Principle and Interface Technology of Single Chip Microcomputer VI

2020-04-03

这里是单片微型计算机原理及接口技术的第六章知识点

中断系统

中断概述

I/O数据传送方式

无条件传送方式

也称同步传送，所需的硬件和软件少。
外设在任何时刻已准备好。
用于对简单外设直接执行输入输出操作。
如，按键开关输入和LED的点亮和熄灭等控制。

条件传送方式

又称查询传送。
通过查询外设“准备好”后，再进行数据传送。
通用性好，硬件连线和查询程序简单。
CPU花大量时间等待数据或外设准备就绪，工作效率很低。

中断方式

CPU平时执行主程序，外设准备好后，才向CPU发中断请求。
CPU中断主程序的执行，进入中断服务子程序。
中断服务完成后返回主程序断点处。
CPU与外设可并行工作，可以提高单片机的工作效率。

DMA(Direct Memory Access) 传送方式

直接存储器存取方式，是硬件方式。
用于CPU与高速I/O设备交换数据，或与外设进行成组数据交换时。
由DMA控制器临时接管地址、数据和控制总线。
不受CPU干预，实现存储器与外设间的高速交换数据。

中断

计算机执行主程序过程中，由于临时重要事件，需要暂停当前程序的运行，转到中断服务程序去处理临时事件，处理完后又返回原程序的断点处继续运行。

中断的功能

解决快速CPU与慢速外部设备之间的矛盾，实现CPU与外设并行工作，提高CPU效率;
能对突发事件及时处理;
通过键盘发出中断请求，实现人机联系，可随时对计算机进行控制;
用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应;

中断源

——-引起中断的原因或者发出中断请求的设备。
分两类：内部中断源和外部中断源。

内部中断源在微处理器内部:计算溢出、定时时间到、程序调试中指令的单步运行、中断指令的执行等。
外部中断源来自外部设备:外设的I/O请求、设备故障、电源掉电等。

中断响应

———CPU接受中断请求
CPU在每条指令的最后一个时钟周期检测中断请求，若有，满足响应条件后，CPU响应。

中断向量

———中断服务程序入口地址
响应中断后，由中断源提供中断服务子程序地址信息。
计算机通常在内存预留一段区域，供中断向量或中断服务程序集中存放。

中断优先级

多个中断源同时提出中断请求，CPU响应优先级高的中断，挂起优先级低的中断。

中断嵌套

高优先级可以中断低优先级
低优先级不能中断高优先级。
同优先级不能中断。

中断的响应与处理过程

中断请求

是建立中断请求标志位的过程。
内部中断由单片机根据部件工作状态，自动置位相应中断标志位。
外部中断源，由单片机在每个机器周期的S5P2期间采样，满足触发条件时，置位中断标志位。
中断请求的触发形式：电平触发、上升沿触发和下降沿触发。

中断响应

中断源提出中断申请；
本中断位被允许；
无同级或更高优先级中断正在服务；
CPU总中断允许；
当前指令执行结束；
若正执行的指令是RETI或访问IE、IP指令，需再执行一条其他指令后才会响应。

中断处理

保护现场
中断服务
恢复现场
现场保护和现场恢复前关中断，是为防止高一级的中断进入，现场被破坏。
现场保护和现场恢复后开中断是为下一次的中断做好准备，允许中断嵌套。

中断返回

返回前，须先撤销中断请求，即将中断标志位清除，以免错误地再一次引起中断响应。

中断服务子程序的最后一条指令必须是RETI。从堆栈中弹出栈顶的的断点地址送PC，回到主程序断点处。

STC15单片机的中断系统结构

21个中断源
2个中断优先级
二级中断服务嵌套
中断允许寄存器IE、IE2和INT_CLKO控制中断允许。
中断优先级寄存器IP、IP2管理中断优先级。
同优先级中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定响应次序。

21个中断源：

以下中断优先级固定为高级：
（1）INT0*—外部中断0：由INT0*（P3.2）引脚输入。
（2）INT1*—外部中断1：由INT1*（P3.3）引脚输入。
（3）定时器/计数器T0溢出中断
（4）定时器/计数器T1溢出中断
（5）串行口1中断
（6）A/D转换结束中断
（7）片内电源低压检测中断
（8）PCA/CPP中断：PCA计满溢出、PCA/PWM模块0或1发生匹配或捕获时，申请中断。
（9）串行口2中断
（10）SPI中断：
以下中断优先级固定为低级：
（11）INT2*—外部中断2：下降沿触发。
（12）INT3*—外部中断3：下降沿触发。
（13）定时器/计数器T2溢出中断
（14）INT4*—外部中断4：下降沿触发。
（15）串行口3中断
（16）串行口4中断
（17）定时器/计数器T3溢出中断
（18）定时器/计数器T4溢出中断
（19）比较器中断：比较器结果由高到低或由低到高时，申请中断。
（20）PWM中断：PWM计数器归零或PWM2~PWM7通道发生翻转，申请中断。
（21）PWM异常检测中断

