單片機(jī)原理及應(yīng)用課件：第5章 中斷

第5章中斷

內(nèi)容提要中斷的基本概念標(biāo)準(zhǔn)51中斷源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中斷控制外部中斷編程舉例外部中斷源的復(fù)用技術(shù) 5.1中斷的基本概念5.1.1中斷的定義及中斷工作方式 由于內(nèi)部或外部“偶然”事件的發(fā)生，導(dǎo)致CPU暫停當(dāng)前的進(jìn)程，轉(zhuǎn)入預(yù)先安排好的事件服務(wù)程序（中斷服務(wù)程序）中去，執(zhí)行其代碼并為其服務(wù)（事件處理），待服務(wù)完成后，CPU再回到被打斷的進(jìn)程中繼續(xù)工作的過程。

從中斷的定義中引出了以下幾個(gè)新的概念：

1事件的“偶然”性與“必然”性

例如，計(jì)算機(jī)鍵盤、鼠標(biāo)的設(shè)置就為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)增加了兩個(gè)必然的“偶然”事件發(fā)生的機(jī)會(huì)。鍵盤、鼠標(biāo)按下就是偶然事件2中斷源（又稱為中斷控制器）

（1）中斷源：介于事件與CPU之間的電路模塊。 （2）中斷請(qǐng)求信號(hào)：事件引起的，由中斷源產(chǎn)生的，能被單片機(jī)識(shí)別的信號(hào)。3中斷類型 中斷產(chǎn)生來源于事件。因此根據(jù)事件來源地，將中斷分為外部中斷和內(nèi)部中斷兩種類型。 外部中斷是指由單片機(jī)外部事件引發(fā)的中斷。 內(nèi)部中斷是指由單片機(jī)芯片內(nèi)部事件引發(fā)的中斷。標(biāo)準(zhǔn)51有5個(gè)中斷源按優(yōu)先權(quán)（級(jí)）排列 外部中斷0 （外部） 定時(shí)器0溢出 外部中斷1 （外部） 定時(shí)器1溢出 串行口發(fā)送/接收 標(biāo)準(zhǔn)51及STC89C5X系列中斷源信息見表5-1。4中斷信號(hào)的來源與標(biāo)準(zhǔn) 內(nèi)部中斷事件來源于單片機(jī)內(nèi)部，信號(hào)由中斷控制器產(chǎn)生。 外部中斷事件源于外部，單片機(jī)本身無法控制。因此，51機(jī)規(guī)定，有效信號(hào)為持續(xù)12個(gè)以上時(shí)鐘周期的TTL低電平或下降沿。 中斷控制器在每個(gè)機(jī)器周期都要檢測(cè)外部中斷源輸入管腳的狀態(tài)。 在低電平觸發(fā)方式時(shí)，如果檢測(cè)到持續(xù)1個(gè)機(jī)器周期以上的低電平，就認(rèn)為是一次有效的觸發(fā)信號(hào)。 下降沿觸發(fā)方式時(shí)，輸入端從上一機(jī)器周期的高電平在下機(jī)器周期變?yōu)榈碗娖?，就能被外部中斷源檢測(cè)到，成為有效的觸發(fā)信號(hào)。5中斷與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性關(guān)系 實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)即時(shí)處理事件的能力。一個(gè)系統(tǒng)首先要能正確地處理事件，在此基礎(chǔ)上，對(duì)事件的反應(yīng)越快，發(fā)生與處理之間的間隔越小，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就越好。 中斷技術(shù)的引用可以提高單片機(jī)系統(tǒng)的工作效率。 例如：上課與等朋友見面發(fā)生了矛盾。而你處理這個(gè)問題有兩種方式： （1）查詢方式 （2）中斷方式

中斷方式是以具備中斷源為條件的，即以投資換取效率。

5.1.3中斷優(yōu)先級(jí)

1為什么要設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)？ 事件具有不同的輕重、緩急程度。系統(tǒng)工作時(shí)，我們總希望最緊急的事件優(yōu)先被處理，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。這就引出了中斷的優(yōu)先的級(jí)、中斷嵌套問題。2標(biāo)準(zhǔn)51的中斷優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu) 分高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)。兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的關(guān)系如圖5-1所示。

（1）優(yōu)先級(jí)是一個(gè)平臺(tái)，就像服務(wù)大廳一樣，每個(gè)中斷源都可以進(jìn)入。提高或降低優(yōu)先級(jí)別。 （2）在同一優(yōu)先級(jí)平臺(tái)上，接受服務(wù)的次序采用固定優(yōu)先權(quán)方式，優(yōu)先權(quán)高的中斷源總是享受優(yōu)先服務(wù)，但不能嵌套同一優(yōu)先級(jí)其它中斷源的中斷，即不能打斷它們的服務(wù)過程。 （3）高級(jí)優(yōu)先級(jí)平臺(tái)上的中斷源，可以嵌套低優(yōu)先級(jí)上的中斷源的中斷，即可以打斷它們的服務(wù)過程，優(yōu)先得到服務(wù)。

