第6章MC9S12系列中斷系統(tǒng)

《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》MC9S12XS單片機(jī)原理

及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)合肥工業(yè)大學(xué)張陽，吳曄，滕勤Email：yzhang0615@163.com，wuye@，tengqin7348@126.com

TEL13505612773第6章

MC9S12系列中斷系統(tǒng)MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

MC9S12系列中斷優(yōu)先級(jí)

MC9S12系列中斷程序應(yīng)用實(shí)例

前言 中斷是用以提高計(jì)算機(jī)工作效率的一種重要技術(shù)，最初它只是作為計(jì)算機(jī)與外設(shè)交換信息的一種同步控制方式而提出的，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是CPU速度的迅速提高，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部機(jī)制的要求也越來越高，希望計(jì)算機(jī)能隨時(shí)發(fā)現(xiàn)各種錯(cuò)誤，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)意想不到的事件時(shí)，能及時(shí)妥善處理。于是，中斷的概念得以延伸，除了傳統(tǒng)的外部事件（硬件）引起的中斷事件外，還有CPU內(nèi)部軟件中斷的概念。所謂中斷，是指CPU在正常執(zhí)行程序的過程中，由于內(nèi)部/外部事件或由程序的預(yù)先安排，引起了CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前程序的運(yùn)行，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行由內(nèi)部/外部事件或預(yù)先安排的時(shí)間而需要執(zhí)行的中斷服務(wù)子程序，在中斷服務(wù)子程序執(zhí)行完畢后，CPU再重新回來執(zhí)行當(dāng)前的程序。利用中斷可以大大提高CPU的工作效率。實(shí)現(xiàn)中斷功能的控制邏輯稱為中斷機(jī)構(gòu)或中斷系統(tǒng)。前言 盡管單片機(jī)或者微控制器中的中斷系統(tǒng)各不相同，但中斷系統(tǒng)的基本功能是相同的：能實(shí)現(xiàn)中斷響應(yīng)、中斷處理（服務(wù)）、中斷返回和中斷屏蔽；能實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)（管理）；能實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述 MC9S12系列MCU的中斷屬于異常情況處理的一部分，異常情況處理還包括復(fù)位，所以本章除論述MC9S12系列MCU的中斷系統(tǒng)，也簡(jiǎn)要介紹MC9S12系列MCU的幾種復(fù)位情況。正常情況下，MCU有序的執(zhí)行相應(yīng)程序，按照明確的獲取-解碼-執(zhí)行的方式順序處理各種指令。程序計(jì)數(shù)器記錄了下一條程序指令位于內(nèi)存中的位置，即使當(dāng)程序?yàn)榱讼鄳?yīng)分支或跳轉(zhuǎn)指令而偏離了正常的順序處理，但仍然是在順序事件處理的控制范圍之內(nèi)?？赡馨l(fā)生的異常情況會(huì)打破這種事件處理的順序流，將一個(gè)正常程序流的中斷歸為一個(gè)異常情況，異常情況不一定總是和錯(cuò)誤相關(guān)聯(lián)的，中斷是在一個(gè)MCU上實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的有效方法。通過上面的論述可以知道，MC9S12系列程序運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的異?？煞譃閮深悾簭?fù)位和中斷，而中斷又進(jìn)一步分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。MC9S12系列MCU的異常情況分類如圖6.1所示。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

6.1.1復(fù)位· S12系列單片機(jī)共有四種事件可以觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。 （1）外部復(fù)位

S12配備一個(gè)標(biāo)記為RESET的低電平有效復(fù)位引腳，當(dāng)該引腳電壓為低電平時(shí)，觸發(fā)復(fù)位。 （2）上電復(fù)位 在S12的VDD引腳上的一個(gè)正向變化將觸發(fā)上電復(fù)位，這意味著當(dāng)給S12上電時(shí)，它以一個(gè)已知的、確定的設(shè)置啟動(dòng)。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

6.1.1復(fù)位

（3）計(jì)算機(jī)工作正常（COP）復(fù)位

COP系統(tǒng)允許MCU檢測(cè)軟件運(yùn)行故障，通常COP在軟件開發(fā)設(shè)計(jì)過程中是關(guān)閉的。但是，當(dāng)基于MC9S12系列的系統(tǒng)完全運(yùn)行后，這是一項(xiàng)重要的安全保障功能之一。COP系統(tǒng)包含一個(gè)用戶設(shè)置的定時(shí)器，一旦定時(shí)器超時(shí)，則觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。為了防止定時(shí)器超時(shí)，執(zhí)行的程序必須在定時(shí)器超時(shí)之前，向ARMCOP寄存器中依次寫入$55和$AA。若某個(gè)程序陷入一個(gè)死循環(huán)，它將不能按照上述要求對(duì)ARMCOP寄存器進(jìn)行操作，因此將會(huì)產(chǎn)生COP復(fù)位。為了有效地實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，向ARMCOP寄存器中寫入$55的代碼應(yīng)該有策略的分布在程序的重要部分，寫入$AA的代碼則可以放在程序的其他部分。這樣，一旦MCU在某代碼處運(yùn)行失效，將不會(huì)產(chǎn)生需要的代碼序列（$55或$AA），這樣就會(huì)觸發(fā)COP復(fù)位?？梢栽诔绦蛟O(shè)計(jì)中設(shè)置多對(duì)$55和$AA，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤恢復(fù)功能。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

