第5章 MCS-51单片微型计算机的输入输出和中断系统

1、计算机基本输入计算机基本输入/输出接口概述输出接口概述 n 计算机在实际应用中，程序、数据或从现场计算机在实际应用中，程序、数据或从现场 采集到的各种信号要通过输入设备送到计算机中采集到的各种信号要通过输入设备送到计算机中 去处理。计算机处理后的结果或各种控制信号要去处理。计算机处理后的结果或各种控制信号要 输出到输出装置或执行机构，以便显示、打印或输出到输出装置或执行机构，以便显示、打印或 实现各种控制动作。常用的输入装置有键盘和各实现各种控制动作。常用的输入装置有键盘和各 种现场采集装置；输出装置有打印机、显示器和种现场采集装置；输出装置有打印机、显示器和 现场执行机构。现场执行机构。 I

2、/O设备种类设备种类:有电子式、机械式及其它各种形式。有电子式、机械式及其它各种形式。 速度差异速度差异:有秒级、毫秒级、微秒级有秒级、毫秒级、微秒级 信号类型信号类型:有数字量、模拟量、开关量。有数字量、模拟量、开关量。 数据的格式有串行、并行等。数据的格式有串行、并行等。 因此，外围设备一般不能与计算机直接相连，必因此，外围设备一般不能与计算机直接相连，必 须通过专门的中介电路须通过专门的中介电路接口，才能与接口，才能与CPU进行进行 信息交换。信息交换。 I/O接口接口:用于连接用于连接CPU与与I/O设备的所有接设备的所有接 口统称为口统称为I/O接口。接口。 某些通用集成电路芯片可以

3、用作某些通用集成电路芯片可以用作I/O接口，接口， 如如74LS373、74LS165等。等。 更大量的更大量的I/O接口芯片是专门为计算机设计接口芯片是专门为计算机设计 的，如的，如ADC0809、MAX232、8279等。等。 I/O接口电路应有以下功能：接口电路应有以下功能： 1）数据缓冲： 2）信号变换： 3）电平转换： 4）传送控制命令和状态信息： n 计算机与外围设备间传送三种信息：数据计算机与外围设备间传送三种信息：数据 信息、状态信息和控制信息。如计算机与打印机信息、状态信息和控制信息。如计算机与打印机 接接 口时，首先计算机将待打印的字符代码（数据信口时，首先计算机将待打印的

4、字符代码（数据信 息）送入电路锁存，同时通过息）送入电路锁存，同时通过I/OI/O电路送出控制电路送出控制 信息启动打印机接收字符代码并打印一行字符。信息启动打印机接收字符代码并打印一行字符。 打印完后，打印机要通过打印完后，打印机要通过I/OI/O电路向计算机发出电路向计算机发出 打印机打印机“空闲空闲”的状态信息，要求计算机再次输的状态信息，要求计算机再次输 出数据。出数据。 输入输入/输出的编址方式输出的编址方式 1I/O接口与存储器统一编址接口与存储器统一编址 2I/O接口单独编址接口单独编址 输入输入/输出的工作方式输出的工作方式 1、无条件传送方式、无条件传送方式 2、查询传送方式

5、、查询传送方式 3中断传送方式中断传送方式 4.直接数据信道传送（直接数据信道传送（DMA）方式）方式 图5-3 查询方式输入接口电路 P0.7 P0.0 8051 ALE RD 地 址 锁 存 器 三 态 缓 冲 器 数 据 锁 存 器 Q RD D C 1 A7 1 D0 输 入 装 置 8位 数据 VCC 选通 A3 如何编程读取输入装置数据 MOV R0,#0FEH ;指向状态端口 TEST: MOVX A,R0 ;读取状态信息 JNB ACC.0,TEST ;输入装置准备好吗？ ；D0=0继续等待 DEC R0 ;数据准备好，指向数据端口 MOVX A,R0;读入数据 MCS-51系

