06 项目6 中断及定时系统.pptx

第1页：项目6 中断及定时系统封面

项目6「中断及定时系统」是《单片机原理及应用》的核心章节，系统讲解MCS-51单片机的中断机制与定时/计数器原理及应用。

• 中断系统的结构、中断源与中断标志
• 中断请求的控制：中断允许、优先级与嵌套
• 中断处理过程：响应、处理、返回与请求撤除
• 定时/计数器的结构、控制寄存器与四种工作方式

第2页：中断的定义、嵌套与优先级

本页给出中断的基本定义，并说明中断嵌套与优先级的机制。

中断的定义

CPU在处理事件A时，发生另一事件B请求CPU迅速去处理（中断发生）；CPU暂时中断当前工作，转去处理事件B（中断响应和中断服务）；待处理完毕后回到原事件A被中断处继续处理（中断返回），这一过程称为中断。引起中断的请求源称为中断源。8051共有5个中断源：两个外部中断、两个定时/计数器中断、一个串行口中断。

中断的嵌套与优先级

8051单片机的5个中断源具有两个优先级，高优先级中断可打断低优先级中断，实现两级中断嵌套。

第3页：中断的响应过程

本页详述中断响应过程的四个步骤及中断系统的意义。

• 保护断点：保存下一将要执行的指令地址，送入堆栈
• 寻找中断入口：根据5个中断源查找对应的中断服务程序入口地址
• 执行中断处理程序
• 中断返回：从中断处返回主程序，继续执行

中断系统是计算机的重要组成部分，可提高CPU工作效率与实时数据处理时效，广泛应用于实时控制、故障自动处理、计算机与外围设备间数据传送及人机联系。

第4页：6.1.2 中断系统的结构

本页为「6.1.2 中断系统的结构」章节标题页，引出MCS-51中断系统的内部结构组成与工作机制。

第5页：中断源和中断标志

本页介绍MCS-51的5个中断源及各自的中断标志产生方式。

外部中断请求源

外部中断0和1，经由外部引脚引入，即P3.2、P3.3两个引脚。

内部中断请求源

两个定时器中断和串行口中断。内部两个16位定时/计数器对内部定时脉冲或T0/T1引脚输入的外部计数脉冲计数，定时时间到或计数满时自动向CPU提出中断请求。

串行口中断分为发送中断和接收中断，发送/接收完一组数据后，单片机自动使串行口控制寄存器SCON的RI或TI中断标志置位，并向CPU提出中断请求。

第6页：80C51中断系统结构总览

本页对80C51单片机中断系统的构成进行总览。

• 5个中断源：2个外部中断（由引脚输入中断请求信号）、2个片内定时器/计数器溢出中断（T0、T1）、1个片内串行口中断
• 2个中断优先级，可实现两级中断嵌套
• TCON、SCON：存放各中断源的中断申请标志
• IE：设置是否允许各中断源中断
• IP：设置各中断源的优先级别
• 硬件查询：同级中断源再排队的硬件电路

