第3章

51单片机的并口与外部中断











并行I/O接口(Parallel Input/Output Interface)简称并口(PIO)，是所有单片机中集成的一项重要内部资源。不同型号的单片机，集成的并口数量有区别，功能上也各有不同，但最基本的功能都是实现多位二进制数据的并行传输。大多数并口也能根据需要只利用一根线单独传输一位二进制代码(这样的代码通常称为开关量)，从而实现对外部各种开关设备的状态检测和控制。

在与这些外部设备之间进行数据传送过程中，广泛采用中断技术。中断(Interrupt)是现代各种微机系统中广泛采用的一项基本技术。对51单片机来说，通过特定的并口引脚可以将外部设备的状态信息作为中断事件引入51单片机，这些中断称为外部中断。本章也将结合并口引入的外部中断，介绍51单片机中断系统的一些基本概念。

3.1磨刀霍霍——预备知识

发光二极管(LightEmitting Diode，LED)是一种将电能转化为光能的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低亮度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，亮度也有极大提高。LED早期只是作为指示灯、显示板等，随着技术的不断进步，目前已被广泛地应用于显示器、电视机、采光装饰和照明。

LED是典型的开关量输出设备(Output Device)，只能接收从单片机并口输出的数据，实现其亮/灭状态的控制。实际系统中，还有像开关(Switch)和按钮(Button)之类的输入设备(Input Device)，这些外部设备的作用是产生数据或者控制信号送入单片机，对单片机的工作进行控制。

3.1.1LED

图31给出了LED的外观及其在Proteus中的电路符号。其中，在一个LEDBARGRAPHRED器件中同时集成了10个LED，引脚1~10为阳极，引脚11~19为阴极。










图31





图31LED外观及电路符号


图32为LED的简单控制电路示例。对共阳极接法来说，当通过外部电路使IO端为低电平时，LED上有正向压降。当IO端的低电平足够小，或者限流电阻R2足够小时，流过的正向电流足够大，则LED点亮。






图32





图32LED的简单控制电路



同理，对共阴极接法来说，当通过外部电路使IO端为高电平时，LED上有正向压降。当IO端的高电平足够大，或者限流电阻R2足够小时，流过的正向电流足够大，则LED点亮。


LED的一般工作电压为1.8~2.2 V，工作电流为1~20 mA。流过的电流越大，亮度越高。但是，如果流过的电流太大，LED可能被烧毁。因此实际电路中都必须加限流电阻R1和R2。

即便有正向电流流过，如果电流太小，亮度也不能满足用户要求。为此，可以利用三极管等实现电流的放大。图32中，外部控制信号通过IO端送入三极管的基极。当控制信号为高电平使三极管导通时，集电极有比较大的电流流过，从而控制LED点亮。














图33



3.1.2开关和按钮

开关和按钮的典型外观如图33所示。这两种外设都属于开关量输入设备，利用这些设备可以对单片机系统的运行过程进行控制，或者在运行过程中向单片机实时输入一些简单的命令等。




图33开关和按钮的典型外观


开关和按钮都需要相应的电路将触点的通断状态转换为高/低电平，才能送入单片机。典型的连接电路如图34所示，图中S代表开关，B代表按钮。在图34(a)中，当开关或按钮按下时，IO端为低电平； 开关断开或按钮释放时，IO端为高电平，R3和R5称为上拉电阻。图34(b)所示电路正好相反，R4和R6称为下拉电阻。



图34开关和按钮电路


开关和按钮的功能和具体应用存在一定的区别。在系统运行过程中，用户通过手指按下开关或按钮，开关或按钮的触点闭合。当松开手指后，开关的触点将一直保持闭合状态。如果需要断开，需要重新扳动开关。但是对按钮来说，松开后，按钮触点又自动回到原来的通断状态。

在上述电路中，不管是开关还是按钮都有一个共同的问题，即按键抖动。以共阴接法的按钮电路为例，在按钮按下和释放的过程中，IO端电平的变化波形如图35(a)所示。

正常情况下，按钮每按下一次，IO端输出一个低电平脉冲。由于按键抖动，在按下和释放的过程中，IO端可能输出多个低电平脉冲，称为抖动。

实际系统中必须采取措施消除抖动的影响，常用的有程序消抖法和硬件电路消抖法。图35(b)给出了一个简单的硬件消抖电路，其中利用RS触发器的工作原理实现硬件消抖。



图35按键抖动波形和硬件消抖电路

3.2小试牛刀——实战入门

本节先通过几个案例了解LED、开关和按钮的基本工作原理、电路连接及51单片机对其进行控制的基本方法。






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动手实践31： 点亮LED

本案例的控制电路原理图如图36所示(参见文件ex3_1.pdsprj)。图中RN1为电阻排，其中集成了9个电阻，分别用作各LED的限流电阻。各LED采用共阳极接法，其阳极分别通过各自的限流电阻接+5V电源，而阴极分别与单片机的P1.0~P1.7引脚相连接，当某个引脚输出低电平时，对应的LED点亮。

(1) 要使8个LED全部点亮，可以编写如下完整的汇编语言程序(参见文件p3_1_1.asm)： 



; 点亮8个LED灯

LEDEQUP1; 将控制LED的P1口定义为符号常量LED

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0100H

MAIN:MOVLED,#00H; 点亮8个LED

END











图36

















图37





图3651单片机控制LED的亮/灭的电路




图37只点亮L4的运行效果




在程序中，首先用伪指令EQU将控制LED的P1并口定义为符号常量LED。在主程序中，将符号常量LED作为MOV指令的目的操作数，即代表P1口。执行MOV指令后，将立即数00H传送到P1口对应的内部RAM单元，从而控制由51单片机P1并口对应的8个引脚输出低电平，点亮LED。

(2) 如果希望只点亮一个LED(如图37所示)，可以将上述主程序中的MOV指令替换为如下指令(参见文件p3_1_2.asm)： 



MAIN:MOVLED,#11110111B




或者



MAIN:CLRL4




其中L4为在程序一开始用如下伪指令定义的位变量： 



L4BITP1.3









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动手实践32： LED的闪烁控制

通过程序可以控制LED以一定的时间间隔闪烁。假设要求图36中的L4灯以1 s左右的时间间隔闪烁，可以编写如下汇编语言程序(参见文件p3_2.asm)： 



; LED的闪烁控制(用子程序实现延时)

L4BITP1.3; 将控制L4的P1.3引脚定义为位变量L4

ORG0000H

AJMPMAIN

;==========================================================

; 主程序

;==========================================================

ORG0100H

MAIN:MOVSP,#60H;设置堆栈指针

CLRL4

ACALL DELAY; 调用延时子程序

SETBL4

ACALL DELAY; 调用延时子程序

SJMPMAIN   

;=========================================================

; 延时子程序

;=========================================================

DELAY:MOVR5,#13

LP3:MOVR7,#200; 1个机器周期

LP4:MOVR6,#200; 1个机器周期

DJNZR6,$ ; 2个机器周期

DJNZR7,LP4; 2个机器周期

DJNZR5,LP3

RET

END





主程序一开始，首先设置堆栈指针，并用CLR指令使P1.3引脚输出低电平，从而点亮L4灯。之后调用延时子程序DELAY实现近似1 s延时，再执行SETB指令将L4灯熄灭，延时近似1 s后又跳转回MAIN语句，重复上述过程。

动手实践33： 开关量的输入

开关量的输入电路原理图如图38所示(参见工程文件ex3_3.pdsprj)。其中DSW1为开关排，内部集成了8个开关。U2为LED排，内部集成了10个LED，本案例只用了其中的8个LED。RN1为电阻排，设置内部9个电阻的参数都为200Ω，电路中只将其中的8个电阻分别作为8个LED的限流电阻。






图38





图38开关量的输入电路原理图

根据上述电路连接，编写汇编语言程序实现如下功能： 用8个LED指示8个开关的通断状态。例如，当开关1、2打在ON位置，其余开关打在OFF位置时，对应最上面两个LED熄灭，其他的LED点亮。完整的代码如下(参见文件p3_3.asm)： 



; 开关数据的输入

LEDEQUP1; 将LED控制口P1定义为符号常量LED

SWEQUP2; 将开关输入口P2定义为符号常量SW

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0100H

MAIN:MOVSW,#0FFH; P2口先输出高电平	

LP:MOVA,SW; 读入开关数据

CPLA; 取反

MOVLED,A; 输出控制LED

SJMPLP; 循环

END





在电路中，8个开关的通断状态被转换为8个高/低电平，可以视为一字节的二进制数据，由符号常量SW代表的P2口送入单片机。在程序中，利用第二条指令将开关数据送入累加器A，将其取反后通过由符号常量LED代表的P1口输出控制LED的亮灭。







