第5章MCS-51單片機的中斷系統【本章內容】本章主要介紹MCS-51單片機中斷系統的結構、工作原理、控制方法等。【項目驅動的學習要點】

應用項目中對中斷源的利用。

應用項目中如何通過中斷進行時間調校。

應用項目中的中斷服務程序流程圖分析。

應用項目中的中斷服務源程序的設計與分析。

1第5章MCS-51單片機的中斷系統5.1MCS-51中斷系統概述5.2MCS-51的中斷控制5.3MCS-51的中斷處理5.4MCS-51外部中斷源的擴展練習題END25.1MCS-51中斷系統概述5.1.1中斷的概念5.1.2中斷系統的結構5.1.3中斷源5.1.4中斷請求標志35.1.1中斷的概念1．中斷的概念2．中斷的作用41．中斷的概念當CPU執行完現行程序的當前指令時，如果此時發生某一緊急事件請求CPU對其進行迅速處理，這種請求稱為中斷請求；發出中斷請求的來源稱為中斷源；如果這個中斷請求得到CPU的允許，CPU會暫時中止當前程序的運行，保存斷點（下一條指令的首地址），轉到中斷源對應的中斷入口，處理發出中斷請求的緊急事件，這個過程稱為響應中斷；51．中斷的概念處理中斷請求的程序稱為中斷服務程序；

CPU執行完中斷服務程序后，再回到發生中斷的斷點繼續執行原來的程序，這個過程稱為中斷返回；實現這種控制過程的部件稱為單片機的中斷系統；單片機的上述控制過程就稱為中斷，單片機的中斷過程示意圖如圖5-1所示。6圖5-1單片機中斷過程示意圖單片機中斷控制過程:7（1）提高CPU的工作效率（2）便于實時處理（3）提高系統可靠性2．中斷的作用8當單片機連接有外圍設備時，通過采用中斷技術，CPU在啟動完外設后，不用專門等待外設，而是和外設同步并行工作，直到外設完成指定操作，向CPU提出中斷請求時，CPU再暫時中止當前程序的執行而為外設服務，服務結束后再繼續執行原程序。這樣，不僅解決了因外設工作速度慢于單片機而導致CPU需要耗時等待的問題，而且可以允許CPU與多個外設并行工作，減少因等待或查詢而耗費的時間，從而大大提高CPU的工作效率。

（1）提高CPU的工作效率9采用中斷技術后，凡是需要實時處理的事件，都可以設置成隨時可向CPU發出中斷請求，要求CPU進行實時處理。（2）便于實時處理10對于單片機運行過程中出現的各種異常情況，如斷電、設備故障、運算出錯等故障，可通過中斷技術及時向CPU申請中斷，以便進行自我診斷并及時進行處理，從而提高系統的可靠性。（3）提高系統可靠性115.1.2中斷系統的結構

MCS-51單片機中斷系統由中斷源、定時器/計數器控制寄存器TCON、串行口控制寄存器SCON、中斷允許控制寄存器IE、中斷優先級控制寄存器IP以及中斷優先級排隊與查詢電路組成，如圖5-2所示。12圖5-2MCS-51單片機的中斷系統結構MCS-51單片機的中斷系統結構圖5-2MCS-51單片機的中斷系統結構13從圖5-2可以看出，MCS-51系列單片機的中斷系統有5個中斷源和2個優先級。當中斷源產生中斷請求時，相應的標志位置為1，但中斷是否能被CPU響應，則要受中斷允許寄存器IE的控制，IE中的EA稱為中斷總控位、其他位稱為中斷分控位。對于允許響應的中斷，通過中斷優先級控制寄存器IP決定優先級別，并送到中斷優先級排隊與查詢電路，CPU按照從高優先級到低優先級的順序進行查詢，首先響應高優先級的中斷請求，再響應低優先級的中斷請求。被CPU響應的中斷請求，其相應的中斷入口地址器被自動送到程序計數器PC中，于是CPU便轉去執行相應的中斷服務程序。說明：145.1.3中斷源

