第5章51系列单片机的中断系统


本章主要分析51系列单片机中断系统结构及工作原理，给出中断的相关概念、中断控制寄存器以及中断执行过程，并通过实例说明中断程序设计的思路。
【本章目标】
 理解中断及中断嵌套的概念； 
 掌握51系列单片机中断模块结构、工作原理及中断控制寄存器； 
 能够运用汇编及C语言编写中断程序。
5.1中断的概念
5.1.1对中断的理解

中断是单片机或数字计算机为提高工作效率，并行实时处理事件的一种机制，关于中断的几种理解： 

图5.1中断结构示意图


理解1： 如图5.1所示，CPU正在处理某一事件A时，发生了事件B(中断发生)，请求CPU迅速去处理B；  CPU暂停(中断)当前的工作，转去处理事件B(响应中断和执行中断服务)； 待CPU处理完事件B，再回到原事件A被中断的地方继续执行事件A(中断返回)，这一过程称为中断。 
理解2： 处理器和外设交换信息时，存在着快速CPU和慢速外设间的矛盾，处理器内部有时也会出现突发事件，为此，处理器通常用中断技术解决上述问题。CPU和外设并行工作，当外设数据准备好或有某种突发事件发生时，向CPU提出请求，CPU暂停正在执行的主程序转而为外设服务(或处理突发事件)，处理完毕再回到主程序断点处继续执行原程序，这个过程称为中断。

5.1.2中断系统
能实现中断任务处理并能对中断过程进行管理的硬件和软件称为中断系统，单片机的中断系统要解决如下问题： 
(1) 中断检测： 单片机在执行主程序过程中，如何知道有中断请求发生？
(2) 中断的开放和关闭： 编程过程中，需要中断是可人为控制的，即如何打开或关闭中断？
(3) 中断的执行： 中断请求是在执行程序的过程中随机发生的，那么中断发生时，如何实现正确的转移，以便为中断源服务？
(4) 中断的嵌套及优先级控制： 中断源有多个，而CPU只有一个，当有多个中断源同时有中断请求时，如何控制CPU根据自己的需要安排响应顺序？
(5) 中断的返回： 中断程序执行完毕，如何正确地返回到原程序断点处？
后面各节将围绕上述问题讨论51系列单片机的中断实现过程。



5.251系列单片机的中断源
5.2.1中断源

中断源： 引起中断的原因和发出中断请求的来源。
8XX51单片机有5个中断源，增强型52系列单片机增加了一个定时器/计数器T2，有6个中断源，其中有两个外部中断源，其余为内部中断源。这些中断源的符号、名称、产生条件及中断服务程序的入口地址见表5.1。


表5.18XX51/52的中断源


中断源符号名称引起中断原因中断入口地址中断向量号


INT0外部中断0P3.2引脚的低电平或下降沿信号0003H0
T0定时器0中断定时器/计数器0计数回零溢出000BH1
INT1外部中断1P3.3引脚的低电平或下降沿信号0013H2
T1定时器1中断定时器/计数器1计数回零溢出001BH3
TI/RI串行口中断串行通信完成一帧数据发送或接收引起中断0023H4

中断源可以是外设、紧急事件、定时器或人为设置的实时任务程序。外部中断，在单片机外部引脚上设置触发信号，满足一定条件就引起中断； 内部中断是单片机内部中断源产生的中断请求，不需要外部引脚上的中断请求信号。8051单片机各个中断源在程序存储器中均有各自固定的中断程序入口地址(见表5.1)，当CPU响应中断时，硬件自动形成各自的入口地址，由此进入中断服务程序，从而实现正确的转移。这些中断源有两级中断优先级，可行使中断嵌套； 三个特殊功能寄存器用于中断控制编程，后面将会具体分析。
5.2.2中断优先级与中断嵌套
当有多个中断源同时向CPU申请中断时，CPU优先响应最需紧急处理的中断请求，处理完毕再去响应优先级别较低的中断请求，这种可预先安排的中断先后响应次序，称为中断优先级。51系列单片机和一般计算机一样，当几个中断源同时向CPU请求中断时，就存在CPU优先响应哪一个中断源的问题。一般CPU应优先响应最需紧急处理的中断请求，为此需要规定各个中断源的优先级，使CPU在多个中断源同时发出中断请求时能找到优先级最高的中断源，及时响应其请求。在优先级高的中断请求处理完后，再响应优先级低的中断请求。
当CPU正在处理一个优先级低的中断请求的时候，如果发生另一个优先级比它高的中断请求，CPU暂停正在处理的中断源的处理程序，转而处理优先级高的中断请求，待处理完之后，再回到原来正在处理的低级中断程序，这种高级中断源中断低级中断源的中断处理过程称为中断嵌套。具有中断嵌套的系统称为多级中断系统，没有中断嵌套的系统称为单级中断系统。
8051单片机中断源提供两个中断优先级，能实现两级中断嵌套。每一个中断源优先级的高低都可以通过编程设定。两级中断嵌套的中断处理过程如图5.2所示。