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动手实践34： 按钮状态的检测

按钮状态的检测电路原理图如图39所示(参见Proteus工程文件ex3_4.pdsprj)。图中按钮电路的输出接到P3.2引脚。


图39按钮状态的检测

每按动一次按钮，将累加器A中的内容加1，同时LED灯L1闪烁一次(亮/灭切换一次)。







图39


(1) 采用查询方式检测按钮状态。

实现上述功能的代码如下(参见文件p3_4_1.asm)： 



; 按钮状态的检测——查询方式

BTBITP3.2; 将按钮状态输入引脚P3.2定义为位变量BT

LEDEQUP1; 将控制LED的P1口定义为符号常量LED

ORG0000H

AJMPMAIN 

ORG0100H

MAIN:SETBBT; BT先输出高电平

CLRA; 按动次数初始化为0

LP:JBBT,$; 等待按钮按下

JNBBT,$; 等待按钮释放

INCA; 按动次数加1

XRLLED,#01H; L1灯亮/灭切换,闪烁一次

SJMPLP; 死循环

END





在上述程序中，首先利用位操作指令SETB使位变量BT代表的单片机的P3.2引脚输出高电平，之后将累加器A中的内容清零，作为统计按钮按动次数的初始值。



图310寄存器观察窗口


在程序后面的循环中，重复检测按钮是否按下和释放。检测到按钮每按动一次，将按动次数加1，并利用逻辑运算指令XRL控制L1灯亮/灭切换一次(闪烁一次)。

将程序编译生成HEX文件后，在原理图中加载并启动运行。在运行过程中单击原理图中的按钮，LED将不断闪烁。在暂停运行状态下，将自动弹出单片机的寄存器观察窗口，在其中可以观察到累加器A中存放的按钮按动次数，如图310所示。

(2) 采用中断方式检测按钮的状态。

如果要求采用中断方式实现按钮状态的检测，则重新编制的完整汇编语言程序如下(参见文件p3_4_2.asm)： 



; 按钮状态的检测——中断方式

BTBITP3.2; 定义位变量BT

LEDEQUP1; 定义符号常量LED

ORG0000H

AJMPMAIN	

ORG0003H

AJMPIDEL; 中断服务程序入口

;============================ =================

; 主程序

;==============================================

ORG0100H

MAIN：MOVSP,#60H; 设置堆栈指针

SETBBT; P3.2先输出高电平

CLRA; 按动次数初始化为0

SETBIT0; 设置外部中断0边沿触发方式

SETBEX0; 开中断

SETBEA

SJMP$; 等待中断

;======================================================

; 中断服务子程序

;======================================================

IDEL:INCA; 按动次数加1

XRLLED,#01H; L1灯闪烁

RETI; 中断返回

END





上述程序主要包括主程序和中断服务子程序，其中涉及的很多概念将在后面详细介绍。

3.3庖丁解牛——原理剖析

在上述各案例中，主要涉及51单片机的并口及数据的输入/输出、位操作指令和条件转移指令的用法、子程序的调用与返回、汇编语言中循环程序和外部中断的概念及中断服务子程序的编写方法。下面对这些内容逐一进行介绍。

3.3.151单片机的并口

51单片机内部集成了4个并口P0~P3。在51单片机引脚上，每个并口对应一组8个引脚，共有4组引脚，可以并行传送8位二进制数据。以P0口为例，对应的8个引脚为P0.0~P0.7。

1. 并口的基本结构

51单片机每个并口内部都由完全相同的8套电路构成，而不同并口的内部电路结构有一些细微区别，从而导致在功能和用法上有所不同。

(1) P1口。

图311是P1口内部的一位电路结构。其中P1.x(x=0~7)代表P1口的一位引脚，通过这些引脚可以连接外部的按钮、开关和LED等。这些引脚通过并口电路中的“读锁存器”“写锁存器”“读引脚”命令信号线和内部总线与51单片机内部的CPU等其他部件相连接。



图311P1口内部的一位电路结构


通过并口可以实现数据的并行输入(Input)或输出(Output)。当工作在输出方式时，51单片机中的CPU通过执行数据输出指令，将指令中给定的0码或1码送到内部总线，同时由CPU发出“写锁存器”命令。在此命令作用下，D触发器输出的端输出对应的高/低电平，从而控制场效应管V1的断开和接通，使引脚P1.x分别得到低电平或高电平，再进一步送到LED等外部设备。

当工作在输入方式时，CPU通过执行输入数据的指令，送来“读引脚”命令。在此命令作用下，将三态门1打开，从而将P1.x引脚与内部总线接通，51单片机中的CPU即可检测到引脚上由外部电路(例如按钮电路)决定的电平状态，从而读入一位二进制数据。

对同一个并口的8套电路，其中的8个D触发器构成锁存器(Latch)，8个三态门构成缓冲器(Buffer)。只要CPU不执行新的数据输出命令，锁存器的输出高/低电平就不会改变，从而使得8个引脚稳定地输出前面送出的8位数据以及对应的高/低电平。同理，外部电路在不断工作，使得8个并口引脚的高/低电平在不断变化。但是，只要CPU不执行新的数据输入命令，缓冲器就不会打开，并口引脚的高/低电平以及对应的数据就不会送到内部总线和CPU。

(2) P0口。

P0口内部的一位电路结构如图312所示，与P1口的区别主要有如下两点： 

 P0口内部没有上拉电阻，而是替换为场效应管V2； 

 P0口电路中增加了一个“控制”输入端和相应的控制电路。



图312P0口内部的一位电路结构


当P0口用作普通的并行输入/输出接口时，CPU内部使得“控制”端为低电平，从而使开关MUX打到下方，同时通过与门使V2始终处于断开状态，V1的漏极始终处于开路状态，称为漏极开路。

在这种情况下，如果需要并口引脚上输出1码，则与P1口一样，首先使D触发器端输出低电平，并控制V1截止。此时由于V1和V2同时截止，因此引脚P0.x将处于高阻悬空状态，输出高/低电平不确定。如果通过该引脚连接LED，则无法使LED上获得确定的正向压降，从而不能保证LED一定熄灭或点亮。为此，必须在外部电路上采取相应的措施。

当“控制”端为高电平时，P0口不是用作普通的并口，而是用于传送51单片机外部存储器单元的地址和数据。这一点将在后面相关章节再做介绍。

(3) P2口。

P2口内部的一位电路结构如图313所示。与P1口相比，只是在内部增加了一个开关MUX。在“控制”端信号作用下，当开关MUX与下侧触点接通时，可以实现与P1口完全一样的普通并口功能。当开关打在上方触点时，与P0口类似，P2口不是用作普通的并口，而是用于传送外部存储器单元的地址。




图313P2口内部的一位电路结构


(4) P3口。

P3口内部的一位电路结构如图314所示。当图中的“第二功能输出”端为高电平时，电路结构与P1口完全一样，用作普通并口。



图314P3口内部的一位电路结构


在51单片机系统中，P3口很多情况不是用于普通的并口，而是实现特定的其他功能(称为并口的第二功能)，例如用作串口数据线、外部存储器读写控制信号线。此时，这些功能命令对应的高/低电平通过与非门直接控制V1，使相应的引脚输出或输入第二功能命令信号。具体每个引脚的第二功能将在后面相关章节陆续介绍。

根据上述电路结构，下面对P0~P3用作普通并口时的基本用法做一个简单总结。

 在4个并口中，P0口是双向口，通过P0口的地址或数据可以是由CPU输出到外部，也可以是由外部输入CPU。另外的3个并口是准双向口，在一个应用系统中，要么连接输出设备实现数据的输出，要么连接输入设备实现数据的输入。

 4个并口内部都有锁存器，能够锁存输出数据，以便稳定地驱动外部电路和设备的工作。并口内部也都有缓冲器，实现输入数据时的缓冲，也就是能够由CPU决定在适当的时刻从并口引脚读入期望的数据。

 P0口用作普通的输出并口时，必须外接上拉电阻，以便使并口引脚上输出确定的高/低电平。

 从任何一个并口输入数据时，必须先使该并口输出高电平，以便使并口内部的V1场效应管截止断开，引脚上的高低电平能够正确反映外部电路和设备的状态。


2. 并口的程序控制

在51单片机外部，并口通过相应的引脚与外部设备和电路相连接。而在51单片机内部，并口P0~P3分别对应4个特殊功能寄存器，地址分别为80H、90H、0A0H和0B0H。通过用MOV指令将一个8位二进制数据传送到特殊功能寄存器，即可实现51单片机与并口(从而与外部设备)之间的数据传送，并进一步通过引脚对所连接的外部设备进行访问控制。