6、列单片机输入系列单片机输入/输出端口控制输出端口控制 MCS-51系列单片机输入系列单片机输入/输出概述输出概述 MCS-51系列单片机有系列单片机有4个个8位双向并行输入位双向并行输入/输输 出（出（I/O）端口：）端口：P0、P1、P2和和P3，共，共32位，位，P0口口 为三态双向口，可驱动为三态双向口，可驱动8个个TTL电路，电路，P1、P2、P3 口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平）。口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平）。 此四个端口都可以做为单独的输入或输出使此四个端口都可以做为单独的输入或输出使 用，即每一支用，即每一支I/O脚位都可以做输入用，也可以做脚位都可以

7、做输入用，也可以做 为输出使用。当做为输出时，则每一只管脚可位编为输出使用。当做为输出时，则每一只管脚可位编 程输出高电平程输出高电平“1”或低电平或低电平“0”驱动外部电路。驱动外部电路。 实际应用中，实际应用中，P0口用于输出外部存储器口用于输出外部存储器 的低的低8位地址，并分时复用作为与外部存储位地址，并分时复用作为与外部存储 器连接的数据总线口；器连接的数据总线口；P2口用于输出高口用于输出高8位位 地址；地址；P3口常用于特殊功能寄存器。只有口常用于特殊功能寄存器。只有P1 口是留给用户使用的基本口是留给用户使用的基本I/O口，供用户使口，供用户使 用。用。 MCS-51单片机输入

8、输出（单片机输入输出（I/O）端口编程）端口编程 n P1口既可以做输入端口又可以做输出端口。口既可以做输入端口又可以做输出端口。 在我们所用的实验板中，在我们所用的实验板中，P1口通过反向驱动电路口通过反向驱动电路 ULN2003控制数码管工作。控制数码管工作。 n 试根据实验板试根据实验板I/O控制端口原理图，设计通过控制端口原理图，设计通过 89S51单片机的单片机的P1口控制二极管发光（要求用软口控制二极管发光（要求用软 件延时使其产生动态效果）。根据硬件原理，通件延时使其产生动态效果）。根据硬件原理，通 过过P1口可控制发光二极管及蜂鸣器工作。口可控制发光二极管及蜂鸣器工作。I/O口

9、口 控制原理图如图控制原理图如图5-5所示。所示。 硬件电路分析：硬件电路分析： n图中反向驱动放大器图中反向驱动放大器ULN2003接发光二极接发光二极 管阴极，发光二极管阳极通过限流电阻接管阴极，发光二极管阳极通过限流电阻接+5V电电 源（限流电阻的计算应以发光二极管亮度满足要源（限流电阻的计算应以发光二极管亮度满足要 求即可。电流小，亮度不够；电流大，耗电、影求即可。电流小，亮度不够；电流大，耗电、影 响二极管寿命，一般二极管电流为响二极管寿命，一般二极管电流为15mA左右）。左右）。 nJ2为为3列列8行排针，排针的行排针，排针的1、4、7、10、13、 16、19接接ULN2003的

10、输入，的输入，3、6、9、12、15、 18、21、24为排针的中间引脚，为排针的中间引脚，2、5、8、11、 14、17、20、23接接89S51的的P1口。口。 n要由编程控制发光二极管发光，要由编程控制发光二极管发光，ULN2003必须必须 输出低电平，而输出低电平，而ULN2003的输入必须接的输入必须接89S51的的P1 口，才能通过软件编程控制二极管发光，所以应借口，才能通过软件编程控制二极管发光，所以应借 助短路环将助短路环将J2中的（中的（1、2）、（）、（4、5）、（）、（7、8）、）、 （10、11）、（）、（19、20）短接。）短接。 n将将J15中的（中的（1、2）、（

