單片機第二十課：中斷系統(tǒng)


有關(guān)中斷的概念 

什么是中斷，我們從一個生活中的例子引入。你正在家中看書，突然電話鈴響了，你放下書本，去接電話，和來電話的人交談，然后放下電話，回來繼續(xù)看你的書。這就是生活中的“中斷”的現(xiàn)象，就是正常的工作過程被外部的事件打斷了。

仔細研究一下生活中的中斷，對于我們學(xué)習(xí)單片機的中斷也很有好處。第一、什么可經(jīng)引起中斷，生活中很多事件可以引起中斷：有人按了門鈴了，電話鈴響了，你的鬧鐘鬧響了，你燒的水開了….等等諸如此類的事件，我們把可以引起中斷的稱之為中斷源，單片機中也有一些可以引起中斷的事件，8031中一共有5個：兩個外部中斷，兩個計數(shù)/定時器中斷，一個串行口中斷。

第二、中斷的嵌套與優(yōu)先級處理：設(shè)想一下，我們正在看書，電話鈴響了，同時又有人按了門鈴，你該先做那樣呢？如果你正是在等一個很重要的電話，你一般不會去理會門鈴的，而反之，你正在等一個重要的客人，則可能就不會去理會電話了。如果不是這兩者（即不等電話，也不是等人上門），你可能會按你通常的習(xí)慣去處理。總之這里存在一個優(yōu)先級的問題，單片機中也是如此，也有優(yōu)先級的問題。優(yōu)先級的問題不僅僅發(fā)生在兩個中斷同時產(chǎn)生的情況，也發(fā)生在一個中斷已產(chǎn)生，又有一個中斷產(chǎn)生的情況，比如你正接電話，有人按門鈴的情況，或你正開門與人交談，又有電話響了情況。考慮一下我們會怎么辦吧。

第三、中斷的響應(yīng)過程：當(dāng)有事件產(chǎn)生，進入中斷之前我們必須先記住現(xiàn)在看書的第幾頁了，或拿一個書簽放在當(dāng)前頁的位置，然后去處理不同的事情（因為處理完了，我們還要回來繼續(xù)看書）：電話鈴響我們要到放電話的地方去，門鈴響我們要到門那邊去，也說是不同的中斷，我們要在不同的地點處理，而這個地點通常還是固定的。計算機中也是采用的這種方法，五個中斷源，每個中斷產(chǎn)生后都到一個固定的地方去找處理這個中斷的程序，當(dāng)然在去之前首先要保存下面將執(zhí)行的指令的地址，以便處理完中斷后回到原來的地方繼續(xù)往下執(zhí)行程序。具體地說，中斷響應(yīng)可以分為以下幾個步驟：1、保護斷點，即保存下一將要執(zhí)行的指令的地址，就是把這個地址送入堆棧。2、尋找中斷入口，根據(jù)5個不同的中斷源所產(chǎn)生的中斷，查找5個不同的入口地址。以上工作是由計算機自動完成的，與編程者無關(guān)。在這5個入口地址處存放有中斷處理程序（這是程序編寫時放在那兒的，如果沒把中斷程序放在那兒，就錯了，中斷程序就不能被執(zhí)行到）。3、執(zhí)行中斷處理程序。4、中斷返回：執(zhí)行完中斷指令后，就從中斷處返回到主程序，繼續(xù)執(zhí)行。

究竟單片機是怎么樣找到中斷程序所在位置，又怎么返回的呢？我們稍后再談。


MCS-51中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)： 

如圖（抱歉，本圖請找本51書看一下）所示，由與中斷有關(guān)的特殊功能寄存器、中斷入口、順序查詢邏輯電路等組成，包括5個中斷請求源，4個用于中斷控制的寄存器IE、IP、ECON和SCON來控制中斷 類弄、中斷的開、關(guān)和各種中斷源的優(yōu)先級確定。