第7页：定时器控制寄存器TCON

IE0

外部中断0请求标志位。CPU检测到引脚上出现下降沿或低电平信号时，由内部硬件置位IE0（IE0=1），向CPU请求中断。

IE1

外部中断1请求标志位。CPU检测到引脚上出现下降沿或低电平信号时，由内部硬件置位IE1（IE1=1），向CPU申请中断。

TF0

定时器/计数器T0的溢出中断请求标志位。T0计数溢出时由内部硬件置位TF0（TF0=1），向CPU申请中断。

TF1

定时器/计数器T1的溢出中断请求标志位。T1计数溢出时由内部硬件置位TF1（TF1=1），向CPU申请中断。

IT0

外部中断0触发方式控制位。IT0=0为电平触发、低电平有效；IT0=1为边沿触发、下降沿有效。

IT1

外部中断1触发方式控制位。IT1=0为电平触发、低电平有效；IT1=1为边沿触发、下降沿有效。

第8页：串行口控制寄存器SCON

TI

串行口发送中断请求标志位。串行口发送完一个数据帧时，将TI置位（TI=1），向CPU申请中断。

RI

串行口接收中断请求标志位。串行口接收完一个数据帧时，将RI置位（RI=1），向CPU申请中断。

第9页：对中断请求的控制概述

本页概述中断请求控制的基本分类。

• 非屏蔽中断：用户不能用软件禁止，一旦有中断申请，CPU必须响应
• 可屏蔽中断：用户可通过软件控制是否允许某中断源中断；允许中断称中断开放，不允许称中断屏蔽

MCS-51系列单片机的5个中断源都是可屏蔽中断。

第10页：中断允许寄存器IE

EA

中断允许总控制位。EA＝0中断总禁止，禁止所有中断；EA＝1中断总允许，置1后各中断源由各自控制位设置。

EX0、EX1

外部中断允许控制位。为0禁止外中断INT0（INT1）申请；为1允许外中断INT0（INT1）申请。

ET0、ET1

定时/计数中断允许控制位。为0禁止定时/计数器0（1）申请；为1允许定时/计数器0（1）申请。

ES

串行口中断允许控制位。为0禁止串口中断；为1允许串口中断。

中断允许寄存器IE的单元地址是A8H，各控制位可位寻址也可字节寻址。例如用位指令开放外部中断：SETB EA、SETB EX0；用字节传送指令仅需一条：MOV IE,#81H。

第11页：IE寄存器设置实例

本页通过实例演示IE寄存器的设置方法。

例：设允许定时器/计数器T1的溢出中断请求，禁止其它中断源的中断请求，写出设置IE的指令。

• 分析：EA=1、ET1=1、其它位为0，IE值应为10001000B，即88H
• 字节传送指令：MOV IE,#88H 或 MOV 0A8H,#88H
• 位操作指令：SETB ET1（允许T1溢出中断）、SETB EA（CPU允许所有中断源中断）

第12页：中断优先级寄存器IP概述

本页为中断优先级寄存器IP的概述。

• 80C51单片机的5个中断源均可由程序设置为高优先级或低优先级中断
• 优先级高的中断源先被响应
• 每个中断源的优先级通过中断优先级寄存器IP统一设置

第13页：IP寄存器各控制位

PX0、PX1

PX0为外部中断0的中断优先级控制位；PX1为外部中断1的中断优先级控制位。

PT0、PT1

PT0为定时器/计数器T0的溢出中断优先级控制位；PT1为定时器/计数器T1的溢出中断优先级控制位。

PS

串行口中断优先级控制位。

当某中断源的优先级控制位为1时，设置为高优先级中断；为0时，设置为低优先级中断。

第14页：8051中断源中断优先级顺序表

表6-1 8051各个中断源中断优先级顺序：8051单片机在出现三个或更多中断请求源、同一优先级别不止一个中断源时，按统一规定的优先级顺序排队。

中断系统的两条基本规则：1) 低优先级中断可被高级中断打断，反之不能；2) 多个中断源同时申请时，级别高的先服务（先按高低优先级区分，再按辅助优先级区分）。

第15页：IP寄存器设置实例

本页通过实例演示IP寄存器的设置方法。

例：设80C51单片机的外部中断为高优先级，内部中断为低优先级，写出设置IP的指令。

• 分析：PX1=1、PX0=1，其余位为0，即IP=00000101B=05H
• 字节传送指令：MOV IP,#05H 或 MOV 0B8H,#05H
• 位操作指令：SETB PX0、SETB PX1、CLR PT0、CLR PT1、CLR PS

第16页：中断响应

本页讲解中断响应的条件与过程，属于中断处理过程的第一阶段。

中断响应

CPU对中断源中断请求的响应，包括保护断点和将程序转向中断服务程序的入口地址（矢量地址）。

中断响应条件

(1) 有中断源发出中断请求；(2) 中断总允许位EA=1；(3) 申请中断的中断源允许。

满足基本条件CPU一般会响应中断；但若CPU正在响应同级或高优先级中断、正在执行RETI指令或访问IE和IP寄存器，则CPU不响应中断请求，而在下一机器周期继续查询，否则在下一机器周期响应中断。

