第5章中断系统及其应用.ppt

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1、第5章中断系统及其应用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望5.1概述概述中断技术是计算机中的重要技术之一。中断技术是计算机中的重要技术之一。引入中断技术作用：引入中断技术作用：（1）实时处理，提高计算机处理故障的能力；（2）解决CPU和外设之间的速度匹配问题，提高CPU的效率。本章将介绍中断的概念，并以MCS-51的中断系统为例介绍中断的处理过程及应用。5.1.1中断的概念中断的概念中中断断是指中央处理器CPU正在执行程序，处理某件事情的时候，外部发生

2、了某一事件，请求CPU马上处理，CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，处理完以后，再返回到原来被中断的地方，继续原来的工作。实现中断功能的部件称为中断系统中断系统。中中断断服服务务程程序序中断之后所执行的处理程序通常称为中断服务程序，原来运行的程序称为主程序。断点断点主程序被断开的位置(地址)称为断点。中中断断源源引起中断的原因，或能发出中断申请的来源，称为中断源。中中断断请请求求中断源要求服务的请求称为中断请求或中断申请。调用中断服务程序与调用子程序的区别：调用中断服务程序与调用子程序的区别：调用子程序指令在程序中是事先安排好的，而调用中断服务程序事先却无法确知，因为“中断中断”的

3、发生是由外设决定的，程序中无法事先安排调用指令，因而调用中断服务程序的过程是由硬件自动完成的。5.1.2中断源中断源n中中断断源源在中断系统中，将引起中断请求的设备或事件的来源，般统称为中断源。常见中断源：1输入、输出设备中断源输入、输出设备中断源一般计算机的输入、输出设备，如键盘、磁盘驱动器、打印机等，可通过接口电路向CPU申请中断。2故障源故障源故障源是产生故障信息的来源。例如：CPU内部故障源，如除法中除数为零时的情况；外部故障源，如电源掉电情况。n在电源掉电时可以接入备用的电池供电，以保存存储器中的信息。当电压因掉电降到定值时，就发出中断申请，由计算机的中断系统完成替换备用电源的控制。

4、3实时中断源实时中断源在实时控制中，常常将被控参数、信息作为实时中断源。例如，电压、电流、温度等超越上限或下限时，以及继电器、开关闭合断开时，都可以作为中断源申请中断。4定时计数脉冲中断源定时计数脉冲中断源内部定时计数中断是由单片机内部的定时器计数器溢出时自动产生的；外部定时/计数中断是由外部定时脉冲通过CPU的中断请求输入线或定时器计数器的输入线引起的。5.1.3中断系统的一般功能中断系统的一般功能中断系统一般应具有如下功能：功能：1.实现中断及返回实现中断及返回当某一个中断源发出中断申请时，若允许响应这个中断请求，CPU必须在现行的指令执行完后，把断点处的PC值(即下一条应执行的指令地址)

5、压入堆栈保存起来，称为保保护护断断点点，这是由硬件自动完成的。保保护护现现场场响应中断请求后，将有关的寄存器内容和状态标志位压入堆栈保存起来，这称为保护现场。恢复现场恢复现场执行中断服务程序后，恢复原保留的寄存器的内容和标志位的状态，称恢复现场，并执行返回指令“RETI”，这个过程通过用户编程来实现。中断及返回过程如图中断及返回过程如图51所示所示:主程序低级中断高级中断中断中断返回返回图图5-2 中断嵌套流程图中断嵌套流程图执行中断服务程序主程序继续执行主程序RETI图图5-1 中断流程图中断流程图 2实现优先权排队实现优先权排队n优优先先权权给各中断源规定一个优先级别，称为优先权。n当两个

6、或者两个以上的中断源同时提出中断请求时，计算机首先为优先权最高的中断源服务，服务结束后再响应级别较低的中断源。计计算算机机按按中中断断源源级级别别高高低逐次响应的过程称优先权排队。低逐次响应的过程称优先权排队。n这个过程可以通过硬件电路来实现，也可以通过程序查询来实现。3实现中断嵌套实现中断嵌套当CPU响应某一中断的请求而进行中断处理时，若有优先权级别更高的中断源发出中断申请，CPU则中断正在进行的中断服务程序，并保留这个程序的断点(类类似似于于子子程程序序嵌嵌套套)，响应高级中断，在高级中断处理完以后，再继续执行被中断的中断服务程序。n中断嵌套示意图如图中断嵌套示意图如图52所示。所示。中断

