2020年01月16日 | 单片机成长之路（51基础篇） - 010 51单片机的中断系统

一.　有关中断的概念

1.　仔细研什么叫中断？
　　举例：同学正在教室写作业，忽然被人叫出去，回来后，继续写作业这就是生活中的“中断”的现象，就是正常的工作过程被外部的事件打断了。

二.　引入计算机中断的概念。
　　中断的作用：

　　　　处理断电保存，解决快速CPU与慢速外设之间的矛盾等。对MCS-51单片机的中断系统用一句话讲叫：“五源中断，两级管理”中断请求源（五源中断）

　　五个中断源：

外部中断0（/INT0）    　　0003H

T0溢出中断           　　000BH

外部中断1（/INT1）    　　0013H

T1溢出中断           　　001BH

串口中断 入口地址　　　　　0023H 

　　有了中断请求，如何通知CPU？

　　通过中断请求标志位来通知CPU。

研究一下生活中的中断，对于我们学习单片机的中断也很有好处。

　　第一、什么可以引起中断，生活中很多事件可以引起中断：有人按了门铃了，电话铃响了，你的闹钟闹响了，你烧的水开了….等等诸如此类的事件，我们把可以引起中断的称之为中断源，单片机中也有一些可以引起中断的事件，8031中一共有5个：两个外部中断，两个计数/定时器中断，一个串行口中断。

　　第二、中断的嵌套与优先级处理：设想一下，我们正在看书，电话铃响了，同时又有人按了门铃，你该先做那样呢？如果你正是在等一个很重要的电话，你一般不会去理会门铃的，而反之，你正在等一个重要的客人，则可能就不会去理会电话了。如果不是这两者（即不等电话，也不是等人上门），你可能会按你通常的习惯去处理。总之这里存在一个优先级的问题，单片机中也是如此，也有优先级的问题。优先级的问题不仅仅发生在两个中断同时产生的情况，也发生在一个中断已产生，又有一个中断产生的情况，比如你正接电话，有人按门铃的情况，或你正开门与人交谈，又有电话响了情况。考虑一下我们会怎么办吧。

　　第三、中断的响应过程：当有事件产生，进入中断之前我们必须先记住现在看书的第几页了，或拿一个书签放在当前页的位置，然后去处理不同的事情（因为处理完了，我们还要回来继续看书）：电话铃响我们要到放电话的地方去，门铃响我们要到门那边去，也说是不同的中断，我们要在不同的地点处理，而这个地点通常还是固定的。计算机中也是采用的这种方法，五个中断源，每个中断产生后都到一个固定的地方去找处理这个中断的程序，当然在去之前首先要保存下面将执行的指令的地址，以便处理完中断后回到原来的地方继续往下执行程序。具体地说，中断响应可以分为以下几个步骤：

1、保护断点，即保存下一将要执行的指令的地址，就是把这个地址送入堆栈。

2、寻找中断入口，根据5个不同的中断源所产生的中断，查找5个不同的入口地址。以上工作是由计算机自动完成的，与编程者无关。在这5个入口地址处存放有中断处理程序（这是程序编写时放在那儿的，如果没把中断程序放在那儿，就错了，中断程序就不能被执行到）。

3、执行中断处理程序。

4、中断返回：执行完中断指令后，就从中断处返回到主程序，继续执行。

　　究竟单片机是怎么样找到中断程序所在位置，又怎么返回的呢？我们稍后再谈。

MCS-51中断系统的结构：

　　8031单片机的中断系统简单实用，其基本特点是：有5个固定的可屏蔽中断源，3个在片内，2个在片外，它们在程序存储器中各有固定的中断入口地址，由此进入中断服务程序；5个中断源有两级中断优先级，可形成中断嵌套；2个特殊功能寄存器用于中断控制和条件设置的 编程。

中断系统的结构：
　　5个中断源的符号、名称及产生的条件如下。

INT0：外部中断0，由P3．2端口线引入，低电平或下跳沿引起。

INT1：外部中断1，由P3．3端口线引入，低电平或下跳沿引起。

T0：定时器／计数器0中断，由T0计满回零引起。

T1：定时器／计数器l中断，由T1计满回零引起。

TI／RI：串行I／O中断，串行端口完成一帧字符发送／接收后引起。

　　整个中断系统的结构框图见下图一所示。

    由图一可见，外部中断有下跳沿引起和低电平引起的选择；串行中断有发送(TI)相接收(R1)的区别；各个中断源打开与否，受中断自身的允许位和全局允许位的控制，并具有高优先级和低优先级的选择。

