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第十五課:51單片機的中斷系統(tǒng)
第十五課:51單片機的中斷系統(tǒng)
 更新時間:2008-7-26 19:53:07  點擊數(shù):4
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有了中斷請求,如何通知CPU?
通過中斷請求標(biāo)志位來通知CPU。

研究一下生活中的中斷,對于我們學(xué)習(xí)單片機的中斷也很有好處。

    第一、什么可以引起中斷,生活中很多事件可以引起中斷:有人按了門鈴了,電話鈴響了,你的鬧鐘鬧響了,你燒的水開了….等等諸如此類的事件,我們把可以引起中斷的稱之為中斷源,單片機中也有一些可以引起中斷的事件,8031中一共有5個:兩個外部中斷,兩個計數(shù)/定時器中斷,一個串行口中斷。

    第二、中斷的嵌套與優(yōu)先級處理:設(shè)想一下,我們正在看書,電話鈴響了,同時又有人按了門鈴,你該先做那樣呢?如果你正是在等一個很重要的電話,你一般不會去理會門鈴的,而反之,你正在等一個重要的客人,則可能就不會去理會電話了。如果不是這兩者(即不等電話,也不是等人上門),你可能會按你通常的習(xí)慣去處理?傊@里存在一個優(yōu)先級的問題,單片機中也是如此,也有優(yōu)先級的問題。優(yōu)先級的問題不僅僅發(fā)生在兩個中斷同時產(chǎn)生的情況,也發(fā)生在一個中斷已產(chǎn)生,又有一個中斷產(chǎn)生的情況,比如你正接電話,有人按門鈴的情況,或你正開門與人交談,又有電話響了情況?紤]一下我們會怎么辦吧。

    第三、中斷的響應(yīng)過程:當(dāng)有事件產(chǎn)生,進入中斷之前我們必須先記住現(xiàn)在看書的第幾頁了,或拿一個書簽放在當(dāng)前頁的位置,然后去處理不同的事情(因為處理完了,我們還要回來繼續(xù)看書):電話鈴響我們要到放電話的地方去,門鈴響我們要到門那邊去,也說是不同的中斷,我們要在不同的地點處理,而這個地點通常還是固定的。計算機中也是采用的這種方法,五個中斷源,每個中斷產(chǎn)生后都到一個固定的地方去找處理這個中斷的程序,當(dāng)然在去之前首先要保存下面將執(zhí)行的指令的地址,以便處理完中斷后回到原來的地方繼續(xù)往下執(zhí)行程序。具體地說,中斷響應(yīng)可以分為以下幾個步驟:

1、保護斷點,即保存下一將要執(zhí)行的指令的地址,就是把這個地址送入堆棧。

2、尋找中斷入口,根據(jù)5個不同的中斷源所產(chǎn)生的中斷,查找5個不同的入口地址。以上工作是由計算機自動完成的,與編程者無關(guān)。在這5個入口地址處存放有中斷處理程序(這是程序編寫時放在那兒的,如果沒把中斷程序放在那兒,就錯了,中斷程序就不能被執(zhí)行到)。

3、執(zhí)行中斷處理程序。

4、中斷返回:執(zhí)行完中斷指令后,就從中斷處返回到主程序,繼續(xù)執(zhí)行。

究竟單片機是怎么樣找到中斷程序所在位置,又怎么返回的呢?我們稍后再談。

MCS-51中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu):

    8031單片機的中斷系統(tǒng)簡單實用,其基本特點是:有5個固定的可屏蔽中斷源,3個在片內(nèi),2個在片外,它們在程序存儲器中各有固定的中斷入口地址,由此進入中斷服務(wù)程序;5個中斷源有兩級中斷優(yōu)先級,可形成中斷嵌套;2個特殊功能寄存器用于中斷控制和條件設(shè)置的 編程。

    中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu):
5個中斷源的符號、名稱及產(chǎn)生的條件如下。

INT0:外部中斷0,由P3.2端口線引入,低電平或下跳沿引起。
INT1:外部中斷1,由P3.3端口線引入,低電平或下跳沿引起。
T0:定時器/計數(shù)器0中斷,由T0計滿回零引起。
T1:定時器/計數(shù)器l中斷,由T1計滿回零引起。
TI/RI:串行I/O中斷,串行端口完成一幀字符發(fā)送/接收后引起。

