一文詳解80C51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

中斷系統(tǒng)是計算機(jī)或者單片機(jī)的主要功能部件。

有了中斷系統(tǒng)，便可以使微處理器具備對外部的異步事件進(jìn)行處理的能力。

當(dāng)微處理器的CPU正在執(zhí)行程序的過程中，如果外部硬件或者內(nèi)部組件有緊急的請求(如通信，斷點(diǎn)，發(fā)生重大故障等)，中斷系統(tǒng)就可以將當(dāng)前的程序暫停，優(yōu)先處理這些中斷請求。

這種處理方式，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，健壯性至關(guān)重要，同時也能大大提高處理器的效率，使得系統(tǒng)的應(yīng)用更加靈活多變。

中斷的概念

中斷是指單片機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊請求時，單片機(jī)停止當(dāng)前程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求進(jìn)行處理，當(dāng)處理結(jié)束后再返回原程序的間斷處，繼續(xù)執(zhí)行原程序，這一現(xiàn)象稱為中斷。

中斷是單片機(jī)實(shí)時處理內(nèi)部或外部事件的一種內(nèi)部機(jī)制。

原來正在執(zhí)行的程序稱為主程序;用來處理突變事件或故障的程序稱為中斷服務(wù)子程序;導(dǎo)致中斷產(chǎn)生的原因稱為中斷源;主程序被中斷源打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的位置稱為斷點(diǎn)。

中斷的作用

中斷不只是51系列單片機(jī)所特有的，目前基本所有的微處理器均具備完善的中斷系統(tǒng)。

中斷系統(tǒng)是一個非常實(shí)用的微處理器組件，合理地使用中斷技術(shù)，可以極大地提高單片機(jī)的工作效率和實(shí)時性。其主要作用體現(xiàn)在下面兩個方面。

1)對外部信號的實(shí)時處理

在基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的控制和處理中心，它和外圍設(shè)備的信息交換非常頻繁，這種信息交換一般采用兩種工作方式，一種是查詢方式，另外一種為中斷方式。

2)故障處理

在單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，會有很多無法預(yù)測的故障或錯誤產(chǎn)生，例如掉電，計算溢出等。

在產(chǎn)生掉電故障時，會立即執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理，保護(hù)重要的系統(tǒng)參數(shù)，以便后續(xù)的系統(tǒng)恢復(fù)。

當(dāng)發(fā)生錯誤時，也會有相應(yīng)的中斷處理子程序運(yùn)行，自動修改算法參數(shù)并發(fā)出警告。這些都采用的是中斷處理方式。

中斷源的分類

從中斷執(zhí)行的角度來看，可以分為兩類。

1)處理器預(yù)先考慮的中斷

這些中斷的處理是處理器在設(shè)計之初就進(jìn)行考慮了的。如除零中斷，溢出中斷，掉電中斷，集成的接口電路中斷。

這類中斷是我們常見的一類中斷，幾乎所有的微處理器都預(yù)先定義了這類中斷。此類中斷發(fā)生之后，硬件可以快速地找到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序去執(zhí)行相應(yīng)的處理。

2)處理器沒有預(yù)先考慮而需要擴(kuò)展的中斷

這里中斷通常與實(shí)際的應(yīng)用有關(guān)，同時，微處理器的中斷資源也是有限的，當(dāng)中斷資源不夠用時，就需要擴(kuò)展不同的中斷。

簡單中斷的處理過程

當(dāng)有中斷產(chǎn)生時，處理器在執(zhí)行完當(dāng)前的指令后，如果允許響應(yīng)中斷的條件滿足，處理器就會轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)子程序，中斷系統(tǒng)會自動保存斷點(diǎn)，當(dāng)執(zhí)行完中斷服務(wù)子程序后，再返回斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行原程序。

