硬件部分第二次培训——中断详解

一、中断的定义：

中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

1.基本含义：

处理机处理程序运行中出现的紧急事件的整个过程.程序运行过程中，系统外部、系统内部或者现行程序本身若出现紧急事件，处理机立即中止现行程序的运行，自动转入相应的处理程序(中断服务程序)，待处理完后，再返回原来的程序运行，这整个过程称为程序中断;当处理机接受中断时，只需暂停一个或几个周期而不执行处理程序的中断，称为简单中断。中断又可分为屏蔽中断和非屏蔽中断两类，可由程序控制其屏蔽的中断称为屏蔽中断或可屏蔽中断。屏蔽时，处理机将不接受中断。反之，不能由程序控制其屏蔽，处理机一定要立即处理的中断称为非屏蔽中断或不可屏蔽中断.非屏蔽中断主要用于断电、电源故障等必须立即处理的情况。处理机响应中断时，不需执行查询程序.由被响应中断源向CPU发向量地址的中断称为向量中断，反之为非向量中断.向量中断可以提高中断响应速度。

2.简要概念：

CPU在处理某一事件A时，发生了另一事件B请求CPU迅速去处理（中断发生）；
CPU暂时中断当前的工作，转去处理事件B（中断响应和中断服务）；
待CPU将事件B处理完毕后，再回到原来事件A被中断的地方继续处理事件A（中断返回）；
这一过程称为中断

二、中断分类：

硬件中断、软件中断

1.硬件中断：

1.可屏蔽中断（maskable interrupt）。硬件中断的一类，可通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。
2.非可屏蔽中断（non-maskable interrupt，NMI）。硬件中断的一类，无法通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。典型例子是时钟中断（一个硬件时钟以恒定频率—如50Hz—发出的中断）。
3.处理器间中断（interprocessor interrupt）。一种特殊的硬件中断。由处理器发出，被其它处理器接收。仅见于多处理器系统，以便于处理器间通信或同步。
4.伪中断（spurious interrupt）。一类不希望被产生的硬件中断。发生的原因有很多种，如中断线路上电气信号异常，或是中断请求设备本身有问题。

2.软件中断：

一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态的子例程，它常被用作实现系统调用。

中断响应流程图：

三、中断优点：

随着计算机技术的应用，人们发现中断技术不仅解决了快速主机与慢速I/O设备的数据传送问题，还具有如下优点：

1.分时操作

CPU可以分时为多个I/O设备服务，提高了计算机的利用率；
实时响应。CPU能够及时处理应用系统的随机事件，系统的实时性大大增强；

2.可靠性高

CPU具有处理设备故障及掉电等突发性事件能力，从而使系统可靠性提高。

四、现代计算机采用中断的目的：

1.提高计算机系统效率

计算机系统中处理机的工作速度远高于外围设备的工作速度。通过中断可以协调它们之间的工作。当外围设备需要与处理机交换信息时，由外围设备向处理机发出中断请求，处理机及时响应并作相应处理。不交换信息时，处理机和外围设备处于各自独立的并行工作状态。

2.维持系统可靠正常工作

现代计算机中，程序员不能直接干预和操纵机器，必须通过中断系统向操作系统发出请求，由操作系统来实现人为干预。主存储器中往往有多道程序和各自的存储空间。在程序运行过程中，如出现越界访问，有可能引起程序混乱或相互破坏信息。为避免这类事件的发生，由存储管理部件进行监测，一旦发生越界访问，向处理机发出中断请求，处理机立即采取保护措施。

3.满足实时处理要求

在实时系统中，各种监测和控制装置随机地向处理机发出中断请求，处理机随时响应并进行处理。

4.提供故障现场处理手段

处理机中设有各种故障检测和错误诊断的部件，一旦发现故障或错误，立即发出中断请求，进行故障现场记录和隔离，为进一步处理提供必要的依据。

五、51单片机的中断系统

断点：一个地址，程序在该处中断，转而取执行中断程序的地址。
中断源：引起中断的信号源。

结构：

实际示例：你的主任务是洗衣服，水开报警这是一个中断请求，这一时刻相当于断点处，你响应中断去关火，然后将开水灌入暖水瓶中，这一动作实际上就是处理中断程序，灌完开水后再回去继续洗衣服，相当于处理完中断程序后再返回主程序继续执行主程序。

中断优先级：

从高到低

51单片机的中断优先级有三条原则：

1.CPU同时接收到几个中断时，首先响应优先级别最高的中断请求。
2.正在进行的中断过程不能被新的同级或低优先级的中断请求所中断。
3.正在进行的低优先级中断服务，能被高优先级中断请求所中断。

为了实现上述后两条原则，中断系统内部设有两个用户不能寻址的优先级状态触发器。其中一个置1，表示正在响应高优先级的中断，它将阻断后来所有的中断请求；另一个置1，表示正在响应低优先级中断，它将阻断后来所有的低优先级中断请求。

