第6章 中断系统

第6章AT89S51单片机的中断系统16.1AT89S51中断技术概述中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并快速响应与及时处理。当中断请求源发出中断请求时，如中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求，处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。图6-1显示单片机对外设中断服务请求整个中断响应和处理过程。图6-1中断响应和处理过程6.2AT89S51中断系统结构中断系统结构见图6-2。中断系统有5个中断请求源（简称中断源），2个中断优先级，可实现2级中断服务程序嵌套。每一中断源可用软件独立控制为允许中断或关闭中断状态；每一个中断源的优先级均可用软件设置。图6-2AT89S51的中断系统结构6.2.1中断请求源由图6-2，中断系统共有5个中断请求源，它们是：（1）INT0*—外部中断请求0，外部中断请求信号（低电平或负跳变有效）由INT0*引脚输入，中断请求标志为IE0。（2）INT1*—外部中断请求1，外部中断请求信号（低电平或负跳变有效）由INT1*引脚输入，中断请求标志为IE1。（3）定时器/计数器T0，计数溢出的中断请求，标志为TF0。（4）定时器/计数器T1，计数溢出的中断请求，标志为TF1。（5）串行口中断请求，标志为发送中断TI或接收中断RI。6.2.2中断请求标志寄存器5个中断请求源的中断请求标志分别由特殊功能寄存器TCON和SCON相应位锁存（见图6-2）。1．TCON寄存器为定时器/计数器的控制寄存器，字节地址为88H，可位寻址。既包括定时器/计数器T0、T1溢出中断请求标志位TF0和TF1，也包括两个外部中断请求的标志位IE1与IE0，还包括两个外部中断请求源的中断触发方式选择位。TCON格式见图6-3。图6-3特殊功能寄存器TCON的格式TCON寄存器中与中断系统有关各标志位功能如下：（1）TF1—定时器/计数器T1的溢出中断请求标志位。当启动T1计数后，T1从初值开始加1计数，当最高位产生溢出时，硬件置TF1为“1”，向CPU申请中断，响应TF1中断时，TF1标志硬件自动清“0”，TF1也可由软件清“0”。（2）TF0—定时器/计数器T0溢出中断请求标志位，与TF1类似。（3）IE1—外部中断请求1中断请求标志位。（4）IE0—外部中断请求0中断请求标志位，与IE1类似。（5）IT1—选择外中断请求1为跳沿触发还是电平触发方式。0--电平触发方式，加到INT0*脚上的外中断请求输入信号为低电平有效，并把IE1置“1”。转向中断服务程序时，则由硬件自动把IE1清“0”。1--跳沿触发方式，加到INT1*脚上的外中断请求输入信号从高到低的负跳变有效，并把IE1置“1”。转向中断服务程序时，则由硬件自动把IE1清“0”。（6）IT0—选择外中断请求0为跳沿触发方式还是电平触发方式，与IT1类似。TR1（D6位）、TR0（D4位）这2位与中断系统无关，仅与定时器/计数器T1和T0有关，将在第6章定时器/计数器中介绍。2．SCON寄存器串行口控制寄存器，字节地址为98H，可位寻址。SCON的低二位锁存串口的发送中断和接收中断的中断请求标志TI和RI，格式见图6-4。图6-4SCON中的中断请求标志位SCON标志位功能：（1）TI—串口发送中断请求标志位。CPU将1字节的数据写入串口的发送缓冲器SBUF时，就启动一帧串行数据的发送，每发送完一帧串行数据后，硬件使TI自动置“1”。CPU响应串口发送中断时，并不清除TI中断请求标志，TI标志必须在中断服务程序中用指令对其清“0”。（2）RI—串行口接收中断请求标志位。在串口接收完一个串行数据帧，硬件自动使RI中断请求标志置“1”。CPU在响应串口接收中断时，RI标志并不清“0”，须在中断服务程序中用指令对RI清“0”。