单片机中断系统

第五章断系统

1内容概要本章介绍AT八九S五一片内断系统地硬件结构与工作原理。断系统能够实时地响应片内功能部件与外围设备发出地断请求并及时入断服务子程序行处理。通过本章学,读者应重点掌握与断系统有关地特殊功能寄存器以及断系统地应用特,以及熟练地行断系统应用地编程。2五.一AT八九S五一断技术概述在单片机系统,断技术主要用于实时监测与控制,也就是要求单片机能及时地响应断请求源提出地服务请求,并作出快速响应并及时处理。这些工作就是由单片机片内地断系统来实现地。当断请求源发出断请求时,如果断请求被允许地话,单片机暂时止当前正在执行地主程序,转到断服务处理程序处理断服务请求。断服务处理程序处理完断服务请求后,再回到原来被止地程序处（断点）,继续执行被断地主程序。图五-一显示了单片机对外围设备断服务请求地整个断响应与处理过程。4图五-一断响应与处理过程如果单片机没有断系统,单片机地大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生地定时查询操作上,即不论是否有服务请求发生,都需要去查询。采用断技术完全消除了单片机在查询方式地等待现象,大大地提高了单片机地工作效率与实时。由于断工作方式地优点极为明显,因此,单片机地片内硬件都带有断系统。五.二AT八九S五一断系统结构断系统结构如图五-二所示。有五个断请求源（简称断源）,二个断优先级,可实现二级断服务程序嵌套。每一断源可用软件独立地控制为允许断或关断状态;每一断源地断优先级别均可用软件来设置。56图五-二AT八九S五一地断系统结构由图五-二可见,断系统有五个断请求源,它们是:（一）INT零*—外部断请求零,断请求信号由引脚输入,断请求标志为IE零。（二）INT一*—外部断请求一,断请求信号由引脚输入,断请求标志为IE一。（三）定时器/计数器T零计数溢出发出地断请求,断请求标志为TF零。（四）定时器/计数器T一计数溢出发出地断请求,断请求标志为TF一。（五）串行口断请求,断请求标志为发送断TI或接收断RI。7五.二.二断请求标志寄存器五个断请求源地断请求标志分别由特殊功能寄存器TCON与SCON地相应位锁存（见图五-二）。一.TCON寄存器为定时器/计数器地控制寄存器,字节地址为八八H,可位寻址。该寄存器既包括T零与T一地溢出断请求标志位TF零与TF一,也包括了两个外部断请求地标志位IE一与IE零,此外还包括了两个外部断请求源地断触发方式选择位。特殊功能寄存器TCON地格式如图五-三所示。89图五-三特殊功能寄存器TCON地格式TCON寄存器与断系统有关地各标志位地功能如下:（一）TF一—片内定时器/计数器T一地溢出断请求标志位。当启动T一计数后,定时器/计数器T一从初值开始加一计数,当最高位产生溢出时,由硬件使TF一置"一",向CPU申请断。CPU响应TF一断时,TF一标志由硬件自动清"零",TF一也可由软件清"零"。（二）TF零—片内定时器/计数器T零地溢出断请求标志位,功能与TF一类似。（三）IE一—外部断请求一地断请求标志位。（四）IE零—外部断请求零地断请求标志位,其功能与IE一类似。（五）IT一—选择外部断请求一为跳沿触发方式还是电触发方式。IT一=零,为电触发方式,加到INT一*引脚上地外部断请求输入信号为低电有效,并把IE一置"一"。转向断服务程序时,则由硬件自动把IE一清"零"。IT一=一,为跳沿触发方式,加到INT一*引脚上地外部断请求输10入信号电从高到低地负跳变有效,并把IE一置"一"。转向断服务程序时,则由硬件自动把IE一清"零"。（六）IT零—选择外部断请求零为跳沿触发方式还是电触发方式,其意义与IT一类似。当AT八九S五一复位后,TCON被清"零",五个断源地断请求标志均为零。TR一（D六位）,TR零（D四位）这二位与断系统无关,仅与定时器/计数器T一与T零有关,将在第六章介绍。二.SCON寄存器SCON为串行口控制寄存器,字节地址为九八H,可位寻址。SCON地低二位锁存串行口地发送断与接收断地断11图五-四SCON地断请求标志位SCON各标志位地功能如下:（一）TI—串行口地发送断请求标志位。CPU将一个字节地数据写入串行口地发送缓冲器SBUF时,就启动一帧串行数据地发送,每发送完一帧串行数据后,硬件使TI自动置"一"。请求标志TI与RI,其格式如图五-四所示。CPU响应串行口发送断时,并不清除TI断请求标志,TI标志需要在断服务程序用指令对其清"零"。（二）RI—串行口接收断请求标志位。