6.1.1復(fù)位

（4）時(shí)鐘監(jiān)控復(fù)位 當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率低于某個(gè)預(yù)設(shè)置值或停止工作時(shí)，將觸發(fā)時(shí)鐘監(jiān)控復(fù)位。 當(dāng)上述事件觸發(fā)復(fù)位時(shí)，S12單片機(jī)在程序計(jì)數(shù)器中放置一個(gè)復(fù)位向量，處理器執(zhí)行啟動(dòng)例程。COP復(fù)位和時(shí)鐘監(jiān)控復(fù)位具有各自的復(fù)位向量。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

6.1.2中斷 MC9S12系列MCU的中斷分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。MCU有一個(gè)條件代碼寄存器（CCR），如圖6.2所示，其中的X位和I位與中斷相關(guān)，X位是不可屏蔽中斷的屏蔽位，置為“1”則關(guān)閉不可屏蔽中斷，置為“0”則允許不可屏蔽中斷；I位是可屏蔽中斷的屏蔽位，置為“1”則關(guān)閉可屏蔽中斷，置為“0”則允許可屏蔽中斷。在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，CCR這些中斷屏蔽位默認(rèn)為“1”，所以MCU復(fù)位后，不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷都處于關(guān)閉狀態(tài)。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

6.1.2中斷 1．不可屏蔽中斷 不可屏蔽中斷包括軟件中斷、非法指令陷阱和XIRQ中斷，下面簡(jiǎn)要介紹常用的幾個(gè)不可屏蔽中斷。 （1）軟件中斷

SWI實(shí)質(zhì)上是一條指令，但其執(zhí)行過程與中斷相同，即通過中斷矢量確定目標(biāo)地址，中斷矢量為$FFF6～$FFF7，它自動(dòng)保存MCU的寄存器和返回地址，最后必須通過RTI指令返回。 （2）非法指令陷阱

MCU正常工作時(shí)，每次獲得的都是由匯編或編譯程序生成的有效操作碼，MCU能夠正確解釋并執(zhí)行它們，但當(dāng)受到干擾或系統(tǒng)出現(xiàn)混亂時(shí)，可能得到無法識(shí)別的操作碼，即非法指令，這時(shí)MCU自動(dòng)產(chǎn)生一次中斷，中斷矢量地址為$FFF8～$FFF9。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

6.1.2中斷 1．不可屏蔽中斷 （3）XIRQ XIRQ是非屏蔽中斷引腳，無論MCU處于哪種運(yùn)行狀態(tài)，該引腳一旦被拉成低電平，MCU執(zhí)行完當(dāng)前指令后，都會(huì)響應(yīng)該中斷，中斷矢量為$FFF4～$FFF5。該中斷一般用于系統(tǒng)掉電檢測(cè)、硬件故障等重要事件處理，當(dāng)MCU處于等待或暫停模式時(shí)，該中斷將喚醒MCU。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

6.1.2中斷 2．可屏蔽中斷 可屏蔽中斷可以在程序控制下由用戶開啟或者關(guān)閉?？善帘沃袛嗟拈_關(guān)是條件代碼寄存器（CCR）中的I位。通過清除I可以開啟可屏蔽中斷。S12系列單片機(jī)中的可屏蔽中斷數(shù)量非常多，這里僅對(duì)IRQ做簡(jiǎn)要介紹，其他的可屏蔽中斷可參見相關(guān)功能模塊的章節(jié)。

MC9S12系列MCU有一個(gè)標(biāo)記為IRQ引腳，當(dāng)該引腳出現(xiàn)低電平或者下降沿時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)，這也是MCU接受外部事件中斷的主要手段。IRQ控制寄存器（IRQCR）和IRQ的中斷設(shè)置相關(guān)，如圖6.3所示。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

6.1.2中斷

通過該寄存器中的IRQE位和IRQEN位對(duì)IRQ中斷進(jìn)行設(shè)置。 IRQE：中斷電平/邊沿有效選擇： 0表示IRQ引腳配置為低電平有效； 1表示IRQ引腳配置為下降沿有效。 IRQEN：外部IRQ中斷請(qǐng)求使能： 0表示IRQ中斷關(guān)閉； 1表示IRQ中斷允許。6.1MC9S12系列中斷系統(tǒng)概述

