中断的基本概念及应用

中断系统是计算机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、计算机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统的应用大大提高了计算机效率。

1.中断的概念及功能

生活中，我们常常会碰到这样的情况，一个事件在进行过程中被打断，需先行处理另一个事件。例如，在看书时，手机铃响了，我们应放下书接听，完成谈话，挂断后才能继续看书。“看书”过程被“接听手机”这一事件“中断”。单片机系统在运行过程中也有这种现象，即正常的工作过程被外部设备或事件中断。

计算机在执行程序的过程中，由CPU以外的服务对象向CPU发出中断请求信号，要求CPU暂时中断当前程序的执行，转去执行相应的处理程序，待处理程序执行完毕后，再继续执行原来被中断的程序。这种程序在执行过程中被打断的情况称为中断。中断处理过程如图3.1所示。

图3.1　中断处理过程

中断之后所执行的处理程序称为中断服务程序或中断处理子程序。原来正常运行的程序称为主程序。主程序被断开的位置（或地址）称为断点。引起中断的原因，中断申请的来源称为中断源。中断源要求服务的请求称为中断请求（或中断申请）。

调用中断服务程序的过程类似于调用子程序，其区别在于，调用子程序在程序中是事先安排好的，而何时调用中断服务程序事先却无法确定。因为中断的发生取决于申请中断的外部事件，无法事先在程序中安排指令，中断服务程序的处理过程是由硬件自动完成的。

由于单片机是单任务系统，在某一时刻只能执行一个任务，而中断系统使得单片机能够应付多个事件的发生。中断系统具有以下功能：

（1）分时操作。中断可以解决CPU与外设之间速度不一致的矛盾，使快速CPU和慢速外设同时工作。CPU在启动外设工作后，继续执行主程序，当外设完成某一任务时，发出中断申请，CPU中断主程序，转而执行外设相应的中断服务程序，中断处理完之后，CPU恢复执行主程序。这样，CPU无须一直监视外设的工作状态，可以与多个外设并行工作，从而大大提高CPU的工作效率。

（2）实时处理。在实时控制中，现场的各种数据和信息处于随时变化的状态。当这些外部条件产生变化时，可根据要求随时发出中断申请，请求CPU及时处理，避免了长时间等待，从而实现实时处理。

（3）故障处理。针对难以预料的情况或故障，如掉电、存储出错、运算溢出等，可通过中断系统由故障源向CPU发出中断请求，再由CPU转到相应的故障处理程序进行处理。

2.单片机中断系统及管理

MCS-51单片机的中断系统，共有5个中断源，2个中断优先级，4个相关特殊功能寄存器，其内部结构如图3.2所示。

图3.2　MCS-51单片机中断系统内部结构

1）中断源

MCS-51有5个中断源，2个外部中断（INT0、INT1），2个定时器溢出中断（T0溢出、T1溢出）和1个串行口中断，各中断源对应的中断服务程序入口地址及中断信号产生的条件见表3.2。

表3.2　中断入口地址及中断信号产生

2）中断控制寄存器

与中断控制相关的特殊功能寄存器包括TCON、SCON、IE及IP。

（1）TCON（Timer Control）定时器/计数器控制寄存器。TCON用于锁存外部中断请求标志以及定时器/计数器控制，其位格式定义见表3.3。

表3.3　TCON位格式定义

TF1：定时器T1溢出中断标志位。当定时器T1计满溢出（定时器T1从全1变为全0）时，硬件使T1置1，向CPU发出中断请求，表明定时时间到，申请进行中断处理。CPU响应中断后，由硬件（或软件）对TF1清0。

TR1：定时器T1运行控制位，由软件置位或清0。TR1置1时，定时器T1启动；TR1清0时，定时器T0停止。

TF0：定时器T0溢出中断标志位，功能与TF1类似。

TR0：定时器T0运行控制位，功能与TR1类似。

IE1：外部中断1请求标志位。当引脚上中断请求信号有效时，则IE1由硬件置1，向CPU申请中断。

IT1：外部中断1触发方式控制位。当IT1=0时，为电平触发方式，CPU每个机器周期对P3.3脚的输入电平进行采样，若采样为低电平，则IE1置1，发出中断请求；若采样为高电平，则认为无中断请求，IE1清0。在此工作方式下，中断响应后，无论硬件还是软件均不能自动对IE1清0，故中断返回前必须撤销P3.3脚上的低电平，否则会再次响应中断，造成错误处理。当IT1=1时，为边沿触发方式，CPU对P3.3脚信号采样为下降沿信号时，认为中断请求信号有效，则IE1置1，发出中断请求。在边沿触发工作方式下，当外部中断1的请求被CPU响应后，IE1将由硬件自动清0，无须软件清0。