第17页：中断入口地址表

本页给出MCS-51系列单片机各中断源的入口地址分配表，并说明入口地址的使用方式。

各中断源的入口地址由硬件事先设定，因5个入口地址之间只相隔8个存储单元，一般中断服务程序容纳不下，通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令（如AJMP），使程序跳转到存储器其他空间执行中断服务程序。例如定时器T0中断入口地址为000BH，中断服务程序名为TIME00，指令形式为：ORG 000BH（T0中断入口）、AJMP TIME00（转向中断服务程序入口地址）。

第18页：中断处理

本页讲解中断处理阶段，即执行中断服务程序的内容。

中断服务程序从中断入口地址开始执行，到返回指令RETI为止，一般包括保护现场和完成中断源请求的服务两部分。

主程序和中断服务程序都会用到累加器A、状态寄存器PSW等寄存器，进入中断服务程序后若破坏寄存器内容，返回后将导致主程序混乱，因此一般要先保护现场，再执行中断处理程序，返回前再恢复现场。示例：

• TIME00: CLR EA（关中断）
• PUSH PSW（保护现场）
• PUSH ACC、PUSH B
• ……中断处理……
• POP B、POP ACC、POP PSW（恢复现场）
• SETB EA（开中断）、RETI（中断返回）

第19页：编写中断服务程序的注意事项

本页列出编写中断服务程序时需注意的要点。

• 各中断源入口地址之间只相隔8个字节，容纳不下普通中断服务程序，因此入口地址单元通常存放一条无条件转移指令，将中断服务程序转至存储器其它空间
• 若执行当前中断程序时禁止其它更高优先级中断，需先用软件关闭CPU中断或禁止相应高优先级中断，返回前再开放中断
• 保护现场前关中断，保护现场后若允许高优先级中断则应开中断；恢复现场前先关中断，恢复之后再开中断，以免现场数据被破坏或造成混乱

第20页：中断返回

本页讲解中断处理的第三阶段——中断返回。

中断返回

中断服务完成后，计算机返回原来断开的位置（断点），继续执行原来的程序，由中断返回指令RETI实现。

RETI指令的功能：把断点地址从堆栈中弹出送回程序计数器PC，并通知中断系统已完成中断处理，同时清除优先级状态触发器。

第21页：中断请求的撤除

本页说明MCS-51各中断源中断请求的撤除方法，CPU响应中断后应撤除该中断请求，否则会重复引起中断而导致错误。

• 定时器中断请求撤除：定时器0或1溢出中断，CPU响应中断后即由硬件自动清除标志位TF0或TF1，无需其它措施
• 串行口中断请求撤除：CPU响应中断后硬件不能自动清除TI、RI，必须在中断服务程序中用软件清除，如CLR TI、CLR RI
• 外部中断请求撤除：边沿触发的外部中断0或1，CPU响应后由硬件自动清除IE0或IE1；电平触发的外部中断，CPU响应后硬件不会自动清除，也不能用软件清除，需通过硬件配合软件在响应后立即撤除引脚上的低电平，否则会引起重复中断

第22页：【例6.1】按键控制信号灯

本页给出外部中断的应用实例。

【例6.1】电路如图6-3所示，按键控制信号灯，试利用两个外部中断编程实现以下功能：K0单独按下，黄灯亮；K1单独按下，绿灯亮。

第23页：定时的概念与计数源

本页讲解定时与计数的基本概念。

• 计数的概念：计算事件发生的次数
• 定时的概念：生活中常见的定时如电视机定时关机、空调定时开关、微波炉定时加热等

单片机中的定时器和计数器是一个东西：计数器记录外界发生的事件，定时器则由单片机提供一个稳定的计数源，即由晶振经12分频后获得的一个脉冲源。在晶振为12MHz的情况下，这个计数脉冲的时间间隔就是1μs。

