第6章-中断系统与定时计数器教材课件

2023/7/25MCS-51单片机原理与应用1 介绍MCS-51中断系统和定时/计数器，80C51有5个中断源和2个16位定时/计数器，对它们的控制是一个软硬结合的过程。 一方面要了解它们的硬件结构原理，另一方面要学会对它们的初始化编程。第6章中断系统与定时计数器2023/7/25MCS-51单片机原理与应用2

中断系统是单片机系统的重要组成,有了它单片机可以“一芯多用”,大大提高了单片机系统的效率。

1．中断概念 中断过程如图,CPU只有在执行中断服务子程序的短暂时间里才同外设打交道,CPU的工作效率大大提高,可以为众多外设服务,实现资源共享。6.1中断系统概述2023/7/25MCS-51单片机原理与应用3

中断系统:能够实现中断功能的部件。

中断与子程序的区别: 子程序调用是事先在程序中用调用指令安排好 中断调用在程序中却无法事先给定,中断没有相应的调用指令,而是由外设随机地通过硬件向CPU发中断请求,才把CPU拉到中断服务子程序中去的。整个中断是一个软硬件结合的过程。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用4

中断源:引起中断的原因或向CPU发出中断请求的来源。中断源可以是外设、实时控制中被控对象、故障源和单片机内部的定时/计数器、串行口等。

2．中断的特点

（1）实现分时操作 数据传送时慢速的外设远远跟不上高速的CPU的节拍,采用中断方式,匹配了两者之间的传送速度,使得CPU也能可以与多个外设同时并行工作,实现分时操作。 2023/7/25MCS-51单片机原理与应用5 （2）实现实时处理

各被控对象可以随时对CPU发中断请求,CPU也能够及时响应,进行处理。 （3）进行故障处理

由故障源向CPU发中断请求,再由CPU转到相应的故障处理服务程序,进行处理。3．中断系统的功能 （1）中断响应与返回2023/7/25MCS-51单片机原理与应用6 当外设向CPU发中断请求后,如果中断是开放的,则CPU在执行完当前指令后将响应这一中断请求。 首先硬件自动执行保护断点,把压入堆栈保存; 接着执行用户编写的保护现场程序,将相关寄存器内容和标志位状态压入堆栈保存; 此后转到相应外设的中断服务子程序执行,一般在中断服务程序最后,执行用户编写的恢复现场程序,直到遇RETI指令,执行中断返回。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用7（2）中断判优与中断嵌套

中断系统根据轻重缓急给每个中断源规定了一个优先级别,当多个中断源同时向CPU发出中断请求时,CPU总是先响应优先级最高的中断请求。 中断嵌套:当CPU正在处理某一中断时,若出现了更高优先级的中断请求,则CPU会暂停正在处理的的中断服务程序,保留这个程序的断点,转去响应更高优先级的中断处理.2023/7/25MCS-51单片机原理与应用8

待高级中断处理结束后,再回到原中断服务程序,继续执行,这个过程称为中断嵌套。 如果发出新的中断请求的中断源的优先级与正在处理的中断源同级或更低,则新中断请求将被屏蔽,直至正在处理的中断执行完毕,才能响应新的中断请求。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用96.2.1中断系统结构框图与中断源 1．中断系统 8051中断系统提供5个中断源,2个中断优先级,可实现二级中断服务程序嵌套.

5个中断源:2个为外部中断源,2个为片内定时/计数器T0和T1溢出中断TF0和TF1,1个为片内串行口的发送中断TI或接收中断RI。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用102023/7/25MCS-51单片机原理与应用11