IE0：外部中断0请求标志位，功能与IE1类似。

IT0：外部中断0触发方式控制位，功能与IT1类似。

（2）SCON（Serial Control）串行口控制寄存器。SCON位格式定义见表3.4。

表3.4　SCON位格式定义

TI：串行口发送中断标志位。当串行口发送完一个字符后，由硬件对TI置1，产生中断请求。当CPU响应中断后，必须由软件对TI清0。

RI：串行口接收中断标志位。当串行口接收完一个字符后，由硬件对RI置1。RI同样是由软件清0。

（3）IE（Interrupt Enable）中断允许控制寄存器。计算机中断系统有两种不同类型的中断：一类称为非屏蔽中断，另一类称为可屏蔽中断。对非屏蔽中断，用户不能通过软件加以禁止，一旦有中断申请，CPU必须予以响应。对可屏蔽中断，用户则可以通过软件来控制是否允许某个中断源的中断。允许中断称中断开放，不允许中断称中断屏蔽。

MCS-51系列单片机的5个中断源都是可屏蔽中断，各中断源的开放与禁止由中断允许控制寄存器IE控制。

IE寄存器位格式定义见表3.5。

表3.5　IE寄存器位格式定义

EA：CPU中断允许控制位。EA相当于控制所有中断源开放与屏蔽的总开关，当EA=1时，开放所有中断，各中断源的允许与禁止可通过相应的中断允许位单独加以控制；当EA=0时，禁止所有中断。

ES：串行口中断允许位。当ES=1时，允许串行口中断；当ES=0时，禁止串行口中断。

ET1：定时器T1中断允许位。当ET1=1时，允许T1中断；当ET1=0时，禁止T1中断。

EX1：外部中断1中断允许位。当EX1=1时，允许外部中断1中断；当EX1=0时，禁止外部中断1中断。

ET0：定时器T0中断允许位。当ET0=1时，允许T0中断；当ET0=0时，禁止T0中断。

EX0：外部中断0中断允许位。当EX0=1时，允许外部中断0中断；当EX0=0时，禁止外部中断0中断。

8051单片机系统复位后，IE中各中断允许位均被清0，即禁止所有中断。因此，在使用中断前必须用指令设定EA和相应中断源允许位为1，中断源才能开放。

例如，只允许定时器T1中断，则开放中断的指令为

SETB EA ；EA置1

SETB ET1 ；ET1置1

或用一条字节指令：

MOV IE，#88H ；EA置1，ET1置1

（4）IP（Interrupt Priority）中断优先级控制寄存器。MCS-51单片机有高、低两个中断优先级。由于CPU同一时间只能响应一个中断请求，因此，当两个或者两个以上中断源同时发出中断申请时，需要根据中断源的优先级别，按高级优先的原则顺序响应。中断优先级控制寄存器IP用于设置各中断源优先级，IP的各位均可由软件置1或清0，1表示高优先级，0表示低优先级。IP位格式定义见表3.6。

表3.6　IP位格式定义

ES：串行口中断优先级控制位。(www.xing528.com)

ET1：定时器T1中断优先级控制位。

EX1：外部中断1中断优先级控制位。

ET0：定时器T0中断优先级控制位。

EX0：外部中断0中断优先级控制位。

系统复位后，IP低5位全部0，所有中断源均设定为低优先级中断。可通过指令设定中断源为高优先级或低优先级中断。

3）中断优先级控制

MCS-51的中断系统只有两个优先级，如果几个同一优先级的中断源同时向CPU申请中断，则CPU通过内部硬件查询逻辑，按自然优先级顺序确定先响应哪个中断请求。自然优先级由硬件形成，顺序见表3.7。

表3.7　MCS-51中断源自然优先级顺序

中断优先响应有以下三条原则：

（1）高优先级的中断请求可以打断正在执行的低优先级中断。

（2）同级或低优先级的中断请求不能打断正在执行的中断。

（3）两个以上同级中断源同时向CPU申请中断时，CPU按自然优先级顺序确定先响应哪一个中断。

在实际应用中，将IP寄存器和自然优先级结合使用，就可以自由控制各中断源的响应顺序。

4）中断嵌套

当CPU正在执行某个中断服务程序时，若有更高优先级的中断源发出中断请求，则CPU会中断当前中断服务程序，并保留程序断点，转而响应高级中断，待高级中断处理结束以后，再返回被中断的中断服务程序，如图3.3所示，这个过程称为中断嵌套。

