从单片机到嵌入式开发——(6) 定时器与串口中断

在上文中我们讲到了基本的中断定义和外部中断的使用方法。本篇将继续介绍另外两种常见的中断，也即定时器中断和串口中断。
标准的51单片机有5个中断源：两个外部中断、两个定时器/计数器中断。具体如下：

优先级	中断源	介绍
1st	INT0——外部中断0	由P3.2端口引入，低电平或下降沿引起。
2nd	INT1——外部中断1	由P3.3端口引入，低电平或下降沿引起。
3rd	T0——定时器/计数器0中断	由T0计数器计满回零引起。
4th	T1——定时器/计数器1中断	由T1计数器计满回零引起。
5th	TX/RX串口中断	由串口通信引起。

上文中我们通过对外部中断的介绍让大家有了一个对中断的基本认识。中断，也就是暂停你现在所运行的程序，去从事另外的工作。完成后再返回去做现在所做的这件事情。中断需要一个触发条件和一个处理程序，比如说你在敲代码，可能会出现这些情况：你可能会突然急着上厕所；你定了一个专注计时器到了时间要去打卡；你同学打电话找你你需要接听。你有一个良好的习惯，在处理这些事儿前你会先停下手头的工作并且保存你完成的代码，然后回来以后重新打开你保存的代码接着干活。
这就是一个比较符合生活习惯的中断过程，外部中断对应你急着上厕所的情况，是你自身受到某种外界条件的触发而执行的动作；定时器中断对应你定了专注计时器到时打卡的操作，是经过一个固定的时间就要去执行的；而串口通信则是有人通过通讯方式呼叫你，而你需要去完成通讯。在之前的文章中我们讲过了外部中断的处理方式，在本文中我们主要介绍定时器中断和串口中断两种方式。
首先是定时器中断，我们通过一个最简单的例子来介绍一下：

如图是一个非常简单的倒计时装置，这是定时器一种最基本的应用场景。每经过一秒钟的时间，LCD显示的数字减一。那么这样一个最基本的程序是以什么样的方式实现的呢？

#include <reg52.h>
unsigned char time = 10, cnt = 0;
void main(void)
{TMOD = 0X01;TH0 = (65536-50000)/256;TL0 = (65536-50000)%256;ET0 = 1;EA = 1;TR0 = 1;while (1){P1=time;}
}
void timer0() interrupt 1
{//50ms中断一次，20次为1scnt++;if(cnt==20){time--;cnt = 0; }TH0 = (65536-50000)/256;TL0 = (65536-50000)%256;
}

代码包括主函数部分和中断处理函数部分。主函数中我们首先对定时器进行了一些基本的设置，包括计时器模式和定时器初始值。然后我们开启了总中断和定时器0的中断，最后启动了定时器0。循环部分我们将倒计时值time直接输出到P1端的BCD码数码管，直接显示倒计时值。在中断处理函数部分，当每次中断发生时，我们对临时变量cnt进行一次加一操作。如果临时变量cnt值达到20，则倒计时值time应当减一，并复位cnt为0。然后重新装载定时器初始值。这就是一个最基本的定时器中断程序，基本流程如下图所示。

在这个程序中，我们所定的中断时间为50ms发生一次，因此当中断发生20次时，计时达到1秒，可以进行计数-1。而这个50ms的计数值又是怎么实现的呢？
在整个程序中，我们首先配置的是寄存器TMOD。TMOD寄存器对应的是51单片机最基本的定时器0和定时器1的相应配置，低四位对应定时器0，高四位对应定时器1。对于每个定时器的四位，其格式是这样的：

/	第7/3位	第6/2位	第5/1位	第4/0位
含义	GATE门控	C/T切换	M1模式高位	M0模式低位
高电平	外部启动	计数器	模式2/3	模式1/3
低电平	内部启动	定时器	模式0/1	模式0/2

外部启动的含义是：当且仅当定时器0/1对应引脚P3.2/P3.3为高时，定时器置TRx=1方可以启动，相比内部启动模式增加了一层限制。
计数器和定时器的区别在于：计数器的脉冲来自于其对应的引脚脉冲，而定时器的脉冲来源为内部晶振。我们比较常用的是定时器，但我们不能忽略定时器本身兼有的计数器功能。这一功能在一些特殊场合会经常用到，如光电门测速是就需要检测引脚脉冲来实现计数。
定时器的四种模式如下：

模式	适用	定时/计数范围	TH初值	TL初值	描述
0	T0/T1	1-8192次脉冲	(8192-N)/32	(8192-N)%32	13位
1	T0/T1	1-65536次脉冲	(65536-N)/256	(65536-N)%256	16位
2	T0/T1	1-256次脉冲	256-N	256-N	8位自动重装，TH自动装载，TL储存计数
3	T0	1-256次脉冲*2	256-N1	256-N0	分离8位定时器，其中TH定时器由TR1驱动