中断系统涉及到的特殊功能寄存器有4个,其主要作用有3个方面。（1）中断请求标志:中断请求标志位由定时器控制寄存器TCON与串行控制寄存器SCON的相应位来锁存;（2）中断允许寄存器IE:控制CPU是否响应中断源的中断请求。（3）中断优先级寄存器IP:安排各中断源的优先级,每一个中断源可编程为高优先级中断或低优先级中断。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用12 2．中断源 （1）外部中断源 两个外中断请求由和引脚输入,有电平触发和脉冲触发两种方式。由定时器控制寄存器TCON中IT0或IT1位状态来设定触发方式,由IE0或IE1来锁存中断请求标志。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用13以外中断1和定时器1控制位来说明。①IT1:外中断1触发方式控制位 用软件置位或清除,IT1=1,选择外中断1为下降沿触发；IT0=0,选择外中断1为低电平触发。②IE1:外中断1中断请求标志位 对于脉冲触发方式,当检测到引脚上出现的外部中断信号的下降沿时,由硬件置位,使IE1=1,请求中断；中断响应后由硬件自动清除,使IE1=0。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用14

对于低电平触发方式,当检测到上有效的低电平信号时,置位IE1=1,请求中断；但中断响应后硬件不会清除此标志,而仍保持IE1=1。 所以用户应在中断服务程序撤消引脚上的低电平,以免CPU在中断返回后再次响应,引起一次请求,多次响应。 中断系统在每个机器周期的S5P2检测一次,检测方式由中断触发方式定。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用15

低电平触发时要求引脚上的低电平一直保持到CPU响应中断为止；

下降沿触发方式要求外中断请求信号的高低电平至少各保持一个机器周期,以使CPU在前一周期检测到高电平,而在后一周期检测到低电平,以确定中断请求的提出。 TCON的高4位分别是定时器0、1的运行控制位TR0、TR1和中断标志位TF0、TF1。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用16 （2）定时/计数器溢出中断源 定时/计数器溢出中断属于内部中断,常用于定时/计数控制。TCON的TF1、TF0分别是定时器1、0的中断溢出标志位。 定时器运行后,开始从设定的初值作加1计数,当最高位产生溢出时,由硬件置位,使TF1=1,请求中断；中断响应后由硬件自动清除,使TF1=0。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用17（3）串行口中断源 串行口的发送中断和接收中断也是内部中断,常用于串行通信,串行口的接收中断标志RI和发送中断标志TI锁存在串行口控制寄存器SCON的低2位。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用18

串口每发送完一帧串行数据,发送中断标志TI=1;每接收完一帧串行数据,接收中断标志RI=1。RI和TI向CPU发中断请求。 当CPU响应中断后,首先需要判断RI和TI中哪一个是中断源,从而进入对应的中断处理程序。 为此,可在串口中断服务程序中安排一条对RI和TI的状态的判断指令来区分。 同样,中断响应后内部硬件电路不会自动清除中断标志RI和TI,所以也要在中断处理程序中由软件给以清除。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用196.2.2中断控制寄存器1．中断允许寄存器IE

中断系统通过IE中的中断允许总控位EA和各个中断源本身的中断允许控制位,对中断请求的开放和关闭进行两级控制。IE的字节地址为A8H,可位寻址,IE中写入的是中断控制字。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用20

图中各控制位的功能都是“1允许,0禁止”；单片机复位后,IE被全部清零。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用21 可通过程序置位或复位IE相应的位,实现中断允许或禁止。只有总控位EA和相应中断源的源控位都置1,该中断源的中断请求才会被CPU响应。 如开放外中断1,可以用位操作指令：SETB EA ;开中断,开放中断允许总闸SETB EX1 ;开放外中断1也可用字节操作指令：MOVIE,#10000100B2．中断优先级寄存器IP中断系统通过中断优先级控制寄存器IP,字节地址为2023/7/25MCS-51单片机原理与应用22B8H,可位寻址,图中各控制位对优先级的控制都是“1高级,0低级。 每个中断源的优先级都可以通过指令,对中断优先级控制寄存器IP中的相应位来设定。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用23 例如要将T0、串行口设置为高优先级,其余中断源设置为低优先级,可以用位操作指令：SETB PT0