例如，在动手实践31中，8个LED分别连接到51单片机P1口的8个引脚P1.0~P1.7。当执行如下数据输出指令时，将立即数00H传送到符号常量LED代表的P1口，并通过P1口内部电路使P1.0~P1.7引脚全部输出低电平，从而控制8个LED全部点亮。



MOVLED,#00H





在程序p3_1_2.asm中，将指令的操作数00H替换为0F7H=11110111B，由于其中只有D3= 0，此时只有P1.3引脚输出低电平，从而只点亮L4灯。

在动手实践33中，开关排的8个开关分别连接P2口，另一端都接地。因此开关的通/断将使P2口对应的引脚为高/低电平。每个引脚上的高/低电平分别用1码和0码表示，从而得到8位二进制数据，利用如下数据输入指令： 



MOVA,SW




将其从P2口读入51单片机。由于开关是输入设备，因此P2口在本案例中用作输入口，在主程序的一开始，用如下语句： 



MAIN:MOVSW,#0FFH




使符号常量SW代表的P2口的8个引脚先输出高电平，以便后面正确检测到开关的通/断状态。

3.3.2位操作指令

在动手实践31和32中，只需要点亮通过并口的某个引脚连接的一个LED，或者让指定的L4灯闪烁，可以用位操作指令对并口中该引脚对应的二进制位进行单独控制，而其他位不受影响。这样的操作称为位操作。

在51单片机中，专门提供了一类指令实现位操作，具体包括位数据传送、位逻辑运算和位转移三类指令。位操作指令是51单片机中功能十分强大、使用非常频繁和灵活的指令。这里首先介绍前面两类指令。

1. 位数据传送指令

位数据传送指令实现在PSW中的进位标志位C与普通位单元之间的一位二进制数据传输，指令的基本格式为： 



MOVC,bit

MOVbit,C





例如，如下指令： 



MOVC,00H




将位地址为00H的位单元(内部RAM中20H单元的最低位)中原来保存的一位二进制数1码或0码传送到C标志位。

这两条指令中的操作数bit可以是内部RAM中位寻址区中的位单元，也可以是特殊功能寄存器区中能够进行位寻址的某个特殊功能寄存器的指定位。在指令中一般直接写出其位地址，称为位寻址。位于特殊功能寄存器区中能够位寻址的位单元既有位地址，也有位名称，在指令中一般直接用其名称表示。例如，



MOVC,P1.0




其中的P1.0是特殊功能寄存器P1口的D0位，也代表P1口的最低位引脚。该条指令实现的功能就是将P1.0引脚上用高/低电平表示的一位1码或0码读入CPU，并存入C标志位。

2. 位逻辑运算指令

位逻辑运算指令实现对一位二进制操作数的清0(复位)、置1(置位)和位逻辑运算(位与、位或、位取反)。

(1) 位单元的复位和置位操作。

位单元的复位和置位操作分别用指令CLR和SETB实现，实现的基本功能是向指定的位单元分别写入一位二进制代码0或1。如果位单元是指定并口的某一位，则当向其中写入0码或1码时，相应的引脚将输出低电平或高电平。

例如，在动手实践31的程序p3_1_2.asm中，如下指令使符号位地址L4代表的P1.3引脚输出低电平，其中的操作数为P1口的D3位。



CLRL4





类似的，如下指令： 



SETBP1.7




或者



SETB97H




将P1.7置1，即通过P1.7引脚输出高电平，其中P1.7代表P1口的D7位，而该位单元的位地址为97H。

在动手实践34中，由于按钮是输入设备，因此在主程序的一开始，用如下语句： 



MAIN:SETBBT




使符号位地址BT代表的P3.2引脚先输出高电平，以便后面正确检测到按钮的通/断状态。

(2) 位逻辑运算。

每个位单元中保存的是一位二进制代码1或0，这些二进制代码之间可以进行逻辑与、或、非运算，在51单片机中分别用ANL、ORL和CPL指令实现。其中逻辑与和逻辑或运算指令需要两个操作数，而逻辑非运算指令只需要一个操作数。

在ANL和ORL指令中，源操作数可以是任何一个位单元，但目的操作数必须是C。例如，



ANLC,10H




将PSW中的最高位与位地址为10H的位单元中的一位二进制代码进行与运算，结果放回C。

此外，ANL和ORL的源操作数还可以是某个位单元的取反。例如，如下指令实现的功能是将位单元10H中的一位二进制代码取反后再和C标志进行逻辑与运算。



ANLC,/10H





在CPL指令中，操作数可以是C或任意一个位单元，实现的功能是将指定的位单元中保存的一位二进制代码取反，再放回去。

对上述位逻辑运算指令，再做几点说明： 

 在51单片机的指令系统中，ANL、ORL和CPL指令可以实现普通的逻辑运算，也可以实现位逻辑运算。这是两大类不同的指令，二者的基本区别在于指令中的操作数是字节操作数还是位操作数。分析和编程时一定要注意是字节操作还是位操作。

 在普通的字节操作指令(例如MOV指令)中，累加器用A表示。在位操作指令中，要对累加器A中的指定某一位进行位操作，必须用ACC而不是A。例如，如下指令： 



SETBACC.0




将累加器A中的最低位置为1，不能写成



SETBA.0




3.3.3条件转移指令

与无条件转移指令相比，条件转移指令也是实现程序执行流程的跳转，但这种跳转是有条件的。只有当给定条件满足后，才跳转到目标指令。如果给定的条件不满足，则不跳转而继续执行转移指令后面的指令。

在51单片机的指令系统中，提供了4条条件转移指令，即JZ、JNZ、DJNZ和CJNE，这些指令有如下几种书写格式： 



JZrel 

JNZrel 







DJNZRn,rel 

DJNZdir,rel

CJNEA,#data,rel 

CJNERn,#data,rel

CJNE@Ri,#data,rel

CJNEA,dir,rel





在上述指令中，操作数rel给定转移的目标单元，即跳转的距离或偏移量。与SJMP指令类似，在程序中一般用转移目标指令的标号作为该操作数。指令中的其他操作数可以采用各种寻址方式，例如操作数Rn为寄存器寻址； dir为直接寻址； #data为立即寻址； @Ri为寄存器间接寻址。

1. 条件转移指令转移的条件

不同的条件转移指令，其主要区别在于转移的条件不同。

(1) JZ和JNZ指令。

JZ(Jump if Zero)和JNZ(Jump if Not Zero)指令转移的条件是该指令执行前，累加器A中的内容是否为0(Zero)。对JZ指令，当A=0时，条件满足，程序跳转到目标指令； 对JNZ指令则相反，当A≠0时跳转。

例如，有如下程序段： 



MOVA,R0

JZZERO

XRLA,#0FH

SJMPDONE

ZERO:XRLA,#0F0H

DONE:…





在上述程序中，首先将R0中的数据存入累加器A，再利用JZ指令检测该数据是否为0。如果为0，则条件满足，跳转到标号为ZERO的指令，将A中的数据与0F0H进行逻辑异或运算(也就是将其高4位取反，低4位保持不变)，再将运算结果存回A。如果条件不满足，即A中的数据不为0，则不跳转，而继续执行程序中的第一条XRL指令，将A中的数据低4位取反，高4位保持不变。

(2) DJNZ指令。

DJNZ(Decrement and Jump if Not Zero)指令的操作数可以有两种不同的寻址方式，即寄存器寻址和直接寻址。两种情况下，该指令都将依次执行如下两个操作： 

 将操作数减1，并存回原位置； 

 判断操作数减1后是否等于0，当不等于0时跳转； 否则顺序执行后面的指令。

例如，如下指令每执行一次，将R7中的数据减1再存回R7。



DJNZR7,LP2




之后判断R7是否等于0。如果不为0，则跳转到标号为LP2的指令继续执行； 否则不跳转，继续执行该指令后面的指令。该指令的执行流程可以用图315表示。


图315指令“DJNZ R7,LP2”

的执行流程



(3) CJNE指令。

CJNE(Compare and Jump if Not Equal)指令是51单片机中唯一一条有3个操作数的指令，该指令将前面两个操作数进行比较，并将二者不相等(Not Equal，NE)作为转移的条件。