11、）、（4、5）用短路环短接。）用短路环短接。 n硬件电路检测。线路接好后，用万用表电阻档检硬件电路检测。线路接好后，用万用表电阻档检 测测89S51的的P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16是是 否与否与ULN2003的输入的输入1、2、3、4、5、6、7接通。若接通。若 接通，硬件电路连接正常，若不通，应检查线路硬件接通，硬件电路连接正常，若不通，应检查线路硬件 故障，直至接通为止（注意：不能测故障，直至接通为止（注意：不能测P10、P11、 P12、P13与与ULN2003的输出端）的输出端） 软件编程分析：软件编程分析： 1）通过置位指令或字节传送指令使）通过置位指令或字

12、节传送指令使P10P16输出输出 为为“1”时，通过时，通过ULN2003输出为输出为“0”，则，则LED亮、亮、 蜂鸣器叫；当蜂鸣器叫；当P1口输出为口输出为“0”时，时，LED熄灭、蜂熄灭、蜂 鸣器停。鸣器停。 2）要让二极管发光，必使）要让二极管发光，必使P1端口为高电平端口为高电平 SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 SETB P1.3 SETB P1.4 SETB P1.5 SETB P1.6 或 MOV P1,#7FH 软件延时子程序软件延时子程序:入口参数入口参数R7、 R6， 出口：参数出口：参数 无无 DELAY:MOV R7,#0FH;2us DEL

13、A0:MOV R6,#20H;2us DELA1:NOP;1us DJNZ R6,DELA1;2us DJNZ R7,DELA0;2us RET;2us 软件延时子程序的执行时间计算：晶振选软件延时子程序的执行时间计算：晶振选12MHZ 2+2+(1+2)*32+2*15+2=1504 us 若需要其它的延时时间可在上述程序中再加循环层或减若需要其它的延时时间可在上述程序中再加循环层或减 少循环层。少循环层。 实验二实验二 I/O端口实验端口实验 计算机中的中断请求与控制计算机中的中断请求与控制 1、CPU中断请求与控制中断请求与控制 当当CPU正在处理某件事情时，发生了正在处理某件事情时，发

14、生了 更紧急的事件请求更紧急的事件请求CPU处理，此时，处理，此时，CPU 暂停当前工作，转去处理紧急事件即响应暂停当前工作，转去处理紧急事件即响应 中断服务程序。中断服务程序处理完后，中断服务程序。中断服务程序处理完后， CPU回到原工作地点继续原来的工作，这回到原工作地点继续原来的工作，这 一过程称为中断。如图一过程称为中断。如图5-4所示所示 图图5-4 中断响应过程中断响应过程 2、中断的优点、中断的优点 1）计算机与其他设备多任务同时工作、分）计算机与其他设备多任务同时工作、分 时操作，提高了计算机的利用率；时操作，提高了计算机的利用率； 2）实时处理控制系统中的各种信息，提高）实时

15、处理控制系统中的各种信息，提高 了计算机的灵活性；了计算机的灵活性； 3）使计算机及时处理故障等突发事件，提）使计算机及时处理故障等突发事件，提 高了可靠性。高了可靠性。 图图5-6 中断系统的结构框图中断系统的结构框图 中断系统有五个中断源中断系统有五个中断源 外部中断源外部中断源 1）INT0（入口地址（入口地址0003H） ，外部中断，外部中断0。 由由P3.2端口线引入，低电平或下降沿引起。端口线引入，低电平或下降沿引起。 2) INT1 （入口地址（入口地址0013H） ，外部中断，外部中断1。 由由P3.3端口线引入，低电平或下降沿引起。端口线引入，低电平或下降沿引起。 内部中断源

16、内部中断源 3）T0 （入口地址（入口地址000BH）：定时）：定时/计数器计数器0 中断，由中断，由T0回零溢出引起。回零溢出引起。 4）T1 （入口地址（入口地址001BH） ：定时定时/计数器计数器1 中断，由中断，由T1回零溢出引起。回零溢出引起。 5）TI/RI （入口地址（入口地址0023H） ：串行串行I/O中中 断，完成一帧字符发送断，完成一帧字符发送/接收引起。接收引起。 中断控制所涉及的寄存器中断控制所涉及的寄存器 1、 定时控制寄存器定时控制寄存器TCON 每一种工作方式的启动、计数、停止及溢出标志由每一种工作方式的启动、计数、停止及溢出标志由 TCON控制。定时器控制字