6.1.2中斷 3．中斷堆棧操作順序 因?yàn)橹袛囗憫?yīng)過程中，會(huì)有隱含的堆棧操作，所以中斷響應(yīng)前，堆棧必須有效，即堆棧指針SP必須指向一個(gè)有效的RAM區(qū)，而且堆棧的大小必須不少于9個(gè)字節(jié)。中斷響應(yīng)堆棧操作如表6-1所示。6.2MC9S12系列中斷優(yōu)先級(jí) MC9S12系列有多個(gè)中斷源，所以在同一時(shí)刻可能會(huì)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的中斷源同時(shí)請(qǐng)求中斷，這就要求必須根據(jù)任務(wù)的輕重緩急給每個(gè)中斷源分配不同的中斷優(yōu)先級(jí)。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上中斷源同時(shí)發(fā)生時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的中斷將先被處理。一般來說，不可屏蔽中斷的優(yōu)先級(jí)高于可屏蔽中斷的優(yōu)先級(jí)。復(fù)位以及不可屏蔽中斷的優(yōu)先級(jí)從高到低依次為：6.2MC9S12系列中斷優(yōu)先級(jí)6.2MC9S12系列中斷優(yōu)先級(jí)6.2MC9S12系列中斷優(yōu)先級(jí)6.2MC9S12系列中斷優(yōu)先級(jí) MC9S12系列默認(rèn)的中斷處理機(jī)制如圖6.4所示。從圖中可以看到，MC9S12系列默認(rèn)狀態(tài)下在進(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)，CCR中的I位自動(dòng)置1，所以禁止響應(yīng)其他可屏蔽中斷，盡管在處理中斷A的服務(wù)程序過程中又來了更高級(jí)別的中斷B的中斷請(qǐng)求，MCU也無法及時(shí)處理高優(yōu)先級(jí)B中斷，必須等待當(dāng)前A中斷服務(wù)程序執(zhí)行完以后才能響應(yīng)高優(yōu)先級(jí)B中斷6.2MC9S12系列中斷優(yōu)先級(jí)

如果希望在MC9S12系列中實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，一個(gè)比較簡(jiǎn)單的方法是進(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)，將CCR中的可屏蔽中斷屏蔽位I清零。這樣可以實(shí)現(xiàn)如圖6.5所示的中斷嵌套。6.2MC9S12系列中斷優(yōu)先級(jí)

從圖6.5中可以看到，這樣簡(jiǎn)單的CCR中的I位處理也可能會(huì)帶來問題，就是會(huì)出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求也可以掛起高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序。因?yàn)樵谑紫软憫?yīng)B中斷服務(wù)程序中已經(jīng)清除了可屏蔽中斷屏蔽位I，所以此時(shí)任何可屏蔽中斷請(qǐng)求都能夠得到響應(yīng)，這樣就出現(xiàn)了低優(yōu)先級(jí)的中斷A打斷高優(yōu)先級(jí)B中斷服務(wù)程序的情況。為了解決這個(gè)問題，可以只在A中斷服務(wù)程序中清除可屏蔽中斷屏蔽位I，而在B中斷服務(wù)程序中對(duì)CCR中的I位不做處理，這樣就可以得到如圖6.6所示的中斷處理機(jī)制，即只存在高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求打斷低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序的情況。6.3MC9S12系列中斷程序應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例硬件連接如圖6.7所示，PORTA端口與1個(gè)8位撥碼開關(guān)連接，PORTB端口與8只LED連接，IRQ引腳與一個(gè)按鍵連接，按鍵按下為低電平。要求編程實(shí)現(xiàn)IRQ作為中斷源，采用中斷方式，利用8位撥碼開關(guān)控制8只LED燈的循環(huán)點(diǎn)亮速度，撥碼開關(guān)的不同狀態(tài)設(shè)置了燈的循環(huán)點(diǎn)亮速度值。6.3MC9S12系列中斷程序應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例中關(guān)于流水燈的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)在第5章中介紹過，本章著重介紹中斷服務(wù)程序的編寫。中斷服務(wù)程序可以有兩種編寫方式：一種是利用中斷編號(hào)關(guān)聯(lián)中斷服務(wù)程序；另一種是通過在.prm文件中的聲明關(guān)聯(lián)中斷服務(wù)程序。首先介紹利用中斷編號(hào)編寫中斷服務(wù)程序。從表6.2中可以看到，中斷向量表依次自上而下從0開始編號(hào)，中斷在表格中是第7個(gè)，所以編號(hào)為“6”。另外一種比較方便確定編號(hào)的方法是，可以打開工程中“Includes”文件夾下的“MC9S12XS128.h”文件，頭文件的開始處對(duì)所有中斷向量地址和中斷標(biāo)號(hào)都做了宏定義，中斷的中斷向量入口地址的宏定義語句為“#defineVirq0xFFF2U”，中斷的中斷標(biāo)號(hào)的宏定義語句為“#defineVectorNumber_Virq6U”，所以也可以用“VectorNumber_Virq”代替前文中提到的編號(hào)“6”。下面是部分實(shí)例程序代碼。6.3MC9S12系列中斷程序應(yīng)用實(shí)例