MCS-51單片機的5個中斷源分別為：2個外部中斷2個定時器/計數器溢出中斷1個串行口中斷151．外部中斷源(、)外部中斷0和外部中斷1的中斷請求信號，分別由外部中斷請求輸入引腳（P3.2）、（P3.3）輸入，可以通過定時器/計數器控制寄存器TCON設定為低電平觸發或負邊沿觸發。16單片機內部的2個定時器/計數器T0、T1是加1計數器，工作時可以對內部定時脈沖或者對從T0（P3.4）引腳或T1（P3.5）引腳輸入的計數脈沖進行加法計數，當計數狀態從“全1”加1變為“全0”時，定時器/計數器電路就會產生溢出中斷請求信號。2．定時器/計數器溢出中斷源（T0、T1）17串行口中斷分為串行口發送中斷和串行口接收中斷兩種，每當串行口發送或接收完一組串行數據時，串行口電路便會自動產生串行口中斷請求。但要區分是接收還是發送中斷請求，則需要通過對它們的中斷標志位RI、TI進行查詢才能知道。3．串行口中斷源（RI或TI）185.1.4中斷請求標志為了能及時發現有無中斷源發出中斷請求，MCS-51單片機在時序中規定，CPU執行程序過程中，總會在每個機器周期的S5P2期間，對中斷系統的各個中斷源進行取樣。當有中斷源發出中斷請求時，就將對應的中斷標志位置為1，然后在下一個機器周期內檢測這些中斷標志位的狀態，以決定是否響應該中斷。191．定時器/計數器控制寄存器TCON定時器/計數器控制寄存器TCON各位的定義如圖5-3所示。圖5-3定時器/計數器控制寄存器TCON各位定義（1）IE0：外部中斷中斷請求標志位。當CPU在每個機器周期的S5P2期間檢測到引腳上的中斷請求有效時，IE0由硬件自動置1；當CPU響應中斷請求進入相應中斷服務程序執行時，IE0被自動復位。（2）IE1：外部中斷中斷請求標志位。其控制作用和IE0相同。20（3）IT0：外部中斷觸發方式控制位。當IT0

=

1時，為邊沿觸發方式（下降沿有效）。CPU在每個機器周期的S5P2期間取樣引腳電平，如果在連續的兩個機器周期檢測到引腳由高電平變為低電平，即第一個周期取樣到=1，第二個周期取樣到=0，則置IE0

=

1，產生中斷請求。在邊沿觸發方式下，CPU響應中斷時，由硬件自動清除IE0標志。但應注意，為保證CPU能檢測到負跳變，上的低電平持續時間至少應保持1個機器周期。當IT0=0時，為電平觸發方式。CPU在每個機器周期的S5P2取樣引腳電平，當取樣到低電平時，置IE0=１表示向CPU請求中斷；取樣到高電平時，將IE0清0。

21值得注意的是，在電平觸發方式下，盡管CPU響應中斷時，相應中斷標志IE0或IE1能自動復位成0狀態，但若外部中斷源不能及時撤除它在或上的低電平，就會再次使已經變0的中斷標志IE0或IE1置1，這是絕對不允許的。因此，電平觸發型外部中斷請求的撤除必須使或上的低電平隨其中斷被CPU響應而變為高電平。22由圖5-4可見，當外部中斷源產生中斷請求時，D觸發器被觸發，其端輸出低電平并送到單片機的引腳，該低電平被單片機CPU檢測到后就使中斷標志IE0置1，CPU響應中斷請求便可轉去執行中斷服務程序。

