单片机原理及技术（六）—— 中断系统的工作原理

目录

一、AT89S51中断技术概述

二、AT89S51中断系统结构

2.1 中断请求源

2.2 中断请求标志寄存器

2.2.1 TCON 寄存器

2.2.2 SCON 寄存器

三、中断允许与中断优先级的控制

3.1 中断允许寄存器 IE

3.2 中断优先级寄存器 IP

四、响应中断请求的条件

五、外部中断的触发方式选择

六、中断函数

6.1 中断系统应用举例

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一、AT89S51中断技术概述

AT89S51是一款8位单片机，具有丰富的中断技术功能。中断技术是一种能够提高系统灵活性和响应速度的关键技术，它允许单片机在执行程序的过程中，根据外部或内部事件的发生而中断当前的程序执行，去执行相应的中断服务程序。

二、AT89S51中断系统结构

 AT89S51的中断系统结构图

2.1 中断请求源

AT89S51是一种8位微控制器，具有5个中断请求源。这些中断请求源是：外部中断0（INT0）、外部中断1（INT1）、定时器0中断请求（TF0）、定时器1中断请求（TF1）和串行口中断请求（RI/TI）。

外部中断0和外部中断1是外部引脚的中断请求源，可以通过设置和清除相关的寄存器来使能和禁用这些中断。

定时器0和定时器1中断请求是由定时器/计数器模块产生的。当定时器/计数器溢出时，会触发相应的中断请求。

串行口中断请求是由串行通信口接收和发送数据时产生的。当接收到数据时，会触发接收中断请求（RI）；当发送完数据后，会触发发送中断请求（TI）。

2.2 中断请求标志寄存器

5个中断请求源的中断请求标志分别由特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位锁存。

2.2.1 TCON 寄存器

TCON寄存器（Timer/Counter Control Register）是8051系列微控制器中的一个特殊功能寄存器，用于控制定时器、计数器以及外部中断的相关设置。

TCON寄存器是一个8位寄存器，其位的含义如下：

• TF1 (定时器1溢出标志位)：当定时器1计数溢出时，TF1位会被设置为1。在中断服务程序中，可以通过清除TF1位来复位溢出标志。
• TR1 (定时器1启动/停止控制位)：当TR1位为1时，定时器1启动；当TR1位为0时，定时器1停止。
• TF0 (定时器0溢出标志位)：当定时器0计数溢出时，TF0位会被设置为1。在中断服务程序中，可以通过清除TF0位来复位溢出标志。
• TR0 (定时器0启动/停止控制位)：当TR0位为1时，定时器0启动；当TR0位为0时，定时器0停止。
• IE1 (外部中断1边沿触发标志位)：当外部中断1检测到边沿触发时，IE1位会被设置为1。
• IT1 (外部中断1触发类型控制位)：用于设置外部中断1的触发类型。当IT1位为0时，外部中断1为低电平触发；当IT1位为1时，外部中断1为下降沿触发。
• IE0 (外部中断0边沿触发标志位)：当外部中断0检测到边沿触发时，IE0位会被设置为1。
• IT0 (外部中断0触发类型控制位)：用于设置外部中断0的触发类型。当IT0位为0时，外部中断0为低电平触发；当IT0位为1时，外部中断0为下降沿触发。

2.2.2 SCON 寄存器

SCON（Serial Control Register）寄存器是8051系列微控制器中的一个特殊功能寄存器，用于控制串行通信的相关设置。

SCON寄存器是一个8位寄存器，其位的含义如下：

• SM0/FE（串行通信模式选择/帧错误标志位）：当SM0为0时，串行通信使用8位数据位；当SM0为1时，串行通信使用9位数据位；当FE为1时，表示接收到的数据帧中有错误。
• SM1（串行通信模式选择）：当SM1为0时，串行通信使用异步模式（波特率可变）；当SM1为1时，串行通信使用同步模式（波特率固定）。
• SM2（多机通信模式选择）：当SM2为0时，串行通信使用单机模式（无多机通信）；当SM2为1时，串行通信使用多机模式。
• REN（串行通信接收使能）：当REN为1时，允许串行接收器接收数据；当REN为0时，禁止串行接收器接收数据。
• TB8（发送数据的第9位）：当SM0为1时，TB8表示发送数据的最高位。
• RB8（接收数据的第9位）：当SM0为1时，RB8表示接收数据的最高位。
• TI（发送中断标志）：当发送数据完成时，TI将被置位为1。
• RI（接收中断标志）：当接收到数据时，RI将被置位为1。

注意：

• TI和RI均需要手动清除。

三、中断允许与中断优先级的控制

3.1 中断允许寄存器 IE

IE（Interrupt Enable）寄存器是8051系列微控制器中的一个特殊功能寄存器，用于控制中断的相关设置。

IE寄存器是一个8位寄存器，其位的含义如下：

• EA（全局中断使能）：当EA为1时，允许所有中断；当EA为0时，禁止所有中断。
• ET2（定时器2中断使能）：当ET2为1时，允许定时器2中断；当ET2为0时，禁止定时器2中断。
• ES（串行口中断使能）：当ES为1时，允许串行口中断；当ES为0时，禁止串行口中断。
• ET1（定时器1中断使能）：当ET1为1时，允许定时器1中断；当ET1为0时，禁止定时器1中断。
• EX1（外部中断1使能）：当EX1为1时，允许外部中断1；当EX1为0时，禁止外部中断1。
• ET0（定时器0中断使能）：当ET0为1时，允许定时器0中断；当ET0为0时，禁止定时器0中断。
• EX0（外部中断0使能）：当EX0为1时，允许外部中断0；当EX0为0时，禁止外部中断0。