例如，指令： 



CJNEA,#20H,LP




实现的操作和步骤如下： 

 将累加器A中的数据与立即数20H相减，比较二者是否相等，同时设置C标志位； 

 如果两个操作数不相等，则跳转到标号为LP的指令继续执行； 否则继续执行后面的指令。

需要注意的是，在做两个操作数的相减比较时，将根据减法运算是否有借位设置C标志位。但是该减法运算的结果不会保存，因此执行后前面两个操作数的值都不影响。

2. 位转移指令

位转移指令是将某个位单元中保存的一位二进制数据是0还是1作为转移的条件，因此该类指令既属于条件转移指令，也属于位操作指令。

51单片机中的位转移指令有5条，即JB、JNB、JBC、JC和JNC。其中，JB和JNB指令的目的操作数必须是一个位单元，源操作数为跳转的目标指令。两条指令的区别在于： 当JB指令中目的操作数指定的位单元为1时，跳转到源操作数指定的目标指令； 而JNB指令正好相反，当目的操作数为0时跳转到目标指令。

JBC指令的功能与JB指令类似，区别在于： 在执行JBC指令时，还将目的操作数指令的位单元清0。此外，与上述3条指令不同，JC和JNC指令固定由C标志位的状态作为转移的条件，因此不需要另外指定位单元而只有一个操作数。

在程序p3_4_1.asm中，JB指令用于检测符号位地址BT代表的P3.2引脚是否为高电平。如果是，则跳转到这条指令本身，继续读取并检测P3.2的状态，直到通过外部的按钮电路将该引脚复位为低电平。因此该条指令的作用是等待按钮按下。

在按钮按下后，JB指令中的条件P3.2=1不再满足，因此这条指令执行后不再跳转，继续执行下一条JNB指令。在执行JNB指令时，又不断检测P3.2是否为0。如果按钮按下后一直不松开，则P3.2一直为低电平，该指令跳转的条件始终满足，因此将不断重复执行这条指令。一旦按钮松开，则跳转的条件不再满足，从而不再跳转重复，程序继续往下运行。由此可知，在该程序中JNB指令的作用是等待按钮松开。

3.3.4分支和循环程序设计

与高级语言程序类似，汇编语言程序也有两种典型的程序结构，即分支和循环。在高级语言程序中，利用if、for等语句实现分支和循环，而在汇编语言的指令系统中，分支和循环程序主要用上述各种条件和无条件转移指令实现。 

1. 分支程序

分支程序包括单分支、双分支、三分支和多分支结构，图316给出了两种基本的分支结构程序(即单分支和双分支)流程示意图。



图316两种基本的分支结构程序流程示意图



(1) 单分支结构。

在图316(a)所示的单分支结构中，通过执行条件转移指令实现分支。当跳转的条件不满足时，才执行相应的操作。

例如，要检测累加器A中数据的正负，当为负数时将-1存入寄存器B，当为0和正数时不做任何操作，可以编写如下程序段： 



ANLA,#80H

JZPLUS; A中数据为0或正数，则跳转

MOVB,#(-1); 否则，将-1存入寄存器B

PLUS：…





在该程序段中，第一条指令将A中的数据与80H进行逻辑与运算。当A中数据为正数或0时，其补码的最高位为0，执行ANL指令后A=0； 当A中数据为负数时，其补码的最高位为1，执行ANL指令后A=80H≠0。因此，在执行ANL指令后，只需要用JZ或者JNZ指令即可检测A中数据的正负。

在上述程序中，用位转移指令JZ实现正负数的检测和分支。如果将JZ指令替换为JNZ指令，为了实现同样的功能和分支，则需要将上述程序段改写为如下： 



ANLA,#80H

JNZMINUS; A中数据为负数，则跳转

SJMPCON; 否则，跳转

MINUS:MOVB,#(-1); 将-1存入寄存器B

CON:…






注意，其中必须增加一条无条件转移指令SJMP。

(2) 双分支结构。

在图316(b)所示双分支结构中，当条件满足或不满足时，分别执行两个不同的操作，实现两路分支。两路分支最后再会合到一起，继续执行程序中后面的操作。

例如，要根据A中数据的正负，分别向R0中存入+1和-1，可以编写如下双分支结构程序： 



ANLA,#80H

JNZMINUS

MOVR0,#1; A中原来的数据为非负数，则将+1存入R0

SJMPCON

MINUS:MOVR0,#0FFH; 否则，将0FFH(即-1的补码)存入R0

CON:…





(3) 三分支结构。

与高级语言类似，三分支以及更多分支结构的程序可以通过嵌套的方式实现。此外，在51单片机的汇编语言程序中，利用CJNE指令也可以很方便地实现。

假设要根据R0中数据的正负，分别将常数0、+1和-1存入累加器A，可以编写如下程序： 



CJNER0,#0,NZERO; R0=0?

MOVA,#0; 是，则将0存入A

SJMPDONE

NZERO:CJNER0,#80H,NEXT; 否则，继续判断正负

NEXT:JCPLUS; 正数，则跳转

MOVA,#(-1); 否则，将-1存入A

SJMPDONE

PLUS：MOVA,#1; 将+1存入A

DONE:…







图317三分支程序



上述程序的流程图如图317所示。下面对上述程序做一些解释说明。

 第一条CJNE指令用于判断R0中的数据是否为0。如果为0，则不跳转，继续执行第二条MOV指令，将常数0存入A，之后利用SIMP指令直接跳转到DONE标号所在的指令继续执行程序中的其他指令。如果R0中的常数不为0，则执行第一条CJNE指令后将跳转到标号为NZERO的指令。

 第二条CJNE指令是在上述R0≠0的前提下，将R0中的数据继续与常数80H相比较，判断R0中的数据是否等于80H。如果不是，则跳转到标号为NEXT的指令； 如果相等，则不跳转而顺序执行该条CJNE指令后面的指令。由此可见，不管R0中的数据是否等于80H，执行该条CJNE指令后都将继续执行标号NEXT所在的指令。显然，该条CJNE指令没有实现分支。

 实际上，第二条CJNE指令的主要作用是根据两个操作数的相对大小设置C标志位，以便接下来利用JC指令检测C标志位，以判断两个数的相对大小，并实现两路分支。

例如，假设R0中存放的有符号数为+10=0AH，则将其与80H相减，显然C=1。因此执行JC指令后将跳转到标号为PLUS的指令，将常数1存入累加器A。如果R0中存放的有符号数为负数，例如-10，则执行CJNE指令时，将-10的补码即0F6H与80H相减。显然此时没有借位，因此C=0，执行JC指令后将不跳转，而是顺序执行后面的指令，将常数-1(即其补码0FFH)存入累加器A。

 程序中的关键数据80H是这样确定的。分析题目可知R0中存放的原始数据是有符号数，而在汇编语言程序中，默认的有符号数用补码表示，并且负数的补码最高位一定为1，正数的补码最高位一定为0，因此负数一定为80H~0FFH，而正数为01H~7FH。由此可知，将R0中的数据与80H相减，根据是否有借位即可区分正负数。

2. 循环程序

循环程序的基本结构和功能可以归纳为如下两种典型的情况： 

(1) 重复执行一个程序段若干次，当重复次数达到后，退出循环程序并继续执行后面的程序。在编写这种循环程序时，事先能够确定程序段重复执行的次数，称为计数控制循环。

(2) 事先无法确定程序需要重复执行多少次，但可以确定当满足(或不满足)一定的条件才继续循环，当条件不满足(或满足)时退出循环。这种循环程序称为条件控制循环。

上述两种循环结构的程序流程图如图318所示。在汇编语言程序中，根据控制循环的次数或条件，合理选用各种转移指令，很容易构成上述两种循环程序。一般的用法可以概括为： 

(1) 对计数控制循环，在循环开始前将循环次数保存到Rn或某个内部RAM单元。每次循环，用DJNZ指令将循环计数变量减1，并实现跳转循环。

(2) 对条件控制循环，根据题目要求的功能确定合适的条件，再选用相应的指令设置和修改条件，并选用合适的条件转移指令(JZ/JNZ、CJNE等)以控制继续或退出循环。



图318基本循环结构的程序流程图

在动手实践32的程序p3_2.asm的延时子程序中，一共有3层计数控制循环。在每层循环的开始，将各层循环所需的循环次数分别存入R5、R6和R7，这3个工作寄存器相当于计数变量。在每层循环中都用DJNZ指令对该层循环所用的计数变量实现递减操作，同时判断是否减到零。如果没有减到零，表示循环次数还未到，则继续循环； 否则退出循环。

在延时子程序中，每条指令后面的注释给出了执行该指令所需的机器周期数，据此可以确定该子程序执行完毕所需的时间，也就是延时的时间。对于最内层用R6作为计数变量的循环，循环体中只有一条DJNZ指令。每执行一次需要2个机器周期。由于R6设初值为200，因此该循环将重复执行200次，共需200×2个机器周期。