為了更好了解這個過程，把這個過程分成如下幾個步驟。

1)中斷源識別和中斷入口地址查找

當(dāng)處理器收到中斷請求，并允許響應(yīng)時，首先要做的就是識別中斷源，判斷是哪個中斷源發(fā)出的中斷請求，然后根據(jù)中斷源找到相應(yīng)的中斷入口地址。

如何找到中斷入口地址，不同的處理器有不同的處理方法，如在80X86系列處理器中，中斷源的識別和中斷入口地址查找是按中斷源的類別分別處理的，過程較為復(fù)雜。

但51單片機(jī)這個過程被大大簡化了，51系列基本型單片機(jī)只有5個中斷源，這5個中斷源的中斷程序入口地址是固定的。

2)斷點(diǎn)保護(hù)

在處理器找到中斷程序的入口地址后，就會暫停主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行終端服務(wù)子程序。

為了在執(zhí)行完成中斷服務(wù)子程序后，能夠返回原程序斷點(diǎn)處接著執(zhí)行，就需要記憶斷點(diǎn)的位置。

斷點(diǎn)就是中斷返回后將要執(zhí)行的指令的地址，保護(hù)斷點(diǎn)就是保護(hù)斷點(diǎn)地址，中斷發(fā)生時，CPU硬件自動把這個地址值壓入堆棧，當(dāng)執(zhí)行完成中斷子程序后，通過RETI指令，再把這個地址值從堆棧中彈出送給PC，從而實(shí)現(xiàn)中斷返回。

3)執(zhí)行中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)子程序是中斷的主題。程序的具體內(nèi)容由用戶編程決定，不同的中斷在不同的應(yīng)用場合下，子程序的內(nèi)容是不同的。

中斷發(fā)生后，在主程序執(zhí)行時，很多計算的中間結(jié)果都是使用內(nèi)部寄存器來保存的，在主程序和中斷服務(wù)子程序中很可能會用到同一個寄存器，比如我們最常用的累加器ACC等。

因此在中斷子程序開始之前，需要把這些公用寄存器的內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)，這就是保護(hù)現(xiàn)場。保護(hù)現(xiàn)場和保護(hù)斷點(diǎn)十分類似，所不同的是，保護(hù)斷點(diǎn)是硬件自動完成的，而保護(hù)現(xiàn)場則需要用戶編寫程序?qū)崿F(xiàn)。

其中保護(hù)現(xiàn)場除了利用堆棧來進(jìn)行保護(hù)外，還有一種比較有效的方法就是切換工作寄存器組。

我們已經(jīng)知道80C51有4組工作寄存器組，當(dāng)中斷發(fā)生后，在執(zhí)行子程序之前，可以先切換到同主程序不同的工作寄存器組，在中斷子程序執(zhí)行完成之后，再切換主程序使用的工作寄存器組。

4)中斷返回

執(zhí)行完成中斷服務(wù)子程序之后，返回斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行主程序。在80C51單片機(jī)中，就是執(zhí)行RETI指令，這時，前面保護(hù)的斷點(diǎn)就會從堆棧中彈出，送入程序計數(shù)器PC，繼續(xù)主程序的執(zhí)行。

復(fù)雜中斷的執(zhí)行

在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，往往有多個中斷源同時向處理器申請中斷，也有可能中斷產(chǎn)生時，處理器正在執(zhí)行的就是某個其他中斷服務(wù)子程序，那么在這些情況下CPU該如何處理呢?

1)中斷優(yōu)先級

當(dāng)多個中斷源同時提出中斷申請時，處理器先處理哪個?

為此提出了中斷優(yōu)先級的概念，給每個中斷源賦予不同的優(yōu)先級，在同一時刻，有多個中斷請求時，中斷系統(tǒng)按照中斷源優(yōu)先級的高低逐次響應(yīng)，即優(yōu)先級高的中斷優(yōu)先處理，處理完畢后，再處理優(yōu)先級低的中斷。

2)中斷嵌套

如果處理器正在處理一個中斷，這時又有一個中斷產(chǎn)生了，那么，處理器是否響應(yīng)新的中斷?

