5.2 80C51的中断系统

80C51的中断系统包括: 中断源、中断标志位、中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP、中断矢量等。

在80C51中, 只有两级中断优先级。

80C51的中断系统结构示意图❗

• 展示了中断标志位、中断允许寄存器 (IE)、中断优先级寄存器 (IP) 与五个中断源 (INT0, T0, INT1, T1,串行口) 的连接关系。
1. 中断源改变中断标志位；
2. 每个机器周期去检查中断标志位，决定是否进入中断
3. 中断有总开关EA与每个中断各自的小开关
4. IP决定不同中断的优先级

中断源❗

80C51有5个中断源 (80C52增加一个T2)。

中断源	中断矢量地址
外部中断0 (INT0)	0003H
定时器/计数器0 (T0)	000BH
外部中断1 (INT1)	0013H
定时器/计数器1 (T1)	001BH
串行口 (RI、TI)	0023H
定时器/计数器2 (T2)	002BH

(注: 定时器/计数器2是80C52增加的)

中断源分类:

• 外中断类: 外中断请求信号可以是电平或脉冲, 可以通过控制位设置。
• 一些外设请求的中断（例如按钮、键盘），用于人机交互

• 定时中断类: 定时/计数器溢出产生。

• 串行中断类: 串行口接收或发送完一帧数据产生。

中断矢量 (Interrupt Vector):

• 当CPU响应中断时, 由硬件直接产生一个固定的地址, 即矢量地址, 指出每个中断源设备的中断服务程序的入口, 这种方法通常称为矢量中断。

• 每个中断源分别有自己的中断服务程序, 而每个中断服务程序又有自己的矢量地址。

中断源	中断矢量地址
外部中断0 (INT0)	0003H
定时器/计数器0 (T0)	000BH
外部中断1 (INT1)	0013H
定时器/计数器1 (T1)	001BH
串行口 (RI、TI)	0023H
定时器/计数器2 (T2)	002BH

• CPU识别出某个中断源时, 由硬件直接给出一个与该中断源相对应的矢量地址, 从而转入各自中断服务程序。

因为矢量地址之间的空间非常有限，不能实现复杂操作。所以在这些矢量地址通常放置一条跳转指令，以将CPU重定向到你实际的、更完整的中断服务程序，

5.3 中断的控制

中断标志位TCON/SCON

• INT0, INT1, T0及T1的中断标志存放在TCON (定时器/计数器控制) 寄存器中;

• 串行口的中断标志存放在SCON (串行口控制) 寄存器中。

定时控制寄存器 TCON (地址88H, 位地址8FH~88H):

虽然名称是TCON，但是实际上包含了外部中断控制和定时器中断控制两部分的功能

位地址	8FH	8EH	8DH	8CH	8BH	8AH	89H	88H
位符号	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

 

• TF1 (TCON.7): 定时器1溢出标志。
• 溢出意味着定时器完成了定时任务，产生了中断请求
• 当CPU响应了T1的中断请求，硬件会自动将TF1清零，撤销中断请求

• TF0 (TCON.5): 定时器0溢出标志。与TF1类似，但用于定时器0。

• TR1 (TCON.6): 定时器1运行控制位。1为启动定时器1计数，0为停止。软件可以通过设置此位来控制定时器的启动和停止，达到精确控制定时功能的目的。复位后TR1=0。

• TR0 (TCON.4): 定时器0运行控制位。与TR1功能相同，但控制定时器0。

• IE1 (TCON.3): 外部中断1标志位。当外部中断1事件发生时由硬件置位。

• IE0 (TCON.1): 外部中断0标志位。与IE1类似，但用于外部中断0。

• IT1 (TCON.2): 外部中断1的触发方式控制位。如果为0，则为电平触发（低电平有效）。如果为1，则为边沿触发（下降沿有效）。

• IT0 (TCON.0): 外部中断0的触发方式控制位。逻辑与IT1相同。

串行口控制寄存器 SCON (地址98H, 位地址9F~98H):

