51单片机学习-第3章简易秒表的设计

1情境三简易秒表子情境一中断系统子情境二定时/计数器子情境三基于单片机控制的秒表2子情境一中断系统一、任务目标通过学习使读者了解中断的基本概念，中断的执行过程，中断的控制方法和具有中断的单片机控制程序编写。二、任务分析当CPU正在处理某项事务的时候，如果系统出现了某些急需处理的异常情况或特殊的请求，这时要求CPU暂停正在处理的工作，而转去处理这个随机发生的紧急或特殊事件，待该事件处理完后，自动回到原来被中断的地方，继续执行被中断的程序，这个过程称做中断。351系列单片机中断系统，是众多8位单片机中功能较强的一种，可以提供5个中断源，分别是外部中断0、外部中断1、定时/计数器T0、定时/计数器T1和串行口中断。中断处理过程由以下几个阶段完成。（1）中断请求当中断源发出中断请求时，将相应的中断请求标志位置“1”。子情境一中断系统4（2）中断允许控制51系列单片机有专门的中断允许寄存器IE对中断源的开放或屏蔽进行两级控制。当IE的控制位EA=“0”时，屏蔽所有的中断申请；当EA=“1”时，CPU开放允许控制的第一级，但5个中断源是否响应中断请求，还要看IE中与这5个中断源直接对应的中断允许控制位的状态，当对应位的状态为“1”时，则允许响应相应的中断请求，否则不响应中断请求。子情境一中断系统5（3）中断查询CPU查询TCON和SCON中的各个中断标志位的状态，确定有哪个中断源发生请求，查询时根据中断优先级控制寄存器IP的状态，按优先级顺序进行，如果查询某个中断源所对应的中断标志位为“1”，表明有中断请求发生，在中断允许的情况下，紧接着从下一机器周期开始进行中断响应。子情境一中断系统6（4）中断响应1）中断响应条件51系列单片机CPU响应中断的条件有以下3个。①有中断源发出中断请求。②中断总允许控制位EA=“1”，即CPU允许所有中断源申请中断。③申请中断的中断源其中断允许控制位为“1”，即该中断源可以向CPU申请中断。当以上3个条件都满足时，中断请求才可能被CPU响应。子情境一中断系统72）中断响应过程当中断源发出中断请求后，满足中断响应条件，且不存在受阻情况时，CPU将立即响应该中断请求，如有多个中断源同时提出中断请求时，将按中断源的优先级别做出响应，先响应高优先级的中断源，后响应低优先级的中断源。在响应中断请求后，先将断点地址压入堆栈保存，以备中断结束后返回原程序；接着将相应中断处理程序的入口地址送入程序计数器PC，使程序转向该中断入口地址，并执行中断服务程序。子情境一中断系统8（5）中断处理中断处理分保护现场、中断服务、恢复现场和中断返回4个步骤。保护现场是指中断响应后，在中断服务程序的开头采用PUSH指令将服务程序中要使用的累加器、通用寄存器中的数据压入堆栈。在现场保护时应关闭中断，预防正在保护数据时又响应中断级别更高（中断嵌套）的中断请求，而丢失数据；然后紧接着根据中断事件的要求编写中断服务程序；在中断服务结束后，立即关闭中断，然后通过POP指令恢复现场；最后用中断返回指令RETI，硬件自动将存放在堆栈中的断点地址弹出至PC，使CPU继续执行原来的程序。子情境一中断系统9三、相关知识下面对中断控制中用到的4个专用寄存器的相关知识进行讲解。51系列单片机为用户提供了4个专用寄存器：定时/计数器控制寄存器TCON、串行口控制寄存器SCON、中断允许控制寄存器（IE）、中断优先级控制寄存器IP，来控制单片机的中断系统。子情境一中断系统101．定时/计数器控制寄存器该寄存器用于锁存外部中断请求标志以及定时/计数器的溢出中断请求标志等。进行字节操作时，寄存器地址为88H；按位操作时，各位的地址为88H～8FH。寄存器各位的含义及位地址如表4-2所示。位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H位符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0子情境一中断系统表4-2定时/计数器控制寄存器其中与中断有关的控制位共4位。（1）IT0和IT1——外部中断T0和T1的中断请求触发方式控制位IT0（IT1）=1：脉冲触发方式，下降沿有效（下降沿时产生中断请求）。IT0（IT1）=0：电平触发方式，低电平有效（低电平时产生中断请求）。（2）IE0和IE1——外中断请求标志位当CPU采样到（或）端出现有效中断请求信号时，IE0（IE1）位由硬件置1，当中断响应完成转向中断服务程序时，由硬件把IE0（或IE1）清0。高4位的功能在本章第二节中讲解。子情境一中断系统122．串行口控制寄存器进行字节操作时，寄存器地址为98H；按位操作时，各位的地址为98H～9FH。寄存器的各位含义及位地址如表4-3所示。位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H位符号SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI表4-3串行口控制寄存器子情境一中断系统13其中与中断有关的控制位共两位。（1）TI——串行口发送中断请求标志位当发送完一帧串行数据后，由硬件置1；在转向中断服务程序后，用软件清0。（2）RI——串行口接收中断请求标志位当接收完一帧串行数据后，由硬件置1；在转向中断服务程序后，用软件清0。串行中断请求由TI和RI的逻辑或得到，即无论是发送标志还是接收标志，都会产生串行中断请求。子情境一中断系统143．中断允许控制寄存器进行字节操作时，寄存器地址为0A8H；按位操作时，各位的地址为0A8H～0AFH。