图5.2中断嵌套执行流程


当某几个中断源优先级设置相同时，由CPU内部查询确定优先级，优先响应先查询的中断请求，称该顺序为自然优先级。CPU查询的顺序是： 
INT0→T0→INT1→T1→TI/RI→T2
5.3中断控制寄存器
单片机有多个中断源，根据前面提出的问题，如何知道是否有相应的中断请求？对于每个中断源，如何允许和关闭其中断请求？每个中断源有两个中断优先级，如何设置其优先级别，这些均通过下面的功能寄存器进行控制。
1. 中断标志寄存器TCON




字节地址： 88HD7D6D5D4D3D2D1D0TCON


寻址位TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0


定时器使用位外部中断使用位

(1) ITx(x=0或1)： 外部中断0或1触发方式控制位。
当ITx=0时，为低电平触发； 
当ITx=1时，为下降沿触发。
(2) IEx(x=0或1)： 外部中断0或1中断请求标志位。
若IEX=1，中断源有中断请求； IEX=0，无中断请求。
(3) TR0和TR1为定时器T0和T1启动和停止位。
(4) TFx(x=0或1)： 定时器/计数器T0或T1溢出中断请求标志位。
若T0或T1发出溢出中断请求，TFX=1； 无中断请求，TFX=0。
2. 中断允许寄存器IE




位D7D6D5D4D3D2D1D0IE
字节地址： A8HEAESET1EX1ET0EX0

0禁止，1允许
(1) EA： 中断总控制位； 
(2) ES： 串行中断允许位； 
(3) ET1： 定时器/计数器T1中断允许位； 
(4) EX1： 外部中断1允许位； 
(5) ET0： 定时器/计数器T0中断允许位； 
(6) EX0： 外部中断0允许位。
3. 中断优先级寄存器IP




位D7D6D5D4D3D2D1D0IP
字节地址： 8BHPT2PSPT1PX1PT0PX0

各中断优先级控制位设为0，低优先级； 设为1，高优先级。
当某几个中断源在IP寄存器相应位同为“1”或同为“0”时，由内部查询确定优先级。
5.4中断执行过程
5.4.1中断系统结构

如图5.3所示，外部中断有下降沿引起和低电平引起的选择； 串行中断有发送(TI)和接收(RI)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。


图5.38XX51单片机的中断系统


1. 中断触发
外部中断INT0(P3.2)可由IT0(TCON.0)选择其为低电平触发还是下降沿触发。当CPU检测到P3.2引脚上出现有效的中断信号时，中断标志IE0(TCON.1)置1，向CPU申请中断。
外部中断INT1(P3.3)可由IT1(TCON.2)选择其为低电平触发还是下降沿触发。当CPU检测到P3.3引脚上出现有效的中断信号时，中断标志IE1(TCON.3)置1,向CPU申请中断。
片内定时器/计数器T0溢出中断请求标志TF0(TCON.5)。当定时器/计数器T0发生溢出时，置位TF0，并向CPU申请中断。
片内定时器/计数器T1溢出中断请求标志TF1(TCON.7)。当定时器/计数器T1发生溢出时，置位TF1，并向CPU申请中断。
串行接口中断请求标志RI(SCON.0)或TI(SCON.1)。当串行接口接收完一帧串行数据时置位RI或当串行接口发送完一帧串行数据时置位TI，向CPU申请中断。
2. 中断允许
8051单片机中断实行两级控制，允许某中断源的做法是，分别开放其中断控制位和总的中断控制位。例如，允许外部中断0响应中断。