;PT0=1,设置定时器T0为高优先级SETB PS

;PS=1,设置串行口为高优先级也可用字节操作指令：MOVIP,#00010010BCPU对中断优先级判定原则为： （1）正在执行的低优先级中断服务程序,能被高级中断请求中断,实现中断嵌套；2023/7/25MCS-51单片机原理与应用24 （2）正在执行的高优先级中断服务程序,不能被同级或低级中断请求所中断； （3）对同一优先级并发中断请求,由内部的硬件查询逻辑,按自然优先级确定响应次序。 自然优先级顺序由硬件形成,其排列的顺序是：外中断0→定时器0中断→外中断1→定时器1中断→串行口中断。 复位后,IP被全部清零,所有的中断源为低级中断。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用256.3中断响应1．完整的中断过程 一个完整的中断过程可分为4个阶段:中断请求,中断响应,中断服务及中断返回。 CPU在执行程序过程中,在每一个机器周期的S5P2期间,会对各个中断源进行采样。 找到所有已触发的中断请求,并按照优先级和同级的优先权排好队,在下一机器周期,只要不受阻断,CPU就将响应其中优先级最高的中断请求。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用26 （1）同级或高优先级的中断正在进行中； （2）当前的机器周期还不是正在执行的指令的最后一个机器周期,也就是说,当前正在执行的指令完成前,不会响应中断。 （3）正在执行的指令为RETI以及任何访问IE或IP的指令,也就是说,只有在这些指令后面至少要再执行完一条其它指令后才会响应中断请求。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用27 CPU响应中断的过程如下： （1）将相应的优先级状态触发器置1,以阻断后来的同级和低级的中断请求。 （2）清零中断请求源标志,如TF1、TF0及下降沿触发的外部中断IE1、IE0。 （3）把压入堆栈,产生执行一个硬件子程序调用,把相应的中断服务程序的入口地址送入PC。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用28

中断请求和中断响应过程由中断系统硬件自动完成,但中断服务程序由用户按照实际需要进行编写,用软件进行保护现场和恢复现场。 CPU从中断入口开始执行中断服务程序,直至遇RETI指令为止,这一过程为中断处理过程。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用29 执行RETI指令时,将恢复断点,即恢复,使CPU返回断点处继续执行原主程序； 同时清除在中断响应时所设置的优先级状态位,使其他中断请求能得到响应,这一功能是RET指令没有的。2．中断请求的撤除 在中断返回前,必须撤除中断请求,否则会错误地引起再次中断。 中断请求的撤除有以下几种情况：2023/7/25MCS-51单片机原理与应用30 （1）对于定时器T0或Tl溢出中断与下降沿触发的外中断,CPU在响应中断后,会由硬件自动清除其中断标志位TF0或TF1与IE0或IE1,无须用户采取措施。 （2）对于串行口中断,CPU在响应中断后,由于中断系统硬件不能自动清除中断请求标志位TI与RI,需要用户在中断服务程序中用指令将其清除。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用31

（3）对于电平触发方式的外中断,CPU在响应中断后,却无法对自己的引脚和进行控制;也不能用指令将其中断请求标志位IE0或IE1清除;需要另建外电路并配合相应指令来清除其中断请求。 中断程序设计特色部分是要进行中断初始化编程,也就是对4个与中断有关的

复位后它们全都被清零,按照中断控制要求必须对相关的控制位进行预置。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用32

相邻中断源的入口地址只有8个字节,一般的中断服务程序是不够放的,通常是在入口地址单元放一条转移指令,这样可以把中断服务程序灵活地放在64KB程序存储器的合适地方。 单片机的复位入口是0000H,如果使用中断的话,也要在0000H单元起安排一条转移指令,以跳过这些入口地址单元。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用33 例6.2电路如图6.9所示,Pl.0～P1.3输入4个按钮状态,Pl.4～P1.7输出控制4个发光二极管；R-S触发器用作去抖电路,当开关K来回拔动一次将产生一个下降沿信号,通过向单片机请求中断。每中断一次,4个发光二极管就根据对应的按钮状态刷新一次,如SB1=0,则输出P1.4=0,则D1点亮。试用中断编程。6.4中断编程应用举例2023/7/25MCS-51单片机原理与应用342023/7/25MCS-51单片机原理与应用35ORG0000H AJMP START

