51单片机——中断系统结构
目录
1 什么是中断
2 中断的基本概念
2.1 中断源
2.2 中断的优先级别
3 中断的处理过程
4 中断系统的结构
4.1 中断系统的组成
4.2 中断系统的工作原理
5 中断源寄存器
5.1 定时器/计数器控制寄存器TCON
5.2 串行通信口控制寄存器SCON
6 中断允许寄存器IE
7 中断优先级控制寄存器IP
1 什么是中断
在生活中经常会遇到这样的情况:正在书房看书时,突然客厅的电话响了,人们往往会停止看书,转而去接电话,接完电话后又回书房接着看书。这种停止当前工作,转而去做其他工作,做完后又返回来做先前工作的现象称为中断。
单片机也有类似的中断现象,当单片机正在执行某程序时,如果突然出现意外情况,它就需要停止当前正在执行的程序,转而去执行处理意外情况的程序(又称中断子程序),执行处理完后又接着执行原来的程序。
2 中断的基本概念
2.1 中断源
要让单片机的CPU中断当前正在执行的程序转而去执行中断子程序,需要向CPU发出中断请求信号。让CPU产生中断的信号源称为中断源(又称中断请求源)。
8051单片机有5个中断源,分别是2个外部中断源、2个定时器/计数器中断源和1个串行通信口中断源。如果这些中断源向 CPU 发出中断请求信号,CPU 就会产生中断,停止执行当前的程序,转而去执行相应的中断子程序(又称中断服务程序),执行完后又返回来执行原来的程序。
2.2 中断的优先级别
单片机的CPU在工作时,如果一个中断源向它发出中断请求信号,它就会产生中断,如果同时有两个或两个以上的中断源同时发出中断请求信号,CPU会怎么办呢?CPU会先响应优先级别高的中断源的请求,然后再响应优先级别低的中断源的请求。8051单片机5个中断源的优先级别顺序见表1。
表1 5个中断源的优先级别顺序及中断入口地址
3 中断的处理过程
在前而的例子中,当正在看书时,电话铃响了,这里的电话就是中断源,它发出的铃声就是中断请求信号。在处理这个中断时,可采取这样的做法:记住书中刚看完的页码(记住某行可能比较困难),然后再去客厅接电话,接完电话后,返回到书房阅读已看完页码的下一页内容。单片机处理中断的过程与上述情况类似,具体过程如下:
① 响应中断请求。当CPU正在执行主程序时,如果接收到中断源发出的中断请求信号,就会响应中断请求,停止主程序,准备执行相应的中断子程序。
② 保护断点。为了在执行完中断子程序后能返回主程序,在准备执行中断子程序前,CPU会将主程序中已执行的最后一条指令的下一条指令的地址(又称断点地址)保存到RAM的堆栈中。
③ 寻找中断入口地址。保护好断点后,CPU开始寻找中断入口地址(又称矢量地址),中断入口地址存放着相应的中断子程序,不同的中断源对应着不同的中断入口地址。8051单片机5个中断源对应的中断入口地址,见表7-1。
④ 执行中断子程序。CPU 寻找到中断入口地址后,就开始执行中断入口地址处的中断子程序。由于几个中断入口地址之间只有8个单元空间(见表7-1,如0003H~000BH相隔8个单元),较小的中断子程序(程序只有一两条指令)可以写在这里,较大的中断子程序无法写入,通常的做法是将中断子程序写在其他位置,而在中断入口地址单元只写一条跳转指令,执行该指令时马上跳转到写在其他位置的中断子程序。
⑤ 中断返回。执行完中断子程序后,就会返回到主程序,返回的方法是从RAM的堆栈中取出之前保存的断点地址,然后执行该地址处的主程序,从而返回到主程序。
4 中断系统的结构
8051单片机中断系统的结构如图1所示。
图1 8051单片机中断系统的结构
4.1 中断系统的组成
8051单片机中断系统的主要组成部分有:
① 5个中断源。分别为外部中断源、外部中断源、定时器/计数器中断源T0、定时器/计数器中断源T1和串行通信口中断源(TX和RX)。
② 中断源寄存器。分定时器/计数器控制寄存器TCON和串行通信口控制寄存器SCON。
③ 中断允许寄存器IE。
④ 中断优先级控制寄存器IP。
4.2 中断系统的工作原理
单片机的中断系统默认是关闭的,如果要使用某个中断,需要通过编程的方法设置有关控制寄存器某些位的值将该中断打开,并为该中断编写相应的中断子程序。
以外部中断为例,如果需要使用该中断,应进行以下设置:
① 将定时器/计数器控制寄存器TCON的IT0位设为0(IT0=0),中断请求信号输入方式被设为低电平输入有效。
② 将中断允许寄存器IE的EA位设为1(EA=1),允许所有的中断(总中断允许)。
③ 将中断允许寄存器IE的EX0位设为1(EX0=1),允许外部中断源的中断。
工作过程:当单片机的端(P3.2引脚)输入一个低电平信号时,由于寄存器TCON的IT0=0,输入开关选择位置0,低电平信号被认为是的中断请求信号,该信号将TCON的外部中断0的标志位IE0置1(IE0=1),IE0位的“1”先经过允许开关(IE的EX0=1使开关闭合),然后经过中断总开关(IE的EA=1使中断总开关闭合),再经过优先级开关(只使用一个中断时无须设置,寄存器IP的PX0位默认为0,开关选择位置0),进入硬件查询,选中外部中断0的入口地址(0003H)并将其送给CPU的程序计数器PC,CPU开始执行该处的中断子程序。
5 中断源寄存器
中断源寄存器包括定时器/计数器控制寄存器TCON和串行通信口控制寄存器SCON。
5.1 定时器/计数器控制寄存器TCON
TCON寄存器的功能主要是接收外部中断源(、)和定时器/计数器(T0、T1)送来的中断请求信号。TCON的字节地址是88H,它有8位,每位均可直接访问(即可位寻址)。TCOM的字节地址、各位的位地址和名称如图2所示。
图7-2 定时器/计数器控制寄存器TCON的字节地址、各位的位地址和名称
TCON寄存器各位的功能说明:
① IE0位和IE1位:分别为外部中断0()和外部中断1()的中断请求标志位。当外部有中断请求信号输入单片机的引脚(即P3.2引脚)或引脚(即P3.3引脚)时,TCON的IE0和IE1位会被置“1”。
② IT0位和IT1位:分别为外部中断0和外部中断1的输入方式控制位。当IT0=0时,外部中断 0 端输入低电平有效(即端输入低电平时才表示输入了中断请求信号),当IT0=1时,外部中断0端输入下降沿有效。当IT1=0时,外部中断1端输入低电平有效,当IT1=1时,外部中断1端输入下降沿有效。
③ TF0位和 TF1位:分别是定时器/计数器0和定时器/计数器1的中断请求标志。当定时器/计数器工作产生溢出时,会将TF0或TF1位置“1”,表示定时器/计数器有中断请求。
④ TR0和TR1:分别是定时器/计数器0和定时器/计数器1的启动/停止位。在编写程序时,若将TR0或TR1设为“1”,那么相应的定时器/计数器开始工作;若设置为“0”,定时器/计数器则会停止工作。
注意:如果将IT0位设为1,则把IE0设为下降沿置“1”,中断子程序执行完后,IE0位自动变为“0”(硬件置“0”);如果将IT0位设为0,则把IE0设置为低电平置“1”,中断子程序执行完后,IE0位仍是“1”,所以在退出中断子程序前,要将[插图]端的低电平信号撤掉,再用指令将IE0置“0”(软件置“0”),若退出中断子程序后,IE0位仍为“1”,将会产生错误的再次中断。IT1、IE1位的情况与IT0、IE0位一样。在单片机复位时,TCON寄存器的各位均为“0”。
5.2 串行通信口控制寄存器SCON
