MCS-51的中断结构与控制
MCS-51的中断源及中断结构
(一)中断源
向CPU发出中断请求的信号称为中断源。在2.1.2节中我们已经了解到MCS-51系列单片机中有5个中断源，其中2个外部中断源，3个内部中断源，具体如下：
：外部中断，由引脚P3.2引入中断请求。
：外部中断，由引脚P3.3引入中断请求。
➢ 定时计数器T0： 内部中断，定时计数器0溢出时发出中断请求。
➢ 定时计数器T1： 内部中断，定时计数器1溢出时发出中断请求。
➢ 串行口中断： 内部中断，包括串行接收中断RI和串行发送中断TI。
MCS-51单片机自然优先级如表4-1所示。
表4-1 优先级的排列
(二)中断结构
MCS-51系列单片机的中断系统结构如图4-2所示。
图4-2 MCS-51中断结构
由图4-2可以看出，中断系统中涉及TCON、SCON、IE以及IP四个特殊功能寄存器，它们主要有以下功能：
➢ 锁存中断请求标志： TCON和SCON锁存各中断源的中断请求标志位。
➢ 中断允许寄存器IE： 控制CPU是否响应中断源的请求。
➢ 中断优先级寄存器IP： 设置各中断源的优先级，每个中断源可编程为高优先级中断或低优先级中断。
1. TCON中的中断标志位
TCON的字节地址为88H，可进行位寻址，其具体的结构、位名称、位地址以及功能如表4-2所示。
表4-2 TCON的结构、位名称、位地址以及功能
IT0(D0位)： 外部中断
的触发方式控制位，由软件进行置“1”和清“0”。IT0=1时，为边沿触发方式(即当引脚P3.2出现下降沿脉冲信号时，中断请求有效);IT0=0时，为电平触发方式(即当引脚P3.2为低电平信号时，中断请求有效)。
IE0(D1位)： 外部中断
的请求标志位。当CPU检测到外部中断请求时，该标志位置“1”，当CPU转向中断处理子程序时，由硬件自动清“0”(只适用于边沿触发方式)。
注意
在电平触发方式中，CPU转向中断处理子程序时，不能自动清除IE标志位，也不能由软件进行清除。所以在中断返回前需撤销引脚上的低电平，否则就会产生CPU多次响应一次中断的错误。
IT1(D2位)和IE1(D3位)： 外部中断
的触发方式控制位和请求标志位，其
含义与IT0和IE0相同。
➢ TR0(D4位)： 定时计数器T0的启动停止标志位，由用户编程确定。TR0=1时，定时器开始计数(即从设定的初值作加1计数);TR0=0时，定时器停止。
➢ TF0(D5位)： 定时计数器T0的中断溢出标志位。定时器作加1计数，当最高位产生进位时，定时器计数溢出，此时，由硬件置位TF0=1，CPU响应中断后，由硬件清“0”，TF0=0。
➢ TR1(D6位)和TF1(D7位)： 定时计数器T0的启动停止标志位和中断溢出标志位，其含义与TR0和TF0相同。
2. SCON中的中断标志位
SCON的字节地址为98H，可进行位寻址，其具体的结构、位名称、位地址以及功能如表4-3所示。
表4-3 SCON的结构、位名称、位地址以及功能
➢ RI： 串行口接收中断标志位，当串行口接收到一帧数据时，RI置1，CPU响应中断后，硬件不能自动清除RI，需要由软件清“0”。
➢ TI： 串行口发送中断标志位，当串行口发送一帧数据时，T1置1，CPU响应中断后，硬件不能自动清除RI，同样需要由软件清“0”。
提示
RI和TI通过一个或门向CPU发中断请求，CPU响应中断请求后，首先需要判断是RI和TI哪一个中断源发出的请求，才能去执行相应的中断子程序。
串行中断的有关内容以及SCON中的其他标志位含义将在项目六中进行详细讲述。
3. 中断允许控制寄存器IE
IE控制所有中断源的开放和屏蔽，字节地址为A8H，可进行位寻址，其具体的结构、位名称、位地址以及控制的相应中断源如表4-4所示。
表4-4 IE的结构、位名称、位地址以及功能
EX0： 外部中断
的中断允许控制位。EX0=1时，
开中断;EX0=0时，
关中断。
➢ ET0： 定时计数器T0中断允许控制位。ET0=1时，T0开中断;ET0=0时，T0关中断。
EX1： 外部中断
的中断允许控制位。EX1=1时，
开中断;EX1=0时，
关中断。
➢ ET1： 定时计数器T1中断允许控制位。ET0=1时，T1开中断;ET0=0时，T1关中断。
➢ ES： 串行口中断允许控制位。ES=1时，串行口开中断;ES=0时，串行口关中断。
➢ EA： CPU中断允许控制位。EA=1时，CPU全部开中断;EA=0时，CPU全部关中断。
提示
CPU复位时，IE各位清0，禁止所有中断。
4. 中断优先级控制寄存器IP
MCS-51单片机中有两个中断优先级，中断优先级控制寄存器IP用来定义每个中断源的中断优先级。IP的结构、位名称、位地址以及控制的中断源如表4-5所示。
表4-5 IP的结构、位名称、位地址以及功能