SETBEX0；INTO中断控制位

SETBEA；总的中断控制位

3. 中断优先级设置
8051单片机每个中断源有两个中断优先级，通过寄存器IP各个位设置优先级，在多个中断源优先级相同时，硬件按自然优先级查询顺序。
例如： 设置外部中断0位高优先级，设置定时器T0为低优先级。

SETB PX0；INTO 中断控制位

CLRPT0；总的中断控制位


5.4.2中断响应
1. 中断响应过程

CPU响应中断时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地址(断点地址)送入堆栈，然后根据中断标记，硬件执行跳转指令，转到相应的中断源入口处，执行中断服务程序，当遇到RETI返回指令时，返回到断点处继续执行程序，这些工作都是由硬件自动完成的。上述过程分为以下几个步骤： 
(1) 停止主程序运行，当前指令执行完后立即终止现在执行的程序。
(2) 保护断点，即保存下一个将要执行的指令的地址，即把PC地址送入堆栈。
(3) 寻找中断入口，根据5个不同中断源所产生的中断，查找对应的入口地址。以上工作由硬件自动完成，与编程者无关。
(4) 执行中断处理程序。中断处理程序编写好存放于对应中断向量地址处，否则，中断程序就不能被执行。
(5) 中断返回： 执行完中断服务程序，从断点返回主程序，继续执行主程序。
2. 中断响应条件
了解了上述中断响应过程，还需明确中断响应的条件。在下列3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。单片机有单周期、双周期、三周期指令，需要等当前整条指令都执行完，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访问IP、IE寄存器的指令或返回指令RETI，则CPU至少再执行一条指令才能响应中断。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，而执行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。在正常情况下，从中断请求信号有效开始，到中断得到响应，通常需要3~8个机器周期。
5.4.3中断执行流程
51系列单片机的中断过程流程如图5.4所示。中断处理过程主要分为4个阶段： 中断请求、中断响应、中断服务和中断返回。


图5.4中断处理流程图


（1） 中断请求，CPU执行程序时，在每一个指令周期的最后一个周期都检查是否有中断请求，如果有中断请求，寄存器TCON的相应位置“1”，CPU查到“1”标志后，如果允许中断，进入中断响应阶段，如果中断被禁止或没有中断请求，继续执行下一条指令。
（2） 中断响应阶段，如果有多个中断源，CPU判断哪个的优先级高，优先响应优先级高的中断请求。阻断同级或低级的中断，硬件自动将断点PC压入堆栈，将所响应的中断源的入口地址送到PC，转到中断服务程序执行。
中断服务是完成中断要处理的工作任务，程序员根据任务需要编写中断服务程序，让单片机借助中断实时处理特定事件。但要注意51单片机响应中断，不会自动保护标志寄存器PSW，不会自动关中断，编写中断服务程序要注意将主程序中需要保护的寄存器内容进行自我保护，中断服务执行完毕再恢复寄存器内容，即保护现场，这些可以通过堆栈操作来完成。
CPU响应中断后，应及时撤除中断请求，否则会引起再次中断。对定时器/计数器T0、T1的溢出中断，CPU响应中断后，硬件清除中断请求标志TF0和TF1，即自动撤除中断请求，除非T0、T1再次溢出，才产生中断。对边沿触发的外部中断INT0和INT1，也是CPU响应中断后硬件自动清除IE0和IE1。对于串口和定时器/计数器T2中断，CPU响应中断后，没有用硬件清除中断请求标志TI、RI、TF2和EXF2，即这些中断标志不会自动清除，必须用软件清除。对电平触发的外部中断，CPU在响应中断时也不会自动清除中断标志，因此，在CPU响应中断后，应立即撤除INT1和INT0的低电平信号。
中断返回是通过执行一条RETI中断返回指令完成的，该指令使堆栈中被压入的断点地址弹到PC，从而返回主程序的断点继续执行主程序。另外，RETI还有恢复优先级状态触发器的作用，因此不能以RET指令代替RETI指令。
5.5中断服务程序的编写
单片机为什么要有中断系统，使用中断编程的好处，具体来说有以下几点： 
(1) 实行分时操作，提高CPU效率,只有当外设对象向CPU发出中断申请时,才去为它服务,这样，我们就可以利用中断功能同时为多个对象服务,从而大大提高CPU的工作效率。 
(2) 实现实时处理。利用中断技术，各个服务对象可以根据需要随时向CPU发出中断申请，及时发现和处理中断请求并为之服务，以满足实时控制的要求。
(3) 进行故障处理。对难以预料的情况或故障，比如掉电等，可以向CPU发出请求中断，由CPU作出相应的处理。
5.5.1汇编语言中断程序设计
对于一个独立的单片机应用系统，上电初始化时，PC总指向0000H单元，从0单元开始执行程序，由于8XX51/52中断服务程序的入口地址分别为0003H、000BH、0013H、001BH、0023H,为了让出中断源所占用的地址区，在程序存储器的0地址单元通常安排一条转移指令，以绕过中断向量地址空间。此外，我们发现中断向量地址之间相距很近，往往放不下一个中断服务程序，所以通常在中断向量地址单元中放一条转移指令，将中断服务程序安排在程序存储器后面的地址空间，当然，如果系统仅有一个中断任务且处理较少中断服务程序可直接存放于中断向量地址处。一个完整的主程序如下： 

