5.2.1 硬件電路與工作原理

　　1. 硬件電路同模塊二中圖2.1。

　　2. 工作原理

　　一旦按下P3.2所接按鍵后，P3.2口線上會(huì)出現(xiàn)這樣兩個(gè)變化，第一，口線上出現(xiàn)由高到低的變化，即出現(xiàn)下降沿。第二，P3.2按住后口線保持低電平直到松鍵為止。單片機(jī)就是利用口線上的這種變化，實(shí)現(xiàn)上述各種狀態(tài)的切換。

　　5.2.2 控制程序

　　1. 程序流程圖

　　                                                                                               圖 5.8 主程序流程                                                                                    圖 5.9 外部中斷程序流程

　　

圖 5.10 定時(shí)中斷程序流程

　　2. 控制程序

　　ORG 0000H

　　LJMP MAIN

　　ORG 0003H

　　LJMP INT_0

　　ORG 001BH

　　LJMP DELAY

　　MAIN: SETB IT0

　　MOV TMOD,#01H

　　MOV TL0,#00H

　　MOV TH0,#4CH

　　SETB PT0

　　SETB EA

　　SETB EX0

　　SETB ET0

　　MOV B,#20

　　SETB TR0

　　MOV A,#0FEH

　　BEGIN: MOV P1,A

　　CJNE B,#00,$

　　MOV B,#20

　　RL A

　　SJMP BEGIN

　　INT_0: PUSH ACC

　　MOV A,#0FBH

　　LOOP: MOV P1,A

　　CJNE B,#00,$

　　MOV B,#20

　　RL A

　　JNB P3.2,LOOP

　　POP ACC

　　RETI

　　DELAY: MOV TL0,#00H

　　MOV TH0,#4CH

　　DJNZ B,LOOP1

　　LOOP1: RETI

　　END

　　5.2.3 源程序的編輯、編譯、下載

　　打開(kāi)“偉福”模擬仿真軟件進(jìn)行程序的編輯、編譯。

　　打開(kāi)“ISP下載軟件”將目標(biāo)文件下載到ISP-4實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板上的AT89S51單片機(jī)芯片，觀察程序運(yùn)行結(jié)果。

　　5.2.4 相關(guān)知識(shí)

　　1. 單片機(jī)如何中斷原來(lái)的工作?

　　在本任務(wù)中當(dāng)按鍵S1按下后，原來(lái)單片機(jī)正在進(jìn)行的工作被打斷，按鍵松開(kāi)后單片機(jī)又恢復(fù)了原來(lái)的工作，這就是我們?cè)谇懊嫠f(shuō)的中斷。

　　對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，中斷這個(gè)概念比較抽象，其實(shí)單片機(jī)的處理系統(tǒng)與人的一般思維有著許多異曲同工之妙，我們舉個(gè)很貼切的比方，在日常生活和工作中有很多類似的情況。假如你正在上班，例如是編譯資料，這時(shí)侯電話鈴響了，你在書(shū)本上做個(gè)記號(hào)(以記下你現(xiàn)在正編譯到某某頁(yè))，然后與對(duì)方通電話，而此時(shí)恰好有客人到訪，你先停下通電話，與客人說(shuō)幾句話，叫客人稍侯，然后回頭繼續(xù)通完電話，再與客人談話。談話完畢，送走客人，繼續(xù)你的資料編譯工作。

　　這就是日常生活和工作中的中斷現(xiàn)象，類似的情況還有很多，從編譯資料到接電話是第一次中斷，通電話的過(guò)程中引有客人到訪，這是第二次中斷，即在中斷的過(guò)程中又出現(xiàn)第二次中斷，這就是我們常說(shuō)的中斷嵌套。處理完第二個(gè)中斷任務(wù)后，回頭處理第一個(gè)中斷，第一個(gè)中斷完成后，再繼續(xù)你原先的主要工作。