7、申请的中断源的优先权级别与正在处理的中断源同级或更低时，CPU暂时不响应这个中断申请，直至正在处理的中断服务程序执行完以后才去处理新的中断申请。4.实现中断的撤除实现中断的撤除n在响应中断申请以后，返回主程序之前，中断请求应该撤除，否则，就等于中断申请依然存在，这将影响对其它中断申请的响应。nMCS-51中断系统只能对一部分中断申请，在响应后自动撤除，使用中应注意。5.2 MCS-51中断系统及中断控制中断系统及中断控制nMCS-51的中断系统结构框图如图53所示，与中断有关的特殊功能寄存器有4个个，分别为中断源寄存器(即专用寄存器TCON和SCON的相关位)、中断允许控制寄存器IE和中断优先

8、级控制寄存器IP。nMCS-51单片机有5个中断源个中断源，可提供两个中断优先级，即可实现二级中断嵌套二级中断嵌套。图图5-3 MCS-51的中断系统结构框图的中断系统结构框图5.2.1 MCS-51中断源及中断入口中断源及中断入口MCS-51的中断源可分为三类：外部中断、定时中断和串行口中断。1外部中断类外部中断类外部中断是由外部原因引起的，即外部中断0(INT0)和外部中断1(INT1)：INT0外外部部中中断断0请请求求信信号号，由P3.2引脚输入。由IT0(TCON0)决定中断请求信号是低电平有效还是下降沿有效。一旦输入信号有效，即向CPU申请中断，并且使IE01。INT1外外部部中中

9、断断1请请求求信信号号，由P3.3引脚输入。由IT1(TCON.2)决定中断请求信号是低电平有效还是下降沿有效。一旦输入信号有效，即向CPU申请中断，并且使IE11。2定时中断类定时中断类定定时时中中断断是为满足定时或计数溢出处理的需要而设置的，当定时器计数器中的计数结构发生计数溢出时，即表明定时时间到或计数值已满，这时就以计数溢出信号作为中断请求，去置位一个溢出标志位，这种中断请求是在单片机芯片内部发生的，无需在芯片上设置引入端，但在计数方式时，中断源可以由单片机芯片外部引入。TF0一定时器T0溢出中断请求。当定时器T0产生溢出时，其中断请求标志TF01，请求中断处理。TF1定时器T1溢出中

10、断请求。当定时器T1产生溢出时，其中断请求标志TF11，请求中断处理。3串行口中断类串行口中断串行口中断是为串行数据的传送需要而设置的。RI或或TI串行中断请求。当接收或发送完一串行帧数据时，使内部串行口中断请求标志RI或TI1，并请求中断。各中断源对应的中断服务程序入口地址：各中断源对应的中断服务程序入口地址：中断源中断源 入口地址入口地址外部中断00003H定时器T0中断000BH外部中断10013定时器T1中断001BH串行口中断0023H5.2.2 MCS-51中断请求中断请求在中断请求被响应前，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。1TCON中的中断标志TC

11、ON控制寄存器各位含义：TCON8FH8DH8BH8AH89H88HTFlT1溢出中断标志。T1被启动计数后，从初值开始加1计数，直至计满溢出后，由硬件使TFll，向CPU请求中断，此标志一直保持到CPU响应中断后，才由硬件自动清“0”。也可用软件查询该标志，并由软件清“0”。TFlTF0IE1 IT1 IE0 IT0(88H)TF0T0溢出中断标志。其操作功能类似于TF1。IE1INT1外部中断1标志。IE11表明外部中断1向CPU申请中断。IT1外部中断1触发方式控制位。（1）ITl0，外部中断1为电平触发方式，低电平有效。（2）ITl1，外部中断1控制为边沿（先高后低的负跳变）触发方式。

