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。

超详细！51单片机寄存器功能一览表

21个特殊功能寄存器(52系列是26个)不连续地分布在128个字节的SFR存储空间中，地址空间为80H-FFH，在这片SFR空间中，包含有128个位地址空间，地址也是80H-FFH，但只有83个有效位地址，可对11个特殊功能寄存器的某些位作位寻址操作(这里介绍一个技巧：其地址能被8整除的都可以位寻址)。

在51单片机内部有一个CPU用来运算、控制，有四个并行I/O口，分别是P0、P1、P2、P3，有ROM，用来存放程序，有RAM，用来存放中间结果，此外还有定时/计数器，串行I/O口，中断系统，以及一个内部的时钟电路。在单片机中有一些独立的存储单元是用来控制这些器件的，被称之为特殊功能寄存器(SFR)。这样的特殊功能寄存器51单片机共有21个并且都是可寻址的列表如下(其中带*号的为52系列所增加的特殊功能寄存器)：

MCS－51单片机的特殊功能寄存器

符号

地址

功能介绍

B

F0H

B寄存器

ACC

E0H

累加器

PSW

D0H

程序状态字

TH2*

CDH

定时器/计数器2（高8位）

TL2*

CCH

定时器/计数器2（低8位）

RCAP2H*

CBH

外部输入（P1.1）计数器/自动再装入模式时初值寄存器高八位

RCAP2L*

CAH

外部输入（P1.1）计数器/自动再装入模式时初值寄存器低八位

T2CON*

C8H

T2定时器/计数器控制寄存器

IP

B8H

中断优先级控制寄存器

P3

B0H

P3口锁存器

IE

A8H

中断允许控制寄存器

P2

A0H

P2口锁存器

SBUF

99H

串行口锁存器

SCON

98H

串行口控制寄存器

P1

90H

P1口锁存器

TH1

8DH

定时器/计数器1（高8位）

TH0

8CH

定时器/计数器1（低8位）

TL1

8BH

定时器/计数器0（高8位）

TL0

8AH

定时器/计数器0（低8位）

TMOD

89H

T0、T1定时器/计数器方式控制寄存器

TCON

88H

T0、T1定时器/计数器控制寄存器

DPH

83H

数据地址指针（高8位）

DPL

82H

数据地址指针（低8位）

SP

81H

堆栈指针

P0

80H

P0口锁存器

PCON

87H

电源控制寄存器

分别说明如下：

1、ACC---是累加器，通常用A表示

这是个什么东西，可不能从名字上理解，它是一个寄存器，而不是一个做加法的东西，为什么给它这么一个名字呢?或许是因为在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中的缘故吧。它的名字特殊，身份也特殊，稍后在中篇中我们将学到指令，可以发现，所有的运算类指令都离不开它。自身带有全零标志Z，若A=0则Z=1;若A≠0则z=0。该标志常用作程序分枝转移的判断条件。转自21ic基础知识

2、B--一个寄存器

在做乘、除法时放乘数或除数，不做乘除法时，随你怎么用。

3、PSW-----程序状态字。

这是一个很重要的东西，里面放了CPU工作时的很多状态，借此，我们可以了解CPU的当前状态，并作出相应的处理。它的各位功能请看下表：

PSW 程序状态字

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

CY

AC

F0

RS1

RS0

OV

P

下面我们逐一介绍各位的用途

CY：进位标志。

8051中的运算器是一种8位的运算器，我们知道，8位运算器只能表示到0-255，如果做加法的话，两数相加可能会超过255，这样最高位就会丢失，造成运算的错误，怎么办?最高位就进到这里来。这样就没事了。有进、借位，CY=1;无进、借位，CY=0

例：78H+97H(01111000+10010111)

AC：辅助进、借位(高半字节与低半字节间的进、借位)。

例：57H+3AH(01010111+00111010)

F0：用户标志位

由用户(编程人员)决定什么时候用，什么时候不用。

RS1、RS0：工作寄存器组选择位

通过修改PSW中的RS1、RS0两位的状态，就能任选一个工作寄存器区。这个特点提高了MCS-51现场保护和现场恢复的速度。对于提高CPU的工作效率和响应中断的速度是很有利的。若在一个实际的应用系统中，不需要四组工作寄存器，那么这个区域中多余单元可以作为一般的数据缓冲器使用。

工作寄存器区选择

RS1

RS0

当前使用的工作寄存器区R0~R7

0

0

0区(00~07H)

0

1

1区(08~0Fh)

1

0

2区(10~17h)