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG 0003H

LJMPSER0；转外部中断0服务程序

ORG 000BH

RETI；没有用定时器0中断,在此放一条RETI

ORG 0013H

RETI；没有用外部中断1中断,在此放一条RETI

…

ORG0030H

MAIN： …

…

SJMPMAIN

ORG0100H

SER0： …；外部中断0服务程序

…

RETI

END

中断程序处理完成后,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断点地址取出,送回程序计数器PC中,那么程序就会根据PC中的值,从主程序的中断处继续往下执行了。
对中断模块的使用，实际就是对中断系统各特殊功能寄存器的设置和操作，即对中断的功能寄存器TCON、IE、IP的管理。编写中断服务程序，执行特定任务，必须根据需要先对这几个寄存器的有关位进行设置。中断程序编制基本思路： 
(1) 初始化IE、IP，开中断，设置中断优先级；  
(2) 对外部中断,设置ITx位，选择中断触发方式，是低电平触发还是下降沿触发； 
(3) 确定中断入口地址或中断号，编写中断服务程序。
5.5.2C51中断程序设计
C51使用户能编写高效的中断服务程序，编译器在规定的中断源的矢量地址中放入无条件转移指令，使CPU响应中断后自动地从矢量地址跳转到中断服务程序的实际地址，而无须用户去安排。中断服务程序定义为函数，函数的完整定义如下。

返回值函数名(［参数］)［再入］interrupt n［using m］

其中，interruptn表示将函数声明为中断服务函数，n为中断源编号，可以是0~31的整数，不允许是带运算符的表达式，n通常取以下值： 
0外部中断0； 
1定时器/计数器T0溢出中断； 
2外部中断1； 
3定时器/计数器T1溢出中断； 
4串行口发送与接收中断； 
5定时器/计数器T2中断。
using m定义函数使用的工作寄存器组，m的取值范围为0~3，可缺省，它对目标代码的影响是： 函数入口处将当前寄存器保存，使用m指定的寄存器组，函数退出时原寄存器组恢复。选不同的工作寄存器组，可方便实现寄存器组的现场保护。
再入： 属性关键字reentrant将函数定义为再入的，在C51中，普通函数(非再入的)不能递归调用，只有再入函数才可被递归调用。
以外部中断0为例，主程序中需要有以下代码： 

EA=1； //打开总中断开关

EX0=1； //开外部中断0

IT0=1； //设置外部中断的触发方式

中断服务函数： 

void ser_int0( ) interrupt 0 using 0

{

Do anything that you want

}

5.6中断服务程序设计
【例51】如图5.5所示，P1口接8个发光二极管，利用消抖电路产生中断请求信号，来回拨动一次开关K，产生一次中断申请，实现下移一个灯亮。 


图5.5中断控制灯显示


解： 
(1) C程序。

#include <reg52.h>

typedef unsigned int u16;//对数据类型进行声明定义

typedef unsigned char u8;

u8 j;

sbit K=P3^2;//定义按键

void delay(u16 i)//定义延时函数

{

while(i--);

}

void main( )

{

IT0=1; //跳变沿出发方式(下降沿)

EX0=1;//打开INT0的中断允许。

EA=1; //打开总中断

while(1);

}

void Ser_Int0( ) interrupt 0　　//INT0的中断函数

{ 

delay(1000);//延时消抖

if(K==0)