中断请求标志寄存器

TCON
SCON
PCON

INT2、INT3、INT4和T2、T3、T4的中断请求标志对用户不可见。

TCON：字节地址为88H，可位寻址。

1）TF1—定时器/计数器T1的溢出中断请求标志位
2）TF0—定时器/计数器T0的溢出中断请求标志位
3）IE1—外部中断1的中断请求标志位
4）IE0—外部中断0的中断请求标志位
5）IT1—外部中断1的中断触发方式控制位

IT1=1，下降沿触发
IT1=0，为上升沿和下降沿触发

6）IT0—外部中断请求0的中断触发方式控制位

IT0=1，下降沿触发方式
IT0=0，为上升沿和下降沿触发

SCON：字节地址为98H，可位寻址。

1）TI—串行口发送中断请求标志必须由软件清0
2）RI—串行口接收中断请求标志必须由软件清0

PCON：字节地址为87H，不可位寻址

LVDF—片内电源低电压检测中断请求标志需由软件清0

中断请求的撤销

所有的中断请求标志由硬件自动置位。
自动清除：

对于用户不可见的中断请求
IE1、IE0及TF1、TF0的中断请求

软件清除：

串行口的中断请求
LVDF标志

例如：

CLR   TI  ；清TI标志位
CLR   RI  ；清RI标志位

中断允许控制

IE：位地址是A8H，可位寻址

1）EA—中断允许总开关控制
2）ES—串行口1的中断允许
3）ET0、ET1—定时/计数器T0、T1的溢出中断允许
4）EX0、EX1—外部中断0、1中断允许
5）ELVD—片内电源低压检测中断允许
6）EADC—外部中断0中断允许

0：禁止中断
1：允许中断

IE2：字节地址AFH，不可位寻址

INT_CLK0：字节地址8FH，不可位寻址

7）ES2、ES3、ES4—串行口2、3、4的中断允许
8）ET2、ET3、ET4—定时/计数器T2、T3、T4的溢出中断允许
9）EX2、EX3、EX4—外部中断2、3、4中断允许
10）ESPI—SPI中断允许

单片机复位后，所有中断请求被禁止。
若允许某中断，除相应的允许位被置1外，还必须使EA位置1。

中断优先级的控制

外部中断2、3、4，串口3、4及定时器T2、T3、T4固定为低优先级.
其他具有2个中断优先级，可实现二级中断服务嵌套。
IP：字节地址为B8H，可位寻址

1）PPCA—PCA中断优先级
2）PLVD—电源低电压检测中断优先级
3）PADC—AD转换结束中断优先级
4）PS—串行口1中断优先级
5）PT1—定时器T1中断优先级控制位
6）PX1—外部中断1中断优先级控制位
7）PT0—定时器T0中断优先级控制位
8）PX0—外部中断0中断优先级控制位

0：低优先级
1：高优先级

IP2：字节地址为B5H，不可位寻址

9）PSPI—SPI的中断优先级
10）PS2—串行口2的中断优先级

系统复位后，所有中断源均为低优先级。
同时收到同优先级请求，优先级取决于查询顺序。
两个中断优先级，可实现两级中断嵌套。
两条基本规则：
（1）低优先级可被高优先级中断，高级不能被低级中断。
（2）不能被同级中断源中断。

例：若允许外部中断0和定时器T1中断，并使它们的中断请求为高优先级，外部中断0为下降沿触发。请编写相应的程序段。
（1）用位操作指令编写：

SETB  EX0；允许外部中断0中断
SETB  ET1；允许T1中断
SETB  EA；中断总允许
SETB  IT0；外部中断0为下降沿触发
SETB  PX0；外部中断0为高优先级
SETB  PT1；T1为高优先级