SCON寄存器的功能主要是接收串行通信口发出的中断请求信号。SCON的字节地址是98H,它有8位,每位均可直接访问(即可位寻址),SCOM的字节地址、各位的位地址和名称如图3所示。
图3 SCON的字节地址、各位的位地址和名称
SCON寄存器的TI位和RI位与中断有关,其他位用作串行通信控制。
① TI 位:串行通信口发送中断标志位。在串行通信时,每发送完一帧数据,串行通信口会将TI位置“1”,表明数据已发送完成,向CPU发送中断请求信号。
② RI 位:串行通信口接收中断标志位。在串行通信时,每接收完一帧数据,串行通信口会将RI位置“1”,表明数据已接收完成,向CPU发送中断请求信号。注意:单片机执行中断子程序后,TI 位和 RI位不能自动变为“0”,需要在退出中断子程序时,用软件指令将它们清0。
6 中断允许寄存器IE
IE寄存器的功能用来控制各个中断请求信号能否通过。IE的字节地址是A8H,它有8位,每位均可直接访问(即可位寻址),IE 的字节地址、各位的位地址和名称如图4所示。
图4 IE的字节地址、各位的位地址和名称
IE寄存器各位(有2位不可用)的功能说明如下。
① EA位:总中断允许位。当EA=1时,总中断开关闭合;当EA=0时,总中断开关断开,所有的中断请求信号都不能接受。
② ES位:串行通信口中断允许位。当ES=1时,允许串行通信口的中断请求信号通过;当ES=0时,禁止串行通信口的中断请求信号通过。
③ ET1位:定时器/计数器1中断允许位。当ET1=1时,允许定时器/计数器1的中断请求信号通过;当ET1=0时,禁止定时器/计数器1的中断请求信号通过。
④ EX1位:外部中断1允许位。当EX1=1时,允许外部中断1的中断请求信号通过;当EX1=0时,禁止外部中断1的中断请求信号通过。
⑤ ET0位:定时器/计数器0中断允许位。当ET0=1时,允许定时器/计数器0的中断请求信号通过;当ET0=0时,禁止定时器/计数器0的中断请求信号通过。
⑥ EX0位:外部中断0允许位。当EX0=1时,允许外部中断0的中断请求信号通过;当EX0=0时,禁止外部中断0的中断请求信号通过。
7 中断优先级控制寄存器IP
IP寄存器的功能是设置每个中断的优先级。其字节地址是B8H,它有8位,每位均可进行位寻址,IP的字节地址、各位的位地址和名称如图5所示。
图5 IP的字节地址、各位的位地址和名称
IP寄存器各位(有3位不可用)的功能说明如下。
① PS位:串行通信口优先级设定位。当PS=1时,串行通信口为高优先级;当PS=0时,串行通信口为低优先级。
② PT1位:定时器/计数器1优先级设定位。当PT1=1时,定时器/计数器1为高优先级;当PT1=0时,定时器/计数器1为低优先级。
③ PX1位:外部中断1优先级设定位。当PX1=1时,外部中断1为高优先级;当PX1=0时,外部中断1为低优先级。
④ PT0位:定时器/计数器0优先级设定位。当PT0=1时,定时器/计数器0为高优先级;当PT0=0时,定时器/计数器0为低优先级。
⑤ PX0位:外部中断0优先级设定位。当PX0=1时,外部中断0为高优先级;当PX0=0时,外部中断0为低优先级。
通过设置 IP寄存器相应位的值,可以改变5个中断源的优先顺序。若优先级一高一低的两个中断源同时发出请求,CPU 会先响应优先级高的中断请求,再响应优先级低的中断请求;若5个中断源有多个高优先级或多个低优先级中断源同时发出请求,CPU 会先按自然优先级顺序依次响应高优先级中断源,再按自然优先级顺序依次响应低优先级中断源。
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