：串行口接收中断标志位

当单片机串口接收完一帧数据后，此位由单片机自动置1，而当进入中断服务程序后是不会自动清0的，

必须由用户在中断服务软件中用软件清0.

（IP以后补上，TMOD，TL0/TH0 在定时器/计数器中讲）

五、中断结构图：

六、定时器/计数器

1.计数的定义：

计数是指对外部事件进行计数，外部事件的发生以输入脉冲的形式表示，因此计数功能的实质就是对外来

的脉冲进行计数，在单片机中对应引脚T0和T1，两个脉冲输入端。

外部输入的脉冲在负跳变时有效（即外部脉冲由1变化到0），计数器加1.

2.定时器：

定时器是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，因此定时器的实质是对内

部脉冲的计数，在单片机中，每个机器周期产生一次计数脉冲，计数器加1.

3.工作方式控制寄存器TMOD：

TMOD的低半字节（D0,D1,D2,D3）用来控制定时器/计数器0

TMOD的高半字节（D4，D5，D6，D7）用来控制定时器/计数器1

对TMOD中的内容说明：

GATE——门控制。

GATE=1时，由外部中断引脚INT0、INT1来启动定时器T0、T1。

当INT0引脚为高电平时TR0置位，启动定时器T0；

当INT1引脚为高电平时TR1置位，启动定时器T1。

GATE=0时，仅由TR0,TR1置位分别启动定时器T0、T1。

C/T——功能选择位

C/T=0时为定时功能,C/T=1时为计数功能。

M0、M1——方式选择功能

由于有2位，因此有4种工作方式

4.根据单片机晶振，所选TMOD的的工作方式，所要定的时间，来确定THO和TLO所要赋予的初值

（以12M晶振，工作方式1,16位计数器为例，设所定时间为Xus（16为计数器最大数65536，即65536us，若所

定时间大于65535，则要用if语句控制，现假设X<65535））

1.时钟周期的时间t=1/12M=1/12 us

2.机器周期的时间T=12*1/12=1 us

3.因为每经过一个机器周期计数器+1，所以，计数器+1，经过的时间为 1 us。

若所定时间为X,则要求经过Xus，中断响应，又因为16为计数器要全部置1（即达到65535）+1后，中断才会

响应，所以，初值=（65536-X）

4.将初值转化为16进制码，分别付给THO和TLO

eg：所定时间5ms

初值=（65536-5000）=60536=EC78

TH0=0XEC; TL0=0X78;

（当工作方式不同时，TH0/TL0的赋值也不同，个人觉得有了16位计数器了，其余的没什么用，不介绍了）

5.写程序时另一种THO/TLO赋值方法

TH0=(65536-20000)/256;

TL0=(65536-20000)%6;

这样设置，每经过20ms，发生一次中断，中断时间一般以秒为单位，所以经过n次中断即可。

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