這時有兩種處理方法。一種方法是處理器不響應(yīng)新的中斷，這種中斷管理機(jī)制比較簡單。

這種中斷處理可以保證中斷處理的實(shí)時性。但是有時會導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果，比如一些重要的中斷(如斷電)得不到及時處理，造成硬件損壞。

另一種處理方法是處理器響應(yīng)新的中斷，這時就會出現(xiàn)中斷嵌套。

中斷嵌套提高了處理器的處理能力，理論上，中斷嵌套的層數(shù)可以很多，但是嵌套層數(shù)太多，由于每次嵌套都需要保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場，從而導(dǎo)致堆棧生長得太大，這對資源有限的單片機(jī)會造成比較大的負(fù)擔(dān)。

另外，會導(dǎo)致最早響應(yīng)的中斷服務(wù)子程序可能要等待很久，才能執(zhí)行完本身的中斷任務(wù)，這明顯降低了中斷處理的及時性。

因此在微機(jī)系統(tǒng)，允許中斷嵌套層數(shù)最好要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時性和資源來綜合考慮，在80C51單片機(jī)中，允許最大的層數(shù)為2。

80C51的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及中斷源

在基本型80C51單片機(jī)中，共有5個中斷源，即外部中斷0/1，定時/計數(shù)器0中斷T0，定時/計數(shù)器1中斷T1，串行通信接口中斷RX，TX。中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖。

從結(jié)構(gòu)圖可以看出，中斷控制系統(tǒng)是由相應(yīng)的寄存器所控制的，并不是一有中斷，CPU就會響應(yīng)這個中斷請求。

從左往右看，可以發(fā)現(xiàn)外部中斷0和1比較特殊，控制位IT0和IT1控制外部中斷的觸發(fā)方式(下降沿觸發(fā)或者低電平觸發(fā))。

每個中斷源都有相應(yīng)的中斷請求標(biāo)志位(IE0,TF0,IE1,TF1,TI,RI)與其對應(yīng)，其中串行通信的發(fā)送和接收分別對應(yīng)有兩個中斷請求標(biāo)志位(TI和RI)，但是他們公用一個中斷號，即處理器識別為一個中斷源，具體區(qū)分二者需要軟件查詢這兩個中斷標(biāo)志位。

每個中斷源都有相應(yīng)的中斷子開關(guān)(EX0,ET0,EX1,ET1,ES)，只有這個控制位為1時，并且總開關(guān)EA為1時，才可能產(chǎn)生中斷。

最右邊的優(yōu)先級選擇開關(guān)(PX0,PT0,PX1,PT1,PS)用于確定每個中斷源的優(yōu)先級。

操作80C51的中斷系統(tǒng)，實(shí)際上也就是操作80C51內(nèi)部的特殊功能寄存器。

中斷請求標(biāo)志

80C51系列單片機(jī)共有6個中斷申請標(biāo)志位，分布在TCON和SCON寄存器中。

其中外部中斷和定時器溢出中斷由TCON控制，串行口中斷由SCON控制。

單片機(jī)復(fù)位后所有中斷請求標(biāo)志位清0，表示沒有中斷請求，為1時，表示有相應(yīng)的中斷請求。

1)TCON中的請求標(biāo)志

TF1：定時/計數(shù)器1中斷請求標(biāo)志位，當(dāng)計數(shù)器計數(shù)溢出時，中斷被響應(yīng)后，轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，由硬件自動置TF1=0，在查詢方式下由軟件清除。

TF0：定時/計數(shù)器0中斷請求標(biāo)志位，功能與TF1相同。

IE1：外部中斷1請求標(biāo)志位。在外部中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)時，INT1腳的下降沿置該位為1，中斷被響應(yīng)后，該位由硬件自動清0;在外部中斷設(shè)為低電平觸發(fā)時，當(dāng)INT1為低電平時，該位置1，此時，撤銷中斷的辦法只有把外部輸入的低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