中断嵌套：

实际示例：

系统结构：

注：89C51/52的中断系统有5个中断源 ，2个优先级可实现二级中断嵌套

中断状态转换图：

六、寄存器

概念：

寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。

基本含义：

集成电路中非常重要的一种存储单元，通常由触发器组成。在集成电路设计中，寄存器可分为电路内部使用的寄存器和充当内外部接口的寄存器这两类。内部寄存器不能被外部电路或软件访问，只是为内部电路的实现存储功能或满足电路的时序要求。而接口寄存器可以同时被内部电路和外部电路或软件访问，CPU中的寄存器就是其中一种，作为软硬件的接口，为广泛的通用编程用户所熟知。
在计算机领域，寄存器是CPU内部的元件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。
寄存器是内存阶层中的最顶端，也是系统获得操作资料的最快速途径。寄存器通常都是以他们可以保存的位元数量来估量。

对于寄存器的学习小建议：

1.配置寄存器之前要明白寄存器的功能和作用
2.不同的配置方法实现那些不同的功能，直到轻车熟路

中断相关寄存器：

中断允许控制寄存器IE
中断优先控制寄存器IP
定时器/计数器控制寄存器TCON
串口控制寄存器SCON
定时器/计数器工作方式控制寄存器TMOD
定时器初值赋予寄存器（TH0/TH1,TL0/TL1）

中断允许控制寄存器：

CPU对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。IE字节地址0xA8;

EX0(IE.0)，外部中断0允许位；
ET0(IE.1)，定时/计数器T0中断允许位；
EX1(IE.2)，外部中断0允许位；
ET1(IE.3)，定时/计数器T1中断允许位；
ES (IE.4)，串行口中断允许位；
EA (IE.7)， CPU中断允许（总允许）位。

中断优先控制寄存器：

PS——串行口中断优先级控制位。
PS=1，串行口中断定义为高优先级中断。
PS=0，串行口中断定义为低优先级中断。
PT1——定时器/计数器1中断优先级控制位。
PT1=1，定时器/计数器1中断定义为高优先级中断。
PT1=0，定时器/计数器1中断定义为低优先级中断。
PX1——外部中断1中断优先级控制位。
PX1=1，外部中断1定义为高优先级中断。
PX1=0，外部中断1定义为低优先级中断。
PT0——定时器/计数器0中断优先级控制位。
PT0=1，定时器/计数器0中断定义为高优先级中断。
PT0=0，定时器/计数器0中断定义为低优先级中断。
PX0——外部中断0中断优先级控制位。
PX0=1，外部中断0定义为高优先级中断。
PX0=0，外部中断0定义为低优先级中断。

定时器/计数器控制寄存器：

IT0（TCON.0），外部中断0触发方式控制位。
当IT0=0时，为电平触发方式。
当IT0=1时，为边沿触发方式（下降沿有效）。
IE0（TCON.1），外部中断0中断请求标志位。
IT1（TCON.2），外部中断1触发方式控制位。
IE1（TCON.3），外部中断1中断请求标志位。
TF0（TCON.5），定时/计数器T0溢出中断请求标志位。
TF1（TCON.7），定时/计数器T1溢出中断请求标志位。

同一优先级中的中断申请不止一个时，则有中断优先权排队问题。同一优先级的中断优先权排队，由中断系统硬件确定的自然优先级形成，其排列如所示：

七、51单片机中断处理过程：

中断响应条件

1.中断源有中断请求；
2.此中断源的中断允许位为1；
3.CPU开中断（即EA=1）。
以上三条同时满足时，CPU才有可能响应中断。

外部中断配置与编程操作

中断源：

外部中断0
主程序中需要有以下代码：
EA=1；//打开总中断开关
EX0=1；//开外部中断0
IT0=0/1；//设置外部中断的触发方式
中断服务函数：
void   int0   ()  interrupt   0    using  1
{
	do anything that you want
}
实验：下载程序后按下K1按键可以对LED状态取反
#include "reg51.h"			 
typedef unsigned int u16;	  //对数据类型进行声明定义
typedef unsigned char u8;

sbit k1=P3^2; 
sbit led=P0^0;	 

void delay(u16 i)
{
	while(i--);	
}

void Int0Init()
{
	//设置INT0
	IT0=1;//跳变沿出发方式（下降沿）
	EX0=1;//打开INT0的中断允许。	
	EA=1;//打开总中断	
}

void main()
{	
	Int0Init();  //	设置外部中断0
	while(1);		
}

void Int0()	interrupt 0		//外部中断0的中断函数
{
	delay(1000);	 //延时消抖
	if(k1==0)
	{
		led=~led;
	}
} 