圖5-4電平觸發方式的外部中斷請求撤除電路電平觸發方式的外部中斷請求撤除電路23

CPU執行上述的中斷服務程序時，可在P1.0上產生一個寬度為2個機器周期的負脈沖。在該負脈沖作用下，D觸發器的端被置位成l狀態，上的電平因此而變高，從而撤除了其上的中斷請求。為了撤除上的低電平，可以在中斷服務程序開頭加上如下指令。INTSUB：ANL P1,#0FE ;P1.0=0 ORL P1,#01H ;P1.0=1 CLR IE0 …… RETI24（4）IT1：外部中斷觸發方式控制位。其控制功能、注意事項與IT0相同。（5）TF0：定時器/計數器T0溢出中斷請求標志位。T0啟動后便從初值開始進行加1計數，直至最高位產生溢出時，向CPU發出溢出中斷請求，CPU檢測到中斷請求后，由硬件將TF0置位。CPU響應中斷時，由硬件自動將TF0復位為0。（6）TF1：定時器/計數器T1溢出中斷請求標志位。其控制功能與TF0類似。（7）TR0、TR1：定時器/計數器的啟/停控制位（將在第6章中介紹）。252．串行口控制寄存器SCON串行口控制寄存器SCON各位的定義如圖5-5所示

圖5-5串行口控制寄存器各位的定義

（1）RI：串行口接收中斷標志位。當允許串行口接收數據時，每接收完一個串行數據幀，串行口電路便將RI置位，向CPU發出串行口中斷請求。（2）TI：串行口發送中斷標志位。當CPU將一個發送數據寫入串行口發送緩沖器時，就啟動了發送過程。每發送完一個串行數據幀，串行口電路便將TI置位，向CPU發出串行口中斷請求。26

CPU響應串行口中斷后，中斷系統不會通過硬件電路自動將RI或TI復位，而必須在串行口中斷服務程序中通過軟件對它們進行清除。這是因為MCS-51單片機的串行口中斷是由RI和TI所共用的，因此，進入串行口中斷服務程序后，常需要對它們進行檢測，以確定發生的串行口中斷到底是接收中斷還是發送中斷。為了防止CPU再次響應這類中斷，應在中斷服務程序的適當位置通過如下位操作指令將它們撤除。

CLR RI ;撤除接收中斷標志

CLR TI ;撤除發送中斷標志說明：27若采用字節操作指令，則指令如下：ANLSCON,#0FCH ;撤除發送和接收中斷標志，其余控制位不變（3）SCON其余各位將在第9章中介紹。單片機復位后，TCON和SCON各位均被清0。另外，所有的中斷請求標志位均可由軟件置1或清0，獲得的效果與硬件置1或清0相同。285.2MCS-51的中斷控制5.2.1中斷允許控制5.2.2中斷優先級控制5.2.3中斷嵌套295.2.1中斷允許控制

MCS-51單片機的中斷系統通過中斷允許控制寄存器IE對所有中斷以及某個中斷源進行中斷允許控制。IE中設置有中斷允許總控位和各個中斷源的分控位，這些位的狀態可以通過程序由軟件設定，只有當總控位和分控位都為1時，相應的中斷源才被允許（參見圖5-2）。單片機開機/復位時，IE各位被復位為0，處于關閉所有中斷的狀態。所以需要用到某個中斷源時，必須通過指令使IE開放所需中斷，才能使相應的中斷請求發生時能為CPU所響應。

30圖5-6中斷允許控制寄存器IE各位的定義（1）EA：中斷允許總控位。EA=

0時，關閉所有中斷源的中斷請求；EA=1時，開放所有中斷源的中斷允許總控，但它們的中斷請求最終能否為CPU響應還要取決于IE中相應中斷源的中斷允許分控位的狀態。中斷允許控制寄存器IE各位的定義：31（2）EX0：外部中斷的中斷允許位。EX0=0時，的中斷請求被關閉；EX0=1時，的中斷請求被允許，但CPU最終能否響應的中斷請求還要取決于IE中的中斷允許總控位EA的狀態。（3）EX1：外部中斷的中斷允許位。控制功能與EX0相同。32（4）ET0：定時器/計數器T0中斷允許位。ET0=0時，T0的中斷請求被關閉；ET0=1，且EA=1時，T0的中斷請求被允許。（5）ET1：定時器/計數器T1中斷允許位。控制功能與ET0類同。（6）ES：串行口中斷允許位。ES=0時，串行口的中斷請求被關閉；ES=1，且EA=1時，串行口的中斷請求被允許。335.2.2中斷優先級控制