　　為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的中斷呢?道理很簡(jiǎn)單，人非三頭六臂，人只有一個(gè)腦袋，在一種特定的時(shí)間內(nèi)，可能會(huì)面對(duì)著兩、三甚至更多的任務(wù)。但一個(gè)人又不可能在同一時(shí)間去完成多樣任務(wù)，因此你只能采分析任務(wù)的輕重緩急，采用中斷的方法穿插去完成它們。那么這種情況對(duì)于單片機(jī)中的中央處理器也是如此，單片機(jī)中CPU只有一個(gè)，但在同一時(shí)間內(nèi)可能會(huì)面臨著處理很多任務(wù)的情況，如運(yùn)行主程序、數(shù)據(jù)的輸入和輸出，定時(shí)/和計(jì)數(shù)時(shí)間已到要處理、可能還有一些外部的更重要的中斷請(qǐng)求(如超溫超壓)要先處理。此時(shí)也得象人的思維一樣停下某一樣(或幾樣)工作先去完成一些緊急任務(wù)的中斷方法。

　　這樣的一樣處理方法上升到計(jì)算機(jī)理論，就是一個(gè)資源面對(duì)多項(xiàng)任務(wù)的處理方式，由于資源有限，面對(duì)多項(xiàng)任務(wù)同時(shí)要處理時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)象。中斷技術(shù)就是為了解決資源競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)可行的方法，采用中斷技術(shù)可使多項(xiàng)任務(wù)共享一個(gè)資源，所以有些文獻(xiàn)也稱中斷技術(shù)是一種資源共享技術(shù)。

　　(1) MCS-51的中斷結(jié)構(gòu)

　　圖 5.11 中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　計(jì)算機(jī)的中斷系統(tǒng)能夠加強(qiáng)CPU對(duì)多任務(wù)事件的處理能力。從而使它的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。在MCS-48結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，MCS-51在增強(qiáng)了I/O的種類、功能和數(shù)量的同時(shí)，也增強(qiáng)了中斷能力。MCS-51提供了5個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)控制，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)中斷服務(wù)嵌套。當(dāng)CPU支持中斷屏蔽指令后，可將一部分或所有的中斷關(guān)斷，只有打開(kāi)相應(yīng)的中斷控制位后，方可接收相應(yīng)的中斷請(qǐng)求。程序設(shè)置中斷的允許或屏蔽，也可設(shè)置中斷的優(yōu)先級(jí)。

　　(2) 中斷處理流程

　　CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，就立即轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序。不同的中斷源、不同的中斷要求可能有不同的中斷處理方法，但它們的處理流程一般都如下所述。

　　1) 現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)

　　中斷是在執(zhí)行其它任務(wù)的過(guò)程中轉(zhuǎn)去執(zhí)行臨時(shí)的任務(wù)，為了在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，回頭執(zhí)行原先的程序時(shí)，知道程序原來(lái)在何處打斷的，各有關(guān)寄存器的內(nèi)容如何，就必須在轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序前，將這些內(nèi)容和狀態(tài)進(jìn)行備份——即保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。就象文章開(kāi)頭舉的例子，在看書(shū)時(shí)，電話玲響需傳去接電話時(shí)，必須在書(shū)本上做個(gè)記號(hào)，以便在接完電話后回來(lái)看書(shū)時(shí)，知道從哪些內(nèi)容繼續(xù)往下看。計(jì)算機(jī)的中斷處理方法也如此，中斷開(kāi)始前需將個(gè)有關(guān)寄存器的內(nèi)容壓入堆棧進(jìn)行保存，以便在恢復(fù)原來(lái)程序時(shí)使用。

　　中斷服務(wù)程序完成后，繼續(xù)執(zhí)行原先的程序，就需把保存的現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)容從堆棧中彈出，恢復(fù)積存器和存儲(chǔ)單元的原有內(nèi)容，這就是現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。

　　如果在執(zhí)行中斷服務(wù)時(shí)不是按上述方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，就會(huì)是程序運(yùn)行紊亂，程序跑飛，自然使單片機(jī)不能正常工作。

　　2) 中斷打開(kāi)和中斷關(guān)閉

　　在中斷處理進(jìn)行過(guò)程中，可能又有新的中斷請(qǐng)求到來(lái)，這里規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)的操作是不允許打擾的，否則保護(hù)和恢復(fù)的過(guò)程就可能使數(shù)據(jù)出錯(cuò)，為此在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)的過(guò)程中，

　　必須關(guān)閉總中斷，屏蔽其它所有的中斷，待這個(gè)操作完成后再打開(kāi)總中斷，以便實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。

　　3) 中斷服務(wù)程序

　　既然有中斷產(chǎn)生，就必然有其具體的需執(zhí)行的任務(wù)，中斷服務(wù)程序就是執(zhí)行中斷處理的具體內(nèi)容，一般以子程序的形式出現(xiàn)，所有的中斷都要轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，進(jìn)行中斷服務(wù)。