整個中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見下圖一所示。

    由圖一可見,外部中斷有下跳沿引起和低電平引起的選擇;串行中斷有發(fā)送(TI)相接收(R1)的區(qū)別;各個中斷源打開與否,受中斷自身的允許位和全局允許位的控制,并具有高優(yōu)先級和低優(yōu)先級的選擇。

中斷請求源:

(1)外部中斷請求源:即外中斷0和1,經(jīng)由外部引腳引入的,在單片機上有兩個引腳,名稱為INT0、INT1,也就是P3.2、P3.3這兩個引腳。在內(nèi)部的TCON中有四位是與外中斷有關(guān)的。

IT0:INT0觸發(fā)方式控制位,可由軟件進和置位和復(fù)位,IT0=0,INT0為低電平觸發(fā)方式,IT0=1,INT0為負跳變觸發(fā)方式。這兩種方式的差異將在以后再談。

IE0:INT0中斷請求標(biāo)志位。當(dāng)有外部的中斷請求時,這位就會置1(這由硬件來完成),在CPU響應(yīng)中斷后,由硬件將IE0清0。

IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。

2)內(nèi)部中斷請求源

TF0:定時器T0的溢出中斷標(biāo)記,當(dāng)T0計數(shù)產(chǎn)生溢出時,由硬件置位TF0。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后,再由硬件將TF0清0。

TF1:與TF0類似。

TI、RI:串行口發(fā)送、接收中斷,在串口中再講解。

中斷系統(tǒng)的控制寄存器:

中斷允許寄存器IE

中斷屏蔽
    在中斷源與CPU之間有一級控制,類似開關(guān),其中第一級為一個總開關(guān),第二級為五個分開關(guān),由IE控制。
在MCS-51中斷系統(tǒng)中,中斷的允許或禁止是由片內(nèi)可進行位尋址的8位中斷允許寄存器IE來控制的。見下表

其中EA是總開關(guān),如果它等于0,則所有中斷都不允許。

ES-串行口中斷允許

ET1-定時器1中斷允許

EX1-外中斷1中斷允許。

ET0-定時器0中斷允許

EX0-外中斷0中斷允許。

如果我們要設(shè)置允許外中斷1,定時器1中斷允許,其它不允許,則IE可以是

8CH,當(dāng)然,我們也可以用位操作指令

SETB    EA
SETB    ET1

SETB    EX1

來實現(xiàn)它。

中斷優(yōu)先級寄存器IP

中斷優(yōu)先原則:(概括為四句話)

1、低級不打斷高級
2、高級不睬低級
3、同級不能打斷
4、同級、同時中斷,事先約定。

為什么要有中斷優(yōu)先級?
    CPU同一時間只能響應(yīng)一個中斷請求。若同時來了兩個或兩個以上中斷請求,就必須有先有后。為此將5個中斷源分成高級、低級兩個級別,高級優(yōu)先,由IP控制。
MCS-中斷優(yōu)先級中由中斷優(yōu)先級寄存器IP來高置的,IP中某位設(shè)為1,相應(yīng)的中斷就是高優(yōu)先級,否則就是低優(yōu)先級。

IP優(yōu)先級別寄存器各位介紹如下:

PS:串行口中斷優(yōu)先級控制位。PS=1設(shè)定串行口為高優(yōu)先級中斷;PS=0為低優(yōu)先級中斷。

PT1:T1中斷優(yōu)先級控制位。PT1=1設(shè)定定時器T1為高優(yōu)先級中斷;PT1=0為低優(yōu)先級中斷。

PX1:外部中斷1優(yōu)先級控制位。PX1=1設(shè)定定時器外部中斷1為高優(yōu)先級中斷;PX1=0為低優(yōu)先級中斷。

PT0:T0中斷優(yōu)先級控制位。PT0=1設(shè)定定時器T0為高優(yōu)先級中斷;PT0=0為低優(yōu)先級中斷。

PX0:外部中斷0優(yōu)先級控制位。PX0=1設(shè)定定時器外部中斷0為高優(yōu)先級中斷;PX0=0為低優(yōu)先級中斷。

例:設(shè)有如下要求,將T0、外中斷1設(shè)為高優(yōu)先級,其它為低優(yōu)先級,求IP的值。

IP的首3位沒用,可任意取值,設(shè)為000,后面根據(jù)要求寫就可以了 

因此,最終,IP的值就是06H。

例:在上例中,如果5個中斷請求同時發(fā)生,求中斷響應(yīng)的次序。

響應(yīng)次序為:定時器0->外中斷1->外中斷0->實時器1->串行中斷。

五個中斷源的自然優(yōu)先級與中斷服務(wù)入口地址

外中斷0:0003H

定時器0:000BH

外中斷1:0013H

定時器1:001BH

串口 :0023H

它們的自然優(yōu)先級由高到低排列。寫到這里,大家應(yīng)當(dāng)明白,為什么前面有一些程序一始我們這樣寫:

ORG  0000H

LJMP START

ORG  0030H

START:

    這樣寫的目的,就是為了讓出中斷源所占用的向量地址。當(dāng)然,在程序中沒用中斷時,直接從0000H開始寫程序,在原理上并沒有錯,但在實際工作中最好不這樣做。

優(yōu)先級:單片機采用了自然優(yōu)先級和人工設(shè)置高、低優(yōu)先級的策略,即可以由程序員設(shè)定那些中斷是高優(yōu)先級、哪些中斷是低優(yōu)先級,由于只有兩級,必有一些中斷處于同一級別,處于同一級別的,就由自然優(yōu)先級確定。

開機時,每個中斷都處于低優(yōu)先級,我們可以用指令對優(yōu)先級進行設(shè)置。

MCS-51的中斷響應(yīng)過程:

中斷響應(yīng)的條件:
    講到這兒,我們依然對于計算機響應(yīng)中斷感到神奇,我們?nèi)丝梢皂憫?yīng)外界的事件,是因為我們有多種“傳感器“――眼、耳可以接受不同的信息,計算機是如何做到這點的呢?其實說穿了,一點都不希奇,MCS51工作時,在每個機器周期中都會去查詢一下各個中斷標(biāo)記,看他們是否是“1“,如果是1,就說明有中斷請求了,所以所謂中斷,其實也是查詢,不過是每個周期都查一下而已。這要換成人來說,就相當(dāng)于你在看書的時候,每一秒鐘都會抬起頭來看一看,查問一下,是不是有人按門鈴,是否有電話。。。。很蠢,不是嗎?可計算機本來就是這樣,它根本沒人聰明。

    了解了上述中斷的過程,就不難解中斷響應(yīng)的條件了。在下列三種情況之一時,CPU將封鎖對中斷的響應(yīng):

1、CPU正在處理一個同級或更高級別的中斷請求。

2、現(xiàn)行的機器周期不是當(dāng)前正執(zhí)行指令的最后一個周期。我們知道,單片機有單周期、雙周期、三周期指令,當(dāng)前執(zhí)行指令是單字節(jié)沒有關(guān)系,如果是雙字節(jié)或四字節(jié)的,就要等整條指令都執(zhí)行完了,才能響應(yīng)中斷(因為中斷查詢是在每個機器周期都可能查到的)。

3、當(dāng)前正執(zhí)行的指令是返回批令(RETI)或訪問IP、IE寄存器的指令,則CPU至少再執(zhí)行一條指令才應(yīng)中斷。這些都是與中斷有關(guān)的,如果正訪問IP、IE則可能會開、關(guān)中斷或改變中斷的優(yōu)先級,而中斷返回指令則說明本次中斷還沒有處理完,所以都要等本指令處理結(jié)束,再執(zhí)行一條指令才可以響應(yīng)中斷。

中斷響應(yīng)過程

CPU每個機器周期都需要順序檢查每個中斷源,當(dāng)檢測到有中斷請求時,能否響應(yīng),還要看下述情況是否存在:
(1)CPU正處理相同級別或更高級別的中斷;
(2)正在執(zhí)行指令,還未到最后一個機器周期;
(3)正在執(zhí)行的指令是RETI或訪問IP、IE指令,則執(zhí)行完上述指令后,再執(zhí)行一條指令后,才會響應(yīng)新中斷。