MCS-51單片機有兩個中斷優先級，由中斷優先級控制寄存器IP進行設置。IP中的控制位與各中斷源一一對應。當IP中的某一控制位的狀態設定為1時，與之相應的中斷源為高優先級中斷；設定為0時，相應的中斷源為低優先級中斷（參見圖5-2）。單片機開機/復位時，IP各位清0，各中斷源均為低優先級中斷。34圖5-7中斷優先級控制寄存器IP各位的定義

（1）PX0：外部中斷中斷優先級設定位。（2）PT0：定時器/計數器T0中斷優先級設定位。（3）PX1：外部中斷中斷優先級設定位。（4）PT1：定時器/計數器T1中斷優先級設定位。（5）PS：串行口中斷優先級設定位。中斷優先級控制寄存器IP各位的定義：35同級優先排隊順序由中斷系統硬件電路進行固定的設置，從高到低依次排列為：外部中斷0（）、定時器/計數器0（T0）、外部中斷1（）、定時器/計數器1（T1）、串行口RI或TI，如表5-1所示。同級優先順序：中

斷

源同級優先順序外部中斷0（）低高定時器/計數器0溢出中斷（T0）外部中斷1（）定時器/計數器1溢出中斷（T1）串行口中斷（TI或RI）365.2.3中斷嵌套

MCS-51單片機對中斷優先級的處理按如下3條原則進行。（1）CPU同時接收到幾個中斷時，首先響應優先級最高的中斷請求。（2）正在執行的中斷過程不能被新的同級或低優先級的中斷請求所中斷。（3）正在執行的低優先級中斷服務，能被高優先級的中斷請求所中斷。

實現上述第三條原則的過程稱為中斷嵌套。37中斷嵌套條件：首先是中斷服務程序中沒有關閉中斷，中斷系統處于開中斷狀態；其次要有中斷優先級更高的中斷請求發生。只要條件成立，這樣的嵌套可以發生多次。圖5-8中斷嵌套示意圖

中斷嵌套示意圖與嵌套條件385.3MCS-51的中斷處理5.3.1中斷響應條件5.3.2中斷響應過程5.3.3中斷響應時間5.3.4中斷的初始化39（1）中斷系統為開中斷狀態（即中斷允許總控位EA=1，且相應中斷源的中斷允許分控位為1）。（2）中斷源發出中斷請求。（3）沒有同優先級或高優先級的中斷正在處理。（4）現行的單條指令已經執行完畢（保證單條指令在執行過程中不會被中途打斷）。（5）若CPU正在執行的指令是RET、RETI或任何訪問特殊功能寄存器IE或IP的指令，則在當前指令執行完后，還要緊接著再執行完下一條指令。5.3.1中斷響應條件405.3.2中斷響應過程（1）將與被響應中斷源對應的中斷優先級狀態觸發器置1，以阻止后來的同級或低級的中斷請求。（2）撤除所響應中斷源的中斷標志（復位為0），以防止CPU因中斷標志未能得到及時撤除而重復響應同一中斷請求。

撤除方法是：外部中斷或定時器/計數器的中斷標志由硬件自動撤除；串口中斷則需在中斷服務程序中通過如下指令撤除。

CLR TI ;撤除發送中斷

CLR RI ;撤除接收中斷41（3）執行一條由中斷系統硬件電路提供的LCALL指令。該指令的轉移地址就是被響應中斷源的中斷服務程序入口地址（見表5-2）。執行這條指令時，先把斷點（發生中斷的當前指令的下一條指令首地址）壓入堆棧，以便中斷返回時使用；然后將相應的中斷服務程序入口地址送入PC，于是CPU轉去執行相應的中斷服務程序。42表5-2 MCS-51單片機的中斷服務程序入口地址中斷服務程序入口地址中