（4）標(biāo)準(zhǔn)51有2個(gè)優(yōu)先級(jí)，因此，只有2級(jí)嵌套，即某一時(shí)刻，最多有2個(gè)中斷源處在被服務(wù)進(jìn)程中，其中高級(jí)中斷正在接受服務(wù)，另一個(gè)則是暫時(shí)被“掛”起來的低級(jí)中斷，它正在等待接受繼續(xù)服務(wù)。

（5）51機(jī)復(fù)位后，所有中斷源的優(yōu)先級(jí)都為低優(yōu)先級(jí)。這是中斷優(yōu)先級(jí)默認(rèn)狀態(tài)。 3中斷及中斷嵌套示意圖 見圖5-2。RETIRETI

5.1.3中斷的條件及中斷返回

1.中斷的必要條件 偶然事件→中斷觸發(fā)信號(hào)→中斷請(qǐng)求標(biāo)志位（SFR的TCON中的相應(yīng)位）被置位→向CPU提出中斷請(qǐng)求。

2.中斷的充分條件

由編程者決定，即開中斷。

51機(jī)外部中斷觸發(fā)信號(hào)類型

低電平和下降沿觸兩種。

有效觸發(fā)部分3中斷返回 中斷返回：中斷服務(wù)完畢后，單片機(jī)系統(tǒng)如何返回到中斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行被打斷的程序后續(xù)代碼。 中斷結(jié)束命令RETI

當(dāng)CPU執(zhí)行RETI命令后，堆棧值自動(dòng)彈出至程序計(jì)數(shù)器PC，使系統(tǒng)結(jié)束中斷并返回?cái)帱c(diǎn)處。

為了實(shí)現(xiàn)返回，CPU記憶返回地址。當(dāng)中斷的充要條件均滿足時(shí)，單片機(jī)的代碼管理系統(tǒng)要做兩件事： （1）將當(dāng)前正在執(zhí)行指令的下一條指令地址壓入堆棧，其目的是記憶返回地址。 （2）改變程序計(jì)數(shù)器PC值，使其為該中斷源的中斷向量值，于是程序的流向就轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序上。

4中斷請(qǐng)求信號(hào)的撤消 中斷處理結(jié)束后，中斷請(qǐng)求信號(hào)（標(biāo)志位被“置位”）需立即撤消。又分兩種情況。 （1）中斷被禁止時(shí)，中斷請(qǐng)求信號(hào)（被“置位”的標(biāo)志位）將保持其狀態(tài)，直到用指令將其“復(fù)位”為止。 （2）中斷開放時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)51來說，除串行口收/發(fā)中斷外，其中斷標(biāo)志位在系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，被自動(dòng)“復(fù)位”。串行口收/發(fā)中斷標(biāo)志位，需用軟件將其復(fù)位。對(duì)51兼容機(jī)新增的中斷源的標(biāo)志位，以其數(shù)據(jù)手冊(cè)為準(zhǔn)。

5.1.4中斷向量及其用法

1中斷向量的定義：中斷向量是中斷服務(wù)程序的入口地址。

2結(jié)構(gòu)：每一個(gè)中斷源都有一個(gè)固定的中斷服務(wù)程序的入口地址。51單片機(jī)把所有中斷向量集中起來放在程序存儲(chǔ)區(qū)，從0003H開始，每隔8個(gè)字節(jié)為一類中斷源的中斷向量，見表5-1。

3用法：通常在中斷向量區(qū)放一條長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)指令，而將真正的服務(wù)指令放在程序存儲(chǔ)區(qū)的開闊處5.1.5中斷響應(yīng)的時(shí)間

1中斷響應(yīng)時(shí)間是指CPU檢測(cè)到中斷請(qǐng)求信號(hào)到轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序入口所需要的機(jī)器周期數(shù)。

2中斷響應(yīng)時(shí)間條件。如滿足下列條件，則CPU在下一個(gè)機(jī)器周期的S1期間響應(yīng)中斷，否則將延緩對(duì)中斷申請(qǐng)的響應(yīng)。