6.3中断允许与中断优先级的控制实现中断允许控制和中断优先级控制分别由特殊功能寄存器区中的中断允许寄存器IE和中断优先级寄存器IP实现。下面介绍两个特殊功能寄存器。6.3.1中断允许寄存器IE各中断源开放或屏蔽，是由片内中断允许寄存器IE控制。IE字节地址为A8H，可进行位寻址，格式见图6-5。图6-5中断允许寄存器IE的格式IE对中断开放和关闭实现两级控制。两级控制就是有一个总的中断开关控制位EA（IE.7位），当EA=0，所有中断请求被屏蔽，CPU对任何中断请求都不接受；当EA=1时，CPU开中断，但5个中断源的中断请求是否允许，还要由IE中的低5位所对应的5个中断请求允许控制位的状态来决定（见图6-5）。IE中各位的功能如下：（1）EA—中断允许总开关控制位。EA=0，所有的中断请求被屏蔽。EA=1，所有的中断请求被开放。（2）ES—串行口中断允许位。ES=0，禁止串行口中断。ES=1，允许串行口中断。（3）ET1—定时器/计数器T1溢出中断允许位。ET1=0，禁止T1溢出中断。ET1=1，允许T1溢出中断。（4）EX1—外部中断1中断允许位。EX1=0，禁止外部中断1中断。EX1=1，允许外部中断1中断。（5）ET0—定时器/计数器T0的溢出中断允许位。ET0=0，禁止T0溢出中断。ET0=1，允许T0溢出中断。（6）EX0—外部中断0中断允许位。EX0=0，禁止外部中断0中断。EX0=1，允许外部中断0中断。AT89S51复位后，IE被清“0”，所有中断请求被禁止。IE中与各个中断源相应位可用指令置“1”或清“0”，即可允许或禁止各中断源的中断申请。若使某一个中断源被允许中断，除了IE相应位被置“1”外，还必须使EA位置“1”。6.3.2中断优先级寄存器IP中断请求源有两个中断优先级，每一个中断请求源可由软件设置为高优先级中断或低优先级中断，也可实现两级中断嵌套。所谓两级中断嵌套，就是AT89S51正在执行低优先级中断的服务程序时，可被高优先级中断请求所中断，待高优先级中断处理完毕后，再返回低优先级中断服务程序。两级中断嵌套见图6-6。图6-6两级中断嵌套过程各中断源的中断优先级关系，可归纳为下面两条基本规则：（1）低优先级可被高优先级中断，高优先级不能被低优先级中断。（2）任何一种中断（不管是高级还是低级）一旦得到响应，不会再被它的同级中断源所中断。如果某一中断源被设置为高优先级中断，在执行该中断源的中断服务程序时，则不能被任何其他的中断源的中断请求所中断。AT89S51片内有一个中断优先级寄存器IP，字节地址为B8H，可位寻址。只要用程序改变其内容，即可进行各中断源中断优先级设置，IP寄存器格式见图6-7。图6-7IP寄存器的格式中断优先级寄存器IP各位含义：（1）PS—串行口中断优先级控制位，1—高级；0—低级。（2）PT1—T1中断优先级控制位，1—高级；0—低级。（3）PX1—外部中断1中断优先级控制位，1—高级；0—低级。（4）PT0—T0中断优先级控制位，1—高级；0—低级。（5）PX0—外部中断0中断优先级控制位，1—高级；0—低级。中断优先级控制寄存器IP各位都可由程序置“1”和清“0”，用位操作指令或字节操作指令可更新IP的内容，改变各中断源的中断优先级。AT89S51复位后，各中断源均为低优先级中断。IP内容为00下面介绍AT89S51的中断优先级结构。中断系统有两个不可寻址的“优先级激活触发器”，其中一个指示某高优先级中断正在执行，所有后来中断均被阻止；另一个触发器指示某低优先级中断正在执行，所有同级中断都被阻止，但不阻断高优先级的中断请求。在同时收到几个同优先级的中断请求时，哪一个中断请求能优先得到响应，取决于内部查询顺序。这相当于在同一个优先级还存在另一辅助优先级结构，其查询顺序见表6-1。由表6-1，各中断源在同一优先级条件下，外部中断0中断优先权最高，串行口中断的优先权最低。6.4响应中断请求的条件一个中断源中断请求被响应，须满足以下必要条件：（1）总中断允许开关接通，即IE寄存器中的中断总允许位EA=1。