第24页：计数器的容量与预置数

本页讲解8051计数器容量与预置数概念。

• 8051单片机中有两个16位计数器T0和T1，最大计数量为65536，即0000H～FFFFH
• 计到65536个即产生溢出
• 预置数法：实际需要计数值少于65536时，先放入初值再计数。如要计100，先放进65436，再来100个脉冲即可到65536

定时同理：每个脉冲1μs，计满65536个脉冲需65.536ms；若要10ms（10000个脉冲），只需在计数器中放进55536即可。

第25页：定时/计数器的结构

本页为「6.2.2 定时/计数器的结构」内容，介绍定时器/计数器的内部结构。

8051单片机内部有两个16位的可编程定时器/计数器，称为定时器0（T0）和定时器1（T1），可编程选择其作为定时器或计数器使用。工作方式、定时时间、计数值、启动、中断请求等都可以由程序设定，其逻辑结构如图6-7所示。

第26页：定时器/计数器方式寄存器TMOD

本页为「6.2.3 定时器/计数器的控制」的开篇，介绍通过两个特殊功能寄存器TMOD和TCON让定时/计数器工作。

TMOD

T0、T1的工作方式寄存器，低4位为T0的方式字段，高4位为T1的方式字段，含义完全相同。

第27页：TMOD各位定义

GATE

门控位。GATE=0时计数器启动只受TCON中TR0或TR1控制，不受外部引脚控制；GATE=1时启动还受外部引脚信号控制。

C/T

功能选择位。为0时为定时功能，计数脉冲为时钟振荡信号12分频（对机器周期计数）；为1时为计数功能，计数脉冲从T0（P3.4）或T1（P3.5）端输入的外部脉冲。

M1、M0

工作方式选择位。定时器/计数器有4种工作方式，通过M1、M0组合设置。

第28页：TMOD工作方式选择表

TMOD工作方式选择：下表列出M1、M0组合对应的四种工作方式。

TMOD不能位寻址，只能用字节指令设置定时器工作方式，高4位定义T1，低4位定义T0；复位时TMOD所有位均置0。

第29页：定时器/计数器控制寄存器TCON

本页为定时器/计数器控制寄存器TCON的讲解起始页，承接TMOD之后的定时器控制内容。

第30页：TCON各位定义

TF1

定时器1溢出标志位。定时器1计数满产生溢出时由硬件自动置TF1=1，中断允许时向CPU发出中断请求，进入中断服务程序后由硬件自动清0；中断屏蔽时作查询测试用，只能由软件清0。

TR1

定时器1运行控制位。由软件置1或清0启动或关闭定时器1。GATE=1且为高电平时TR1置1启动定时器1；GATE=0时TR1置1即可启动。

TF0

定时器0溢出标志位，功能及操作同TF1。

TR0

定时器0运行控制位，功能及操作同TR1。

TCON低4位（IE1、IT1、IE0、IT0）用于控制外部中断，与定时器/计数器无关；系统复位时TCON所有位均清0。TCON字节地址为88H，可位寻址，清溢出标志或启动定时器可用位操作指令，如SETB TR1、JBC TF1,LOOP。

第31页：方式0的13位计数器结构

本页讲解定时器/计数器的工作方式0——13位计数器结构。

• 当TMOD的M1、M0位为00时，定时器/计数器工作在方式0
• 方式0的计数器由TL0的低5位与TH0的8位组成13位结构，TL0的高3位未用
• TL0低5位进位时TH0加1；TH0最高位进位产生溢出，使TF0=1，向CPU申请中断
• 若CPU响应中断，系统自动将TF0复位

图6-9为方式0中的13位计数器分配。

第32页：方式0的定时时间计算

本页给出定时器/计数器工作方式0的定时时间与计数初值计算。

• 当C/T=0时，多路开关连接12分频器输出，T0对机器周期计数，此时T0为定时器
• 当C/T=1时，多路开关与T0（P3.4）相连，外部计数脉冲由T0脚输入，外部信号发生由0到1的负跳变时计数器加1，此时T0为计数器