内部晶振的频率一般为11.0592MHz，约合12MHz，产生的脉冲频率为晶振频率的1/12，即1MHz，时长为1μs。因此定时器能够定到的最长时间为65536μs，即约65.5ms。对于更长时间的定时，我们需要通过中断的进一步处理，比如之前举例中使用的变量处理方法。
定时器在实际使用中应用十分广泛，一种常见的应用是通过定时器输出PWM波形。PWM波形属于我们常见的方波，但与方波的主要区别是高电平与低电平的时间不等长。在一个很短的周期内，高电平与低电平的交替波动并不容易使人察觉，但端口上的平均电压降低了。因此我们如果将led灯接到PWM波的输出端口，可以看见led灯会有变暗；将直流电机接到PWM波的输出端口，可以看见电机旋转明显变慢。如图所示。

添加的代码为：

if(cnt<=time*2) moto = 1;
else moto = 0;

使得PWM占空比随时间下降由100%逐渐变为0，从而可以明显看到电机出现了减速效果。连接示波器也可以看到PWM波形的占空比有明显变化。

了解了定时器中断之后，下面我们可以接着了解串口通信和串口中断的过程。串口通信，顾名思义，通过一个串行端口串行地将数据发送出去/接收进来。在我们的单片机上，端口P3.0对应的RXD和P3.1对应的TXD就是这两个功能，TXD发送，RXD接收。与定时器一样，串口通信也有其控制寄存器SCON。SCON的格式如下表：

位置	含义	详细介绍
7-6	方式选择SM0 SM1	0=同步移位1=八位异步2/3=九位异步 2波特率固定
5	多机控制SM2	1=多机通信，0=单机通信
4	接收允许REN	1=允许接收，0=不允许接收
3	发送数据位TB8	第9数据位，可用作校验位和地址/数据标识位
2	接收标志位RB8	第9数据位或停止位
1	发送中断标志TI	发送一帧结束，TI=1触发中断
0	接收中断标志RI	接收一帧结束，RI=1触发中断

波特率即每秒钟传送的码元符号，也即数据位的个数。串口通信需要通信双方的波特率一致，方可正确传递信息。串口通信中波特率的设置通过定时器和控制位SMOD来实现。一般在串口通信中我们普遍使用定时器的模式2，也就是八位自动重装模式，以节约重装单片机计数值所需要的开销。具体的波特率计算公式如下(fosc为晶振频率，一般为11.0592MHz)：

方式	名称	波特率公式
0	同步移位	B=fosc/12
1	8位异步通讯	B=T溢出率/32(SMOD=1则加倍)
2	9位异步通讯	B=fosc/64(SMOD=1则加倍)
3	9位异步通讯	B=T溢出率/32(SMOD=1则加倍)

其中T溢出率=fosc/12/t，t为定时器模式总长度与所定的时间长度的差。
比如我们需要设置波特率为9600时，选用定时器方式1，则可得到我们需要的t应该满足fosc/12/t/32=9600，推得t=3，定时器初值应设为0xfd。
下面是一个具体的例子，单片机向串口输出"Connected!"，然后数码管实时显示串口发来的数字。

代码实现如下：

#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
void init_ser()
{SCON = 0x50; TMOD = 0x20;TH1 = 0xFD;TL1 = 0x0;TR1 = 1;EA  = 1;ES  = 1;
}
void delay1ms(u8 s)
{u8 a,b,c;for(c=s;c>0;c--)for(b=142;b>0;b--)for(a=2;a>0;a--);
}
void send(u8 text[])
{u8 *s;for(s=text;*s;s++){SBUF = *s;}
}u8 code smg[17] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
u8 t,nums[8];void main()
{int i = 0;init_ser();send("Connected!\n");for(i=0;i<8;i++){nums[i]='0';}t=0;while(1){for(i=0;i<8;i++){P2 = i;P1 = ~smg[nums[i]-'0'];delay1ms(1);}}
}void int_uart(void) interrupt 4
{if(RI){RI = 0;nums[t++] = SBUF;if(t==8)  t=0;}if(TI) TI = 0;
}

串口初始化的部分与之前的定时器中断初始化相似，仅仅是不开启定时器中断，并改为开启串口中断ES。串口数据发送过程中，每发送一个8位数据都会触发一次中断，并需要在中断函数中清理TI标志位。串口每接收到一个8位数据，也会触发一次中断，可以通过RI标志位判断并处理接收到的数据，处理后也需要将RI标志清理。
以上就是中断的全部内容。中断机制是所有微处理器之中最重要的机制，正因为有了中断机制，处理器才可以处理更多复杂的不确定任务。中断机制的存在也为操作系统的实现奠定了基础。理解了中断机制和外部中断、定时器、串口等具体功能实现，单片机的基本核心内容就可以算是完结了。

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