12、IE0INT0外部中断0标志。其操作功能与IE1类同。IT0外部中断0触发方式控制位。其操作功能与IT1类同。2SCON中的中断标志中的中断标志SCON是串行口控制寄存器，其低2位TI和RI锁存串口的发送中断和接收中断标志。其格式和各位含义如下：SCON99H98HTI串行发送中断标志。CPU将一个字节数据写入发送缓冲器SBUF后启动发送，每发送完一个串行帧，硬件置位TI。TI标志由软件清除。RI串行接收中断标志。在串行口允许接收时，每接收完一个串行帧，硬件置位RI。RI标志由软件清除。MCS51系统复位后，TCON和SCON中各位均被清“0”。（98H）SMODTIRI5.2.3 中断允许控

13、制中断允许控制中断允许寄存器IE格式和各位含义如下：IEAFHACHABHAAHA9HA8HEACPU中断总允许位。EA1，CPU开放中断，每个中断源是被允许还是被禁止，分别由各自的允许位确定；EA0，CPU屏蔽所有的中断请求，称关中断。ES串行口中断允许位。ES1，允许串行口中断；ES0，禁止串行口中断ET1一T1中断允许位。ET11，允许T1中断；ET10，禁止T1中断。EX1外部中断l允许位。EX11，允许外部中断1中断；EXl0，禁止外部中断1中断。ET0一T0中断允许位。ET0l，允许T0中断；ET00，禁止T0中断。EX0外部中断0允许位。EX01，允许外部中断0中断；EX00，禁

14、止外部中断0中断。MCS5l系统复位后，IE中各中断允许位均被清“0”，即禁止所有中断。EAESET1EX1ET0EX0（A8H）5.2.4 中断优先级中断优先级n中中断断优优先先级级系统设计人员给每个中断源，事先安排一个中断响应的优先顺序。然后按照轻重缓急的次序响应中断。中断源的这种优先顺序常被称为中断优先权级别，或简称中断优先级。n专专用用寄寄存存器器IP统一管理中断优先级。它具有两个中断优先级，由软件设置每个中断源为高优先级中断或低优先级中断，并可实现两级中断嵌套。n高优先级中断源可以中断正在执行的低优先级中断服务程序，除非在执行低优先级中断服务程序时设置了CPU关中断或禁止某些高优先级

15、中断源的中断。同级或低优先级的中断源不能中断正在执行的中断服务程序。专用寄存器专用寄存器IP为中断优先级寄存器，为中断优先级寄存器，其格式和各位含义如下：其格式和各位含义如下：IPBCHBBHBAHB9HB8HPS串行口中断优先级控制位。PT1T1中断优先级控制位。PX1外部中断l中断优先级控制位。PT0T0中断优先级控制位。PX0外部中断0中断优先级控制位。以上对应位为以上对应位为1，高优先级；为，高优先级；为0，低优先级。，低优先级。当系统复位后，IP低5位全部清“0”，将所有中断源设置为低优先级中断。PSPT1 PX1 PX1 PX0（B8H）自然优先级由硬件形成，排列次序如下：自然优先

16、级由硬件形成，排列次序如下：中断源中断源 自然优先级自然优先级外部中断0最高级定时器T0中断外部中断1定时器T1中断串行口中断最低级当重新设置优先级时，则顺序查询逻辑电路将会相应改变排队顺序。例如，给中断优先级寄存器IP中设置的优先级控制字为11H，则PS和PX0均为高优先级中断。当这两个中断源同时发出中断申请时，CPU将先响应自然优先级高的PX0的中断申请，而后响应自然优先级低的PS的中断申请。5.2.5 中断响应时间中断响应时间不同的情况对中断响应的时间不同：不同的情况对中断响应的时间不同：（1）最短的响应时间，需要5个机器周期。调用指令本身要用2个机器周期，从外部中断请求有效到开始执行中

17、断服务程序的第一条指令，至少需要3个机器周期。（2）如果遇到中断受阻的情况，中断响应时间会更长一些。不同中断受阻情况，附加的等待时间为15个机器周期。（3）若系统中只有一个中断源，则响应时间为38个机器周期。（4）如果有两个以上中断源同时申请中断，则响应时间将更长。般情况下，可不考虑响应时间，但在精确定时控制的场合需要考虑此问题。5.2.6 中断请求的撤除中断请求的撤除CPU响应某中断请求后，在中断返回前，应该撤消该中断请求，否则会引起另一次中断。（1）定时器0或1溢出中断，CPU在响应中断后，中断请求自动撤除。（2）边沿激活的外部中断，CPU在响应中断后，硬件自动清除有关的中断请求。（3）串