{

P2=0x01<<j;//将1左移j位，然后将结果取反赋值到P2口

j++;

}

if(j>7) j=0;

}

(2) 汇编程序。

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H；INT0中断入口

AJMPSER0；转中断服务程序

ORG0030H；主程序

MAIN：  MOVP1,#01H；灯初始状态设置

MOVA,P1

SETBIT0；边沿触发中断

SETBEX0；允许外部中断0中断

SETBEA；开总中断

HERE：  SJMPHERE；等中断

SER0：  RLA

MOVP1,A；灯状态输出到P1

RETI

END

以上通过中断方式分别用C语言和汇编语言控制灯的输出状态。如果不用中断，可否控制灯状态的切换？其实，与中断对应还有一种编程思路，即查询方式，上面例子也可以通过查询方式编写程序： 

…

SETB IT0

 LOOP： JNB IE0,$；查询标志位

RL A

MOV P1,A

CLR IE0；清零标志位

ACALL DELAY；延时函数

SJMP LOOP

…

采用查询方式编程，系统需反复循环查询事件是否发生，同时需注意对标志位的软件清零操作。
【例52】如图5.6所示的单片机AT89S51，其P1口接一个共阴极的数码管，消抖开关接到外部中断0引脚，产生中断请求信号，每来回拨动一次开关K，产生一次中断，数码管显示中断的次数，设不超过15次。



图5.6中断次数的显示


解： 
(1) C程序。

#include <reg52.h>

char i;

code char tab［16］={0x3f,0x06,0x5b,0x4F,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};

main( )

{

EA=1; 

EX0=1; 

IT0=1;

P2=0x3f;

while(1);//等待中断

}

int0( ) interrupt 0 //中断程序

{i++;

if(i<16)

{ 

P1=tab［i］;

 }

else

{ 

i=0;

P1=0x3f;

} 

}

(2) 汇编程序。

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H；INT0中断入口

AJMPSER0；转中断服务程序

ORG0030H

MAIN：  SETBIT0；边沿触发中断

SETBEX0；允许INT0中断

SETBEA；开中断开关

MOVR0,#0；计数初值为0

MOVA, #3FH；"0"的字形码送A

MOV DPTR，#TAB；指向字形码表

WAIT： SJMPWAIT；等待中断

SER0： INCR0；中断次数加1

MOV A,R0

MOVCA,@A+DPTR；查字形码表

MOV P1,A；显示

CJNER0, #0FH,RE；15次中断未到转RE

MOVR0,#0；15次到重新开始

RE： RETI 

TAB： DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H， 

DB 7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H

END

本 章 小 结
(1) 51系列单片机有5个中断源，每个中断源有对应固定的中断入口地址，分别为0003H、000BH、0013H、001BH、0023H，每个中断向量地址间隔8B。
(2) 在软件上通过特殊功能寄存器实现对中断模块的管理和使用，用于单片机中断管理的寄存器有中断标志寄存器TCON、中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP。
(3) 本章主要介绍了两个外部中断INT0和INT1，两个外部中断对应有两个外部引脚： P3.2和P3.3； 两个外部中断标志位： IE0、IE1； 6个外部中断控制位： 触发方式控制位IT0、IT1，中断使能控制位EX0、EX1，优先级设置位PX0、PX1。
(4) 掌握对中断过程的理解。可以通过C语言或汇编语言编写中断程序，采用C语言注意对应的中断号，汇编语言注意中断服务程序要放到对应入口地址处； 此外也可根据标志位采用查询方式编程，但中断编程效率更高。
本 章 习 题
1. 什么是中断？采用中断方式编程的好处有哪些？ 
2. MCS51系列单片机有几个中断源？各中断入口地址分别是多少？
3.  MCS51系列单片机外部中断有几个？对应标志位是什么？外部中断触发方式如何修改？
4.  MCS51系列单片机的各中断源有几个优先级？如何设置优先级？如果两个以上中断优先级相同，单片机如何处理其查询顺序？
5. 参照图5.5，让8051单片机的P1口接8个发光二极管，由外部中断引脚P3.2接一消抖开关，实现每中断一次，各发光管状态取反，分别采用汇编和C语言编制程序。
6. 在图5.6电路基础上，要求实现每中断一次，8个发光二极管亮、灭变换3次，编写程序。