　　4) 中斷返回

　　執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，必然要返回，中斷返回就是被程序運(yùn)行從中斷服務(wù)程序轉(zhuǎn)回到原工作程序上來(lái)。在MCS-51單片機(jī)中，中斷返回是通過(guò)一條專門(mén)的指令實(shí)現(xiàn)的，自然這條指令是中斷服務(wù)程序的最后一條指令。

　　(3) MCS-51的中斷源

　　8051有5個(gè)中斷源，它們是兩個(gè)外中斷INT0(P3.2)和INT1(P3.3)、兩個(gè)片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器溢出中斷TF0和TF1，一個(gè)是片內(nèi)串行口中斷TI或RI，這幾個(gè)中斷源由TCON和SCON兩個(gè)特殊功能寄存器進(jìn)行控制。

　　在前一節(jié)，我們已對(duì)TCON的控制位進(jìn)行了說(shuō)明，現(xiàn)在繼續(xù)對(duì)它的中斷控制有關(guān)的位進(jìn)行談?wù)?。TCON寄存器的結(jié)構(gòu)如下：

　　表5.1 TCON寄存器結(jié)構(gòu)

　　IE1: 外部邊沿觸發(fā)中斷1請(qǐng)求標(biāo)志，其功能和操作類似于TF0。

　　IT1: 外部中斷1類型控制位，通過(guò)軟件設(shè)置或清楚，用于控制外中斷的觸發(fā)信號(hào)類型。IT1=1，邊沿觸發(fā)。IT=0是電平觸發(fā)。

　　IE0: 外部邊沿觸發(fā)中斷0請(qǐng)求標(biāo)志，其功能和操作類似于IE1。

　　IT0: 外部中斷0類型控制位，通過(guò)軟件設(shè)置或清楚，用于控制外中斷的觸發(fā)信號(hào)類型。其功能和操作類似于IE1。

　　SCON是串行口控制寄存器，字節(jié)地址為98H，SCON的低二位是串行口的發(fā)送和接收中斷標(biāo)志，其格式如下：

　　

　　表5.2 SCON寄存器結(jié)構(gòu)

　　TI: MCS-51串行口的發(fā)送中斷標(biāo)志，在串行口以方式0發(fā)送時(shí)，每當(dāng)發(fā)送完8位數(shù)據(jù)，由硬件置位。如果以方式1、方式2或方式3發(fā)送時(shí)，在發(fā)送停止位的開(kāi)始時(shí)TI被置1，TI=1表示串行發(fā)送器正向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，向串行口的數(shù)據(jù)緩沖器SBUF寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)后就立即啟動(dòng)發(fā)送器繼續(xù)發(fā)送。但是CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，并不清零TI，TI必須由用戶的中斷服務(wù)程序清“0”，即中斷服務(wù)程序必須有“CLR TI”或“ANL SCON, #0FDH”等指令來(lái)清零TI。

　　RI: 串行口接收中斷標(biāo)志.若串行口接收器允許接收,并以方式0工作,每當(dāng)接收到8位數(shù)據(jù)時(shí),RI被置1,若以方式1、2、3方式工作，當(dāng)接收到半個(gè)停止位時(shí)，TI被置1，當(dāng)串行口以方式2或3方式工作，且當(dāng)SM2=1時(shí)，僅當(dāng)接收到第9位數(shù)據(jù)RB8為1后，同時(shí)還要在接收到半個(gè)停止位時(shí)，RI被置1。RI為1表示串行口接收器正向CPU申請(qǐng)中斷。同樣RI標(biāo)志栩栩如生由用戶的軟件清“0”。

　　(4) 中斷的控制

　　對(duì)于中斷控制，在上一節(jié)中我們已經(jīng)對(duì)TCON和SCON進(jìn)行了分析，其實(shí)它們兩個(gè)寄存器也是中斷的控制寄存器，負(fù)責(zé)對(duì)中斷的部分功能進(jìn)行控制。我們這里談?wù)摰氖橇硗鈨蓚€(gè)控制寄存器IE和IP。

　　MCS-51的對(duì)中斷的開(kāi)放和屏蔽是由中斷允許寄存器IE控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，IE的結(jié)構(gòu)格式如下。