定时器中断计算与配置

学习定时器之前需知：

1.51单片机有两组定时器/计数器，因为既可以定时，又可以计数，故称之为定时器/计数器。
2.定时器/计数器和单片机的CPU是相互独立的。定时器/计数器工作的过程是自动完成的，不需要CPU的参与。
3.51单片机中的定时器/计数器是根据机器内部的时钟或者是外部的脉冲信号对寄存器中的数据加1。
4.有了定时器/计数器之后，可以增加单片机的效率，一些简单的重复加1的工作可以交给定时器/计数器处理。CPU转而处理一些复杂的事情。同时可以实现精确定时作用。

定时器/计数器工作原理：

定时/计数器实质上是一个加1计数器。它随着计数器的输入脉冲进行自加1，也就是每来一个脉冲，计数器就自动加1，,当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使相应的中断标志位置1，向CPU发出中断请求（定时/计数器中断允许时）。如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果工作于计数模式，则表示计数值已满。
可见，由溢出时计数器的值减去计数初值才是加1计数器的计数值。

51单片机定时器结构：

定时/计数器的实质是加1计数器（16位），由高8位和低8位两个寄存器THx和TLx组成。TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。

定时器/计数器控制：

51单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。
TMOD用于设置其工作方式；
TCON用于控制其启动和中断申请。

1、工作方式寄存器TMOD

工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。其格式如下：

GATE是门控位, GATE＝0时，用于控制定时器的启动是否受外部中断源信号的影响。只要用软件使TCON中的TR0或TR1为1，就可以启动定时/计数器工作；GATA＝1时，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚INT0/1也为高电平时，才能启动定时/计数器工作。即此时定时器的启动条件，加上了INT0/1引脚为高电平这一条件。
C/T :定时/计数模式选择位。
C/T ＝0为定时模式;C/T =1为计数模式。
M1M0：工作方式设置位。定时/计数器有四种工作方式。

2、控制寄存器TCON

TCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。TCON的高4位用于控
制定时/计数器的启动和中断申请。其格式如下：

TF1（TCON.7）：T1溢出中断请求标志位。T1计数溢出时由硬件自动置TF1 为1。CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。所以，TF1可用作查询测试的标志。TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。
TR1（TCON.6）：T1运行控制位。TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。TR1由软件置1或清0。所以，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。
TF0（TCON.5）：T0溢出中断请求标志位，其功能与TF1类同。
TR0（TCON.4）：T0运行控制位，其功能与TR1类同。

定时器/计数器的工作方式：

1、方式0

方式0为13位计数，由TL0的低5位（高3位未用）和TH0的8位组成。TL0的低5位溢出时向TH0进位，TH0溢出时，置位TCON中的TF0标志，向CPU发出中断请求。

2、方式1

方式1的计数位数是16位，由TL0作为低8位，TH0作为高8位，组成了16位加1计数器 。

计数个数与计数初值的关系为：X=65536－N

3、方式2

方式2为自动重装初值的8位计数方式。

计数个数与计数初值的关系为：X=256－N
工作方式2特别适合于用作较精确的脉冲信号发生器

4、方式3

方式3只适用于定时/计数器T0，定时器T1处于方式3时相当于TR1=0，停止计数。

工作方式3将T0分成为两个独立的8位计数器TL0和TH0

使用定时器的初始化程序：

对TMOD赋值，以确定T0和T1的工作方式。
计算初值,并将其写入TH0、TL0或TH1、TL1。
中断方式时，则对EA赋值，开放定时器中断。
使TR0或TR1置位，启动定时/计数器定时或计数。

计数器初值计算（重点）：

机器周期也就是CPU完成一个基本操作所需要的时间。
机器周期=1/单片机的时钟频率。
51单片机内部时钟频率是外部时钟的12分频。也就是说当外部晶振的频率输入到单片机里面的时候要进行12分频。比如说你用的是12MHZ的晶振，那么单片机内部的时钟频率就是12/12MHZ，当你使用12MHZ的外部晶振的时候。机器周期=1/1M=1us。
而我们定时1ms的初值是多少呢，1ms/1us=1000。也就是要计数1000个数，初值=65535-1000+1（因为实际上计数器计数到66636才溢出）=64536=FC18H

#include "reg51.h"		
typedef unsigned int u16;	   
typedef unsigned char u8;
sbit led=P0^0;	 
void Timer0Init()
{
	TMOD=0X01;//选择为定时器0模式，工作方式1，仅用TR0打开启动。
TH0=0XFC;	//给定时器赋初值，定时1ms
	TL0=0X18;	
	ET0=1;  //打开定时器0中断允许
	EA=1;   //打开总中断
	TR0=1;  //打开定时器			
}
void main()
{	
	Timer0Init();  //定时器0初始化
	while(1);		
}
void Timer0() interrupt 1
{
	static u16 i;
	TH0=0XFC;	//给定时器赋初值，定时1ms
	TL0=0X18;      //重装初值
	i++;
	if(i==1000)
	{
		i=0;
		led=~led;	
	}	
}