IP的状态由用户来设定，某位为1，则相应的中断源处于高优先级中断;某位为0，则相应的中断源处于低优先级中断。
提示
单片机复位时，IP各位清0，各中断源处于低优先级中断。
MCS-51的中断处理过程
图4-3 中断处理过程
中断处理过程如图4-3所示，单片机工作时，在每个机器周期中都去查询各个中断标记位，如果某位是“1”，就说明有中断请求了;接下来需要判断中断请求是否满足响应条件;如果满足响应条件，CPU将进行相应的中断处理;中断处理完毕，进行中断返回，继续执行指令。
如果本次查询中没有中断请求或中断请求不能满足响应条件，CPU将继续原来的指令执行操作。
(一)中断响应
CPU检测到中断请求后，需要判断此中断请求是否满足响应条件，中断响应条件如下：
(1)CPU开中断，申请中断请求的中断源开中断。
(2)没有响应同级别或更高级别的中断。
提示
中断二级嵌套的响应原则：
① 同一中断优先级中，有多个中断请求时，按自然优先级进行响应(即查询顺序)。
② 当前进行的中断只能被高优先级的中断所打断(同级别或低优先级的中断请求不予响应)。
(3)当前处在所执行指令的最后一个周期。单片机有单周期指令、双周期指令、三周期指令和两个四周期指令，如果正在执行的是多字节指令，需要等整条指令执行结束，才能响应中断。
(4)如果正执行的指令是返回指令(RETI)或访问IP、IE寄存器的指令，那么CPU将至少再执行一条指令才能响应中断。
满足中断条件的情况下，CPU响应中断过程如下：
① 将IP中相应的优先级控制位置1，以阻断后来的同级和低级的中断请求。
② 撤销该中断源的中断请求标志，否则，中断返回后将重复响应该中断。
③ 保护断点地址，程序转向执行中断服务子程序。
提示
中断响应时间：
以外部中断0为例，INT0的引脚电平在每个机器周期的S5P2时刻经反相器锁存到TCON的IE0标志位，CPU在下一个机器周期查询新置入的IE0和IE1，满足相应条件，CPU将执行一条两个机器周期的长调用指令LCALL，由硬件将中断矢量地址装到PC中，使程序转入中断矢量入口。所以，从产生外部中断到中断执行，至少需要3个机器周期。
若正在处理的程序为RETI或访问IP，IE等，则额外等待的时间不会多于5个机器周期。所以外部中断的响应时间在3～8个机器周期之间。
(二)中断处理
中断处理过程一般可以分为保护现场、执行中断服务程序和恢复现场三个过程。
(1)保护现场
执行中断服务子程序之前，CPU只保护了一个地址(PC的值)，如果主程序和中断服务子程序中都用到一些公共存储空间(如A、PSW和DPTR等)，那么执行中断服务子程序前需要将这些数据保存起来，以免返回主程序时出现错误。
(2)执行中断服务程序
在MCS-51系列单片机中，五个中断源都有它们各自的中断入口地址。
：0003H
➢ T0： 000BH
：0013H
➢ T1： 001BH
➢ 串口中断： 0023H
可以看出，中断服务程序的存储空间很小，如果我们需要的程序超出了空间的限制，这时可以在中断处安排一条LJMP指令把中断服务程序跳转到其他地址。
提示
中断响应标志的清除：
CPU在响应中断请求后，该中断的中断请求在中断返回前应当清除，以免重复中断，被再次响应。
边沿触发的外部中断，定时器中断，均有硬件自动清除;串行口中断，需由软件清除;电平触发的外部中断需由外接触发器控制清除。
(3)恢复现场
恢复现场和保护现场相对，返回主程序前需要将保护现场过程中压入堆栈的相关数据弹出，以保证程序返回断点时能正确执行。
(三)中断返回
中断返回由中断返回指令RETI来实现。这条指令的功能是把断点地址从堆栈中弹出，送回到程序计数器PC;通知中断系统已完成中断处理，并同时清除优先级状态。
C51中断函数的定义C51编译器支持在C源程序中直接开发中断过程，C51编译器及其对C语言的扩充允许编程者对中断所有方面的控制和寄存器组的使用。中断服务函数的完整语法如下：
函数的返回值 函数名([参数]) interrupt n [using m]
{
函数体;
}
关于函数的使用进行以下说明：
(1)对中断程序而言，函数的返回值和参数一般为void。
(2)interrupt n 中n的取值为0～31的常数，不允许用表达式，表示中断向量的编号。在8051中，一般0代表外部中断0，1代表定时器0，2代表外部中断1，3代表定时器1，4代表串行中断。
(3)using m 中m的取值为0～3的常数，不允许用表达式，表示内部RAM中的第r组工作寄存器。在调用中断函数时，要求中断过程调用的函数所使用的寄存器组必须与其相同。
下面我们看一个使用C51语言编写的中断程序。
【例】 设单片机的fosc=12MHz，要求用T0的方式1编程，在P1.0脚输出周期为2ms的方波。
用C语言编写的中断服务程序如下：
在编写中断服务程序时必须注意不能进行参数传递，不能有返回值。