51单片机——中断系统结构

1 什么是中断

在生活中经常会遇到这样的情况：正在书房看书时，突然客厅的电话响了，人们往往会停止看书，转而去接电话，接完电话后又回书房接着看书。这种停止当前工作，转而去做其他工作，做完后又返回来做先前工作的现象称为中断。

单片机也有类似的中断现象，当单片机正在执行某程序时，如果突然出现意外情况，它就需要停止当前正在执行的程序，转而去执行处理意外情况的程序（又称中断子程序），执行处理完后又接着执行原来的程序。

2 中断的基本概念

2.1 中断源

要让单片机的CPU中断当前正在执行的程序转而去执行中断子程序，需要向CPU发出中断请求信号。让CPU产生中断的信号源称为中断源（又称中断请求源）。

8051单片机有5个中断源，分别是2个外部中断源、2个定时器/计数器中断源和1个串行通信口中断源。如果这些中断源向 CPU 发出中断请求信号，CPU 就会产生中断，停止执行当前的程序，转而去执行相应的中断子程序（又称中断服务程序），执行完后又返回来执行原来的程序。

2.2 中断的优先级别

单片机的CPU在工作时，如果一个中断源向它发出中断请求信号，它就会产生中断，如果同时有两个或两个以上的中断源同时发出中断请求信号，CPU会怎么办呢？CPU会先响应优先级别高的中断源的请求，然后再响应优先级别低的中断源的请求。8051单片机5个中断源的优先级别顺序见表1。

表1 5个中断源的优先级别顺序及中断入口地址 

3 中断的处理过程

在前而的例子中，当正在看书时，电话铃响了，这里的电话就是中断源，它发出的铃声就是中断请求信号。在处理这个中断时，可采取这样的做法：记住书中刚看完的页码（记住某行可能比较困难），然后再去客厅接电话，接完电话后，返回到书房阅读已看完页码的下一页内容。单片机处理中断的过程与上述情况类似，具体过程如下：

① 响应中断请求。当CPU正在执行主程序时，如果接收到中断源发出的中断请求信号，就会响应中断请求，停止主程序，准备执行相应的中断子程序。

② 保护断点。为了在执行完中断子程序后能返回主程序，在准备执行中断子程序前，CPU会将主程序中已执行的最后一条指令的下一条指令的地址（又称断点地址）保存到RAM的堆栈中。

③ 寻找中断入口地址。保护好断点后，CPU开始寻找中断入口地址（又称矢量地址），中断入口地址存放着相应的中断子程序，不同的中断源对应着不同的中断入口地址。8051单片机5个中断源对应的中断入口地址，见表7-1。

④ 执行中断子程序。CPU 寻找到中断入口地址后，就开始执行中断入口地址处的中断子程序。由于几个中断入口地址之间只有8个单元空间（见表7-1，如0003H～000BH相隔8个单元），较小的中断子程序（程序只有一两条指令）可以写在这里，较大的中断子程序无法写入，通常的做法是将中断子程序写在其他位置，而在中断入口地址单元只写一条跳转指令，执行该指令时马上跳转到写在其他位置的中断子程序。

⑤ 中断返回。执行完中断子程序后，就会返回到主程序，返回的方法是从RAM的堆栈中取出之前保存的断点地址，然后执行该地址处的主程序，从而返回到主程序。

4 中断系统的结构

8051单片机中断系统的结构如图1所示。

图1 8051单片机中断系统的结构

4.1 中断系统的组成

8051单片机中断系统的主要组成部分有：

① 5个中断源。分别为外部中断源、外部中断源、定时器/计数器中断源T0、定时器/计数器中断源T1和串行通信口中断源（TX和RX）。

② 中断源寄存器。分定时器/计数器控制寄存器TCON和串行通信口控制寄存器SCON。

③ 中断允许寄存器IE。

④ 中断优先级控制寄存器IP。

4.2 中断系统的工作原理

单片机的中断系统默认是关闭的，如果要使用某个中断，需要通过编程的方法设置有关控制寄存器某些位的值将该中断打开，并为该中断编写相应的中断子程序。

以外部中断为例，如果需要使用该中断，应进行以下设置：

① 将定时器/计数器控制寄存器TCON的IT0位设为0（IT0＝0），中断请求信号输入方式被设为低电平输入有效。

② 将中断允许寄存器IE的EA位设为1（EA＝1），允许所有的中断（总中断允许）。

③ 将中断允许寄存器IE的EX0位设为1（EX0＝1），允许外部中断源的中断。

工作过程：当单片机的端（P3.2引脚）输入一个低电平信号时，由于寄存器TCON的IT0＝0，输入开关选择位置0，低电平信号被认为是的中断请求信号，该信号将TCON的外部中断0的标志位IE0置1（IE0＝1）,IE0位的“1”先经过允许开关（IE的EX0＝1使开关闭合），然后经过中断总开关（IE的EA＝1使中断总开关闭合），再经过优先级开关（只使用一个中断时无须设置，寄存器IP的PX0位默认为0，开关选择位置0），进入硬件查询，选中外部中断0的入口地址（0003H）并将其送给CPU的程序计数器PC,CPU开始执行该处的中断子程序。

5 中断源寄存器

中断源寄存器包括定时器/计数器控制寄存器TCON和串行通信口控制寄存器SCON。

5.1 定时器/计数器控制寄存器TCON

TCON寄存器的功能主要是接收外部中断源（、）和定时器/计数器（T0、T1）送来的中断请求信号。TCON的字节地址是88H，它有8位，每位均可直接访问（即可位寻址）。TCOM的字节地址、各位的位地址和名称如图2所示。