ORG 0013H

LJMP IINT1

ORG 0030H START:MOV P1,#0FFH

SETB IT1

SETB EX1

SETB EA

SJMP $

ORG 0050H IINT1: MOV P1,

#0FFH MOV A,P1

SWAP A

MOV P1,A RETI

END START2023/7/25MCS-51单片机原理与应用366.5定时/计数器的结构与原理

MCS-51单片机内有两个16位可编程的定时/计数器（Timer/Counter）,既可用于定时,也可用于对外部脉冲计数,还可作为串行口波特率发生器,还可用来实现频率测量、脉宽测量、信号发生与信号检测等。 用它们来定时将不占用CPU的时间,而且可以通过软件编程来设定其上述功能,所以它们是一种可编程的器件。

2023/7/25MCS-51单片机原理与应用37

1．定时/计数器的结构 定时器的核心是特殊功能寄存器中能进行加1计数的寄存器对,由高8位和低8位两个寄存器组成,T0由TH0（8CH）和TL0（8AH）组成,Tl由TH1（8DH）和TL1（8BH）组成。 每个定时器中的寄存器均可按其地址单独访问。由特殊功能寄存器TMOD（89H）控制定制定时器的启动和停止计数,同时管理定时器的溢出标志等。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用38

CPU与TMOD、TCON以及T0、Tl之间通过内部总线及逻辑电路连接。定时器T0和T1的结构及与CPU的关系如下2023/7/25MCS-51单片机原理与应用392．定时/计数器的工作原理 每个定时器都可编程设置为定时或计数。定时方式时,对内部机器周期脉冲计数,每来一个机器周期脉冲,计数器就加1,直至计数器由全1再加1而变为全0计满溢出为止。可见,计数周期等于机器周期,而一个机器周期由12个振荡周期组成,即机器周期为：

=12×（1/

）=12/若

=12MHz,则

=12/=12/（12×106

）=1μs,这个计数值为1的定时时间就是最短的定时周期。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用40 随着计数值C增加,定时时间t也以机器周期为单位成倍增加,定时时间t等于计数值C乘以机器周期

,即： t=C×Tc 定时器工作前预置在加1计数器中的值称为计数初值C0,又称为时间常数,而定时器中的加1计数器实际所计脉冲个数称为计数值C,两者是以计数器的模M为互补的,即：C

=M-C02023/7/25MCS-51单片机原理与应用41

预置的计数初值C0越小,则计数值C就越大,获得的定时时间t也越大。综合上面3个式子,可得定时时间为：t=（M-C0）×

Tc

=（M-C0）×12

/ 计数方式时,计数器对T0或T1引脚上输入的外部脉冲信号计数,每输入一个脉冲下降沿,加法计数器加1。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用42 当设置了工作方式并启动定时器/计数器工作后,对内部时钟或对外部事件计数,将按照被设定的工作方式独立工作,不再占用CPU的时间,只有在计数器溢出时,才可能中断CPU当前的操作。 定时器的初始化编程是将控制字写入工作模式寄存器TMOD和控制寄存器TCON中,以设定其工作模式和相关参数后才能使其合适的工作。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用436.6定时/计数器的工作模式6.6.1工作模式寄存器和控制寄存器1．工作模式寄存器TMOD

TMOD为8位寄存器,通过用户编程写入模式控制字,来控制其工作模式。GATE为门控位,和其它条件控制定时器的运行和停止。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用44为定时方式和计数方式选择位,当=0时,设置为定时器工作方式,当=1时,设置为计数器工作方式。

M1、M0为工作模式控制位,其二进制的4个组合可以确定定时器的4种工作模式。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用45

TMOD字节地址为89H,不可位寻址,只能用字节指令设置定时器的工作方式。CPU复位后TMOD各位均清0。

2．控制寄存器TCON

TCON的低4位用于两个外中断,

定时器控制中则用其高4位,分别用于T1和T0的运行控制。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用46