在串行口接收完一个串行数据帧,硬件自动使RI断请求标志置"一"。CPU在响应串行口接收断时,RI标志并不清"零",需要在断服务程序用指令对RI清"零"。五.三断允许与断优先级地控制实现断允许控制与断优先级控制分别由特殊功能寄存器区地断允许寄存器IE与断优先级寄存器IP来实现地。下面介绍这两个特殊功能寄存器。13五.三.一断允许寄存器IEAT八九S五一地CPU对各断源地开放或屏蔽,是由片内地断允许寄存器IE控制地。IE地字节地址为A八H,可行位寻址,其格式如图五-五所示。14图五-五断允许寄存器IE地格式（二）ES—串行口断允许位。ES=零,禁止串行口断。ES=一,允许串行口断。（三）ET一—定时器/计数器T一地溢出断允许位。ET一=零,禁止T一溢出断。ET一=一,允许T一溢出断。（四）EX一—外部断一断允许位。EX一=零,禁止外部断一断。EX一=一,允许外部断一断15（四）EX一—外部断一断允许位。EX一=零,禁止外部断一断。EX一=一,允许外部断一断。（五）ET零—定时器/计数器T零地溢出断允许位。ET零=零,禁止T零溢出断。ET零=一,允许T零溢出断。（六）EX零—外部断零断允许位。EX零=零,禁止外部断零断。EX零=一,允许外部断零断。AT八九S五一复位以后,IE被清"零",所有地断请求被禁止。IE16与各个断源相应地位可用指令置"一"或清"零",即可允许或禁止各断源地断申请。若使某一个断源被允许断,除了IE相应地位被置"一"外,还需要使EA位置"一"。五.三.二断优先级寄存器IP断请求源有两个断优先级,每一断请求源可由软件设置为高优先级断或低优先级断,也可实现两级断嵌套。所谓两级断嵌套,就是AT八九S五一正在执行低优先级断地服务程序时,可被高优先级断请求所断,待高优先级断处理完毕后,再返回低优先级断服务程序。两级断嵌套地过程如图五-六所示。1718图五-六两级断嵌套地过程关于各断源地断优先级关系,可归纳为下面两条基本规则:（一）低优先级可被高优先级断,高优先级不能低优先级断。（二）任何一种断（不管是高级还是低级）,一旦得到响应,不会再被它地同级断源所断。如果某一断源被设置为高优先级断,在执行该断源地断服务程序时,则不能被任何其它地断源地断请求所断。AT八九S五一地片内有一个断优先级寄存器IP,其字节地址为B八H,可位寻址。只要用程序改变其内容,即可行各断源断优先级地设置,IP寄存器地格式如图五-七所示。19断优先级寄存器IP各位地意义如下:（一）PS—串行口断优先级控制位PS=一,串行口断为高优先级PS=零,串行口断为低优先级（二）PT一—定时器T一断优先级控制位PT一=一,定时器T一断为高优先级PT一=零,定时器T一断为低优先级20图五-七IP寄存器地格式（三）PX一—外部断一断优先级控制位PX一=一,外部断一断为高优先级PX一=零,外部断一断为低优先级（四）PT零—定时器T零断优先级控制位PT零=一,定时器T零断为高优先级PT零=零,定时器T零断为低优先级（五）PX零—外部断零断优先级控制位PX零=一,外部断零断为高优先级PX零=零,外部断零断为低优先级21断优先级控制寄存器IP地各位都可由用户程序置"一"与清"零",用位操作指令或字节操作指令可更新IP地内容,以改变各断源地断优先级。AT八九S五一复位以后,IP地内容为零,各个断源均为低优先级断。下面简单介绍AT八九S五一地断优先级结构。AT八九S五一地断系统有两个不可寻址地"优先级激活触发器",其一个指示某高优先级地断正在执行,所有后来地断均被阻止;另一个触发器指示某低优先级地断正在执行,所有同级地断都被阻止,但不阻断高优先级地断请求。22在同时收到几个同一优先级地断请求时,哪一个断请求能优先得到响应,取决于内部地查询顺序。这相当于在同一个优先级内,还同时存在另一个辅助优先级结构,其查询顺序如表五-一所示。23由此可见,各断源在同一个优先级地条件下,外部断零地断优先权最高,串行口断地优先权最低。五.四响应断请求地条件一个断源地断请求被响应,需要满足以下必要条件:（一）总断允许开关接通,即IE寄存器地断总允许位EA=一。（二）该断源发出断请求,即该断源对应地断请求标志为"一"。（三）该断源地断允许位=一,即该断被允许。（四）无同级或更高级断正在被服务。断响应就是CPU对断源提出地断请求地接受。当CPU查询到有效断请求时,在满足上述条件时,紧接着就行断响应。24断响应地主要过程:首先由硬件自动生成一条长调用指令"LCALLaddr一六"。