斷

源入

口

地

址外部中斷0（）0003H定時器/計數器0溢出中斷（T0）000BH外部中斷0（）0013H定時器/計數器1溢出中斷（T1）001BH串行口中斷（TI或RI）0023H43（4）執行到中斷服務程序的最后一條指令——中斷返回指令RETI時，首先將響應中斷時壓入堆棧保存的斷點地址從堆棧彈出到PC，使CPU從原來中斷的地方繼續執行程序；然后將與已響應中斷源對應的中斷優先級狀態觸發器清0，通知中斷系統，該中斷服務程序已執行完畢，在沒有更高級別的中斷請求發生時，允許CPU響應同優先級別或低優先級的中斷請求。44（1）不能用RET指令代替RETI指令。因為RET指令雖然也能控制PC返回原來中斷的地方，但RET指令沒有對中斷優先級狀態觸發器進行清零的功能，中斷控制系統就會認為所響應的中斷仍在進行，其后果是使與此中斷同級的中斷請求將不被響應。所以中斷服務程序結束時必須使用RETI指令實現中斷返回。（2）若用戶在中斷服務程序中進行了入棧操作，則在

RETI指令執行前，應進行相應的出棧操作，使棧頂指針SP與保護斷點后的值相同，即在中斷服務程序中，PUSH指令與POP指令必須成對使用，否則不能正確返回斷點。編寫中斷服務程序注意事項45（3）從表5-2中可以看出，MCS-51單片機的兩個相鄰中斷源的中斷服務程序入口地址相距只有8個單元的空間，一般情況下，8個地址單元是不足以容納一個中斷服務程序的。因此，除非中斷服務程序特別簡單，可以直接安排在這幾個單元中，否則，通常是在相應的中斷服務程序入口地址單元放置一條無條件長轉移指令LJMP，用以轉移到另外安排的中斷服務程序入口，這樣可以將中斷服務程序靈活地安排在64KB程序存儲器的任何地方。當然，若在2KB范圍內轉移，則可用AJMP指令。46

……

3 ORG0003H4 LJMPBREAK0 ;轉中斷5 ORG000BH6 LJMPCLOCK ;轉定時器T0中斷7 ORG0013H8 LJMPBREAK1 ;轉中斷

……24BREAK0：CLREX0 ;關閉中斷

……35 SETBEX0 ;開放中斷36 RETI ;中斷返回

……【項目應用】以下是應用項目中的中斷服務程序入口地址所使用的無條件長轉移指令。

4737BREAKl：CLREXl ;關閉中斷

……

48 SETBEXl ;開放

中斷49 RETI ;中斷返回

……85CLOCK：PUSHPSW ;保護現場86 PUSHACC

……108DONE1：POPACC ;恢復現場109 POPPSW110 RETI ;中斷返回48

進入和中斷服務程序時，首先使用CLREX0和CLREX1指令，暫時關閉相應的中斷，在中斷返回前，再使用SETBEX0和SETBEX1指令開放相應的中斷，其目的是為了保證每按下一次時間調校按鈕時，只響應一次中斷。

進入T0中斷服務程序時，首先使用指令保護現場，在中斷服務之后、中斷返回前，再恢復現場，以防止中斷返回后丟失原寄存器的內容。

說明：495.3.3中斷響應時間中斷響應時間指的是從中斷源發出中斷請求，到CPU響應中斷需要經歷的時間。在單片機的實時控制系統中，為了滿足控制速度的要求，需要明確知道CPU響應中斷所需的時間。50下面通過MCS-51單片機的中斷響應時序（如圖5-9所示），對中斷響應時間進行分析。圖5-9中斷響應時序