　　

　　表5.3 IE寄存器結(jié)構(gòu)

　　下面我們對(duì)IE寄存器的各控制位進(jìn)行介紹：

　　EA: 中斷總控制位，EA=1，CPU開(kāi)放中斷。EA=0，CPU禁止所有中斷。

　　ES: 串行口中斷控制位，ES=1允許串行口中斷，ES=0，屏蔽串行口中斷。

　　ET1: 定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1中斷控制位。ET1=1，允許T1中斷，ET1=0，禁止T1中斷。

　　EX1: 外中斷1中斷控制位，EX1=1，允許外中斷1中斷，EX1=0，禁止外中斷1中斷。

　　ET0: 定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0中斷控制位。ET1=1，允許T0中斷，ET1=0，禁止T0中斷。

　　EX0: 外中斷0中斷控制位，EX1=1，允許外中斷0中斷，EX1=0，禁止外中斷0中斷。

　　MCS-51有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，即高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源都可設(shè)置為高或低中斷優(yōu)先級(jí)。如果有一低優(yōu)先級(jí)的中斷正在執(zhí)行，那么高優(yōu)先級(jí)的中斷出現(xiàn)中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU則會(huì)響應(yīng)這個(gè)高有限級(jí)的中斷，也即高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷。而若CPU正在處理一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的中斷，此時(shí)，就算是有低優(yōu)先級(jí)的中斷發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU也不會(huì)理會(huì)這個(gè)中斷，而是繼續(xù)執(zhí)行正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序，一直到程序結(jié)束，執(zhí)行最后一條返回指令，返回主程序然后再執(zhí)行一條指令后才會(huì)響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求。

　　為了實(shí)現(xiàn)上述功能，MCS-51的中斷系統(tǒng)有兩個(gè)不可尋址的優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器，一個(gè)指出CPU是否在執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序，另一個(gè)指出CPU是否正在執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)程序，這兩個(gè)中斷觸發(fā)器的1狀態(tài)分別屏蔽所有中斷申請(qǐng)和同一級(jí)別的其他中斷申請(qǐng)，此外，MCS-51還有一個(gè)申請(qǐng)優(yōu)先級(jí)寄存IP，IP的格式如下，字節(jié)地址是B8H。

　　

　　表5.4 IP中斷控制寄存器結(jié)構(gòu)

　　PS: 串行口中斷口優(yōu)先級(jí)控制位，PS=1，串行口中斷聲明為高優(yōu)先級(jí)中斷，PS=0，串行口定義為低優(yōu)先級(jí)中斷。

　　PT1: 定時(shí)器1優(yōu)先級(jí)控制位。PT1=1，聲明定時(shí)器1為高優(yōu)先級(jí)中斷，PT1=0定義定時(shí)器1為低優(yōu)先級(jí)中斷。

　　PX1: 外中斷1優(yōu)先級(jí)控制位。PT1=1，聲明外中斷1為高優(yōu)先級(jí)中斷，PX1=0定義外中斷1為低優(yōu)先級(jí)中斷。

　　PT0: 定時(shí)器0優(yōu)先級(jí)控制位。PT1=1，聲明定時(shí)器0為高優(yōu)先級(jí)中斷，PT1=0定義定時(shí)器0為低優(yōu)先級(jí)中斷。

　　PX0: 外中斷0優(yōu)先級(jí)控制位。PT1=1，聲明外中斷0為高優(yōu)先級(jí)中斷，PX1=0定義外中斷0為低優(yōu)先級(jí)中斷。

　　(5) 中斷的響應(yīng)

　　MCS-51CPU在每一個(gè)機(jī)器周期順序檢查每一個(gè)中斷源，在機(jī)器周期的S6按優(yōu)先級(jí)處理所有被激活的中斷請(qǐng)求，此時(shí)，如果CPU沒(méi)有正在處理更高或相同優(yōu)先級(jí)的中斷，或者現(xiàn)在的機(jī)器周期不是所執(zhí)行指令的最后一個(gè)機(jī)器周期，或者CPU不是正在執(zhí)行RETI指令或訪問(wèn)IE和IP的指令(因?yàn)榘碝CS-51中斷系統(tǒng)的特性規(guī)定，在執(zhí)行完這些指令之后，還要在繼續(xù)執(zhí)行一條指令，才會(huì)響應(yīng)中斷)，CPU在下一個(gè)機(jī)器周期響應(yīng)激活了的最高級(jí)中斷請(qǐng)求。