17、控制。定时器控制字TCON的格式如下：的格式如下： 外部 中断 1的 触发 工作 方式 外部外部 中断中断1 1 的中的中 断请断请 求标求标 志位志位 外部外部 中断中断0 0 的中的中 断请断请 求标求标 志位志位 外部 中断 0的 触发 工作 方式 根据硬件设计根据硬件设计 软件设置软件设置 看边沿触发的电平变化。看边沿触发的电平变化。 机器周期机器周期 机器周期机器周期 CPU CPU 响应外部中断的过程响应外部中断的过程: : CPU CPU检测到检测到INT0INT0电平由高到低变化电平由高到低变化 时，时， IT0 CPU 响应中断为止响应中断为止 2、中断允许寄存器、中断允许寄

18、存器IE（A8H） IE在特殊功能寄存器中，字节地址在特殊功能寄存器中，字节地址A8H，位地址分别是位地址分别是 A8HAFH。IE控制控制CPU对中断源总的开放或禁止以及每个对中断源总的开放或禁止以及每个 中断源是否允许中断。其格式如图所示。中断源是否允许中断。其格式如图所示。 0：关INT 中断 0 1：开INT 中断0 0：关T 中断 1：开T 中断 0 0 1：开T 中断 0：关T 中断 0：关INT 中断 1：开INT 中断 1 1 1 1 0：关T 中断 1：开T 中断2 2 1：开所有中断 0：关所有中断 1：开串行口中断 0：关串行口中断 位地址 IEEA AFAD ET AC

19、 ES AB ET AA EX A9 ET A8 EX00112 3、SCONSCON串行口寄存器串行口寄存器 SCONSCON串行口寄存器的位状态锁存发送串行口寄存器的位状态锁存发送 TITI、接收、接收RIRI中断标志中断标志 nTI（SCON.1）：串行口发送中断标志位。当）：串行口发送中断标志位。当CPU将一将一 个数据写入串行口发送缓冲区个数据写入串行口发送缓冲区SBUF时，就启动发送。每发时，就启动发送。每发 送完一个串行帧，由硬件置位送完一个串行帧，由硬件置位TI。此时，若。此时，若ES=1、EA=1 （中断允许）（中断允许），CPU响应串口发送中断服务。若响应串口发送中断服务。

20、若EA、ES某某 一个不为一个不为1，则不允许中断，此时只能通过查询方式判断发，则不允许中断，此时只能通过查询方式判断发 送结束。送结束。 nRI（SCON.0）：串行口接收中断标志位。当允许串行）：串行口接收中断标志位。当允许串行 口接收数据时，每接收完一个串行帧，由硬件置位，若口接收数据时，每接收完一个串行帧，由硬件置位，若 EA=1、ES=1，CPU响应串口接收中断服务。若响应串口接收中断服务。若EA、ES某某 一个不为一个不为1，则不允许中断，此时只能通过查询方式判断接，则不允许中断，此时只能通过查询方式判断接 收结束。收结束。 4、中断优先寄存器、中断优先寄存器IP（B8H） IP在

21、特殊功能寄存器中，字节地址为在特殊功能寄存器中，字节地址为B8H，位地址分位地址分 别是别是B8HBFH，IP用来锁存各中断源优先级的控制用来锁存各中断源优先级的控制 位，其格式如图所示。位，其格式如图所示。 中断优先级顺序中断优先级顺序 最高最高 最低最低 INT0 T0 INT1 T1 串行口串行口 中断优先原则中断优先原则 A）几个中断同时请求时，响应高优先级。）几个中断同时请求时，响应高优先级。 B）正在处理低级中断时，有高级请求即停止低）正在处理低级中断时，有高级请求即停止低 级中断，响应高级中断。级中断，响应高级中断。 C）正在进行的中断不响应同级或低级中断。）正在进行的中断不响应