中斷響應時序51假定某中斷在圖5-9中M1周期的S5P2前生效，在S5P2期間，其中斷請求被CPU查詢到，并將相應的標志位置1。若下一個機器周期M2恰好是當前指令的最后一個機器周期，且該指令不是RET、RETI或訪問IE、IP的指令，CPU便可以在后面的兩個機器周期M3和M4里執行硬件LCALL指令，在M5周期將轉入相應中斷入口地址執行中斷服務程序。可見，MCS-51的中斷響應時間（從中斷標志位置1到進入相應的中斷服務程序）至少需要3個完整的機器周期。中斷響應時間分析52若發生如下情況，就要增加中斷響應等待時間。（1）若標志查詢周期不是正在執行指令的最后機器周期，需增加1～3個機器周期，因為MCS-51指令系統中，執行時間最長的乘法、除法指令MUL和DIV也只需要4個機器周期。（2）若標志查詢周期恰逢CPU執行RET、RETI或訪問IE、IP指令，而這類指令之后又緊跟著MUL或DIV指令，則需多用1個機器周期完成正在執行的指令，再加上執行MUL或DIV指令需用4個機器周期。所以這種情況下，需要附加的等待時間不會超過5個機器周期。中斷響應時間分析53由此可見：對于沒有嵌套的單級中斷，響應時間為3～8個機器周期。若CPU正在響應同級或高級中斷，則所需要的附加等待時間取決于正在執行的中斷服務程序的長短，中斷響應時間不確定。中斷響應時間分析545.3.4中斷的初始化中斷系統的初始化指的是用戶根據各中斷源的具體要求，對與中斷控制有關的特殊功能寄存器中的各控制位進行賦值，其基本步驟如下。（1）開放相應中斷源的中斷。（2）設定所用中斷源的中斷優先級。（3）若為外部中斷，則應規定其為低電平還是負邊沿的中斷觸發方式。55

……

10 MAIN：……

……20 MOV IE，#87H ；允許中斷

……【項目應用】在應用項目中用到的3個中斷源，分別是外部中斷、和定時器T0中斷。以下是應用項目中的中斷初始化程序。56執行MOVIE，#87H指令后，（IE）=10000111B，即EA=1、EX1=1、ET0=1、EX0=1，令中斷系統開放總中斷以及開放外部中斷1、外部中斷0和定時器T0溢出中斷。程序中沒有對IT0、IT1和IP中的各位進行置位，所以外部中斷的觸發方式選擇為電平觸發方式；中斷優先級全部為低優先級。當然，也可以使用位操作指令實現上述功能，將程序改為： ……

SETB EA ；開放總中斷

SETB EX1 ；開放外部中斷1

SETB ET0 ；開放定時器T0中斷

SETB EX0 ；開放外部中斷0 ……說明：575.4MCS-51外部中斷源的擴展當實際的單片機應用系統需要用到兩個以上的外部中斷源時，就需要對單片機的外部中斷源進行擴展。擴展的方法通常有以下3種。（1）借用定時器溢出中斷擴展外部中斷源。（2）采用查詢法擴展外部中斷源。（3）采用外接可編程中斷擴展芯片（如8259中斷控制器）擴展外部中斷源。第一種方法將在第6章中加以介紹。第三種方法限于篇幅不作介紹，讀者可參考有關書籍。下面僅對采用查詢法擴展外部中斷源通過舉例子進行說明。58假設某個單片機應用系統共有5個外部中斷源，中斷優先級由高到低的排隊順序為：IRQ0、IRQ1、IRQ2、IRQ3、IRQ4。試設計它們與8051單片機進行連接的硬件電路與相應的中斷服務程序。

【例5-1】59（1）硬件電路設計采用查詢法擴展外部中斷源的一種硬件電路如圖5-10所示。圖5-10采用查詢法擴展外部

中斷源的硬件電路解：

60在圖5-10中，根據題目要求的中斷優先級，將最高優先級的中斷源IRQ0直接經非門接到輸入端，其余的IRQ1～IRQ4經由集電極開路的非門所構成的或非電路接到端并分別與P1.0～P1.3相連。當IRQ1～IRQ4中有一個或多個輸入中斷信號（高電平）時，都會通過引腳向CPU發出中斷請求。在的中斷服務程序中依次查詢P1.0～P1.3，就可以確定究竟是哪個中斷源提出中斷請求，從而轉向與之相應的中斷服務程序。只要在編程時保證、具有相同的優先級，就能使連接在的IRQ0中斷優先級高于連接在上的IRQ1～IRQ4，而IRQ1～IRQ4則由對P1.0～P1.3的查詢順序決定它們的中斷優先級是從高到低排隊。61值得注意的是，由于IRQ1～IRQ4被接到P1.0～P1.3引腳，且查詢時需要讀P1.0～P1.3