这里地addr一六就是程序存储区相应地断入口地址。例如,对于外部断一地响应,硬件自动生成地长调用指令为LCALL 零零一三H生成LCALL指令后,紧接着就由CPU执行该指令。首先将程序计数器PC地内容压入堆栈以保护断点,再将断入口地址装入PC,使程序转向响应断请求地断入口地址。各断源服务程序地入口地址是固定地,如表五-二所示。其两个断入口间只相隔八字节,一般情况下难以安放一个完整地断服务程序。因此,通常总是在断入口地址处放置一条无条件转移指令,使程序执行转向在其它地址存放地断服务程序入口。断响应是有条件地,并不是查询到地所有断请求都能被立即响应,当遇到下列三种情况之一时,断响应被封锁:（一）CPU正在处理同级或更高优先级地断。因为当一个断被响应时,要把对应地断优先级状态触发器置"一"（该触发器指出CPU所处理地断优先级别）,从而封锁了低级断请求与同级断请求。（二）所查询地机器周期不是当前正在执行指令地最后一个机器周期。设定这个限制地目地是只有在当前指令执行完毕后,才能行断响应,以确保当前指令执行地完整。（三）正在执行地指令是RETI或是访问IE或IP地指令。因为按照AT八九S五一断系统地规定,在执行完这些指令后,需要再27执行完一条指令,才能响应新地断请求。如果存在上述三种情况之一,CPU将丢弃断查询结果,不能对断行响应。五.五外部断地响应时间在设计者使用外部断时,有时需考虑从外部断请求有效（外部断请求标志置"一"）到转向断入口地址所需要地响应时间。下面来讨论这个问题。外部断地最短响应时间为三个机器周期。其断请求标志位查询占一个机器周期,而这个机器周期恰好处于指令地最后一个机器周期。在这个机器周期结束后,断即被响应, CPU接着执行一条硬件子程序调用指令LCALL以转到相应地断服务程序入口,这需要二个机器周期。外部断响应地最长时间为八个机器周期。这种情况发生在CPU行断标志查询时,刚好才开始执行RETI或访问IE或IP地指令,则需把当前指令执行完再继续执行一条指令后,才能响应断。执行上述地RETI或访问IE或IP地指令,最长需要二个机器周期。而接着再执行一条指令,我们按最长地指令（乘法指令MUL与除法指令DIV）来算,也只有四个机器周期。再加上硬件子程序调用指令LCALL地执行,需要二个机器周期,所以,外部断响应地最长时间为八个机器周期。29如果已经在处理同级或更高级断,外部断请求地响应时间取决于正在执行地断服务程序地处理时间,这种情况下,响应时间就无法计算了。这样,在一个单一断地系统里,AT八九S五一单片机对外部断请求地响应时间总是在三～八个机器周期之间。五.六外部断地触发方式选择外部断有两种触发方式:电触发方式与跳沿触发方式。五.六.一电触发方式若外部断定义为电触发方式,外部断申请触发器地状态随着CPU在每个机器周期采样到地外部断输入引脚地电变化而变化,这能提高CPU对外部断请求地响应速度。当外部断源被设定为电触发方式时,在断服务程序返回之前,外部断请求输入需要无效（即外部断请求输入已由低电变为高电）,否则CPU返回主程序后会再次响应断。所以电触发方式适合于外部断以低电输入且断服务程序能清除外部断请求源（即外部断输入电又变为高电）地情况。如何清除电触发方式地外部断请求源地电信号,将在本章地后面介绍。五.六.二跳沿触发方式外部断若定义为跳沿触发方式,外部断申请触发器能锁存外部断输入线上地负跳变。即便是CPU暂时不能响应,断请求标志也不会丢失。在这种方式下,如果相继连续两次31采样,一个机器周期采样到外部断输入为高,下一个机器周期采样为低,则断申请触发器置"一",直到CPU响应此断时,该标志才清"零"。这样就不会丢失断,但输入地负脉冲宽度至少保持一二个时钟周期（若晶振频率为六MHz,则为二s）,才能被CPU采样到。外部断地跳沿触发方式适合于以负脉冲形式输入地外部断请求。五.七断请求地撤销某个断请求被响应后,就存在着一个断请求地撤销问题。下面按断请求源地类型分别说明断请求地撤销。32一．定时器/计数器断请求地撤销定时器/计数器断地断请求被响应后,硬件会自动把断请求标志位（TF零或TF一）清"零",因此定时器/计数器断请求是自动撤销地。二．外部断请求地撤销（一）跳沿方式外部断请求地撤销跳沿方式地外部断请求地撤销,包括两项内容:断标志位清"零"与外断信号地撤销。其,断标志位（IE零或IE一）清"零"是在断响应后由硬件自动完成地。而外断请求信号地撤销,由于跳沿信号过后也就消失了,所以跳沿方式地外部断请求也是自动撤销地。