同理，在第二层用R7作为计数变量的循环中，有一条MOV指令和两条DJNZ指令，执行该层循环所需的机器周期数为200×(1+200×2+2)。最外层用R5控制的循环共重复13次，则执行3层循环一共需要的机器周期数为


13×［1+200×(1+200×2+2)+2］=1047839

再考虑到子程序最后执行RET指令和主程序执行ACALL指令所需的时间，则在主程序中调用执行一次该子程序，总的机器周期数为


1047839+2+2=1047843


假设单片机系统的时钟脉冲频率12 MHz，则机器周期为12/12 MHz=1 μs，因此执行该延时子程序一共需要近似1 s的时间。

3. 死循环

所谓死循环(Endless Loop)，就是程序一旦启动运行后，就一直重复运行，直到强制退出应用程序或者系统关机。51单片机系统的应用程序一般都是死循环，因为系统一旦启动运行后，就希望一直运行，重复实现相同的操作，例如重复不断地检测并调节当前环境温度。

在动手实践32中，每隔一段时间，重复不断地让LED在亮/灭状态之间切换。在动手实践33中，重复不断地检测8个开关的状态。在程序中，用无条件转移指令可以很方便地实现死循环。例如，在上述两个动手实践中，主程序的最后都是一条SJMP指令。当主程序中的具体功能操作完成后，执行该条无条件转移指令，又返回到主程序的开始或者标号为LP的指令重复执行。

请读者思考以下几个问题： 

 动手实践31的主程序为什么没有用死循环？

 在动手实践34的程序p3_4_1.asm中，死循环中包括哪些语句？

 在程序3_4_2.asm的主程序中，有死循环吗？

3.3.5子程序和堆栈

在程序中，如果有一个程序段实现的功能相对独立，或者在同一个或多个程序中需要反复使用，则一般将该程序段定义为子程序(Subroutine)。例如，在动手实践32的程序p3_2.asm中，将实现延时功能的代码定义为延时子程序DELAY。

在51单片机的汇编语言程序中，子程序和主程序位于同一个程序文件中，一般放在主程序后面，但必须在END语句之前。此外，在子程序的前面也可以用ORG指定子程序在ROM中的存放位置。

1. 子程序的调用与返回

在汇编语言程序的主程序中，通过执行ACALL或LCALL指令即可调用子程序。ACALL称为绝对调用指令，LCALL称为长调用指令。这两条指令的功能和用法分别与AJMP和LJMP指令类似，一般将需要调用的子程序名字直接作为指令的操作数。所谓子程序的名字，也就是子程序中第一条指令的标号。

从底层实现原理的角度看，执行ACALL或LCALL指令调用子程序时，实现的功能是将子程序中第一条指令的地址(称为子程序的入口地址)送到PC，从而跳转到子程序，连续执行子程序中的指令。

子程序调用与无条件转移都能控制程序执行流程的切换。二者的主要区别在于： 执行无条件转移指令跳转到目标位置后不再返回原位置； 而子程序调用跳转到子程序，子程序执行完毕后要通过执行子程序返回指令RET返回主程序。该指令必须放在子程序的最后。



图319子程序的调用与返回

过程示意图

从子程序返回到主程序，返回的位置是主程序刚才被打断的位置，也就是主程序中LCALL或ACALL指令后面一条指令在ROM中存放的单元，该单元的地址称为断点(Breakpoint)。为了能够从子程序正确返回，必须在进入子程序之前将断点保存到51单片机中的适当位置。

子程序的调用与返回过程示意图如图319所示，其中LCALL指令共3字节，后面2字节0300H即为子程序SUB0的入口地址。执行程序时，当CPU取出该条指令后，PC指向下一个单元，该单元的地址即为断点。在执行LCALL指令时，将执行如下两个操作： 

(1) 将断点保存到指定位置(堆栈)； 

(2) 将子程序的入口地址0300H赋给PC，即跳转到子程序。

当执行到子程序中最后的RET指令时，再将断点从堆栈中取出重新赋给PC，从而返回断点位置继续运行主程序。

2. 堆栈及其应用

在51单片机中，堆栈(Stack)是一段特殊的内部RAM区域。堆栈的特殊性在于其访问方式与普通的内部RAM单元不同。普通的内部RAM单元可以实现随机访问，在任何时刻给定一个单元地址，都可以读取或写入期望的数据。但是，堆栈中的单元只能按照“先进后出”或“后进先出”的原则进行访问。

(1) 堆栈单元的访问。

对堆栈的访问有两种基本操作，即入栈和出栈。所谓入栈，就是将数据写入堆栈单元； 所谓出栈，就是从堆栈单元读出数据。在51单片机中，入栈和出栈操作分别用专门的PUSH和POP指令实现。这两条指令都只需要一个操作数，并且只能采用直接寻址。

例如，要将累加器A中的字节数据入栈，可以用如下指令： 



PUSHACC




注意，操作数不能写为A。这里的ACC汇编后将用累加器对应的特殊功能寄存器单元地址0E0H替换。

类似地，如果希望从堆栈单元中取出一个数据保存到工作寄存器R0中，可以用如下指令： 



POP00H




注意，操作数不能直接写为R0，即不能采用寄存器寻址，必须采用直接寻址。

(2) 堆栈指针。

在51单片机中，堆栈指针(Stack Pointer，SP)是一个专用的8位寄存器，在运行过程中，SP中保存的是当前堆栈中栈顶单元的地址，或者说，SP指向当前栈顶。

所谓栈顶，也就是在程序执行当前最后一次堆栈操作后，堆栈中最后一个数据所存放的单元。在程序运行过程中，可能会执行多次入栈或出栈操作，将多个数据存入堆栈单元或者从堆栈单元中取出，从而使得堆栈中所存放数据的个数在不断变化，栈顶将不断上下浮动。

为了使SP在任何时刻都指向当前栈顶，每执行一次入栈操作，SP先递增1，然后将1字节数据推入堆栈。反之，每执行一次出栈操作，将1字节数据从堆栈中弹出后，SP再递减1。

51单片机系统刚启动或者复位后，SP中的内容初始化为07H，这意味着当前栈顶为07H单元。执行第一次入栈操作时，数据将保存到SP+1指向的08H单元，这意味着系统默认将地址从08H开始的内部RAM单元作为堆栈。考虑到内部RAM开始的32个单元是工作寄存器区，一般在需要用到堆栈时，在主程序最前面用如下指令为SP重新赋值，以便将堆栈定位到其他内部RAM区域。例如，将该指令中的操作数设为60H，则会将堆栈定位到一般RAM区中61H开始的单元。



MOVSP,#dat





(3) 堆栈的应用。

在51单片机系统中，子程序断点的保存和恢复都是利用堆栈实现的。在执行ACALL或LCALL指令调用子程序时，自动将断点推入堆栈。执行RET指令从子程序返回时，自动从堆栈将断点出栈存入PC，从而正确返回主程序。由于断点指的是指令代码在ROM中存放的单元地址，因此断点都是16位二进制数据，断点入栈和出栈都需要分别连续执行两次，执行后SP将分别加2或减2。

此外，利用堆栈特殊的访问规则，还可以实现一些特殊的功能。例如，将内部RAM中地址为30H和31H的两个单元中的数据交换，可以用如下5条指令实现： 



MOV SP,#60H

PUSH30H

PUSH31H

POP30H

POP31H





假设30H和31H两个单元中原来存放的数据分别为x和y，则执行完上述两条入栈操作指令后，堆栈中各单元的分配情况如图320(a)所示，并且SP=60H+2=62H。

接下来执行第一条POP指令时，将当前栈顶单元中的数据y出栈，存入该指令中指定的30H单元，SP=62H-1=61H，此时堆栈单元分配情况如图320(b)所示。再执行最后一条POP指令，将SP指向的当前栈顶即61H单元中的数据x出栈，存入31H，并且SP=61H-1=60H，此时堆栈单元分配情况如图320(c)所示。

由此可见，上述两次出栈操作完成后，30H和31H单元中分别存入的是y和x，从而实现了两个单元中数据的交换。



图320利用堆栈实现两个RAM单元中数据的交换

3.3.6中断的基本概念及外部中断

由于计算机内部或者外部的原因(称为随机事件)，使CPU暂停当前正在执行的程序，转而执行预先安排好的服务程序，对该事件进行判断处理，处理完后再继续执行原来被打断的程序。这一过程称为中断(Interrupt)。实现中断过程管理和控制的所有硬件和软件统称为中断系统(Interrupt System)。

1. 中断源

在单片机系统中，产生中断随机事件的来源，称为中断源。中断源产生的随机事件称为中断请求。例如，按钮电路可以视为一个中断源。每次按钮按下时，按钮电路输出一个负脉冲，即由原来的高电平跳变到低电平，就是一次中断请求。