（2）用字节操作指令编写：

MOV  IE，#89H
MOV  IP，#09H

中断程序设计

中断响应

由硬件自动产生类似于长调用指令LCALL的操作
包括保护断点和将程序转向中断向量

首先将断点地址——程序计数器PC的内容压入堆栈保护
再将中断向量——中断服务程序入口地址装入PC

中断向量

各中断源的中断向量由硬件固定分配

相邻中断向量间只相隔8字节，一般难以安放一个完整的中断服务程序。
常在中断向量处放置一条无条件转移指令，使跳转到用户安排的中断服务程序起始地址处。
例如:

ORG   001BH  ；系统安排的T1中断向量001BH 
LJMP  T1_ISR ；转向T1的中断服务程序T1_ISR

中断服务任务

中断服务任务包括：
1）置位中断允许控制位。
2）设置中断优先级控制位。
3）设置外部中断源的触发方式。
4）不能自动撤销的请求标志，用软件清除。
5）编写中断服务子程序。

前3条任务要求放在主程序的初始化程序段中
第4条任务放在中断服务子程序中

主程序结构

程序必须从地址0000H开始执行,在0000H地址处，用无条件转移指令，跳向主程序。
系统给每个中断服务程序只预留了8字节,在进入中断后，用无条件转移指令，跳转到实际的中断服务子程序入口地址处。

常用的主程序结构：

中断向量必须依次由小到大排列。

中断函数（C语言）

void  INT0_ISR（void）interrupt 0｛｝     
void  Timer0_ISR（void）interrupt 1｛｝     
void  INT1_ISR（void）interrupt 2｛｝       
void  Timer1_ISR（void）interrupt 3｛｝    
void  UART_ISR（void） interrupt 4｛｝     
void  LVD_ISR（void）interrupt 6｛｝

           ORG  0000H
           LJMP  MAIN
           ORG  0003H    ；外部中断0的中断向量
           LJMP  INT0_ISR 
                    ……
           ORG   001BH   ；定时/计数器1的中断向量
           LJMP  T1_ISR
                    ……
MAIN:      主程序
INT0_ISR:  外部中断0的中断服务子程序
                     …… 
T1_ISR:    定时/计数器1的中断服务子程序
                     ……

中断服务子程序流程

1)程序开始必须保护中断现场，用PUSH将各寄存器入栈保护。
2)清除中断请求标志位。
3) 执行中断处理程序。
4) 恢复中断现场，用POP将各寄存器恢复。
5)用RETI返回主程序断点，中断结束。

现场保护和恢复前关中断，是为防止现场被破坏。
现场保护和恢复之后的开中断是为下一次的中断做准备，也为了允许中断嵌套。

例：编写某外部中断的服务程序。设现场保护只将PSW寄存器和累加器A的内容压入堆栈中保护。

INT:    CLR   EA    ；CPU关中断
        PUSH  PSW   ；现场保护
        PUSH  ACC
        SETB  EA    ；开中断，允许中断嵌套
        中断处理程序段
        CLR   EA    ；关中断
        POP  ACC    ；现场恢复
        POP  PSW
        SETB  EA    ；开中断
        RETI        ；中断处理结束，返回主程序

几点说明：
1）堆栈的操作是先入后出。
2）外部中断的请求标志由硬件自动清除。
3）如不允许被其他中断打断，可将中间“SETB EA”和“CLR EA”指令去掉。
5）最后一条指令必须是RETI。

外部中断应用举例

例：P1.7连接LED灯，利用外部中断0改变P1.7，控制灯的亮灭。

中断服务子程序任务：
P1.7翻转，灯亮灭切换
返回主程序

主程序任务：
允许INT0中断
设置INT0触发方式
中断总允许
设置INT0优先级

外部中断0采用下降沿触发方式。汇编语言参考程序如下：

            ORG    0000H        ; reset 
            LJMP   Main
            ORG    0003H        ; INT0中断向量
            LJMP   INT0_ISR  
            ORG    0100H        ;主程序起始地址
Main:       SETB EX0            ;允许INT0中断
            SETB   IT0          ; INT0下降沿触发
            SETB   EA           ; 中断总允许  
            SETB  PX0           ; INT0为高优先级
            SJMP  $             ; 等待中断
INT0_ISR:   CPL    P1.7         ; INT0中断服务程序
            RETI
            END