中斷請求源： 

（1）外部中斷請求源：即外中斷0和1，經(jīng)由外部引腳引入的，在單片機上有兩個引腳，名稱為INT0、INT1，也就是P3.2、P3.3這兩個引腳。在內(nèi)部的TCON中有四位是與外中斷有關(guān)的。

IT0：INT0觸發(fā)方式控制位，可由軟件進和置位和復(fù)位，IT0=0，INT0為低電平觸發(fā)方式，IT0=1，INT0為負跳變觸發(fā)方式。這兩種方式的差異將在以后再談。

IE0：INT0中斷請求標志位。當(dāng)有外部的中斷請求時，這位就會置1（這由硬件來完成），在CPU響應(yīng)中斷后，由硬件將IE0清0。

IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。

（2）內(nèi)部中斷請求源

TF0：定時器T0的溢出中斷標記，當(dāng)T0計數(shù)產(chǎn)生溢出時，由硬件置位TF0。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后，再由硬件將TF0清0。

TF1：與TF0類似。

TI、RI：串行口發(fā)送、接收中斷，在串口中再講解。

2、中斷允許寄存器IE

在MCS－51中斷系統(tǒng)中，中斷的允許或禁止是由片內(nèi)可進行位尋址的8位中斷允許寄存器IE來控制的。見下表

EA
 X
 X
 ES
 ET1
 EX1
 ET0
 EX0
 

其中EA是總開關(guān)，如果它等于0，則所有中斷都不允許。

ES－串行口中斷允許

ET1－定時器1中斷允許

EX1－外中斷1中斷允許。

ET0－定時器0中斷允許

EX0－外中斷0中斷允許。

如果我們要設(shè)置允許外中斷1，定時器1中斷允許，其它不允許，則IE可以是

EA
 X
 X
 ES
 ET1
 EX1
 ET0
 EX0
 
1
 0
 0
 0
 1
 1
 0
 0
 

即8CH，當(dāng)然，我們也可以用位操作指令

SETB EA
SETB ET1

SETB EX1

來實現(xiàn)它。

3、五個中斷源的自然優(yōu)先級與中斷服務(wù)入口地址

外中斷0：0003H

定時器0：000BH

外中斷1：0013H

定時器1：001BH

串口 ：0023H

它們的自然優(yōu)先級由高到低排列。

寫到這里，大家應(yīng)當(dāng)明白，為什么前面有一些程序一始我們這樣寫：

ORG 0000H

LJMP START

ORG 0030H

START：

。

。

。

這樣寫的目的，就是為了讓出中斷源所占用的向量地址。當(dāng)然，在程序中沒用中斷時，直接從0000H開始寫程序，在原理上并沒有錯，但在實際工作中最好不這樣做。

優(yōu)先級：單片機采用了自然優(yōu)先級和人工設(shè)置高、低優(yōu)先級的策略，即可以由程序員設(shè)定那些中斷是高優(yōu)先級、哪些中斷是低優(yōu)先級，由于只有兩級，必有一些中斷處于同一級別，處于同一級別的，就由自然優(yōu)先級確定。

開機時，每個中斷都處于低優(yōu)先級，我們可以用指令對優(yōu)先級進行設(shè)置。看表2

中斷優(yōu)先級中由中斷優(yōu)先級寄存器IP來高置的，IP中某位設(shè)為1，相應(yīng)的中斷就是高優(yōu)先級，否則就是低優(yōu)先級。