響應(yīng)過程:(假設(shè)已使某中斷請求標(biāo)志置1)

(1)先使相應(yīng)優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器置1;
(2)執(zhí)行一個硬件子程序的調(diào)用,
1)硬件清零相應(yīng)中斷請求標(biāo)志(TI、RI除外)
2)將當(dāng)前PC內(nèi)容壓入堆!Wo斷點;
3)將中斷服務(wù)子程序入口地址送PC——轉(zhuǎn)移。

返回過程:(RETI執(zhí)行后)

(1)使相應(yīng)優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器清0。
(2)從堆棧中彈出棧頂?shù)膬蓚字節(jié)內(nèi)容送PC——恢復(fù)斷點。
(3)CPU接著中斷處繼續(xù)執(zhí)行原程序。

注意:

1)保護斷點與保護現(xiàn)場以及恢復(fù)斷點與恢復(fù)現(xiàn)場的區(qū)別。
2)外部中斷響應(yīng)時間在3 ~ 8個機器周期之間。

利用外部中斷實現(xiàn)單步操作。

    CPU響應(yīng)中斷時,首先把當(dāng)前指令的下一條指令(就是中斷返回后將要執(zhí)行的指令)的地址送入堆棧,然后根據(jù)中斷標(biāo)記,將相應(yīng)的中斷入口地址送入PC,PC是程序指針,CPU取指令就根據(jù)PC中的值,PC中是什么值,就會到什么地方去取指令,所以程序就會轉(zhuǎn)到中斷入口處繼續(xù)執(zhí)行。這些工作都是由硬件來完成的,不必我們?nèi)タ紤]。這里還有個問題,大家是否注意到,每個中斷向量地址只間隔了8個單元,如0003-000B,在如此少的空間中如何完成中斷程序呢?很簡單,你在中斷處安排一個LJMP指令,不就可以把中斷程序跳轉(zhuǎn)到任何地方了嗎?

一個完整的主程序看起來應(yīng)該是這樣的:

ORG 0000H

LJMP    START

ORG 0003H

LJMP    INT0    ;轉(zhuǎn)外中斷0

ORG 000BH

RETI    ;沒有用定時器0中斷,在此放一條RETI,萬一 “不小心“產(chǎn)生了中斷,也不會有太大的后果。

    中斷程序完成后,一定要執(zhí)行一條RETI指令,執(zhí)行這條指令后,CPU將會把堆棧中保存著的地址取出,送回PC,那么程序就會從主程序的中斷處繼續(xù)往下執(zhí)行了。注意:CPU所做的保護工作是很有限的,只保護了一個地址,而其它的所有東西都不保護,所以如果你在主程序中用到了如A、PSW等,在中斷程序中又要用它們,還要保證回到主程序后這里面的數(shù)據(jù)還是沒執(zhí)行中斷以前的數(shù)據(jù),就得自己保護起來

有關(guān)中斷的概念

仔細研什么叫中斷?
    舉例:同學(xué)正在教室寫作業(yè),忽然被人叫出去,回來后,繼續(xù)寫作業(yè)這就是生活中的“中斷”的現(xiàn)象,就是正常的工作過程被外部的事件打斷了。
引入計算機中斷的概念。
中斷的作用:
    處理斷電保存,解決快速CPU與慢速外設(shè)之間的矛盾等。
對MCS-51單片機的中斷系統(tǒng)用一句話講叫:“五源中斷,兩級管理”
    中斷請求源(五源中斷)

五個中斷源:
外部中斷0(/INT0)
T0溢出中斷
外部中斷1(/INT1)
T1溢出中斷
串口中斷

入口地址
0003H
000BH
0013H
001BH
0023H

EA

-

-

ES

ET1

EX1

ET0

EX0

EA

-

-

ES

ET1

EX1

ET0

EX0

1

0

0

0

1

1

0

0

-

-

-

PS

PT1

PX1

PT0

PX0

-

-

-

PS

PT1

PX1

PT0

PX0

0

0

0

0

0

1

1

0

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