 图7-2 定时器/计数器控制寄存器TCON的字节地址、各位的位地址和名称

TCON寄存器各位的功能说明：

① IE0位和IE1位：分别为外部中断0（）和外部中断1（）的中断请求标志位。当外部有中断请求信号输入单片机的引脚（即P3.2引脚）或引脚（即P3.3引脚）时，TCON的IE0和IE1位会被置“1”。

② IT0位和IT1位：分别为外部中断0和外部中断1的输入方式控制位。当IT0=0时，外部中断 0 端输入低电平有效（即端输入低电平时才表示输入了中断请求信号），当IT0=1时，外部中断0端输入下降沿有效。当IT1=0时，外部中断1端输入低电平有效，当IT1=1时，外部中断1端输入下降沿有效。 

③ TF0位和 TF1位：分别是定时器/计数器0和定时器/计数器1的中断请求标志。当定时器/计数器工作产生溢出时，会将TF0或TF1位置“1”，表示定时器/计数器有中断请求。

④ TR0和TR1：分别是定时器/计数器0和定时器/计数器1的启动/停止位。在编写程序时，若将TR0或TR1设为“1”，那么相应的定时器/计数器开始工作；若设置为“0”，定时器/计数器则会停止工作。

注意：如果将IT0位设为1，则把IE0设为下降沿置“1”，中断子程序执行完后，IE0位自动变为“0”（硬件置“0”）；如果将IT0位设为0，则把IE0设置为低电平置“1”，中断子程序执行完后，IE0位仍是“1”，所以在退出中断子程序前，要将[插图]端的低电平信号撤掉，再用指令将IE0置“0”（软件置“0”），若退出中断子程序后，IE0位仍为“1”，将会产生错误的再次中断。IT1、IE1位的情况与IT0、IE0位一样。在单片机复位时，TCON寄存器的各位均为“0”。

5.2 串行通信口控制寄存器SCON

SCON寄存器的功能主要是接收串行通信口发出的中断请求信号。SCON的字节地址是98H，它有8位，每位均可直接访问（即可位寻址）,SCOM的字节地址、各位的位地址和名称如图3所示。

图3 SCON的字节地址、各位的位地址和名称

SCON寄存器的TI位和RI位与中断有关，其他位用作串行通信控制。

① TI 位：串行通信口发送中断标志位。在串行通信时，每发送完一帧数据，串行通信口会将TI位置“1”，表明数据已发送完成，向CPU发送中断请求信号。

② RI 位：串行通信口接收中断标志位。在串行通信时，每接收完一帧数据，串行通信口会将RI位置“1”，表明数据已接收完成，向CPU发送中断请求信号。注意：单片机执行中断子程序后，TI 位和 RI位不能自动变为“0”，需要在退出中断子程序时，用软件指令将它们清0。

6 中断允许寄存器IE

IE寄存器的功能用来控制各个中断请求信号能否通过。IE的字节地址是A8H，它有8位，每位均可直接访问（即可位寻址）,IE 的字节地址、各位的位地址和名称如图4所示。

图4 IE的字节地址、各位的位地址和名称

IE寄存器各位（有2位不可用）的功能说明如下。

 ① EA位：总中断允许位。当EA=1时，总中断开关闭合；当EA=0时，总中断开关断开，所有的中断请求信号都不能接受。

② ES位：串行通信口中断允许位。当ES=1时，允许串行通信口的中断请求信号通过；当ES=0时，禁止串行通信口的中断请求信号通过。

③ ET1位：定时器/计数器1中断允许位。当ET1=1时，允许定时器/计数器1的中断请求信号通过；当ET1=0时，禁止定时器/计数器1的中断请求信号通过。

④ EX1位：外部中断1允许位。当EX1=1时，允许外部中断1的中断请求信号通过；当EX1=0时，禁止外部中断1的中断请求信号通过。

⑤ ET0位：定时器/计数器0中断允许位。当ET0=1时，允许定时器/计数器0的中断请求信号通过；当ET0=0时，禁止定时器/计数器0的中断请求信号通过。

⑥ EX0位：外部中断0允许位。当EX0=1时，允许外部中断0的中断请求信号通过；当EX0=0时，禁止外部中断0的中断请求信号通过。

7 中断优先级控制寄存器IP

IP寄存器的功能是设置每个中断的优先级。其字节地址是B8H，它有8位，每位均可进行位寻址，IP的字节地址、各位的位地址和名称如图5所示。

图5 IP的字节地址、各位的位地址和名称

IP寄存器各位（有3位不可用）的功能说明如下。

 ① PS位：串行通信口优先级设定位。当PS=1时，串行通信口为高优先级；当PS=0时，串行通信口为低优先级。

② PT1位：定时器/计数器1优先级设定位。当PT1=1时，定时器/计数器1为高优先级；当PT1=0时，定时器/计数器1为低优先级。

③ PX1位：外部中断1优先级设定位。当PX1=1时，外部中断1为高优先级；当PX1=0时，外部中断1为低优先级。

④ PT0位：定时器/计数器0优先级设定位。当PT0=1时，定时器/计数器0为高优先级；当PT0=0时，定时器/计数器0为低优先级。

⑤ PX0位：外部中断0优先级设定位。当PX0=1时，外部中断0为高优先级；当PX0=0时，外部中断0为低优先级。

通过设置 IP寄存器相应位的值，可以改变5个中断源的优先顺序。若优先级一高一低的两个中断源同时发出请求，CPU 会先响应优先级高的中断请求，再响应优先级低的中断请求；若5个中断源有多个高优先级或多个低优先级中断源同时发出请求，CPU 会先按自然优先级顺序依次响应高优先级中断源，再按自然优先级顺序依次响应低优先级中断源。