由图3.3可知，子程序嵌套和中断嵌套有类似之处，但是，子程序嵌套是在程序中事先安排好的，而中断嵌套却是随机发生的。

3.中断处理过程

单片机中断处理过程可分为中断响应、中断响应过程和中断返回三个阶段。中断处理过程如图3.4所示。

1）中断响应

CPU响应中断必须满足以下条件：

图3.3　中断嵌套示意图

图3.4　中断处理过程

（1）有中断源向CPU发出中断申请，且CPU中断控制和申请中断的中断源控制均处于开放状态。

（2）无同级或更高级的中断正在服务。

（3）CPU已执行完当前指令。

（4）CPU正在执行的不是RETI中断返回指令或访问IE和IP的指令。

2）中断响应过程

中断响应过程包括断点保护和中断服务程序的入口地址跳转。首先，中断系统通过硬件自动生成长调用指令（LCALL），将断点地址压入堆栈保护，然后将对应的中断入口地址装入程序计数器PC（由硬件自动执行），跳转到该中断入口地址，执行相应的中断服务程序。需要注意的是，单片机响应中断后只保护断点而不保护现场信息（累加器A、状态寄存器PSW和其他寄存器数据），也不能清除串行口中断标志TI和RI，因此，在中断服务程序编写的过程中，需要增加相关指令予以处理。

各中断源的中断入口地址之间只相隔8个字节，无法容纳一般的中断服务程序，因此，在中断入口地址单元通常存放一条无条件转移指令，将中断服务程序转至用户指定的其他空间。

例如：采用外部中断0中断，其中断入口地址为0003H，中断服务程序名为INT0，指令形式为

ORG 0003H ；外部中断0入口

AJMFP TEST ；转向中断服务程序

……

TEST： ；外部中断0中断服务程序

……

RETI ；中断返回

中断服务程序从中断入口地址开始执行，到返回指令RETI为止，一般包括保护现场和完成中断源请求的服务两部分内容。保护现场，即将累加器A、状态寄存器PSW或其他一些主程序和中断服务程序都会用到的寄存器数据，压入堆栈予以保护，防止因使用冲突造成数据丢失，导致程序混乱。执行完中断处理程序后，在中断返回前再弹出堆栈，恢复现场。

中断服务程序编写还需注意以下几点：

（1）若要在执行当前中断程序时禁止其他更高优先级中断，需先用软件关闭CPU中断，或用软件禁止相应高优先级的中断，在中断返回前再开放中断。

（2）在保护和恢复现场时，为不使现场数据遭到破坏或造成混乱，一般在此时CPU不再响应新的中断请求。因此，要注意在保护现场前关中断，在保护现场后若允许高优先级中断，则应开中断。同样，在恢复现场前也应先关中断，恢复之后再开中断。

（3）中断服务程序中用到的寄存器需要保护，中断服务程序不与主程序共用累加器和任何寄存器，无须保护现场。

3）中断返回

中断返回是指中断服务完后，计算机返回原来断点的位置，继续执行原来的程序。中断返回由中断返回指令RETI来实现。该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，并通知中断系统已完成中断处理，并同时清除优先级状态触发器。

中断源发出中断请求后，相应的中断请求标志位被置1。CPU响应中断请求后，在中断返回前，应删除该中断请求标志，否则会再次响应该中断，进入死循环。MCS-51各中断源中断请求标志方法如下：

（1）对于定时器/计数器T0、T1溢出中断，CPU响应中断后立即由硬件自动清除其中断标志位TF0或TF1，无须采取其他措施。

（2）对于外部中断0、外部中断1，若采用边沿触发方式，CPU 响应中断后由硬件自动清除其中断标志位IE0或IE1。

（3）对于外部中断0、外部中断1，若采用电平方式，CPU在响应中断后，硬件不会自动清除其中断请求标志位IE0或IE1，同时，也不能用软件将其清除，所以，在CPU响应中断后，应立即撤除INT0或INT1引脚上的低电平。否则会引起重复中断。一般通过硬件和软件相结合才能撤除，如图3.5所示。外部中断请求信号加在D触发器的CLK端。把D端接地，当外部中断请求的正脉冲信号出现在CLK端时，Q端输出0，INT0或INT1为低，外部中断向单片机发出中断请求。利用P1口的P1.0作为应答线，当CPU响应中断后，可在中断服务程序中采用两条指令来撤销外部中断请求。

ANL P1，#0FEH ；P1.0为低电平

ORL P1，#01H ；P1.0为高电平

（4）对于串行口中断，CPU在响应中断后，硬件不能自动清除中断请求标志位TI、RI，必须在串行口中断服务程序中用软件将其清除。

图3.5　撤销外部中断请求电路