（2）该中断源发出中断请求，即该中断源对应的中断请求标志为“1”。（3）该中断源的中断允许位=1，即该中断被允许。（4）无同级或更高级中断正在被服务。中断响应就是CPU对中断源提出的中断请求的接受，当查询到有效的中断请求时，满足上述条件时，紧接着就进行中断响应。中断响应过程首先由硬件自动生成一条长调用指令“LCALLaddr16”。即程序存储区中相应的中断入口地址。例如，对于外部中断1的响应，硬件自动生成的长调用指令为：LCALL0013H生成LCALL指令后，紧接着就由CPU执行该指令。首先将程序计数器PC内容压入堆栈以保护断点，再将中断入口地址装入PC，使程序转向响应中断请求的中断入口地址。各中断源服务程序入口地址是固定的，见表6-2。其中两个中断入口间只相隔8字节，一般情况下难以安放一个完整的中断服务程序。因此，通常总是在中断入口地址处放置一条无条件转移指令，使程序执行转向在其他地址存放的中断服务程序入口。中断响应是有条件的，并不是查询到的所有中断请求都能被立即响应，当遇到下列3种情况之一时，中断响应被封锁：（1）CPU正在处理同级或更高优先级的中断。因为当一个中断被响应时，要把对应的中断优先级状态触发器置“1”（该触发器指出CPU所处理的中断优先级别），从而封锁了低级中断请求和同级中断请求。（2）所查询的机器周期不是当前正在执行指令的最后一个机器周期。设定这个限制的目的是只有在当前指令执行完毕后，才能进行中断响应，以确保当前指令执行的完整性。（3）正在执行的指令是RETI或是访问IE或IP的指令。因为按中断系统的规定，在执行完这些指令后，需再执行完一条指令，才响应新的中断请求。如存在上述3种情况之一，CPU将丢弃中断查询结果，不能对中断进行响应。6.5外部中断的响应时间在使用外部中断时，有时需考虑从外部中断请求有效（外部中断请求标志置“1”）到转向中断入口地址所需要的响应时间。下面来讨论这个问题。外中断最短响应时间为3个机器周期。其中中断请求标志位查询占1个机器周期，而这个机器周期恰好处于指令的最后一个机器周期。在这个机器周期结束后，中断即被响应，CPU接着执行1条硬件子程序调用指令LCALL以转到相应的中断服务程序入口，这需要2个机器周期。外部中断响应最长时间为8个机器周期。这种情况发生在CPU进行中断标志查询时，刚好才开始执行RETI或访问IE或IP的指令，则需把当前指令执行完再继续执行一条指令后，才能响应中断。执行上述的RETI或访问IE或IP的指令，最长需要2个机器周期。而接着再执行1条指令，我们按最长的指令（乘法指令MUL和除法指令DIV）来算，也只有4个机器周期。再加上硬件子程序调用指令LCALL的执行，需要2个机器周期，所以，外部中断响应的最长时间为8个机器周期。如已在处理同级或更高级中断，外部中断请求响应时间取决于正在执行的中断服务程序的处理时间，此情况下，响应时间无法计算。这样，在单一中断系统，AT89S51对外部中断请求响应时间总是在3～8个机器周期之间。6.6外部中断的触发方式选择外部中断有两种触发方式：电平触发方式和跳沿触发方式。6.6.1电平触发方式若外中断定义为电平触发方式，外部中断申请触发器状态随着CPU在每个机器周期采样到的外部中断输入引脚电平变化而变化，这能提高CPU对外部中断请求的响应速度。当外部中断源被设定为电平触发方式时，在中断服务程序返回之前，外部中断请求输入必须无效（即外部中断请求输入已由低电平变为高电平），否则CPU返回主程序后会再次响应中断。所以电平触发适合于外部中断以低电平输入且中断服务程序能清除外部中断请求源（即外部中断输入电平又变为高电平）的情况。如何清除电平触发的外部中断请求源的电平信号，本章后将介绍。6.6.2跳沿触发方式外部中断若定义为跳沿触发方式，外部中断申请触发器能锁存外部中断输入线上的负跳变。即便是CPU暂时不能响应，中断请求标志也不会丢失。在这种方式下，如果相继连续两次采样，一个机器周期采样到