位地址	9FH	9EH	9DH	9CH	9BH	9AH	99H	98H
位符号	SM0	SM1	SM2	REN	TB8	RB8	TI	RI

 

• TI (Transmit Interrupt): 串行口发送中断请求标志位。

• RI (Receive Interrupt): 串行口接收中断请求标志位。

• 中断响应后用软件对TI、RI标志清0。

中断允许和禁止IE（Interrupt Enable)❗

中断允许控制寄存器 IE (地址A8H, 位地址AFH~A8H):

位地址	AF	AE	AD	AC	AB	AA	A9	A8
位符号	EA	/	/	ES	ET1	EX1	ET0	EX0

 

• EA (Enable All): 中断允许总控制位。1为中断总允许, 0为中断总禁止。

• EX0、EX1: 外部中断0、1允许控制位。

• ET0、ET1: 定时/计数器0、1中断允许控制位。

• ES: 串行中断允许控制位。
• 0为禁止对应的中断, 1为允许对应的中断。
• CPU复位后, IE=00H, 即禁止所有中断。

区分ET0，ET1/TR0，TR1：

特性	TR0 / TR1	ET0 / ET1
寄存器	TCON (定时器控制寄存器)	IE (中断允许寄存器)
控制目标	定时器/计数器本身的运行/停止	定时器溢出事件是否产生中断请求
核心作用	启动或停止计数过程	允许或禁止中断
与中断的关系	间接相关 (定时器运行并溢出是产生中断的前提)	直接相关 (决定了溢出后是否能触发中断)
独立性	定时器可以运行 (TRx=1) 但不产生中断 (ETx=0)	定时器中断能否发生，不仅取决于ETx，还取决于总中断EA位

中断优先级 (Interrupt Priority)❗

80C51有高、低两个中断优先级, 通过中断优先级寄存器IP来设定。

中断优先级控制寄存器 IP (地址B8H, 位地址BF~B8H):

位地址	BF	BE	BD	BC	BB	BA	B9	B8
位符号	/	/	/	PS	PT1	PX1	PT0	PX0

• PX0、PX1: 外部中断0、1优先级设定位。

• PT0、PT1: 定时器0、1中断优先级设定位。

• PS: 串行中断优先级设定位。

• 0为优先级低, 1为优先级高

中断优先级控制原则和控制逻辑❗

1. 低优先级中断请求不能打断高优先级的中断服务。高优先级中断请求可以打断低优先级的中断服务。

2. 在中断服务程序运行中, 不响应同级的其它中断请求

3. 在主程序运行中, 同级的多个中断请求同时出现时, 响应次序为:
外中断0 -> 定时中断0 -> 外中断1 -> 定时中断1 -> 串行口中断。

 

外部中断触发方式: 2种

• 电平触发方式IT1、 IT0=0:
低电平有效。由TCON寄存器的IT1 (TCON.2) 及IT0 (TCON.0) 控制。低电平有效信号, 应一直保持到CPU响应中断为止。

• 跳变触发方式 IT1、 IT0=1:
电平发生由高到低的跳变 (负跳变) 时触发。信号高、低电平应至少各保持一个机器周期。

中断请求的撤除❗

中断请求被响应后, 转向中断服务程序执行, 在其执行中断返回指令 (RETI) 之前, 中断请求信号必须撤除, 否则将会再一次引起中断而出错。

1. 单片微机内部硬件自动复位:
• 定时器/计数器T0、T1中断 (TF0, TF1标志)。
• 采用脉冲触发方式的外部中断请求 (IE0, IE1标志)。

2. 用软件指令清除相应标志:
• 串行中断RI、TI❗
• 80C52的TF2, EXF2 (T2CON寄存器)。

3. 用软件、硬件结合清除相应标志:
• 采用电平触发方式的外部中断请求。尽管中断标志 (IE0, IE1) 的撤消是硬件自动的, 但中断请求信号的低电平可能继续存在, 在以后机器周期采样时又会把已清“0”的IE0、IE1标志重新置“1”, 再次申请中断。为保证在CPU响应中断后、执行返回指令前, 撤除中断请求, 必须保证在中断响应后把中断请求信号从低电平强制改变为高电平。
• 硬件置位, 硬、软件结合清除的例子: (参考课件图示和代码)
• 使用D触发器和P1口控制外部中断请求信号的撤销。