22、同级或低级中断。 中断响应过程中断响应过程 n单片机在每个机器周期的单片机在每个机器周期的S5P2期间，顺序采样每个中期间，顺序采样每个中 断源，断源，CPU在下一个机器周期在下一个机器周期S6期间按优先级顺序查询期间按优先级顺序查询 中断标志，如查询到某个中断标志为中断标志，如查询到某个中断标志为1，将在再下一个机，将在再下一个机 器周期器周期S1期间按优先级进行中断处理。期间按优先级进行中断处理。 n中断得到响应后自动清除中断标志，由硬件自动生成中断得到响应后自动清除中断标志，由硬件自动生成 一条长调用指令一条长调用指令LCALL addr16将程序计数器将程序计数器PC内容内容 压入堆栈

23、保护，然后将对应的中断入口地址装入程序计压入堆栈保护，然后将对应的中断入口地址装入程序计 数器数器PC，使程序转向中断矢量地址单元中去执行相应的使程序转向中断矢量地址单元中去执行相应的 中断服务程序。中断服务程序。 P1P2 S1 机器周期机器周期机器周期机器周期 指令周期指令周期 XTAL2 (OSC) S2S3S4S5S6S1S2 S4 S5S3S6 P1P1 P1 P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2 响应中断请求的条件响应中断请求的条件 1）CPU开中断，即开中断，即IE寄存器的中断允许位寄存器的中断允许位EA=1 2）该中断源发出中断请求，即中

24、断源对应的中断请）该中断源发出中断请求，即中断源对应的中断请 求标志位为求标志位为“1” 3）该中断的中断允许位）该中断的中断允许位=1，即该中断没有被屏蔽，即该中断没有被屏蔽 4）无同级或更高级中断正在服务）无同级或更高级中断正在服务 下列任何一种情况存在中断申请将被封锁：下列任何一种情况存在中断申请将被封锁： （1）CPU正在执行一个同级或高一级的中断服务程正在执行一个同级或高一级的中断服务程 序。序。 （2）当前正在执行的那条指令还未执行完。）当前正在执行的那条指令还未执行完。 （3）当前正在执行的指令是）当前正在执行的指令是RETI或对或对IE，IP寄存寄存 器进行读器进行读/写指令，

25、执行这些指令后至少再执行一条写指令，执行这些指令后至少再执行一条 指令才会响应中断。指令才会响应中断。 中断请求撤除中断请求撤除 中断返回之前必须撤除中断请求，否则将会再中断返回之前必须撤除中断请求，否则将会再 次引起中断。次引起中断。 注：注：(1)对对T0、T1、跳变触发的外部、跳变触发的外部INT0 INT1，CPU响应中断后会自动复位响应中断后会自动复位TF0、TF1、 IE0、IE1，从而自动撤除中断请求。，从而自动撤除中断请求。 (2)对串行、对串行、T2中断，内部无自动复位，要由软中断，内部无自动复位，要由软 件清除件清除RI、TI、TF2 如：如：CLR RI（TI、TF2）

26、中断服务程序的编写：中断服务程序的编写： A）在中断服务程序入口地址单元应放一条长转）在中断服务程序入口地址单元应放一条长转 移指令，以使中断服务程序灵活的安排在移指令，以使中断服务程序灵活的安排在64K 程序存储器的任何地方。程序存储器的任何地方。 B）硬件提供的）硬件提供的LCALL指令只是将指令只是将PC的断点压的断点压 入堆栈，而对其他寄存器（入堆栈，而对其他寄存器（PSW、A）内容未）内容未 作保护作保护 ，所以在中断服务程序中首先应用软，所以在中断服务程序中首先应用软 件保护现场，在中断服务之后、中断返回前件保护现场，在中断服务之后、中断返回前 恢复现场，以免丢失相关内容。恢复现场