例：按键连接INT1，用3个数码管显示按键的按压次数。

主程序流程：

中断服务子程序任务：
计数值加1
返回主程序

汇编参考程序：

说明：

MCS-51只有P0~P3口，STC增加的P4、P5口要定义。

STC的I/O口有4种工作模式，由PiM1和PiM0设置。

P4      DATA    0C0H    ; 端口寄存器的地址
P5      DATA    0C8H
P3M1    DATA    0xB1    ; 设置端口模式寄存器的地址
P3M0    DATA    0xB2
P4M1    DATA    0xB3    
P4M0    DATA    0xB4    
P5M1    DATA    0xC9    
P5M0    DATA    0xCA
;*************        IO口定义           **************
HC595_SER       BIT  P4.0               ;   串行数据输入引脚
HC595_RCLK      BIT  P5.4               ;   锁存时钟
HC595_SRCLK     BIT  P4.3               ;   移位时钟
STACK_P EQU     0D0H                    ;   堆栈开始地址
DIS_BLACK       EQU    10H              ;   消隐的索引值
;*************       本地变量声明        ***********
LED8            DATA    30H             ;   显示缓冲 30H ~ 37H
disp_index      DATA    38H             ;   显示位索引
INT1_cnt        DATA    39H             ;   测试用的计数变量
       
            ORG     0000H               ; reset
            LJMP    Main
            ORG     0013H               ; INT1 中断向量
            LJMP    INT1_ISR      
            ORG     0100H               ; 主程序起始地址
Main:       CLR     A
            MOV     P3M1, A             ;设置为准双向口
            MOV     P3M0, A
            MOV     P4M1, A      
            MOV     P4M0, A
            MOV     P5M1, A     
            MOV     P5M0, A
            MOV     SP, #STACK_P
            MOV     disp_index, #0
            MOV     R0, #LED8
            MOV     R2, #8
ClearLoop:  MOV     @R0, #DIS_BLACK     ;  上电消隐
            INC     R0
            DJNZ    R2,  ClearLoop  
            SETB    EX1                 ;   INT1允许
            SETB    IT1                 ;   INT1 下降沿中断
            SETB    EA                  ;   允许总中断 
            SETB    PX1                 ;    高优先级
            MOV     INT1_cnt, #0
Main_loop:  LCALL   delay_ms 
            LCALL   DisplayScan
            LJMP    Main_loop           ;   循环等待中断
DispScan:   MOV     A, INT1_cnt
            MOV     B, #10
            DIV     AB
            MOV     LED8+0, A           ;百位
            MOV     A, #10
            XCH     A, B
            DIV     AB
            MOV     LED8+1, A           ;十位 
            MOV     LED8+2, B           ;个位
            MOV     R7, #3              ; 3个数码管
NEXT:       MOV     DPTR, #T_COM        ; 位码表头   
            MOV     A, disp_index       ;  数码管号
            MOVC    A, @A+DPTR
            CPL     A                   ; 595级联时用的/Q7
            LCALL   Send_595            ; 输出位码
            MOV     DPTR, #T_Disp ; 7段码表头
            MOV     A, disp_index
            ADD     A, #LED8
            MOV     R0, A
            MOV     A, @R0              ; 待显示的数
            MOVC    A, @A+DPTR
            LCALL   Send_595            ; 输出段码
            CLR     HC595_RCLK          ; 产生锁存时钟
            SETB    HC595_RCLK
            INC     disp_index          ; 下一数码管
            DJNZ    R7, NEXT
            MOV     disp_index, #0      ; 8位结束回0
            RET
; HC595串行移位输出一个字符
Send_595:   MOV     R2, #8
Send_Loop:  RLC     A
            MOV     HC595_SER, C
            CLR     HC595_SRCLK 
            SETB    HC595_SRCLK  ; 产生移位脉冲
            DJNZ    R2, Send_Loop
            RET
INT1_ISR:   INC  INT1_cnt    ; 中断服务程序
            RETI  
T_Disp:     DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH, 7DH,07H
            DB  7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H,00H;
; 0-F的7段码及消隐 
T_COM:      DB 01H,02H,04H,08H,10H,20H,40H,80H  ;  位码
            END

外部中断的扩展

1.利用外部中断加查询的方法扩展外部中断

4个外中断信号EINT0~EINT4为低电平有效，当有1个或以上为低电平时，经与门后输出低电平，产生下降沿信号，向CPU发出中断请求。

2.利用定时中断

当定时/计数器不用时，可用来扩展外部中断。将定时/计数器设置在计数状态，初始值设置为全“1”，这时的定时/计数器中断即为由计数脉冲输入引脚引发的外部中断。

3.PCA中断扩展外部中断

当PCA不用时，也可扩展为下降沿触发的外部中断。