3.2 中断优先级寄存器 IP

在AT89S51微控制器中，中断优先级关系的两条基本规则如下：

1. 低优先级可被高优先级中断，高优先级不能被低优先级中断。

2. 任何一种中断（不管是高级还是低级）一旦得到响应，不会再被它的同级中断源所中断。如果某一中断源被设置为高优先级中断，在执行该中断源的中断服务程序时，则不能被任何其他中断源的中断请求所中断。

中断优先级寄存器（Interrupt Priority Register，IP）是一个8位寄存器，用于设置和存储中断的优先级。IP的各位的含义如下：

• PX0（外部中断0中断优先级控制位）：1——高优先级；0——低优先级。
• PX1（外部中断1中断优先级控制位）：1——高优先级；0——低优先级。
• PS（串行口中断优先级控制位）：1——高优先级；0——低优先级。
• PT1（定时器T1中断优先级控制位）：1——高优先级；0——低优先级。
• PT0（定时器T0中断优先级控制位）：1——高优先级；0——低优先级。

在同时收到几个同一优先级的中断请求时，哪一个中断请求能优先得到响应，取决于内部的查询顺序。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，其查询顺序如下表所示。

四、响应中断请求的条件

1. 总中断允许开关接通，即IE寄存器中的中断总允许位EA=1。

2. 该中断源发出中断请求，即该中断源对应的中断请求标志为“1”。

3. 该中断源的中断允许位=1，即该中断被允许。

4. 无同级或更高级中断正在被服务。

满足以上条件后，中断控制器会将中断请求转发给CPU，CPU暂停当前任务的执行，保存现场信息后执行中断服务程序来处理中断请求。

五、外部中断的触发方式选择

外部中断的触发方式选择包括电平触发和负跳变触发。

电平触发：在电平触发方式下，中断源的中断请求只要保持在特定电平上，中断就会被触发。通常，电平触发可以分为高电平触发和低电平触发两种方式。

• 高电平触发：当中断源的信号电平保持高电平时，中断触发。
• 低电平触发：当中断源的信号电平保持低电平时，中断触发。

负跳变触发：负跳变触发方式也称为边沿触发，是在中断源的信号发生负跳变（从高电平到低电平）时才触发中断。负跳变触发方式具有以下两种方式：

• 负跳变上升沿触发（Falling-Edge Triggered）：当中断源的信号从高电平变为低电平时，中断触发。
• 负跳变下降沿触发（Rising-Edge Triggered）：当中断源的信号从低电平变为高电平时，中断触发。

六、中断函数

在C51中，中断函数是用来处理中断事件的特殊函数。当发生中断时，CPU会暂时中止当前的程序执行，转而执行中断函数。中断函数完成后，CPU会返回到原来的位置继续执行。

C51中，中断函数的定义方式如下：

void interrupt_function() interrupt [interrupt_number]
{// 中断处理逻辑// ...
}

其中，interrupt_function是中断函数的名称，interrupt_number是中断的编号。

常见的中断编号包括：

例如，下面的代码定义了一个外部中断0的中断函数：

void ext_interrupt0() interrupt 0
{// 外部中断0处理逻辑// ...
}

在使用中断函数前，需要进行中断的初始化设置。例如，开启中断、设置中断优先级等。

下面是一个简单的示例，展示了如何使用定时器0中断函数进行定时操作：

#include <reg51.h>void timer0_interrupt() interrupt 1
{// 定时器0中断处理逻辑// ...
}void main()
{// 初始化定时器0TMOD = 0x01;  // 设置定时器0为模式1TH0 = 0xFC;   // 定时器0高字节初值TL0 = 0x66;   // 定时器0低字节初值ET0 = 1;      // 允许定时器0中断EA = 1;       // 允许总中断// 启动定时器0TR0 = 1;while (1){// 主循环逻辑// ...}
}

在上面的代码中，首先定义了一个定时器0中断函数timer0_interrupt。然后，在main函数中进行了定时器的初始化设置，包括设置定时器模式、初值等。最后，通过ET0 = 1开启了定时器0中断，并通过EA = 1开启了总中断。在主循环中处理其他逻辑。

当定时器0中断发生时，C51会自动跳转到timer0_interrupt函数执行中断处理逻辑，完成后返回到原来的执行位置继续执行主循环。

6.1 中断系统应用举例

在AT89S51单片机的P1口上接有8只LED。在外部中断0输入引脚INTO (P3.2)接有一只按钮开关k1。要求将外部中断0设置为电平触发。程序启动时，P1口上的8只LED全亮。每按一次按钮开关kl,使引脚INTO接地，产生一个低电平触发的外中断请求，在中断服务程序中，让低4位的LED与高4位的LED交替闪烁5次。然后从中断返回，控制8只LED再次全亮，其原理电路如下图所示。

利用中断控制8只LED交替闪烁一次的电路示意图 

程序代码：

#include <reg51.h>
#define uchar unsigned char
void Delay (unsigned int i){              //延时函数Delay(),i为形式参数,不能赋初值unsigned int j；for(;i > 0;i--)for (j=0;j<333;j++)                   //晶体振荡器为12MHz,j的选择与晶体振荡器频率有关{;}                 //空函数
}
void main( ){EA=1;         //总中断允许EX0=1;        //允许外部中断0中断IT0=1;        //选择外部中断0为跳沿触发方式Wh1le(1){P1=0;}
void int0( ) interrupt 0 using 1{        //外中断0的中断服务函数uchar m;EX0=0;                               //禁止外部中断0中断for(m=0;m<5;m++){P1=0xf0;Delay(400);P1=0x0f;Delay(400);}EX0=1;                               //中断返回前，打开外部中断0中断
}