中断请求可以来自单片机内部电路，也可以是由外部设备电路产生而送入单片机内部的。由外部电路通过P3.2或P3.3引脚送入单片机的中断请求称为外部中断。这两个引脚用作中断请求信号输入引脚而不是普通的并口引脚时，引脚名重新表示为INT0和INT1，称为P3口的第二功能。由内部的定时/计数器、串口电路等发出的中断，称为单片机的内部中断。这些内部中断不需要占用单片机的引脚，而是在单片机内部产生，直接送到CPU。

这里首先介绍外部中断，定时/计数器和串口等内部中断将在后续章节介绍。

2. 外部中断请求的引入

当中断请求到来时，意味着外部发生了特定的某种事件。例如用户按动了按钮，希望点亮某个LED或者报警。在运行过程中，单片机在每个机器周期都将检测P3.2或P3.3引脚上电平的变化。一旦检测到引脚上出现了特定的电平状态，就认为外部中断源送来了中断请求。

在51单片机中，送入51单片机的可以是中断请求信号输入引脚上的高/低电平，也可以是电平的跳变(正跳变或者负跳变)。这两种情况称为外部中断请求的触发方式。

在51单片机内部RAM的特殊功能寄存器区，有一个定时/计数器控制(Timer/Counter Control)寄存器TCON。该特殊功能寄存器的地址为88H，因此可以位寻址，各位的名称如图321所示。其中，IT0和IT1就是用于设置两个外部中断请求的触发方式。当这两位设置为0时，指定对应的外部中断为电平触发方式； 当IT0或IT1设置为1时，指定为边沿触发方式。



图321TCON寄存器


对于电平触发方式，CPU在一个机器周期内检测到P3.2或P3.3引脚上为低电平，就认为接收到一个中断请求。对于边沿触发方式，51单片机将在相邻两个机器周期内分别检测一次P3.2或P3.3引脚的状态，一旦检测到这两个引脚上出现负跳变(从高电平跳变到低电平)，CPU就认为外部电路送来了一个中断请求。51单片机一旦检测到P3.2或P3.3引脚有外部中断请求到来，将立即使TCON中的IE0或IE1位置位，以便将当前中断请求记录下来，进一步通知CPU并等待CPU的处理。

在动手实践34中，按钮电路的中断请求通过P3.2引入，因此是外部中断INT0。利用如下位操作指令： 



SETB IT0




将TCON中的IT0位设置为1，则当每次按钮按下时，按钮电路产生一次负跳变，从而向CPU发出一次INT0中断请求。

3. 外部中断请求的撤除

对于边沿触发方式，51单片机每检测到引脚上的一次负跳变，就将IE0或IE1位置位。一旦CPU接收并准备处理该中断请求后，内部硬件电路会自动将IE0或IE1位复位，称为中断请求的撤除。之后只有当用户再次按下按钮，才能重新将IE0或IE1位置位，向CPU发出一次新的中断请求。

正常情况下，在运行过程中，用户每按下一次按钮，51单片机应该只接收到一次中断请求，做一次相应的处理操作。上述撤除操作是必需的。但是对电平触发方式，CPU接收并响应一次中断请求后，IE0或IE1位不会自动复位，从而将导致每按动一次按钮，CPU会重复接收到多次中断请求的情况。为此，在实际系统中必须用另外的专门电路使P3.2或P3.3引脚变为高电平。以便等到用户再次按下按钮，重新将引脚变为低电平，才能向CPU发出一次新的中断请求。

图322是一种典型中断请求的撤除电路。以按钮为例。当用户按下按钮时，按钮电路送来一个外部中断请求信号，使D触发器的Q端变为低电平，向51单片机发出一次中断请求。



图322中断请求撤除电路


51单片机接收到该中断请求后，在响应和处理时先执行如下指令： 



SETBP1.0




由P1.0引脚送出一个高电平，通过D触发器的S端使Q端输出强制变为高电平，从而撤除当前中断请求。之后，再执行如下指令： 



CLRP1.0




或者



CPLP1.0




将P1.0输出变为低电平。等到当用户再次按下按钮时，D触发器的Q端又可再次发出中断请求。

4. 中断响应

CPU一旦检测接收到中断请求，就应该及时予以处理。CPU暂停当前正在进行的处理和操作，转而处理中断事件的过程，称为中断响应。

(1) 中断响应的条件。

在系统运行过程中，并不是每个中断请求到来后都能及时得到CPU的响应和处理。也就是说，CPU接收到中断请求后，该中断请求要得到CPU的响应和处理，必须满足一定的条件。例如，由于中断请求是由外部电路送来的，而外部电路和单片机的工作是相对独立的，因此对CPU来说，接收到中断请求的时刻是随机的。当中断请求到来时，CPU可能正在执行某条指令。显然，必须要等到当前指令执行完毕后才能响应中断请求。

此外，当外部中断请求到来时，只是将TCON中的IE0或IE1位置位。中断请求必须进一步送到CPU，CPU才能响应和处理。在程序中，必须在中断请求到来前(一般在主程序一开始)执行如下指令： 



SETBEX0(EX1)

SETBEA




CPU才能真正接收到中断请求。

在上述两条指令中，EX0、EX1和EA是中断允许(Interrupt Enable，IE)寄存器(地址为0A8H)中的两位。该寄存器各位的含义如图323所示。



图323IE寄存器各位的含义


在上述两条指令中，第一条指令将IE中的EX0或EX1设为1，表示运行CPU响应外部中断0或1。第二条指令设置EA位为1，表示开放所有的中断，这相当于一个总开关。

当EA=1时，如果EX0=1，则允许CPU响应和处理外部中断0，称为开中断； 否则，如果用CLR指令将EA或EX0清0，外部中断0的中断请求将无法送到CPU，则CPU也就不会响应，称为关中断。

(2) 中断响应。

在中断响应过程中，将由单片机内部的硬件电路自动实现如下功能： 

 保护断点，也就是将PC的内容推入堆栈保存起来； 

 对边沿触发方式，将TCON中的IE0或IE1位复位； 

 将中断服务程序的入口地址送入PC，从而转入相应的中断服务程序。

由此可见，中断响应的过程与子程序调用是类似的，在中断响应的过程中，也要实现程序执行流程的切换。

51单片机一共有2个外部中断、2个或3个定时/计数器中断、一个串口中断，这些中断源的中断服务程序必须分别放在ROM中指定的单元，这些单元构成中断向量表，如表31所示。

如果中断服务程序实现的处理操作比较简单，长度不超过8字节，可以直接将中断服务程序代码放在表中对应的ROM单元。但是很多情况下，各中断源的中断服务程序都远远超过8字节。为此，一般在这些单元中存放一条长度只有2字节或3字节的转移指令AJMP或LJMP，而将中断服务程序真正的入口地址(一般为标号)作为这两条转移指令的操作数。


表31ROM中的中断向量表




ROM单元地址对应的中断源

0003H外部中断0
000BH定时/计数器0中断
0013H外部中断1
001BH定时/计数器1中断
0023H串口中断

002BH定时/计数器2中断(仅52子系列有)


当CPU响应某个中断请求时，将根据接收到的中断请示对应的是哪个中断源，自动跳转到表中对应的单元，执行其中存放的中断服务程序，或者执行转移指令跳转到真正的中断服务程序。

在动手实践34的程序p3_4_2.asm中，利用中断技术实现按钮状态的检测，用到了外部中断0，因此必须在地址为0003H开始的单元安排一条无转移指令AJMP、LJMP或SJMP，跳转到按钮的中断服务程序，相关的程序代码如下： 



ORG 0003H; 指定AJMP指令存放的单元

AJMPINT0_DEL; 跳转到真正的中断服务程序




5. 中断服务程序

一般来说，一个单片机系统会有很多中断源和中断请求，而每个中断源需要CPU实现的操作和服务处理、发出中断请求后要实现的功能是各不相同的。为每个中断源分别编写，实现中断服务处理的程序称为中断服务子程序，或者简称为中断服务程序。

中断服务程序类似于子程序。但是中断服务程序中最后执行的指令必须是中断返回指令RETI，其作用相当于普通子程序中的RET指令，执行后将从堆栈中取出断点，从而返回中断请求发生前CPU正在执行的主程序。

需要强调的是，从程序本身来看，主程序与中断服务程序之间没有关系，是相互独立的。中断服务程序什么时候得到执行，在编写程序时是无法确定的，完全取决于运行时中断请求什么时候到来。基于此，在画程序流程图时，主程序和中断服务程序的流程图必须分开绘制。在分析程序时，必须考虑到上述中断响应和程序流程的切换过程，从而将主程序和中断服务程序联系起来。