定时时间计算公式：t =（计数最大值－X）×12/fosc。方式0为13位计数器结构，计数最大值为2¹³=8192。设fosc为12MHz，经12分频后每个计数脉冲周期为1μs；当计数初值X为0时定时时间最长，方式0的最大定时时间为：tmax=(2¹³－0)×12/fosc=8192×1μs=8.192ms。

第33页：方式0的计数次数计算

本页给出定时器/计数器工作方式0的计数次数计算。

• 设计数次数为C，计数初值为X，则计数次数公式为：C = 计数最大值 − X
• 当计数初值X为0时，计数次数最多，方式0的最大计数次数为：Cmax = 2¹³ − 0 = 8192

第34页：【例6.2】方式0定时1ms求解

本页给出定时器0工作方式0的应用实例求解过程。

【例6.2】用定时器0的工作方式0实现1ms的定时，在P1.0引脚上输出周期为2ms的方波。设晶振频率为12MHz。

• 第一步，设置TMOD：M1M0=00（方式0），C/T=0（定时状态），GATE=0（定时器与外部中断无关），其余位取0，即TMOD=00000000B=00H
• 第二步，计算初值：根据公式得出X=1C18H=0001110000011000B；因13位计数器中TL0高3位未用应填0，TH0占高8位，实际填写值为X=E018H，即TH0=E0H、TL0=18H

第35页：【例6.2】方式0定时查询方式程序

本页为【例6.2】的查询方式汇编源程序。

• ORG 0000H / LJMP MAIN
• ORG 0100H
• MAIN: MOV TMOD,#00H（设定时器0为工作方式0）
• SETB TR0（启动定时器）
• LOOP: MOV TH0,#0E0H / MOV TL0,#18H（装入计数初值）
• JNB TF0,$（T0没有溢出，等待溢出）
• CLR TF0
• CPL P1.0（P1.0取反输出方波）
• LJMP LOOP / END

第36页：方式1的16位定时器/计数器

本页讲解定时器/计数器的工作方式1。

• 定时器工作于方式1时构成16位定时器/计数器，最大计数值为2¹⁶=65536
• 其结构与操作几乎完全与方式0相同，唯一差别是计数位数不同（将M1M0设为01）
• 方式0是为与51机的前辈48系列兼容而设，一般可直接使用方式1

第37页：【例6.3】方式1定时50ms求解

本页给出定时器0工作方式1的应用实例求解过程。

【例6.3】用定时器0的工作方式1实现50ms的定时，在P1.0引脚上输出周期为100ms的方波。设晶振频率为12MHz。

• 第一步，设置TMOD：M1M0=01（方式1），其余与例6.2相同，即TMOD=00000001B=01H
• 第二步，计算初值：根据公式得出X=2¹⁶−50000=15536=3CB0H，即TH0=3CH、TL0=B0H

第38页：【例6.3】方式1定时中断方式程序

本页为【例6.3】的中断方式汇编源程序。

• ORG 0000H / LJMP MAIN
• ORG 000BH / LJMP TIME00
• ORG 0100H
• MAIN: MOV TMOD,#01H（设定时器0为工作方式1）
• MOV TH0,#3CH / MOV TL0,#0B0H（装入计数初值）
• SETB EA（开总中断）
• SETB ET0（开定时器中断）
• SETB TR0（启动定时器T0）
• LOOP: SJMP $（等待中断）
• TIME00: CPL P1.0（P1.0取反输出方波）
• MOV TH0,#3CH / MOV TL0,#0B0H（重新装入计数初值）
• RETI

第39页：方式2的自动重装载机制

本页讲解定时器/计数器的工作方式2——自动再装入预置数的工作方式。

• 方式2中16位定时/计数器被分割为两个：TL0（TL1）用作8位计数器，TH0（TH1）用以保持初值
• TH0（TH1）作8位寄存器存放计数器初始值；TL0（TL1）作8位加1计数器
• 当TL0（TL1）计数溢出时，不仅TF0（TF1）置1，还自动把TH0（TH1）中的内容重装到TL0（TL1）
• 程序初始化时TL0与TH0由软件赋予相同初值，溢出后TF0置位并自动重装初值，进入新一轮计数，循环不止