18、行口中断，CPU响应中断后，靠软件来清除相应的标志。电平激活的外部中断撤除方法较复杂。图54是撤除电平激活的中断的可行的方案之一。用P1.0接在触发器的S端作为应答线，当CPU响应中断后可使用如下两条指令：ANLPl，#0FEHORLP1，#01H执行第一条指令使P1.0输出为“0”，其持续时间为2个机器周期，足以使D触发器置位，从而撤除中断请求。执行第二条指令使P1.0变为“1”，否则D触发器的S端始终有效，INT0端始终为“1”，无法再次申请中断。图图5-4 撤除外部中断请求的电路撤除外部中断请求的电路5.3 中断处理过程中断处理过程一一个个完完整整的的中中断断处处理理的的基基本本过过程程

19、应应该该包包括括：中中断断请请求求、中中断断响应、中断处理以及中断返回。响应、中断处理以及中断返回。中断处理流程图如图5-5所示。不同的计算机由于中断系统的硬件结构不完全相同，因而中断响应的方式有所不同。在此，仅以MCS51单片机为例来介绍中断处理的过程。中止现行程序，保护断点转入中断服务程序入口保护现场中断服务恢复现场中断返回（RETI）图图5-5 中断处理流程图中断处理流程图中断响应中断返回中断处理中断请求CPU响应中断中断请求5.3.1 中断请求中断请求中中断断请请求求是中断源（或者通过接口电路）向CPU发出请求中断的信号，要求CPU中断原来执行的程序，转去为它服务。一般单片机提供有多条

20、中断请求线，当中断源有服务要求时，可通过中断请求线，向CPU发出信号，请求CPU中断。中断请求信号可以是电平信号，也可以是中断请求信号可以是电平信号，也可以是脉冲信号。脉冲信号。中断请求信号应该一直保持到CPU做出反应时为止。5.3.2 中断响应中断响应中中断断响响应应是在满足CPU的中断响应条件之后，CPU对中断源中断请求的回答。在这一阶段，CPU要完成中断服务以前的所有准备工作，包括保护断点和把程序转向中断服务程序的入口地址(通常称为矢量地址)。1CPU的中断响应条件的中断响应条件(1)有中断源发出中断申请；(2)中断总允许位EA1，即CPU允许所有中断源申请中断；(3)申请中断的中断源的

21、中断允许位为1，即此中断源可以向CPU申请中断。有下列任何一种情况存在，中断响应有下列任何一种情况存在，中断响应都会受到阻断：都会受到阻断：(1)CPU正在执行一个同级或高一级的中断服务程序；(2)当前的机器周期不是正在执行的指令的最后一个周期，即正在执行的指令完成前，任何中断请求都得不到响应；(3)正在执行的指令是返回(RETI)指令或者对专用寄存器IE、IP进行读写的指令，此时，在执行RETI或者读写IE或IP之后，不会马上响应中断请求。若存在上述任何一种情况，则不会马上响应中断，而把该中断请求锁存在各自的中断标志位中，在下一个机器周期再按顺序查询。由由于于存存在在中中断断阻阻断断的的情情

22、况况而而未未被被及及时时响响应应，待待上上述述封封锁锁中中断断的的条条件件被被撤撤消消之之后后，由由于于中中断断标标志志还还存存在在，仍会响应。仍会响应。2中断响应过程中断响应过程MCS-51中断入口地址和中断输入引脚是一一对应的，从哪个中断输入引脚进入的中断请求，它的中断服务程序入口地址一定是某个固定值。如从INT0（P3.2）引脚进入的中断请求，转向的中断入口地址是0003H单元。5.3.3 中断处理中断处理中断处理(又称中断服务)程序从入口 地 址 开 始 执 行，直 到 返 回 指 令“RETI”为止，这个过程称为中断处理。一一般般包包括括保保护护现现场场和和处处理理中中断断源源的的请