例如，在动手实践34的程序p3_4_2.asm中，当执行到主程序最后的死循环时，CPU不断重复执行SJMP $指令，等待按钮电路发来中断请求。一旦用户按下按钮，就立即向CPU发出中断请求。如果条件允许，则CPU响应中断，暂时停止主程序的执行，通过上述中断响应过程跳转到按钮的中断服务程序。中断服务处理完毕后，再返回到主程序中的死循环，继续等待下一次按钮按下。如果在系统运行过程中，用户始终未按下按钮，则中断服务程序将永远不会执行。图324给出了程序p3_4_2.asm的流程图。



图324程序p3_4_2.asm的流程图

3.4牛气冲天——实战进阶

前面通过几个案例介绍了与并口基本数据输入/输出功能和51单片机外部中断相关的基本概念及典型用法，本节将继续介绍上述基本概念的综合应用及知识拓展。

3.4.1外部中断源的扩展

实际系统中可能所需的外部中断远不止一个或两个。为了实现外部中断源的扩展，即能够通过51单片机的两个外部中断请求引脚引入更多的外部中断请求，从电路上说，可以将多个中断请求通过基本的门电路组合合并为一个中断请求，然后通过同一个引脚送入51单片机。

由于每个中断请求要求得到的中断服务和处理各不相同，因此在程序上还需要进一步区分当前中断请求具体是由哪个中断源(例如哪个按钮)引起的。为此，可以将各中断请求信号再分别通过不同的并口引脚送入51单片机。

在程序中，一旦检测到有外部中断请求时，再从某个并口读入各按钮的中断请求信号，并依次判断相应的各位是否为低电平。当检测到某位为低电平时，即可确定是由对应的按钮发出的中断请求，据此继续做其他操作。

下面通过实际案例体会中断源扩展的基本方法。

动手实践35： 多个按钮状态的检测 

本案例的原理图如图325所示(参见Proteus工程文件ex3_5.pdsprj)。电路中共有4个按钮，要求采用中断方式实现各按钮状态的检测。当按下某个按钮时，用8个LED显示按钮序号对应的ASCII码。例如，按下按钮B1时，其序号1的ASCII码为31H=00110001B，则从左往右第3、4、8个LED点亮，其他LED熄灭。

该电路的工作原理是： 只要有一个按钮按下，则与门U2输出端产生一个负跳变，向51单片机发出一个中断请求。一旦有按钮按下，再通过程序继续检测和识别具体是哪个按钮按下，据此实现不同的操作。



图325多个按钮状态的检测


本案例完整的程序代码如下(参见文件p3_5.asm)： 



; 多个按钮状态的检测——中断方式

BTBITP3.2; 将按钮状态输入引脚P3.2定义为位变量BT

LEDEQUP1; 将控制LED的P1口定义为符号常量LED

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H

AJMPIDEL; 外部中断0服务程序入口

;===========================================================

;主程序

;===========================================================

ORG0100H

MAIN:MOVSP,#60H; 设置堆栈指针

MOVP2,#0FH; P2口低4位输出高电平

SETBBT; P3.2先输出高电平

MOVLED,#0FFH; 初始熄灭所有LED

SETBIT0; 设置外部中断0，边沿触发方式	

SETBEX0; 开中断

SETBEA

SJMP$; 死循环，等待按钮按下

;===========================================================

;外部中断0中断服务程序

;===========================================================  

IDEL:JBP2.0,NEXT1; 按钮B1按下？







MOVA,#31H; 是，将1的ASCII码31H存入A

SJMPDONE; 跳转

NEXT1:JBP2.1,NEXT2; 按钮B2按下？

MOVA,#32H; 是，将2的ASCII码32H存入A

SJMPDONE

NEXT2:JBP2.2,NEXT3; 按钮B2按下？

MOVA,#33H; 是，将3的ASCII码32H存入A

SJMPDONE

NEXT3:MOVA,#34H; B4按下，将4的ASCII码34H存入A

DONE:CPLA

MOVLED,A; 输出控制LED显示ASCII码

RETI; 中断返回 

END





在上述程序的主程序中，首先做了如下一系列初始化操作： 

 设置堆栈指针； 

 由于P2口的低4位和P3.2引脚用作输入口，因此需要先将这些引脚置1； 

 初始熄灭所有LED； 

 与中断相关的初始化设置(设置外部中断的触发方式、开中断)。

在接下来不断重复执行SJMP指令的过程中，等待按钮按下。一旦有按钮按下，则51单片机响应中断请求，转到中断服务程序。

在中断服务程序中，主要是利用3条JB指令依次检测P2.0~P2.3是否为高电平。如果是，则表示相应引脚连接的按钮没有按下，继续检测下一个按钮。否则，相应按钮按下，则将相应按钮序号1~4的ASCII码存入累加器A，最后将其取反后由P1口输出控制LED的亮灭。

3.4.2中断优先级的简单理解

在动手实践35的中断服务程序中，对各按钮检测的顺序依次是P2.0~P2.3。当检测到P2.0=0时，意味着P2.0引脚连接的按钮B1有中断请求，此时跳转到标号为DONE的语句，执行对应的操作后返回主程序，不再执行循环中后面的其他JB指令。

由此可见，只有检测到按钮B1没有按下时，才能执行检测按钮B2是否按下的操作； 只有按钮B1和B2都没有按下时，才能继续检测按钮B3是否按下，……。

上述执行过程意味着，只有当按钮B1没有按下时，按钮B2的中断请求才能得到响应。同理，只有按钮B2没有按下时，才可能响应按钮B3的中断请求，……。因此说按钮B1的中断优先级高于按钮B2，按钮B2的中断优先级高于按钮B3，……。显然，上述各条JB指令检测P2口各位的顺序可以任意规定。对P2口各位的检测顺序决定了各按钮中断的优先级别。这就是中断优先级(Priority of Interruption)表示的含义和实现的功能。

本章小结


本章介绍了51单片机内部集成的并行I/O接口及其连接输出设备时的基本用法，并初步认识了51单片机的外部中断及其应用。

1. 并口及其基本用法

(1) 51单片机内部集成了4个并口，可以分别连接4个并行外部设备(例如8个LED、8个开关或按钮等)。硬件连接时，P0口必须外接上拉电阻，其他3个并口不需要上拉电阻。

(2) 51单片机通过4个并口可以实现字节操作，也可以实现位操作。在程序中用MOV指令既可通过并口实现字节数据的输入或输出，也可以用位操作指令实现位操作，控制指定的某个并口引脚输出高/低电平，或者读取某个给定并口引脚的高/低电平状态。

(3) 当并口用于连接输入外部设备时，在从并口读取数据前，必须用指令先使所用的并口或引脚输出高电平，否则外部电路无法使并口引脚的高/低电平正确变化。

(4) LED、开关和按钮是在51单片机应用系统中常用的开关器件，利用并口可以很方便地对其实时控制，这些器件与51单片机的连接电路大都是典型的标准电路。设计LED电路时，主要考虑其限流电阻的问题； 设计开关和按钮电路时，主要考虑其消抖问题。

2. 单片机的指令系统

在本章所给的各动手实践案例中，编制的汇编语言程序主要用到51单片机指令系统中的位操作指令、条件转移指令、子程序的调用与返回指令等。

(1) 位操作指令是51单片机中功能强大、应用最频繁的指令。利用位操作指令可以设置指定并口引脚输出的高/低电平，检测指定并口引脚的电平状态，从而实现开关量的输入或输出。

(2) 利用条件转移指令可以很方便地实现程序的分支和循环，对开关量的输入和状态检测也大都利用条件转移指令和位转移指令实现。

(3) 在汇编语言程序中，利用各种条件转移指令可以很方便地实现分支和循环程序。编写程序时，关键是确定合适的转移条件，正确选用相应的条件转移指令。

(4) 与高级语言类似，在汇编语言程序中，通常将实现相同功能的程序段，或者功能相对独立的程序段单独编写为子程序，在主程序中需要的地方直接调用。在汇编语言程序中，子程序的调用和返回都有专门的指令实现，因此可以很直观地体会到子程序的调用和返回过程。

3. 单片机的中断系统与外部中断

中断是任何微机系统中都具备的一项重要技术，利用中断可以使CPU和外部设备同步工作，提高CPU的工作效率，并能使CPU对外部的某些特殊事件作出及时的反应。外部中断的一个典型应用就是实现开关通断状态和按钮动作的实时检测。