IT1：外部中斷1觸發(fā)方式選擇位。為1表示下降沿觸發(fā)，為0表示低電平觸發(fā)。

IE0：外部中斷0請求標(biāo)志位，功能與IE1相同。

IT0：外部中斷0觸發(fā)方式選擇位。功能與IT1相同。

定時/計數(shù)器中斷：當(dāng)定時/計數(shù)器溢出時，在最近機(jī)器周期的S5P2期間設(shè)置TCON的TF0或TF1為1.中斷請求標(biāo)志置1后，會一直保持到中斷被響應(yīng)，然后由單片機(jī)的內(nèi)部硬件自動對它清0。在查詢方式下只能軟件清0。

外部中斷：80C51單片機(jī)在每個機(jī)器周期的S5P2期間掃描外部中斷輸入引腳的電平狀態(tài)。當(dāng)外部中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)時，若處理器在連續(xù)兩個機(jī)器周期掃描到INT0引腳的電平先后為高電平和低電平時，就會置IE0位1，表示有外部中斷申請，該中斷申請信號會一直保持，一直到中斷被響應(yīng)，后硬件清0。

2)SCON中的請求標(biāo)志

TI為串口發(fā)送數(shù)據(jù)的中斷請求位，RI為串口接收數(shù)據(jù)的中斷請求位。

在結(jié)構(gòu)圖中，可以知道，TI和RI通過與門后輸出，只要有一個為1，就可以向CPU申請中斷，其中斷入口地址是相同的，被認(rèn)為是一個中斷源。

由此可知，在每個機(jī)器周期的S5P2期間，中斷請求標(biāo)志位會因?yàn)橹袛嘣瓷暾堉袛喽O(shè)置成1，如果有1位或者多位為1，則表示有多個中斷源同時向處理器申請中斷。

中斷允許控制

IE寄存器內(nèi)容包含各個中斷源使能控制位和全局中斷使能控制位。

EA：全局中斷使能控制位;

ES：串口中斷使能控制位;

ET1：定時/計數(shù)器1中斷使能控制位;

EX1：外部中斷1使能控制位;

ET0：定時/計數(shù)器0中斷使能控制位;

EX0：外部中斷0使能控制位。

中斷優(yōu)先權(quán)管理和中斷嵌套原則

某個機(jī)器周期的S5P2期間，若有中斷請求標(biāo)志位有效時，處理器會在下一個機(jī)器周期的S6期間就會根據(jù)設(shè)置的中斷優(yōu)先等級響應(yīng)中斷，并在再下一個機(jī)器周期的S1期間開始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。

80C51單片機(jī)支持兩級中斷優(yōu)先級，允許用戶設(shè)置每個中斷源為高級或低級中斷。由中斷優(yōu)先級標(biāo)志位來設(shè)置。對應(yīng)位為1則設(shè)置為高優(yōu)先級中斷，反之為低優(yōu)先級。這些設(shè)置位分布在IP寄存器中。

其中斷裁決的原則是：高級中斷和低級中斷同時申請中斷時，優(yōu)先響應(yīng)高級中斷;當(dāng)同級有多個中斷同時發(fā)生時，則有中斷優(yōu)先權(quán)排隊問題，這時，按由中斷系統(tǒng)硬件決定的自然優(yōu)先級順序來處理。

80C51單片機(jī)的中斷嵌套原則是：高級中斷可以打斷低級中斷，低級中斷不能打斷高級中斷，同級中斷不能打斷同級中斷。

IP寄存器如下。

PS：串口中斷優(yōu)先級設(shè)置位;

PT1：定時/計數(shù)器1中斷優(yōu)先級設(shè)置位;

PX1：外部中斷1優(yōu)先級設(shè)置位;