23、求及恢复现场三部分内容。请求及恢复现场三部分内容。一般主程序和中断服务程序都可能会用到累加器、PSW寄存器和一些其它寄存器。CPU在进入中断服务程序后，用到上述寄存器时就会破坏它原来存在寄存器中的内容，一旦中断返回，将会造成主程序的混乱。5.3.4 中断返回中断返回中中断断返返回回是指执行完中断服务程序后，程序返回到断点(即原来程序执行时被断开的位置)，继续执行原来的程序。中断返回由专门的中中断断返返回回指指令令“RETI”实现，该指令的功能是把断点地址取出，送回到程序计数器PC中去。特别要注意不能用子程序返回指令“RET”代替中断返回指令“RETI”。5.4 中断应用程序举例中断应用程序举例

24、中断程序中断程序一般包含中断控制程序（即中断初始化程序）和中断服务程序两部分。5.4.1中断初始化程序中断初始化程序中断初始化程序实质上就是对TCON、SCON、IE和IP寄存器的管理和控制。只要这些寄存器的相应位按照要求进行了状态预置，CPU就会按照人们的意图对中断源进行管理和控制。中断初始化程序一般不独立编写，而是包含在主程序中，根据需要进行编写。中中断断初初始始化化程程序序需需完完成成以下操作：以下操作：1开中断；2某一中断源中断请求的允许与禁止(屏蔽)；3确定各中断源的优先级别；4若是外部中断请求，则要设定触发方式是电平触发还是边沿触发。例例5-1假设规定外部中断0为电平触发方式，高优

25、先级，试写出有关的初始化程序。解：可用两种方法完成。方法方法1，用位操作指令完成：，用位操作指令完成：SETBEA；开中断允许总控制位SETBEX0；外中断0开中断SETBPX0；外中断0高优先级CLRIT0；电平触发 方法方法2，用其它指令也可完成同样功能：，用其它指令也可完成同样功能：MOVIE，#81H；同时置位EA和EX0ORLIP，#01H；置位PX0ANLTCON，#0FEH；使IT0为0这这两两种种方方法法都都可可以以完完成成题题目目规规定定的的要要求求。一一般般情情况况下下，用用方方法法1简简单单些些。因因为为，在在编编制制中中断断初初始始化化程程序序时时，只只需需知知道道控控

26、制制位位的名称就行了，而不必记住它们在寄存器中的确切位置。的名称就行了，而不必记住它们在寄存器中的确切位置。5.4.2中断服务程序中断服务程序中中断断服服务务程程序序是一种为中断源的特定情况要求服务的独立程序段，以中断返回指令RETI结束，中断服务完后返回到原来被中断的地方(即断点断点)，继续执行原来的程序。中断服务程序的固定入口：中断服务程序的固定入口：0003H单元单元外部中断INT0的中断服务程序入口000BH单元单元内部定时器计数器T0的中断服务程序入口0013H单元单元外部中断INT1的中断服务程序入口001BH单元单元内部定时器计数器T1的中断服务程序入口 0023H单元单元串行口

27、的中断服务程序入口中中断断服服务务程程序序和和子子程程序序一一样样，在在调调用用和和返返回回时时，也也有有一一个个保保护断点和现场的问题。护断点和现场的问题。在中断响应过程中，断点的保护主要由硬件电路自动实现。它将断点压人堆栈，再将中断服务程序的入口地址送入程序计数器PC，使程序转向中断服务程序，即为中断源的请求服务。中中断断时时，现现场场保保护护由由中中断断服服务务程程序序来来完完成成。因此在编写中断服务程序时必须考虑保护现场的问题。在MCS51单片机中，现场一般包括累加器A、工作寄存器R0R7以及程序状态字PSW等。保护的方法与子程序相同。在编写中断服务程序时还应注意以下三点：在编写中断服

28、务程序时还应注意以下三点：(1)各中断源入口地址之间只相隔8个字节。中断服务程序放在此处，一般容量是不够的。常常用用的的方方法法是是在在中中断断入入口口地地址址单单元元处处，存存放放条条无无条条件件转转移移指指令令，如“LJMPAddress”，使程序跳转到用户安排的中断服务程序起始地址去。(2)在执行当前中断程序时，为了禁止更高优先级中断源的中断请求，可先用软件关闭CPU中断，或屏蔽更高级中断源的中断，在中断返回前再开放被关闭或被屏蔽的中断。(3)在多级中断情况下，应在保护现场之前关掉中断，在恢复现场之后打开中断。如果在中断处理时允许有更高级的中断打断它，则在保护现场之后开中断，恢复现场之前