(1) 51单片机中的所有中断请求分为两大类，即内部中断和外部中断。所有的外部中断都是通过P3口的P3.2和P3.3引脚引入。

(2) 在硬件设计时，只需要将外部中断源电路连接到P3.2或P3.3引脚。当外部中断事件发生时，通过外部中断源电路使这两个引脚变为低电平或者出现负跳变，即可向CPU发出中断请求。

(3) 要使用外部中断，在程序中，必须首先设置外部中断的触发方式，之后开中断以便CPU接收到中断请求。这两项操作都是在主程序中的一开始，通过对特殊功能寄存器TCON中相应的位进行位操作设置实现的。之后，主程序中通过不断重复执行循环程序实现其他操作，同时等待中断请求的到来并响应和处理中断。

(4) 当CPU接收到外部中断请求后，在响应中断的过程中，将自动跳转到地址为0003H或0013H的ROM单元。大多数情况下，在这些单元中存放一条条件转移指令，以便跳转到相应的中断服务程序。

(5) 在汇编语言程序中，中断服务程序一般与主程序放在同一个程序文件中，一般放在主程序的后面，END语句之前。中断服务程序的最后必须是一条RETI指令。

(6) 51单片机只有两个引脚P3.2和P3.3能够引入外部中断。如果一个系统中的外部中断比较多，可以进行外部中断源的扩展。扩展时需要同时进行相应的外部电路和程序设计，这些设计都有典型的方法供参考。

思考练习

31填空题

(1) 在51单片机中，具有第二功能的并口是。

(2) 在51单片机中，存在漏极开路问题的并口是口，在用作普通并口时，必须在51单片机外部将该并口的各引脚接。

(3) 51单片机复位时，所有并口引脚都输出电平。

(4) 为了使51单片机的P1.7引脚输出低电平，可以使用指令，为了使P1口的全部引脚输出高电平，可以用指令实现。

(5) 已知P3=0FFH，则执行指令CPL P3.7后，P3.7引脚输出电平，P3=。

(6) 在位逻辑运算指令中，目的操作数必须是。

(7) 已知某程序中JZ LP指令汇编后的机器码为60H、0F0H，存放在ROM中0120H和0121H单元，则当A=时，执行该指令将跳转到地址为的单元。

(8) 已知某程序中DJNZ R7，LP指令汇编后的机器码为0DFH、20H，存放在ROM中011EH和011FH单元，则当R7=2和1时，执行该指令后将分别继续执行地址为和单元中存放的指令。


图326RAM单元

分配情况


(9) 在51单片机中，子程序和中断服务子程序最后执行的指令分别是和。

(10) 已知SP=4AH，则执行LCALL指令后，SP=。

(11) 已知SP=4AH，则执行RET指令后，SP=。

(12) 已知执行ACALL DLY指令后，内部RAM单元的分配情况如图326所示，并且当前栈顶为43H，则该子程序调用指令存放在ROM中地址为开始的单元。

(13) 在51单片机中，外部中断利用引脚或的第二功能引入51单片机。

(14) 不管响应哪个中断请求，都必须用指令开中断，为了响应外部中断0，还需要执行指令。

(15) 根据中断源所处的位置，51单片机的中断分为和两种。

32选择题

(1) 在51单片机的4个并口中，具有第二功能的是()。



A. P0B. P1C. P2D. P3

(2) 当并口用作普通输入口连接一个输入设备时，在程序中应先做的操作是()。

A. 输出低电平B. 输出高电平C. 输出D. 开中断

(3) 已知P1.7引脚上连接一个LED的阴极，则要点亮该LED，不能执行的指令是()。



A. CPLP1.7B. MOVP1,#7FH

C. CLRP1.7D. ANLP1,#7FH

(4) 已知P2.0引脚连接了一个LED的阳极，则要点亮该LED，可以用()指令实现。

A. CPLP2.0B. CLRP2.0

C. SETB 0A0HD. XRLP2,#1

(5) 执行指令CJNE A,#20H,NEXT时，不做的操作是()。

A. 将A中的数据与常数20H进行比较

B. 将A中的数据与20H相减，差存入A

C. 根据A和常数20H的相对大小，设置C标志位

D. 如果A≠20H，则跳转到NEXT标号处

(6) 已知SP=50H，则执行3次入栈操作和1次出栈操作后，SP=()。

A. 50HB. 51HC. 52HD. 53H

(7) 已知SP=50H，则执行子程序中的RET指令后，SP=()。

A. 50HB. 49HC. 4FHD. 4EH

(8) 在51单片机中，外部中断1的中断服务程序必须从ROM的()单元开始存放。

A. 0000HB. 0003HC. 0013HD. 0100H

33在图39中，已知LEDRED的参数如图327所示，计算限流电阻R1的阻值。



图327LEDRED的参数

34简述51单片机中当并口用作输入口时的基本操作步骤。

35在本章各动手实践案例中，都是用51单片机的并口引脚控制LED的阴极电平。如果用并口控制LED的阳极，而将阴极通过限流电阻接地，能否正常控制LED的亮灭？电路(包括元件参数)和控制程序该如何修改？

36写出实现下列功能的指令(假设LED都采用共阳极接法)： 

(1) 将P1口各引脚连接的所有LED亮/灭切换一次； 

(2) 将P1.7~P1.4口连接的4个LED熄灭，另外4个引脚连接的LED保持原来的亮/灭状态； 

(3) 要求用字节操作指令将P1.7引脚连接的LED点亮，而其余7个LED的亮/灭状态保持不变。

37已知常数1000事先已经存入R6(低字节)和R7(高字节)，分别分析如下两个循环程序实现的功能。假设51单片机的时钟频率为6 MHz，执行两个循环分别需要多少时间？



(1) NEXT:CLRC(2) LP:MOVA,R7

MOVA,R6DECR7

SUBBA,#1MOVR2,0x06

MOVR6,AJNZCON

MOVA,R7DECR6

SUBBA,#0CON：ORLA,R2

MOVR7,AJZDONE

ORLA,R6SJMPLP

JNZNEXTDONE:…






38已知R6=10H，R7=20H，A=00H，SP=40H，执行如下程序段： 



PUSHACC

PUSH06H

PUSH07H

POP06H

POP07H





(1) 当执行完第3条指令后，画出堆栈的存储单元分配图； 

(2) 当执行完上述程序段后，A=，R6=，R7=，SP=。

39如下汇编语言程序段实现的功能是： 将内部RAM从地址为30H开始的单元中存放的数据进行累加。当累加和刚超过200时，点亮LED(LED阴极接P1.0)。将程序补充完整，每处横线位置只能填一条指令。



 ; 初始熄灭LED

CLRA

MOVR0,#30H

LP:; 累加

INC R0

; 累加和超过200？

NEXT:; 否，则继续

; 是，则点亮LED





310如下汇编语言程序段实现的功能是： 将内部RAM中30H~37H单元的数据传送到34H开始的单元。将程序补充完整，每处横线位置只能填一条指令。



MOVR0,#37H; 设置目的和源起始地址

MOVR1,#3BH

MOVR7,#8; 设置数据个数

LP:; 传送1字节



; 修改地址



; 循环





综合设计

31编写完整的汇编语言程序实现如下功能(要求加上必要的注释)： 

(1) 子程序DISP实现如下功能： 根据R0入口参数中的字节数据点亮或熄灭相应的LED。例如，假设调用该子程序时R0=0F0H，则点亮L1~L4并熄灭L5~L8，其中8个LED分别采用共阳极接法与51单片机的P2.0~P2.7相连接。

(2) 主程序中调用上述子程序，从P1口读入开关数据并点亮相应的LED。

32在ROM中从0200H单元开始存放有20个有符号数，编制完整的汇编语言程序实现如下功能(要求加上必要的注释)： 

(1) 统计其中非负数的个数(提示： 默认情况下，有符号数在51单片机中都用补码表示，负数补码的最高位为1)。

(2) 将统计结果转换为BCD码，并用8个LED显示。假设LED采用共阳极接法与P1口相连接。

33编写子程序实现一个通用延时子程序，延时的时间由子程序的入口参数确定。在主程序中调用该子程序，控制一个LED以不同的时间间隔进行闪烁。例如，亮1 s、灭2 s、亮1 s、……。

34在51单片机系统中，有两个LED L1和L2分别连接在P1.0和P1.1引脚，用两个按钮B1和B2分别作为两个外部中断INT0和INT1，采用中断方式控制两个LED的闪烁。要求初始两个灯都点亮。当按动按钮B1时，L1闪烁，直到按动按钮B2； 当按动按钮B2时，L2闪烁，直到按动按钮B1。

(1) 画出单片机与LED和按钮的连接电路。

(2) 编制主程序和中断服务程序。