27、，以免丢失相关内容。 C）中断服务程序的最后一条指令必须是）中断服务程序的最后一条指令必须是RETI 中断服务程序设计中断服务程序设计 采用中断时，程序设计采用主程序和中断服务程采用中断时，程序设计采用主程序和中断服务程 序两部分序两部分 主程序：主程序： （1）设置中断允许控制寄存器）设置中断允许控制寄存器IE，允许相应的中，允许相应的中 断请求源中断断请求源中断 （2）设置中断优先级寄存器）设置中断优先级寄存器IP，确定并分配所使，确定并分配所使 用的中断源的优先级用的中断源的优先级 （3）对外部中断，要设置中断请求触发方式）对外部中断，要设置中断请求触发方式IT1 或或IT0 中断服务程

28、序：处理中断请求，中断返回。中断服务程序：处理中断请求，中断返回。 ORG0000H LJMPMAIN ORG中断入口地址中断入口地址1 LJMP中断服务程序名中断服务程序名1 ORG中断入口地址中断入口地址2 LJMP中断服务程序名中断服务程序名3 MAIN： 主程序主程序 中断服务程序名中断服务程序名1：中断服务程序：中断服务程序 RETI 中断服务程序名中断服务程序名2：中断服务程序：中断服务程序 RETI 中断服务程序流程中断服务程序流程 MCS-51响应中断后，即转入中断服务程序，中断响应中断后，即转入中断服务程序，中断 服务执行时，应注意如下问题服务执行时，应注意如下问题 （1）现

29、场保护与恢复）现场保护与恢复 防止进入中断服务中时主程序的有关信息被破坏。防止进入中断服务中时主程序的有关信息被破坏。 （2）关中断与开中断）关中断与开中断 防止在执行中断时，高一级中断进入应关中断，执防止在执行中断时，高一级中断进入应关中断，执 行完本中断后，在开中断。行完本中断后，在开中断。 （3）中断处理）中断处理 完成相应的中断任务。完成相应的中断任务。 （4）中断返回）中断返回 中断返回中断返回RETI， RETI不同于不同于RET， RETI是中断是中断 服务程序结束的标志，服务程序结束的标志，CPU执行执行RETI指令时，首指令时，首 先应将中断优先级触发器清零，然后将保护的先应

30、将中断优先级触发器清零，然后将保护的PC 指针重新送入指针重新送入PC ，使主程序能够得以在原来中断，使主程序能够得以在原来中断 处继续执行程序。处继续执行程序。 注意：注意： RETI与与RET不能互相替代。不能互相替代。 外部中断外部中断0、1的中断程序设计的中断程序设计 例题：现在我们编程完成通过用外部中断例题：现在我们编程完成通过用外部中断1控制发控制发 光二极管发光、用外部中断光二极管发光、用外部中断0控制二极管熄灭的控制二极管熄灭的 作作 。看图：实验板。看图：实验板 K 8K E Y K 7K E YK E Y 7 K E Y 8 12 3 45 6 78 9 1011 12 1

31、314 15 1617 18 1920 21 J15 C O N 21_1 L E D 1 L E D 2 L E D 11 L E D 12 PD 0 PD 1 P32 P33 K E Y 7 K E Y 8 K E Y 71 K E Y 81 T X R X G R E 1 R E D 1 232_7 232_8 232_9232_10 KEY1 KEY2 KEY3 KEY4 KEY5 KEY6 KEY71 KEY81 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RPZ2 10k VCC EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 1

32、3 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 U1 8051 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P32 P33 P34 P35 EA X1 X2 RD WRPSEN ALE RXD TXD RST A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A8 AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 D1 LED D2 LED D3 LED D4 LED D5 LED D6 LED R1 330 R2 330 R3 330 R4 330 R5 330 R6 330 IN0 1 IN1 2 IN2 3 IN3 4 IN4 5 IN5 6 IN6 7 Q6 10 Q5 11 Q4 12 Q3 13 Q2 14 Q1 15 Q0 16 U1