（1）無同級(jí)或高級(jí)中斷正在處理；

（2）現(xiàn)行指令執(zhí)行到最后1個(gè)機(jī)器周期且已結(jié)束；

（3）若現(xiàn)行指令為RETI或訪問IE、IP的指令時(shí)，執(zhí)行完該指令且緊隨其后的下一條指令也已執(zhí)行完畢。 所以，51機(jī)響應(yīng)中斷的最短時(shí)間為3個(gè)機(jī)器周期。 若CPU檢測(cè)到中斷請(qǐng)求信號(hào)正好是一條指令的最后一個(gè)機(jī)器周期，則不需等待就可以立即響應(yīng)。執(zhí)行一條長(zhǎng)調(diào)用指令，需要2個(gè)機(jī)器周期，加上檢測(cè)需要1個(gè)機(jī)器周期，一共需要3個(gè)機(jī)器周期進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

中斷響應(yīng)的最長(zhǎng)時(shí)間8個(gè)機(jī)器周期。 若中斷檢測(cè)時(shí)正在執(zhí)行RETI或訪問IE或IP指令的第一個(gè)機(jī)器周期，需要2個(gè)機(jī)器周期（以上三種指令均需兩個(gè)機(jī)器周期）的等待時(shí)間；若緊接著要執(zhí)行的指令恰好是執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的乘、除法指令（4個(gè)機(jī)器周期），再用2個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行一條長(zhǎng)調(diào)用指令，才轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。這樣，總共需要8個(gè)機(jī)器周期。

其他情況下的中斷響應(yīng)時(shí)間一般為3~8個(gè)機(jī)器周期。

5.1.6外部中斷事件信號(hào)的作用時(shí)間

內(nèi)部中斷請(qǐng)求信號(hào)來源于單片機(jī)內(nèi)部，CPU響應(yīng)中斷后，該中斷請(qǐng)求信號(hào)自動(dòng)撤消，以保證一次申請(qǐng)，一次響應(yīng)。 外部中斷請(qǐng)求信號(hào)來源于單片機(jī)外部，這些信號(hào)不受單片機(jī)系統(tǒng)控制。如何控制？ 外部提供的中斷請(qǐng)求信號(hào)源，要根據(jù)單片機(jī)對(duì)外部中斷請(qǐng)求信號(hào)的時(shí)間寬度要求做好。

51機(jī)規(guī)定外部中斷申請(qǐng)信號(hào)最小作用時(shí)間為1個(gè)機(jī)器周期，這是個(gè)極小值，為保證申請(qǐng)信號(hào)的可靠性，實(shí)際上。外部中斷申請(qǐng)信號(hào)的作用時(shí)間要小于中斷響應(yīng)過程的全部時(shí)間為好。

有些外部中斷請(qǐng)求信號(hào)，如按鍵信號(hào)，時(shí)間寬度因人而異，這時(shí)需要用軟件進(jìn)行處理，以避免一次按鍵被CPU多次響應(yīng)問題發(fā)生，如采用延時(shí)，等待按鍵釋放等技術(shù)。5.2標(biāo)準(zhǔn)51的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)51的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意框圖如圖5-3所示。5.3中斷控制

5.3.1中斷允許與禁止

51沒有專用的開中斷和關(guān)中斷指令。中斷開放或關(guān)閉是通過SFR的中斷允許寄存器IE的各位來控制的。IE的地址為A8H，可位尋址，其格式如表5-2所示，各位定義如下

EA：中斷允許總控位。

--：系統(tǒng)保留，不可用，習(xí)慣對(duì)其寫0（對(duì)本書均適用，不再說明）。

ET2：T2的溢出中斷允許位，只用于52機(jī)以型號(hào)。

ES：串行口中斷允許位。

ET1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出中斷允許位。

EX1：外部中斷1（ ）的中斷允許位。

ET0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0的溢出中斷允許位。

EX0：外部中斷0（ ）的中斷允許位。

【例5-1】要開放外部中斷0的中斷，如何實(shí)現(xiàn)？寫出操作指令。 解：要使用51機(jī)的中斷，必須要開放中斷。開放或禁止中斷，通過對(duì)寄存器IE操作實(shí)現(xiàn)，具體說就是對(duì)IE賦值。為了準(zhǔn)確對(duì)IE賦值，常用的做法是建立一個(gè)IE任務(wù)表，如表5-3所示。