中断请求源：

　　（1）外部中断请求源：即外中断0和1，经由外部引脚引入的，在单片机上有两个引脚，名称为INT0、INT1，也就是P3.2、P3.3这两个引脚。在内部的TCON中有四位是与外中断有关的。

    IT0：INT0触发方式控制位，可由软件进和置位和复位，IT0=0，INT0为低电平触发方式，IT0=1，INT0为负跳变触发方式。这两种方式的差异将在以后再谈。

    IE0：INT0中断请求标志位。当有外部的中断请求时，这位就会置1（这由硬件来完成），在CPU响应中断后，由硬件将IE0清0。

    IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。

　　（2）内部中断请求源

    TF0：定时器T0的溢出中断标记，当T0计数产生溢出时，由硬件置位TF0。当CPU响应中断后，再由硬件将TF0清0。

    TF1：定时器T1的溢出中断标记，当T1计数产生溢出时，由硬件置位TF1。当CPU响应中断后，再由硬件将TF1清0。

    TI、RI：串行口发送、接收中断，在串口中再讲解。

中断系统的控制寄存器：

中断允许寄存器IE：在中断源与CPU之间有一级控制，类似开关，其中第一级为一个总开关，第二级为五个分开关，由IE控制。

中断屏蔽：在MCS－51中断系统中，中断的允许或禁止是由片内可进行位寻址的8位中断允许寄存器IE来控制的。见下表

　　其中EA是总开关，如果它等于0，则所有中断都不允许。

ES－串行口中断允许

ET1－定时器1中断允许

EX1－外中断1中断允许。

ET0－定时器0中断允许

EX0－外中断0中断允许。

如果我们要设置允许外中断1，定时器1中断允许，其它不允许，则IE可以是即：8CH，当然，我们也可以用位操作指令来实现它。

SETB EA

SETB ET1

SETB EX1

单片机中断指令：

 1 SETB EA ; 允许单片机总断

 2 CLR EA ; 禁止单片机总断

 3 SETB ES ; 允许串口断

 4 CLR ES ; 禁止串口断

 5 SETB ET1 ; 允许T1溢出断

 6 CLR ET1 ; 禁止T1溢出断

 7 SETB EX1 ; 允许外部断1

 8 CLR EX1 ; 禁止外部断1

 9 SETB ET0 ; 允许T0溢出断

10 CLR ET0 ; 禁止T0溢出断

11 SETB EX0 ; 允许外部断0

12 CLR EX0 ; 禁止外部断0

中断优先级寄存器IP

　　中断优先原则：（概括为四句话）

1 低级不打断高级

2 高级不睬低级

3 同级不能打断

4 同级、同时中断，事先约定。

CPU同一时间只能响应一个中断请求。若同时来了两个或两个以上中断请求，就必须有先有后。为此将5个中断源分成高级、低级两个级别，高级优先，由IP控制。
在MCS－中断优先级中由中断优先级寄存器IP来高置的，IP中某位设为1，相应的中断就是高优先级，否则就是低优先级。

IP优先级别寄存器各位介绍如下：

1 PS：串行口中断优先级控制位。PS=1设定串行口为高优先级中断；PS=0为低优先级中断。

2 PT1：T1中断优先级控制位。PT1=1设定定时器T1为高优先级中断；PT1=0为低优先级中断。

3 PX1：外部中断1优先级控制位。PX1=1设定定时器外部中断1为高优先级中断；PX1=0为低优先级中断。

4 PT0：T0中断优先级控制位。PT0=1设定定时器T0为高优先级中断；PT0=0为低优先级中断。

5 PX0：外部中断0优先级控制位。PX0=1设定定时器外部中断0为高优先级中断；PX0=0为低优先级中断。

例：设有如下要求，将T0、外中断1设为高优先级，其它为低优先级，求IP的值。

IP的首3位没用，可任意取值，设为000，后面根据要求写就可以了  

因此，最终，IP的值就是06H。

例：在上例中，如果5个中断请求同时发生，求中断响应的次序。

响应次序为：定时器0－＞外中断1－＞外中断0－＞定时器1－＞串行中断。

五个中断源的自然优先级与中断服务入口地址

外中断0：0003H

定时器0：000BH

外中断1：0013H

定时器1：001BH

串口 ：0023H

它们的自然优先级由高到低排列。写到这里，大家应当明白，为什么前面有一些程序一始我们这样写：

orG 0000H

LJMP START

orG 0030H

START：

　　这样写的目的，就是为了让出中断源所占用的向量地址。当然，在程序中没用中断时，直接从0000H开始写程序，在原理上并没有错，但在实际工作中最好不这样做。

　　优先级：单片机采用了自然优先级和人工设置高、低优先级的策略，即可以由程序员设定那些中断是高优先级、哪些中断是低优先级，由于只有两级，必有一些中断处于同一级别，处于同一级别的，就由自然优先级确定。