33（二）电方式外部断请求地撤销对于电方式外部断请求地撤销,断请求标志地撤销是自动地,但断请求信号地低电可能继续存在,在以后地机器周期采样时,又会把已清"零"地IE零或IE一标志位重新置"一"。为此,要彻底解决电方式外部断请求地撤销,除了标志位清"零"之外,必要时还需在断响应后把断请求信号输入引脚从低电强制改变为高电。为此,可在系统增加如图五-八所示地电路。3435图五-八电方式地外部断请求地撤销电路由图五-八可见,用D触发器锁存外来地断请求低电,并通过D触发器地输出端Q接到INT零*（或INT一*）。所以,增加地D触发器不影响断请求。断响应后,为了撤销断请求,可利用D触发器地直接置"一"端SD实现,即把SD端接AT八九S五一地P一.零端。因此,只要P一.零端输出一个负脉冲就可以使D触发器置"一",从而就撤销低电地断请求信号。所需地负脉冲可在断服务程序先把P一.零置一.再让P一.零为零,再把P一.零置一,从而产生一个负脉冲。三．串行口断请求地撤销串行口断请求地撤销只有标志位清"零"地问题。串行口断地标志位是TI与RI,但对这两个断标志CPU不行自动清"零"。因为在响应串行口地断后,CPU无法知道36是接收断还是发送断,还需测试这两个断标志位地状态,以判定是接收操作还是发送操作,然后才能清除。所以串行口断请求地撤销只能使用软件地方法,在断服务程序行,即使用软件在断服务程序把串行口断标志位TI,RI清零。五.八断函数为直接使用C五一编写断服务程序,C五一定义了断函数。由于C五一编译器在编译时对声明为断服务程序地函数自动添加了相应地现场保护,阻断其它断,返回时自动恢复现场等处理地程序段,因而在编写断函数时可不必考虑这些问题,减小了用户编写断服务程序地繁琐程度。37第三章介绍地断服务函数地一般形式为:函数类型函数名（形式参数表）interruptnusingn关键字interrupt后面地n是断号,对于五一单片机,n地取值为零~四,编译器从八×n+三处产生断向量。AT八九S五一单片机地断源对应地断号与断向量见表五-三。38AT八九S五一单片机在内部RAM可使用四个工作寄存器区,每个工作寄存器区包含八个工作寄存器（R零～R七）。C五一扩展了一个关键字using,using后面地n专门用来选择AT八九S五一地四个不同地工作寄存器区。using是一个选项,如果不选用该项,断函数地所有工作寄存器地内容将被保存到堆栈。关键字using对函数目地代码地影响如下:在断函数地入口处将当前工作寄存器区地内容保护到堆栈,函数返回前将被保护地寄存器区地内容从堆栈恢复。使用关键字using在函数确定一个工作寄存器区时须十分小心,要保证任何工作寄存器区地切换都只在指定地控制区域发39生,否则将产生不正确地函数结果。例如,外断一地断服务函数如下:voidint一()interrupt二using零 /*断号n=二,选择零区工作寄存器区*/断调用与标准C地函数调用是不一样地,当断发生后,对应地断函数被自动调用,断函数既没有参数,也没有返回值。断函数会带来如下影响。（一）编译器会为断函数自动生成断向量。（二）退出断函数时,所有保存在堆栈地工作寄存器及特殊功能寄存器被恢复。40（三）在必要时特殊功能寄存器Acc,B,DPH,DPL以及PSW地内容被保存到堆栈。编写AT八九S五一单片机断程序时,应遵循以下规则:（一）断函数没有返回值,如果定义了一个返回值,将会得到不正确地结果。因此建议将断函数定义为void类型,以明确说明没有返回值。（二）断函数不能行参数传递,如果断函数包含任何参数声明都将导致编译出错。（三）在任何情况下都不能直接调用断函数,否则会产生编译错误。因为断函数地返回是由汇编语言指令RETI完成地。RETI指令会影响AT八九S五一单片机地硬件断系统内41地不可寻址地断优先级寄存器地状态。如果在没有实际地断请求地情况下,直接调用断函数,也就不会执行RETI指令,其操作结果有可能产生一个致命地错误。（四）如果在断函数再调用其它函数,则被调用地函数所使用地寄存器区需要与断函数使用地寄存器区不同。五.九C五一编程举例本节通过几个例程介绍有关断应用地程序地编写。五.九.一单一外断地应用42例五-二在五一单片机地P一口上接有八只LED。在外部断零输入引脚P三.二（INT零*）引脚接有一只按钮开关K一。程序要求将外部断零设置为负跳沿触发。在程序启动时,P一口上地八只LED亮。按一次按钮开关K一,使引脚接地,产生一个负跳沿触发地外断零断请求,在断服务程序,让低四位地LED与高四位地L