　　中斷響應(yīng)的主要內(nèi)容就是由硬件自動(dòng)生成一條長(zhǎng)調(diào)用LCALL addr16指令，這里的addr16就是程序存儲(chǔ)器中相應(yīng)的中斷區(qū)入口地址，這些中斷源的服務(wù)程序入口地址如下：

　　表 5.5

　　生成LCALL指令后,CPU緊跟著便執(zhí)行之.首先將PC(程序計(jì)數(shù)器)的內(nèi)容壓入堆棧保護(hù)斷點(diǎn)，然后把中斷入口地址賦予PC，CPU便按新的PC地址(即中斷服務(wù)程序入口地址)執(zhí)行程序。

　　值得一提的是，各中斷區(qū)只有8個(gè)單元，一般情況下(除非中斷程序非常簡(jiǎn)單)，都不可能安裝下一個(gè)完整的中斷服務(wù)程序。因此，通常是在這些入口地址區(qū)放置一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，使程序按轉(zhuǎn)移的實(shí)際地址去執(zhí)行真正的中斷服務(wù)程序。

　　2. 單片機(jī)中斷程序怎樣編制?

　　從上面的任務(wù)程序中，我們來(lái)體會(huì)以下中斷服務(wù)程序的編制方法。

　　(1) 首先必須對(duì)中斷系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括：

　　1) 開(kāi)中斷，即設(shè)定IE寄存器。

　　如上面程序中的 SETB EA ;開(kāi)總中斷控制位

　　SETB EX0 ;開(kāi)外部中斷0

　　SETB ET0 ;開(kāi)定時(shí)器中斷0

　　2) 設(shè)定中斷優(yōu)先級(jí)，即設(shè)置IP寄存器。

　　如上面程序中的 SETB PT0 ;設(shè)定時(shí)器0中斷為高優(yōu)先級(jí)

　　3) 如果是外部中斷，還必須設(shè)定中斷響應(yīng)方式，即設(shè)定IT0、IT1位。

　　如上面程序中的 SETB IT0 ;設(shè)外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式

　　4) 如果是計(jì)數(shù)、定時(shí)中斷必須先設(shè)定定時(shí)、計(jì)數(shù)的初始值。

　　如上面程序中的 MOV TL0,#00H

　　MOV TH0,#4CH

　　5) 初始化結(jié)束后，對(duì)于定時(shí)、計(jì)數(shù)器而言，還應(yīng)該記得啟動(dòng)定時(shí)或計(jì)數(shù)，即設(shè)定TR0、TR1位。串口接收中斷，要記得允許接收位REN應(yīng)該設(shè)置。

　　如上面程序中的 SETB TR0

　　(2) 中斷初始化結(jié)束后，就可以編制中斷服務(wù)程序，編制中斷服務(wù)程序時(shí)注意：

　　1) 中斷服務(wù)程序，第一條指令必須安排在相應(yīng)的中斷入口地址，并且應(yīng)該是轉(zhuǎn)移指令，由于中斷響應(yīng)時(shí)，已經(jīng)由硬件執(zhí)行了LCALL指令，中斷程序斷點(diǎn)地址已經(jīng)入棧，所以不能再用子程序調(diào)用指令。

　　如任務(wù)程序中的 ORG 0003H ;外部中斷0入口地址

　　LJMP INT_0

　　ORG 001BH ;定時(shí)器T0中斷入口地址

　　LJMP DELAY

　　2) 由于中斷的產(chǎn)生是隨機(jī)的，所以對(duì)程序中的公共單元(其他程序中已經(jīng)使用，中斷程序中也使用了的單元)，必須在中斷服務(wù)程序開(kāi)始處，采用堆棧進(jìn)行保護(hù)，即入棧。子程序返回前再出棧。

　　如任務(wù)程序中的 PUSH ACC

　　……

　　POP ACC

　　3) 中斷服務(wù)程序必須以RETI結(jié)束，因?yàn)镽ETI指令具有兩個(gè)功能：第一，將斷點(diǎn)地址彈回PC指針，以保證能繼續(xù)原來(lái)的程序，第二，能將中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器清零，以保證新的中斷請(qǐng)求能夠被相應(yīng)。