用于定时工作方式时，其定时时间按8位计数初值计算。

第40页：【例6.4】方式2定时100μs输出方波

本页给出定时器0工作方式2的应用实例及程序。

【例6.4】用定时器0的工作方式2实现100μs的定时，在P1.0引脚上输出周期为200μs的方波。设晶振频率为12MHz。

• 第一步，设置TMOD：M1M0=10（方式2），TMOD=00000010B=02H
• 第二步，计算初值：X=2⁸−100=156=9CH，即TH0=9CH、TL0=9CH

程序采用中断方式：

• ORG 0000H / LJMP MAIN
• ORG 000BH / CPL P1.0 / RETI
• MAIN: MOV TMOD,#02H、MOV TH0,#9CH、MOV TL0,#9CH
• MOV IE,#82H（开中断）、SETB TR0（启动定时器T0）
• LOOP: SJMP $（等待中断）

第41页：定时器/计数器工作方式总述与方式0

本页为「6.2.4 定时器/计数器的工作方式」总述，通过TMOD中M0、M1位设置可选择方式0、方式1、方式2和方式3。在方式0、1和2时，T0和T1工作方式相同；方式3时两个定时器工作方式不同。

• 方式0构成13位定时器/计数器，最大计数值为2¹³=8192

第42页：方式0的结构与启停控制

本页详述方式0的结构与启停控制逻辑。

• 16位加法计数器（TH0和TL0）只用了13位：TH0占高8位，TL0占低5位（高3位未用）
• TL0低5位溢出时自动向TH0进位，TH0溢出时向中断位TF0进位并申请中断
• CPU在每个机器周期查询TF0是否置位以产生T0中断

启停控制：当GATE=0时或门输出为1，TR0直接控制定时器0的启动和关闭，TR0=1从初值开始计数直至溢出并申请中断，需循环计数时须重置初值并用软件将TF0复位，TR0=0则停止计数；当GATE=1时与门输出由外部引脚电平与TR0状态确定，外部信号可直接开启或关断计数。

第43页：方式1的16位定时器/计数器

本页讲解定时器/计数器的工作方式1。

• 定时器工作于方式1时构成16位定时器/计数器，最大计数值为2¹⁶=65536
• 其结构与操作几乎完全与方式0相同，唯一差别是计数位数不同（将M1M0设为01）
• 方式0是为与51机的前辈48系列兼容而设，一般可直接使用方式1

第44页：方式2的自动重装载机制

本页详解定时器/计数器的工作方式2——自动再装入预置数的工作方式。

• 16位定时/计数器被分割为两个：TL0（TL1）用作8位计数器，TH0（TH1）用以保持初值
• TL0计数溢出时TF0（TF1）置1，并自动把TH0（TH1）中的内容重装到TL0（TL1）
• 初始化时TL0与TH0赋予相同初值，溢出后自动重装进入新一轮计数，循环不止
• 用于计数模式时，最长计数长度为2⁸=256个外部脉冲
• 可省去用户软件中重装常数的程序，产生相当精度的定时时间，特别适于作串行口波特率发生器

第45页：方式3的T0与T1特殊结构

本页讲解定时器/计数器的工作方式3——T0与T1工作方式大不相同。

• 方式3下定时器T0被分解为两个独立的8位计数器TL0和TH0
• TL0占用原T0的控制位、引脚和中断源（C/T、GATE、TR0、TF0、T0(P3.4)引脚、外部中断(P3.2)引脚），功能与方式0、方式1类似，可定时亦可计数
• TH0占用原定时器T1的控制位TF1和TR1，同时占用T1的中断源，启动关闭仅受TR1控制，只能对机器周期计数，只能用作简单的内部定时，不能对外部脉冲计数，是T0附加的一个8位定时器

方式3时定时器1仍可设置为方式0、方式1或方式2，但TR1、TF1及T1的中断源已被T0占用，T1仅由控制位切换定时或计数功能，计数溢出时只能将输出送往串行口，一般用作串行口波特率发生器或不需要中断的场合。