表5-3中的IE值與圖5-3中各中斷控制位的通、斷關(guān)系一一對(duì)應(yīng)。對(duì)IE賦值的程序段如下： 匯編語言指令 C語言語句 SETB EX0 EX0=1; //位寫形式 SETB EA EA=1;或 MOV IE，#81H IE=0x81; //字節(jié)操作 當(dāng)上述指令被CPU執(zhí)行后，外部中斷0中斷的充分條件就得以滿足。當(dāng)其管腳上出現(xiàn)中斷觸發(fā)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)響應(yīng)這一中斷。5.3.2中斷請(qǐng)求標(biāo)志位 中斷請(qǐng)求標(biāo)志位被置位，它們?cè)谀男┫嚓P(guān)的SFR中呢？答案是中斷控制字寄存器TCON和串行口控制寄存器SCON中。表5-3中斷控制字寄存器TCON中位的位名及相對(duì)地址 TF1：定時(shí)器1的溢出標(biāo)志；

TF0：定時(shí)器0的溢出標(biāo)志。

TR0：定時(shí)器0運(yùn)行控制位，靠軟件置位或清除。 TR1：是關(guān)于定時(shí)器1的，含義與TR0類似。

IT0：IT0=0，選擇外部中斷0為電平觸發(fā)方式；IT0=1，則選擇外部中斷為下降沿（后沿）觸發(fā)方式。IT1是關(guān)于外部中斷1的，與IT0類似。他們均需用軟件置位或清零。

IE0：外部中斷0的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。 當(dāng)外部觸發(fā)信號(hào)有效時(shí)，被“置位”

IE1外部中斷1中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。含義與IE0相同

5.3.3中斷優(yōu)先級(jí)控制

51的中斷優(yōu)先級(jí)是通過中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP實(shí)現(xiàn)的。IP的地址為B8H，可位尋址，其格式如表5-4所示，各位的定義如下：

PT2：定時(shí)器2中斷優(yōu)先級(jí)控制位（52以上機(jī)型）。

PS：串行口中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

PT1：定時(shí)器1中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

PT0：是關(guān)于定時(shí)器0的，含義與PT1類似。

PX1：外部中斷1中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

PX0：是關(guān)于外部中斷0的，含義與PX1類似。 復(fù)習(xí)：中斷優(yōu)先含義。 標(biāo)準(zhǔn)51中斷系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)示意如圖5-3所示。

中斷響應(yīng)的條件小結(jié)。

CPU響應(yīng)中斷需以下條件： （1）中斷源在有效觸發(fā)信號(hào)下發(fā)出請(qǐng)求，即相應(yīng)的中斷申請(qǐng)標(biāo)志被置位； （2）中斷允許寄存器IE相應(yīng)位置1，且CPU開中斷即IE寄存器中EA=1。

（3）相應(yīng)類型中斷控制位（IE中）置1，如EX0=1，允許外部中斷0中斷。

以上是CPU響應(yīng)中斷的充要條件，可作為中斷編程的大綱和查錯(cuò)的線索。5.4外部中斷編程舉例 所有中斷在CPU看來都是相同的，從中斷觸發(fā)信號(hào)的來源看，外部中斷是單片機(jī)外部事件。外部中斷發(fā)生的物理必要條件是：寬度適中的低電平脈沖或電平跳變的下降沿，在51機(jī) 或 引腳上出現(xiàn)。

外部中斷編程步驟歸納如下：

（1）在相應(yīng)的中斷向量中加入長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)指令；

（2）編寫中斷服務(wù)程序；

（3）確定觸發(fā)方式：即對(duì)TCON中的IT0、IT1進(jìn)行設(shè)置，他們可位尋址；

（4）必要時(shí)還要調(diào)整某些中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)。

（5）置位EXx允許相應(yīng)的外部源觸發(fā)中斷；

（6）置位EA使CPU開中斷； 外部中斷源也提供標(biāo)志，可通過訪問TCON中IE0、IE1中斷標(biāo)志位，供查詢方式編程用。

【例5-2】設(shè)外部中斷0和1的輸入端已接有中斷觸發(fā)信號(hào)源，試編寫能響應(yīng)外部中斷0下降沿觸發(fā)、外部中斷1的低電平觸發(fā)中斷的完整程序。要求處于高優(yōu)先級(jí)。

解本題是為了說明外部中斷編程的基本要素。再復(fù)雜的外部中斷程序，其基本要素不變，復(fù)雜性只反應(yīng)在服務(wù)程序內(nèi)容及主程序與中斷服務(wù)程序的信息傳遞技術(shù)上。（實(shí)驗(yàn)2要參考本例題） ORG 0000H AJMP MAIN

ORG 0003H

；外部中斷0中斷向量首址

LJMP INT0INT

ORG 0013H

；外部中斷1中斷向量首址

LJMP INT1INT ORG 0050HMAIN： MOV SP，#6FH SETB IT0 ；外部中斷0，邊沿觸發(fā)方式

CLR IT1 ；外部中斷1，低電平觸發(fā)方式

SETB PX0 ；設(shè)外部中斷0為高優(yōu)先級(jí)