TF1:Tl溢出标志位。T1计数溢出时,由内部硬件自动置TF1=1。当CPU响应中断后,由内部硬件自动使TF1=0。 T1工作时,CPU可随时查询TF1的状态,所以,采用查询方式时,TF1可用作查询测试位。TF1也可用软件置1或清0,同硬件置1或清0效果一样。

TR1:T1运行控制位。靠软件置位或清0,

TR1=0:立即停止T1工作；TR1=1:在其它条件配合下,可使T1运行。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用476.6.2定时/计数器的工作模式

定时/计数器可由TMOD的M1、M0设定四种工作模式。对于模式0～模式2,T0和T1的功能是相同的,仍将以T1为例来说明。

1．模式0

M1M0=00,为模式0--13位计数器,由TL1的低5

位和TH1的8位组成。13位计数器的最大计数值即为它的模M=213=8192。

2023/7/25MCS-51单片机原理与应用48

定时器模式0的结构原理如图。当=0时,工作于定时器方式,以振荡源的12分频信号作为计数脉冲； 当GATE=0时,经反相后使或门输出为1,这时只要TR1=1,就能使与门输出为1,控制开关闭合,启动T1计数。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用49 当=1时,工作于计数器方式,对T1端输入的外部脉冲计数。图中的组合逻辑电路控制计数器启动: 当GATE=l时,经反相后输出为0,则由控制或门的输出,只有=1且TR1=1才能使与门输出为1,控制开关闭合,启动T1计数。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用50

TH1溢出使中断溢出标志TF1置1,表示定时时间或计数次数到。当CPU响应中断后,将转向以001BH为入口的中断服务程序,硬件将自动使TF1=0。 还可看出,当TR1=1时,将由控制T1的启停, =1时启动计数,=0停止计数,使用此方式常用来测量引脚上的正脉冲的宽度。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用51

13位计数器的模为213,则模式0的定时时间为：t=（M-C0）×12

/

=（213

-C0）×12

/模式0,是为了与具有13位定时器的MCS-48兼容。 2．模式1 M1M0=01,为模式1,

TL1和TH1组成16位计数器。模式1与模式0的差别仅在于计数器的位数不同,工作过程完全类似。

16位计数器的模为M

=

216

=65536。 定时时间为：t=（216

-

C0）×12

/2023/7/25MCS-51单片机原理与应用52

3．模式2

M1M0=10,为模式2,TH1和TL1成为两个互相独立的8位计数器。TH1用于存放计数的初值,要在初始化编程中预置,且在计数过程中保持不变。

TL1成为一个可以自动重装载初值的8位计数器，TL1计数溢出时,置位溢出标志TF1,并向CPU发中断请求,而且还自动把TH1中的初值重新装载到TL1中.2023/7/25MCS-51单片机原理与应用53

TL1从初值开始重新作加1计数,如此重复工作,直至TR1=0才会停止。定时器工作于模式2时，用户程序中不必用指令来重装计数初值,所以适用于较精确的定时场合。8位计数器的模为M

=28,模式2的定时时间为：t=（

28

-C0）×12

/2023/7/25MCS-51单片机原理与应用54

4．模式3 M1M0=11,为模式3,对T0和T1是不相同的。 T0工作于模式3时,TH0和TL0将成为两个互相独立的8位计数器,这时,TL0利用了本身的全部控制位,有、TR0、GATE、和TF0,其工作过程与模式0类同,只是作为一个8位计数器而有所不同。

而TH0固定为定时器方式,对机器周期进行计数,运行控制位和溢出标志位只好借用T1的控制位TR1和TF1,即定时器的启停受TR1控制,而计数溢出将使TF12023/7/25MCS-51单片机原理与应用55置1。模式3的定时时间为：t=（

28

-

C0）×12/

T1工作于模式3时,相当于TR1=0,停止定时器工作,并保持它原有的计数值。若T0工作于模式3时,实际上T1只能工作在能自动恢复初值的模式2,作为一个不需中断和其它操作的串行口波特率发生器。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用566.7定时/计数器编程应用举例 定时/计数器为可编程器件,工作前要进行初始化编程:（1）按T0和Tl的工作方式,将模式控制字写入TMOD。（2）根据定时时间t或计数个数C,计算计数初值C0,并将其写入TH0、TL0或TH1、TL1。 计数初值C0可按公式推得：计数方式：