1

1

3区(18~1Fh)

0V：溢出标志位

运算结果按补码运算理解。有溢出，OV=1;无溢出，OV=0。什么是溢出我们后面的章节会讲到。

P：奇偶校验位

它用来表示ALU运算结果中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。运算结果有奇数个1，P=1;运算结果有偶数个1，P=0。

例：某运算结果是78H(01111000)，显然1的个数为偶数，所以P=0。

4、DPTR(DPH、DPL)--------数据指针

可以用它来访问外部数据存储器中的任一单元，如果不用，也可以作为通用寄存器来用，由我们自已决定如何使用。分成DPL(低8位)和DPH(高8位)两个寄存器。用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址的方式对片外数据RAM或程序存储器作64K字节范围内的数据操作。

5、P0、P1、P2、P3--------输入输出口(I/O)寄存器

这个我们已经知道，是四个并行输入/输出口(I/O)的寄存器。它里面的内容对应着管脚的输出。

6、IE-----中断充许寄存器

可按位寻址，地址：A8H

IE 中断充许寄存器

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

EA

-

ET2

ES

ET1

EX1

ET0

EX0

EA (IE.7)：EA=0时，所有中断禁止(即不产生中断);EA=1时，各中断的产生由个别的允许位决定

- (IE.6)：保留

ET2(IE.5)：定时2溢出中断充许(8052用)

ES (IE.4)：串行口中断充许(ES=1充许，ES=0禁止)

ET1(IE.3)：定时1中断充许

EX1(IE.2)：外中断INT1中断充许

ET0(IE.1)：定时器0中断充许

EX0(IE.0)：外部中断INT0的中断允许

7、IP-----中断优先级控制寄存器

可按位寻址，地址位B8H

IP 中断优先级控制寄存器

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

-

-

PT2

PS

PT1

PX1

PT0

PX0

- (IP.7)：保留

- (IP.6)：保留

PT2(IP.5)：定时2中断优先(8052用)

PS (IP.4)：串行口中断优先

PT1(IP.3)：定时1中断优先

PX1(IP.2)：外中断INT1中断优先

PT0(IP.1)：定时器0中断优先

PX0(IP.0)：外部中断INT0的中断优先

8、TMOD-----定时器控制寄存器

不按位寻址，地址89H

TMOD 定时器控制寄存器

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

GATE

C/T

M1

M0

GATE

C/T

M1

M0

GATE ：定时操作开关控制位，当GATE=1时，INT0或INT1引脚为高电平，同时TCON中的TR0或TR1控制位为1时，计时/计数器0或1才开始工作。若GATE=0，则只要将TR0或TR1控制位设为1，计时/计数器0或1就开始工作。