MCS－51的中断响应过程：

中断响应的条件：
　　讲到这儿，我们依然对于计算机响应中断感到神奇，我们人可以响应外界的事件，是因为我们有多种“传感器“――眼、耳可以接受不同的信息，计算机是如何做到这点的呢？其实说穿了，一点都不希奇，MCS51工作时，在每个机器周期中都会去查询一下各个中断标记，看他们是否是“1“，如果是1，就说明有中断请求了，所以所谓中断，其实也是查询，不过是每个周期都查一下而已。这要换成人来说，就相当于你在看书的时候，每一秒钟都会抬起头来看一看，查问一下，是不是有人按门铃，是否有电话。。。。很蠢，不是吗？可计算机本来就是这样，它根本没人聪明。

　　了解了上述中断的过程，就不难解中断响应的条件了。在下列三种情况之一时，CPU将封锁对中断的响应：

　　1、CPU正在处理一个同级或更高级别的中断请求。

　　2、现行的机器周期不是当前正执行指令的最后一个周期。我们知道，单片机有单周期、双周期、三周期指令，当前执行指令是单字节没有关系，如果是双字节或四字节的，就要等整条指令都执行完了，才能响应中断（因为中断查询是在每个机器周期都可能查到的）。

　　3、当前正执行的指令是返回批令（RETI）或访问IP、IE寄存器的指令，则CPU至少再执行一条指令才应中断。这些都是与中断有关的，如果正访问IP、IE则可能会开、关中断或改变中断的优先级，而中断返回指令则说明本次中断还没有处理完，所以都要等本指令处理结束，再执行一条指令才可以响应中断。

中断响应过程

CPU每个机器周期都需要顺序检查每个中断源，当检测到有中断请求时，能否响应，还要看下述情况是否存在：
　　（1）CPU正处理相同级别或更高级别的中断；
　　（2）正在执行指令，还未到最后一个机器周期；

　　（3）正在执行的指令是RETI或访问IP、IE指令，则执行完上述指令后，再执行一条指令后，才会响应新中断。CPU响应中断时，首先把当前指令的下一条指令（就是中断返回后将要执行的指令）的地址送入堆栈，然后根据中断标记，将相应的中断入口地址送入PC，PC是程序指针，CPU取指令就根据PC中的值，PC中是什么值，就会到什么地方去取指令，所以程序就会转到中断入口处继续执行。这些工作都是由硬件来完成的，不必我们去考虑。这里还有个问题，大家是否注意到，每个中断向量地址只间隔了8个单元，如0003－000B，在如此少的空间中如何完成中断程序呢？很简单，你在中断处安排一个LJMP指令，不就可以把中断程序跳转到任何地方了吗？

响应过程：（假设已使某中断请求标志置1）
　　（1）先使相应优先级状态触发器置1；
　　（2）执行一个硬件子程序的调用，
　　　　1）硬件清零相应中断请求标志（TI、RI除外）
　　　　2）将当前PC内容压入堆栈——保护断点；
　　　　3）将中断服务子程序入口地址送PC——转移。

返回过程：（RETI执行后）
　　（1）使相应优先级状态触发器清0。
　　（2）从堆栈中弹出栈顶的两个字节内容送PC——恢复断点。
　　（3）CPU接着中断处继续执行原程序。

注意：
1）保护断点与保护现场以及恢复断点与恢复现场的区别。
2）外部中断响应时间在3 ~ 8个机器周期之间。
利用外部中断实现单步操作。

一个完整的主程序看起来应该是这样的：

orG 0000H

LJMP    START

orG 0003H

LJMP    INT0    ；转外中断0

orG 000BH

RETI    ；没有用定时器0中断，在此放一条RETI，万一 “不小心“产生了中断，也不会有太大的后果。

　　中断程序完成后，一定要执行一条RETI指令，执行这条指令后，CPU将会把堆栈中保存着的地址取出，送回PC，那么程序就会从主程序的中断处继续往下执行了。注意：CPU所做的保护工作是很有限的，只保护了一个地址，而其它的所有东西都不保护，所以如果你在主程序中用到了如A、PSW等，在中断程序中又要用它们，还要保证回到主程序后这里面的数据还是没执行中断以前的数据，就得自己保护起来。

开机时，每个中断都处于低优先级，我们可以用指令对优先级进行设置。