5.4 中断响应过程和响应时间

中断响应过程:

中断采样:

• 针对外部中断信号需要中断采样;

• 针对内部中断源, 直接置位TCON或SCON中的中断请求标志。

• 每个机器周期的S5P2 (第五状态的第二节拍) 期间, 各中断标志采样相应的中断源, 并置入相应标志。

中断查询:

• CPU在每个机器周期的S6状态按优先级的顺序依次查询中断标志位。查询到标志位为1, 则在下一个机器周期的S1状态响应中断。
• 当一个指令需要多个机器周期去完成，即使查询到了中断请求，单片机也会先完成当前指令然后进入中断

中断响应:

1. 中断响应的过程:
• 硬件自动生成 LCALL addr16 指令。
• 将PC (程序计数器) 值压栈, 将中断矢量地址 (addr16) 装入PC。

2. 中断不立即响应的情况:
• CPU正处在同级或高一级的中断服务中。
• 查询中断请求的机器周期不是当前指令的最后一个机器周期 (确保指令完整执行)。
• 例如：MUL AB
• 当前执行的是RETI或访问IE、IP的指令。

中断的执行过程与子程序调用的比较:

• 相似点:
1. 都是中断当前正在执行的程序, 转去执行子程序或中断服务程序。
2. 都是由硬件自动地把断点地址压入堆栈, 然后通过软件完成现场保护。
3. 执行完子程序或中断服务程序后, 都要通过软件完成现场恢复, 并通过执行返回指令, 重新返回到断点处, 继续往下执行程序。
4. 二者都可以实现嵌套, 如中断嵌套和子程序嵌套。

• 差别:
1. 中断请求信号可以由外部设备发出, 是随机的 (如故障、按键); 子程序调用是由软件编排好的。
2. 中断响应后由固定的矢量地址转入中断服务程序; 子程序地址由软件设定。
虽然在矢量地址处一般还会有一个长跳转调用子程序
3. 中断响应是受控的, 其响应时间会受一些因素影响; 子程序响应时间是固定的。
4. 中断响应自动屏蔽该级别的中断允许, 返回必须用RETI, 否则再也不能进入该级别或者更低级别的中断。
它会解除单片机对该级别或更低级别中断的自动屏蔽

中断响应时间❗

中断响应时间指的是从中断源发出中断请求，到CPU开始执行中断服务程序的第一条指令所需要的全部时间。

这个时间不是一个固定值，它有一个最短时间和最长时间，具体耗时取决于CPU在收到中断请求时“正在忙什么”。

事件	时间	说明
中断请求标志位查询	1个机器周期	CPU在每个机器周期末尾检查中断标志，这是响应的起点。
执行LCALL指令	2个机器周期	硬件自动执行，用于保护断点并跳转到中断服务程序。
中断响应最短时间	3个机器周期	ㅤ
CPU执行RETI或访问IP、IE指令	额外2个机器周期	为确保中断系统稳定，执行完这类指令后还要再执行一条普通指令才能响应中断。
CPU执行乘法或除法指令	额外4个机器周期	这是8051最长的指令，CPU必须等它执行完才能响应中断。
中断响应最长时间	8个机器周期	（RETI+DIV/MUL+LCALL）（中断请求标志位查询RETI时一并完成了）

本章小结

• 掌握80C51的5个中断源及其对应的中断矢量。

• 掌握中断相关的初始化及特殊功能寄存器 (SFR) 的设定 (IE, IP, TCON, SCON)。

• 理解中断响应的过程。

• 掌握编写中断服务程序的技能 (包括现场保护与恢复, RETI指令的使用)。