C/T ：定时器或计数器功能的选择位。C/T=1为计数器，通过外部引脚T0或T1输入计数脉冲。C/T=0时为定时器，由内部系统时钟提供计时工作脉冲。

M1 、M0：T0、T1工作模式选择位

M1 、M0：T0、T1工作模式选择位

M1

M0

工作模式

0

0

方式0，13位计数/计时器

0

1

方式,1，16位计数/计时器

1

0

方式2，8位自动加载计数/计时器

1

1

方式3，仅适用于T0，定时器0分为两个独立的8位定时器/计数器TH0及TL0，T1在方式3时停止工作

9、TCON-----定时器控制寄存器

可按位寻址，地址位88H

TCON 定时器控制寄存器

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

TF1

TR1

TF0

TR0

IE1

IT1

IE0

IT0

TF1：定时器T1溢出标志，可由程序查询和清零，TF1也是中断请求源，当CPU响应T1中断时由硬件清零。

TF0：定时器T0溢出标志，可由程序查询和清零，TF0也是中断请求源，当CPU响应T0中断时由硬件清零。

TR1：T1充许计数控制位，为1时充许T1计数。

TR0：T0充许计数控制位，为1时充许T0计数。

IE1：外部中断1请示源(INT1，P3.3)标志。IE1=1，外部中断1正在向CPU请求中断，当CPU响应该中断时由硬件清“0”IE1(边沿触发方式)。

IT1：外部中断源1触发方式控制位。IT1=0，外部中断1程控为电平触发方式，当INT1(P3.3)输入低电平时，置位IE1。

IE0：外部中断0请示源(INT0，P3.2)标志。IE0=1，外部中断1正在向CPU请求中断，当CPU响应该中断时由硬件清“0”IE0(边沿触发方式)。

IT0：外部中断源0触发方式控制位。IT0=0，外部中断1程控为电平触发方式，当INT0(P3.2)输入低电平时，置位IE0。

10、SCON----串行通信控制寄存器

它是一个可寻址的专用寄存器，用于串行数据的通信控制，单元地址是98H，其结构格式如下：

SCON 串行通信控制寄存器

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

TI

RI

(1)SM0、SM1：串行口工作方式控制位。

SM0，SM1 工作方式

00 方式0-波特率由振荡器频率所定：振荡器频率/12

01 方式1-波特率由定时器T1或T2的溢出率和SMOD所定：2SMOD ×(T1溢出率)/32

10 方式2-波特率由振荡器频率和SMOD所定：2SMOD ×振荡器频率/64

11 方式3-波特率由定时器T1或T2的溢出率和SMOD所定：2SMOD ×(T1溢出率)/32

(2)SM2：多机通信控制位。< br> 多机通信是工作于方式2和方式3，SM2位主要用于方式2和方式3。接收状态，当串行口工作于方式2或3，以及SM2=1时，只有当接收到第9位数据(RB8)为1时，才把接收到的前8位数据送入SBUF，且置位RI发出中断申请，否则会将接受到的数据放弃。当SM2=0时，就不管第位数据是0还是1，都难得数据送入SBUF，并发出中断申请。

工作于方式0时，SM2必须为0。

(3)REN：允许接收位。< br> REN用于控制数据接收的允许和禁止，REN=1时，允许接收，REN=0时，禁止接收。

(4)TB8：发送接收数据位8。< br> 在方式2和方式3中，TB8是要发送的——即第9位数据位。在多机通信中同样亦要传输这一位，并且它代表传输的地址还是数据，TB8=0为数据，TB8=1时为地址。

(5)RB8：接收数据位8。

在方式2和方式3中，RB8存放接收到的第9位数据，用以识别接收到的数据特征。

(6)TI：发送中断标志位。

可寻址标志位。方式0时，发送完第8位数据后，由硬件置位，其它方式下，在发送或停止位之前由硬件置位，因此，TI=1表示帧发送结束，TI可由软件清“0”。

(7)RI：接收中断标志位。

可寻址标志位。接收完第8位数据后，该位由硬件置位，在其他工作方式下，该位由硬件置位，RI=1表示帧接收完成。

11、PCON-----电源管理寄存器

PCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，单元地址是87H，其结构格式如下：

PCON电源管理寄存器结构

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

SMOD

-

-

-

GF1

GF0

PD

IDL

在CHMOS型单片机中，除SMOD位外，其他位均为虚设的，SMOD是串行口波特率倍增位，当SMOD=1时，串行口波特率加倍。系统复位默认为SMOD=0。

12、T2CON-----T2状态控制寄存器

T2CON 定时器控制寄存器

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

TF2

EXF2

RCLK

TCLK

EXEN2

TR2

C/T2

CP/RL2

TF2：T2溢出中断标志。TF2必须由用户程序清“0”。当T2作为串口波特率发生器时，TF2不会被置“1”。

EXF2：定时器T2外部中断标志。EXEN2为1时，当T2EX(P1.1)发生负跳变时置1中断标志DXF2，EXF2必须由用户程序清“0”。

TCLK：串行接口的发送时钟选择标志。TCLK=1时，T2工作于波特率发生器方式。

RCLK：串行接口的接收时钟选择标志位。RCLK=1时，T2工作于波特率发生器方式。

EXEN2：T2的外部中断充许标志。

C/T2：外部计数器/定时器选择位。C/T2=1时，T2为外部事件计数器，计数脉冲来自T2(P1.0);C/T2=0时，T2为定时器，振荡脉冲的十二分频信号作为计数信号。

TR2：T2计数/定时控制位。TR1为1时充许计数，为0时禁止计数。

CP/RL2：捕捉和常数自动再装入方式选择位。为1时工作于捕捉方式，为0时T2工作于常数自动再装入方式。当TCLK或RCLK为1时，CP/RL2被忽略，T2总是工作于常数自动再装入方式。

下面对T2CON的D0、D2、D4、D5几位主要控制T2的工作方式，下面对这几位的组合关系进行总结

定时器T2方式选择

RCLK+TCLK

CP/RL2

TR2

工作方式

0

0

1

16位常数自动再装入方式

0

1

1

16位捕捉方式

1

×

1

串行口波特率发生器方式

×

×

0

停止计数

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软件简介:KeilMDKuVision4是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,使用接近于传统c语言的语法来开发,与汇编相比,C语言在功能上...