29、关中断。5.4.3 应用举例应用举例在设计中断服务程序时,是按中断源的要求，根据中断处理所要完成的任务来进行的。保保护护现现场场和和恢恢复复现现场场一一般般采采用用 PUSH和和POP指指令令来来实实现现。PUSH和POP指令一般成对出现，以保证寄存器的内容不会改变。要注意堆栈操作的“先先进进后后 出出，后后 进进 先先 出出”的 原 则。例例5-2设在主程序中用到了寄存器PSW、ACC、B、DPTR，而在执行中断服务程序时需要用到这些寄存器。因此，在中断服务程序里要保护PSW、ACC、B、DPTR的内容，以免破坏主程序中相应用到的寄存器PSW、ACC、B、DPTR内容。程序如下：程序如下：S

30、ERVICE：PUSHPSW；保护程序状态字PUSHACC；保护累加器APUSHB；保护寄存器BPUSHDPL；保护数据指针低字节PUSHDPH；保护数据指针高字节；中断处理POPDPH；恢复现场，即恢复各寄存器内容POPDPLPOPBPOPACCPOPPSWRETI中断在实时控制中应用很多，在后面的章节中，会陆续讲到。下面举一例予以介绍。例例5-3 图5-5为多个故障显示电路，当系统无故障时，4个故障源输入端X1X4全为低电平，显示灯全灭；当某部分出现故障，其对应的输入由低电平变为高电平，从而引起MCS51单片机中断，中断服务程序的任务是判定故障源，并用对应的发光二极管LED1LED4进行显

31、示。图图5-5 多个故障源进行显示多个故障源进行显示编程如下：ORG0000H；程序开始AJMPMAIN；转主程序ORG0003H；外部中断INT0入口地址AJMPSERVICE；转中断服务程序MAIN：0RLP1，#0FFH；灯全灭，准备读入SETBIT0；选择边沿方式SETBEX0；允许INT0中断SETBEA；CPU开中断AJMP$；等待中断SERVICE：JNBP1.3，N1；若X1无故障转CLRP1.4；若X1有故障，LED1亮N1：JNBP1.2,N2；若X2无故障转CLRP1.5；若X2有故障，LED2亮N2：JNBP1.1,N3；若X3无故障转CLRP1.6；若X3有故障，LE

32、D3亮N3：JNBP1.0,N4；若X4无故障转CLRP1.7；若X4有故障，LED4亮N4:RETI这个程序主要分为主程序和中断服务程序两部分。主主程程序序主要完成初始化的工作，中中断断服服务务程程序序主要检测故障源是否发生，如果某故障源发生，则将相应的指示灯点亮。在此主程序和中断服务程序中，没有存在使用寄存器之间的干涉问题。因此，在中断服务程序中不用保护现场和恢复现场。小小 结结本章就中断的概念、中断系统、中断控制、中断处理、中断服务程序的编制和应用，进行了比较详细的阐述。引入中断后，计算机的效率得到了很大的提高，在解决实时控制的问题时，变得非常的灵活和方便，应用非常广泛。主要内容有主要内

33、容有：中断、中断源、中断服务程序、保护现场、恢复现场等概念；中断流程、中断嵌套、中断优先级、中断处理等过程的实现；MCS-51中断入口地址；各中断控制寄存器的每位含义：包括定时器/计数器控制寄存器TCON、串行口控制寄存器SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先控制器IP；中断初始化和中断服务程序的编制等。思考题与习题五思考题与习题五1.什么叫中断？中断系统一般应具备哪些功能？2.中断服务程序和子程序的主要区别是什么？3MCS-51中断系统有几个中断源?中断源的名称是什么？4MCS-51中断系统有几级中断优先级?它是如何控制的？5MCS-51单片机响应中断后，中断入口地址各是多少？6.一个完整的中断处理的基本过程包括哪些内容？7.中断响应后，是怎样保护断点和保护现场的?8试编写一段对中断系统进行初始化的程序，使之允许INT0、INT1、T0和串行口中断，且使串行口中断为高优先级中断。