X
 X
 X
 PS
 PT1
 PX1
 PT0
 PX0
 


例：設(shè)有如下要求，將T0、外中斷1設(shè)為高優(yōu)先級，其它為低優(yōu)先級，求IP的值。

IP的首3位沒用，可任意取值，設(shè)為000，后面根據(jù)要求寫就可以了

X
 X
 X
 PS
 PT1
 PX1
 PT0
 PX0
 　
 　
 　
 　
 　
 　
 　
 　
 
0
 0
 0
 0
 0
 1
 1
 0
 　
 　
 　
 　
 　
 　
 　
 　
 

因此，最終，IP的值就是06H。

例：在上例中，如果5個中斷請求同時發(fā)生，求中斷響應(yīng)的次序。

響應(yīng)次序為：定時器0－＞外中斷1－＞外中斷0－＞實時器1－＞串行中斷。


MCS－51的中斷響應(yīng)過程： 

1、中斷響應(yīng)的條件：講到這兒，我們依然對于計算機響應(yīng)中斷感到神奇，我們?nèi)丝梢皂憫?yīng)外界的事件，是因為我們有多種“傳感器“――眼、耳可以接受不同的信息，計算機是如何做到這點的呢？其實說穿了，一點都不希奇，MCS51工作時，在每個機器周期中都會去查詢一下各個中斷標記，看他們是否是“1“，如果是1，就說明有中斷請求了，所以所謂中斷，其實也是查詢，不過是每個周期都查一下而已。這要換成人來說，就相當(dāng)于你在看書的時候，每一秒鐘都會抬起頭來看一看，查問一下，是不是有人按門鈴，是否有電話。。。。很蠢，不是嗎？可計算機本來就是這樣，它根本沒人聰明。

了解了上述中斷的過程，就不難解中斷響應(yīng)的條件了。在下列三種情況之一時，CPU將封鎖對中斷的響應(yīng)：


CPU正在處理一個同級或更高級別的中斷請求。 


現(xiàn)行的機器周期不是當(dāng)前正執(zhí)行指令的最后一個周期。我們知道，單片機有單周期、雙周期、三周期指令，當(dāng)前執(zhí)行指令是單字節(jié)沒有關(guān)系，如果是雙字節(jié)或四字節(jié)的，就要等整條指令都執(zhí)行完了，才能響應(yīng)中斷（因為中斷查詢是在每個機器周期都可能查到的）。 


當(dāng)前正執(zhí)行的指令是返回批令（RETI）或訪問IP、IE寄存器的指令，則CPU至少再執(zhí)行一條指令才應(yīng)中斷。這些都是與中斷有關(guān)的，如果正訪問IP、IE則可能會開、關(guān)中斷或改變中斷的優(yōu)先級，而中斷返回指令則說明本次中斷還沒有處理完，所以都要等本指令處理結(jié)束，再執(zhí)行一條指令才可以響應(yīng)中斷。 

2、中斷響應(yīng)過程

CPU響應(yīng)中斷時，首先把當(dāng)前指令的下一條指令（就是中斷返回后將要執(zhí)行的指令）的地址送入堆棧，然后根據(jù)中斷標記，將相應(yīng)的中斷入口地址送入PC，PC是程序指針，CPU取指令就根據(jù)PC中的值，PC中是什么值，就會到什么地方去取指令，所以程序就會轉(zhuǎn)到中斷入口處繼續(xù)執(zhí)行。這些工作都是由硬件來完成的，不必我們?nèi)タ紤]。這里還有個問題，大家是否注意到，每個中斷向量地址只間隔了8個單元，如0003－000B，在如此少的空間中如何完成中斷程序呢？很簡單，你在中斷處安排一個LJMP指令，不就可以把中斷程序跳轉(zhuǎn)到任何地方了嗎？

一個完整的主程序看起來應(yīng)該是這樣的：

ORG 0000H

LJMP START

ORG 0003H

LJMP INT0 ；轉(zhuǎn)外中斷0

ORG 000BH

RETI ；沒有用定時器0中斷，在此放一條RETI，萬一 “不小心“產(chǎn)生了中斷，也不會有太大的后果。

。

。

。

。

中斷程序完成后，一定要執(zhí)行一條RETI指令，執(zhí)行這條指令后，CPU將會把堆棧中保存著的地址取出，送回PC，那么程序就會從主程序的中斷處繼續(xù)往下執(zhí)行了。注意：CPU所做的保護工作是很有限的，只保護了一個地址，而其它的所有東西都不保護，所以如果你在主程序中用到了如A、PSW等，在中斷程序中又要用它們，還要保證回到主程序后這里面的數(shù)據(jù)還是沒執(zhí)行中斷以前的數(shù)據(jù)，就得自己保護起來。