C0=M-C=2k-C定时方式：

C0=M-C=M-t/Tc=2k-t*/12式中k为计数器的位数。2023/7/25MCS-51单片机原理与应用57（3）对于中断方式,将中断控制字写入IE,使EA=1且ET0=1或ET1=1。（4）使SCON中TR0或TR1置1,启动定时或计数。例6.3若系统晶振频率为12MHz,要求定时时间为5ms,试解答：（1）计算T0在模式0和模式1下的TH0和TL0的计数初值。（2）计算T0在模式0和模式1下最小定时时间和最大定时时间。解:（1）计数初值已知：晶振频率=12MHz,定时时间t=5ms=5000μs,则2023/7/25MCS-51单片机原理与应用58机器周期为：Tc=12/

=12/（12×106）=1μs,计数值为：C=t/Tc

=5000μs/1μs

=5000

=1388H,而各模式下的计数器的十六进制模是已知的。计数初值可按C0=M-C求得：①模式0时,C0=2000H-1388H=C78H=0110001111000B（不到13位,高位补0）,将高8位写入TH0,而低5位写入TL0,TL0的高3位补0,则有：TH0=63H，TL0=18H②模式1时,C0=10000H-1388H=EC78H，则有：TH0=E7H，TL0=78H（2）最小定时时间tmin和最大定时时间tmax最小定时时间对应最小计数值C=1,对定时器的各种模式来说2023/7/25MCS-51单片机原理与应用59都是一样,即：tmin

=C×Tc

=1×1μs=1μs最大定时时间对应定时器的最大计数值C=M，即：①模式0时,tmax

=8192×1μs=8192μs=8.192ms②

模式1时,tmax

=65536×1μs=65536μs=65.536ms

例6.4试将2.1.2节单灯闪烁程序中0.1秒延时子程序DELAY改用定时器0,模式0来实现。解:由上题知道,模式0的最大定时时间只有8.192ms,可选择T0定时时间为5ms,再用软件查询计数20次,即得到100ms延时。本题算法同原程序,但将以查询方式编程。（1）TMOD模式控制字T1未用可写全0,所以,可确定模式控制字为00H。（2）计数初值2023/7/25MCS-51单片机原理与应用60根据上题计算可得：TH0=63H,TL0=18H。汇编源程序如下：

ORG 0000H AJMP START ORG 0030HSTART:MOVTMOD,#00H

MOVTH0,#63H MOVTL0,#18H

SETB TR0

CLR P1.0 2023/7/25MCS-51单片机原理与应用61REDO:MOVR2,#14H;对5ms定时,循环计数20次WT1: JBC TF0,WT2 ;查询T1计数溢出

SJMP WT1 ;5ms未到,CPU一直在查询等待WT2: MOVTH0,#63H;重装计数初值

MOVTL0,#18H DJNZ R2,WT1 ;100ms未到继续

CPL P1.0 ;P1.0取反,使灯的状态改变

LJMP REDO;返回到标号REDO处重新开始

END START2023/7/25MCS-51单片机原理与应用62例6.5

试用中断方式编程,重做上题。软件计数改用T1工作于模式2对T0时间到计数。解:本题算法同原程序,但将以中断方式编程。T0定时时间到时,由软件复位T1引脚,产生负跳变,触发T1计数,20次到后重新开始。（1）TMOD模式控制字确定模式控制字为60H。（2）计数初值对T0,TH0=63H，TL0=18H;对T1,C0=100H–14H=ECH,所以,TH1=ECH,TL1=ECH。汇编源程序tlsd10_4.asm如下：

ORG 0000H AJMP START ORG 000BH ;T0的中断入口地址

LJMP IIT0 ;转向T0中断服务程序

ORG 001BH ;T1的中断入口地址

LJMP IIT1 ;转向T1中断服务程序2023/7/25MCS-51单片机原理与应用63

ORG 003