PT0：定時/計數(shù)器0中斷優(yōu)先級設(shè)置位;

PX0：外部中斷0優(yōu)先級設(shè)置位;

中斷響應(yīng)的條件

當(dāng)中斷源發(fā)出中斷請求信號時，單片機(jī)并不總能對該中斷進(jìn)行響應(yīng)，一般來說，單片機(jī)能響應(yīng)中斷應(yīng)注意以下幾個方面：

1)首先，全局中斷使能控制位EA=1;

2)對應(yīng)中斷使能控制位有效;

3)如果程序正在執(zhí)行讀/寫寄存器IE或IP指令，則執(zhí)行完該指令后，需要再執(zhí)行一條其他指令才可以響應(yīng)中斷;

4)如果程序正在執(zhí)行返回指令，則執(zhí)行完該指令后，需要再執(zhí)行一條其他指令才可以響應(yīng)中斷，這個特性常用來實(shí)現(xiàn)硬件單步執(zhí)行;

5)任何正在執(zhí)行的指令在未完成前，中斷請求都不會響應(yīng);

6)考慮中斷優(yōu)先級或者中斷嵌套時帶來的延時。

中斷服務(wù)程序的執(zhí)行

當(dāng)前面所有的中斷響應(yīng)條件都滿足時，處理器在當(dāng)前指令執(zhí)行完成的下一個機(jī)器周期內(nèi)，由硬件自動執(zhí)行一條LCALL執(zhí)行，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序入口地址去執(zhí)行中斷程序。

在80C51中，中斷程序入口地址是固定的。兩個相鄰的中斷入口地址很接近，只有8字節(jié)，根本放置不了幾個代碼。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般都將一個跳轉(zhuǎn)指令(LJMP,AJMP)放置在入口地址處，從而跳轉(zhuǎn)到其他程序空間去執(zhí)行較長的中斷服務(wù)子程序。

中斷服務(wù)子程序的編寫

當(dāng)80C51單片機(jī)響應(yīng)中斷請求，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理子程序時，除了斷點(diǎn)保護(hù)由硬件自動完成外，保護(hù)現(xiàn)場，恢復(fù)現(xiàn)場，中斷返回等都需要用戶自己編寫。

另外，還要考慮是否支持中斷嵌套，在中斷服務(wù)子程序設(shè)置EA=1，則允許中斷嵌套，反之不允許。注意在保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場過程中需要關(guān)閉全局中斷。

中斷撤銷

中斷請求撤銷的目的是保證對于一次中斷請求標(biāo)志只執(zhí)行一次中斷響應(yīng)。

CPU響應(yīng)中斷后，需要及時將中斷請求標(biāo)志清除，否則將引起一個中斷信號多次觸發(fā)中斷響應(yīng)。中斷撤銷一般分為硬件自動處理和軟件清除。

對于外部中斷0/1，定時/計數(shù)器0/1中斷，在中斷響應(yīng)后，由硬件自動清除該中斷的請求標(biāo)志位，無須軟件處理。

對于串行接口的中斷請求，當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后，硬件不會自動清除中斷標(biāo)志位，因此需要在中斷服務(wù)程序中軟件清除。

中斷響應(yīng)時間

從中斷源發(fā)出中斷請求到處理器執(zhí)行該中斷服務(wù)子程序的這一段時間稱為中斷響應(yīng)時間。

80C51中斷響應(yīng)時間的最短時間是3個機(jī)器周期(優(yōu)先權(quán)掃描1個周期，LCALL指令2個周期)。

最長的響應(yīng)時間為8個機(jī)器周期，除了必要的3個周期外，考慮最壞的情況，比如當(dāng)前正在執(zhí)行RETI的第一個機(jī)器周期，那么等RETI執(zhí)行完成之后，還需再等待執(zhí)行一條指令，假設(shè)這條指令最長是4個機(jī)器周期，那么就是3+1+4=8個機(jī)器周期。