SETB EX0 ；開放外部中斷1 SETB EX1 ；邊沿觸發(fā)方式

SETB EA ；開總中斷

SJMP $INT0INT： PUSH ACC ；外部中斷0事務(wù)處理

…… POP ACC ；POP后的內(nèi)容不限

RETIINT1INT： …… ；中斷事務(wù)處理

RETI END

【例5-3】試編寫能響應(yīng)外部中斷0處于高優(yōu)先級(jí)、下降沿觸發(fā)、外部中斷1的低電平觸發(fā)中斷的C語言程序。 解：C語言中斷編程是全新的內(nèi)容，請(qǐng)注意學(xué)習(xí)。C51參考程序清單如下：#include<Stc12C5A60S2.h>#include<intrins.h>voidint0()interrupt0{ _nop_();}voidint1()interrupt2{ _nop_();}voidmain(void){ SP=0x5f; EX0=1; EX1=1; IT0=1; IT1=0; PX0=1；

EA=1; while(1); }

【例5-4】試編寫能響應(yīng)外部中斷0的請(qǐng)求，但事件處理在主程序中進(jìn)行的C51程序。解：C51語言程序清單如下：#include<Stc12C5A60S2.h>#include<intrins.h> bitintmarkvoidint0()interrupt0{ intmark=1;}voidmain(void){ SP=0x5f; EX0=1; IT0=1; EA=1; intmark=0; while(1) { if(intmark) { intmark=0; ；清除事件發(fā)生標(biāo)志

_nop_(); ；虛擬事件處理

} }}

程序使用全局位變量intmark來傳遞信息，注意，事件發(fā)生標(biāo)志應(yīng)及時(shí)清除。

5.5外部中斷源的復(fù)用技術(shù)

51系列單片機(jī)，內(nèi)部資源有限，如外部中斷源只有兩個(gè)。而在實(shí)際工程中，外部中斷源的需求往往是很大的，如果一個(gè)信號(hào)源用一個(gè)外部中斷源，必須外擴(kuò)外部中斷源。這與單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的最小化，即片上系統(tǒng)的發(fā)展方向相悖。

外部中斷源能否復(fù)用？現(xiàn)以本書第二種鍵盤電路及其鍵值識(shí)別程序?yàn)槔齺碚f明這一問題。 單片機(jī)系統(tǒng)中對(duì)鍵盤的管理有查詢方式和中斷方式兩種。本書介紹的第一種為行×列掃描方式，就屬于查詢管理方式。 本書介紹的第二種鍵盤電路，觸發(fā)中斷——I/O編碼方式，如圖5-4所示。

鍵盤接口電路將8個(gè)按鍵的輸出端合并為一個(gè)總出口，并與某個(gè)外部中斷源的輸入端，如相聯(lián)接。 設(shè)計(jì)電路時(shí)要注意： （1）二級(jí)管極性不能接反。 （2）在單片機(jī)中斷源管腳上接一容量在0.001μF左右的電容到地，可以有效地消除干擾信號(hào)引起的偽中斷申請(qǐng)。上拉電阻在2~10k范圍較好。

【例5-5】設(shè)圖5-4中的8個(gè)鍵分別用P0口編碼，按鍵觸發(fā)外部中斷0，試編寫鍵盤管理程序。

解：鍵盤管理采用事件觸發(fā)程序結(jié)構(gòu)。鍵盤管理的C參考程序如下：#include<Stc89c5x.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharxdataINTM_MARK;

//定義無符號(hào)字符型變量sbitUP=P0^0;sbitDOWN=P0^1;sbitLEFT=P0^2;sbitRIGHT=P0^3;sbitKEY_A=P0^4;sbitKEY_B=P0^5;sbitKEY_L=P0^6; sbitKEY_N=P0^7; //定義上、下、左、右等8個(gè)鍵

voidDelayX1ms(uintcount) //11.0592MHz時(shí)約為1ms{ uinti; ucharj; for(i=0;i<count;i++) for(j=0;j<110;j++);}voidint0()interrupt0 //外部中斷0服務(wù)程序{ DelayX1ms(20); //延時(shí)20ms，濾除按鍵抖動(dòng)

if(P3_2==0) { if(UP==0) INTM_MARK=0x01; elseif(DOWN==0)//利用I/O，確定被按下的鍵，并編號(hào)

INTM_MARK=0x02; elseif(LEFT==0) INTM_MARK=0x03; elseif(RIGHT==0) INTM_MARK=0x04; elseif(KEY_A==0) INTM_MARK=0x05; elseif(KEY_B==0)