寄存器的各位含义及位地址如表4-4所示。表4-4中断允许控制寄存器位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H位符号EA//ESET1EX1ET0EX0子情境一中断系统15其中与中断有关的控制位共6位。（1）EA——中断允许总控制位EA=0：中断总禁止，禁止所有中断。EA=1：中断总允许,总允许后中断的禁止或允许由各中断源中断允许控制位进行设置。（2）EX0和EX1——外部中断0和外部中断1的中断允许控制位。EX0（EX1）=0：禁止外部中断。EX0（EX1）=0：允许外部中断。子情境一中断系统16（3）ET0和ET1——定时/计数器中断允许控制位ET0（ET1）=“0”：禁止定时/计数器中断。ET0（ET1）=“1”：允许定时/计数器中断。（4）ES——串行中断允许控制位ES=“0”：禁止串行中断。ES=“1”：允许串行中断。子情境一中断系统174．中断优先级控制寄存器51系列单片机的中断优先级控制比较简单，因为系统只定义了高、低两个优先级。高优先级用“1”表示，低优先级用“0”表示。各中断源的优先级由中断优先级寄存器进行设定。IP寄存器地址为0B8H，位地址为0BFH～0B8H。该寄存器的位含义及位地址如表4-5所示。位地址BFHBEHBDHBCHBBHBAHB9HB8H位符号///PSPT1PX1FT0PX0表4-5中断优先级控制寄存器子情境一中断系统18（1）PX0——外部中断0的中断优先级设定位；（2）PT0——定时/计数器0的中断优先级设定位；（3）PX1——外部中断1的中断优先级设定位；（4）PT1——定时/计数器1的中断优先级设定位；（5）PS——串行口中断优先级设定位。以上各位设置为0时，则相应的中断源为低优先级；设置为1时，则相应的中断源为高优先级。子情境一中断系统19优先级的控制原则是：当两个不同优先级的中断源同时提出中断请求，低优先级中断请求不能打断高优先级的中断服务；但高优先级中断请求可以打断低优先级的中断服务，从而实现中断嵌套，51系列单片机最多只有两级中断嵌套。如果同级的多个中断同时出现，则按CPU查询次序确定哪个中断请求被响应。其查询次序为外部中断0→定时/计数器0溢出中断→外部中断1→定时/计数器1中断→串行中断。子情境一中断系统201．简述中断处理过程。2．简述中断编程结构。3．单片机如何确定5个中断源的中断优先级别？分别写出中断优先级控制寄存器IP=05H和IP=00H时5个中断源的中断优先级顺序。4．用伟福6000软件或KeiluVision2软件输入本节任务二的源程序并编译调试。5．用Proteus软件绘制出本节任务二仿真电路图并仿真运行。6．根据本节任务二的电路原理图连接成电路板，用编程器将仿真通过的程序烧录到单片机中，脱机运行并观察电路运行情况。子情境一中断系统思考与练习21一、任务目标本任务让读者掌握定时/计数器的工作原理，掌握定时/计数器的工作方式及定时/计数初值的计算，熟悉定时/计数器的编程结构，了解定时/计数器的应用领域。二、任务分析51系列单片机有两个16位可编程的定时/计数器，分别称为定时/计数器T0和T1。其实就是由两个独立的8位专用寄存器TH0，TL0和TH1，TL1组成16位加法计数器。它们各自都兼有定时和计数的功能。分别由工作方式寄存器TMOD和控制寄存器TCON对定时/计数器的工作方式、启停及溢出中断请求进行控制。子情境二定时/计数器221．定时/计数器工作在定时方式时当定时/计数器工作方式寄存器TMOD中的功能选择位为“0”时，定时/计数器工作于定时方式。此时定时器T0或T1对机器周期进行计数，当启动控制位TR0和TR1为1时，定时器就从某一初始值开始计数，每一机器周期定时器加1，当计数值达到最大值时计数溢出，将定时器的溢出标志位TF0或TF1置1，并提出一次中断请求，如允许定时器中断的话，将产生一次定时器中断，进行定时器溢出中断服务处理；如采用查询方式进行定时器溢出处理的话，则程序查询到TF0或TF1位为1时，就进行相应的定时器溢出处理操作。子情境二定时/计数器232．定时/计数器工作在计数方式时当定时/计数器工作方式寄存器TMOD中的功能选择位为“1”时，定时/计数器工作于计数方式。此时计数器T0或T1对外部计数脉冲（外部引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）输入的计数脉冲信号）进行计数，每来一个外部输入脉冲信号计数器加1。在计数工作方式时，单片机每个机器周期对外部引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）电平进行一次采样，当在某一机器周期采样到高电平，跟接着在下一机器周期采样到低电平时，则在再下一机器周期计数器加1；所以计数工作方式时是对外部输入的负脉冲进行计数，计数器每次加1需用两个机器周期，则计数脉冲信号的最高频率为机器周期频率的二分之一。子情境二定时/计数器24当启功控制位TR0和TR1位为1时，计数器从某一初始值开始计数，每来一个外部计数脉冲计数器加1，当计数值达到最大值时，计数器溢出，将计数器的溢出标志位TF0或TF1置“1”，并提出一次中断请求，如允许计数器中断的话，将产生一次中断请求，进行计数器溢出中断服务处理；如果采用查询方式进行计数器溢出处理的话，则程序查询到TF0或TF1位为“1”时，就进行相应的计数器溢出处理操作。子情境二定时/计数器25三、相关知识下面讲解对定时/计数器进行控制的两个特殊功能寄存器及工作方式。1．定时/计数器控制寄存器（1）定时/计数器工作方式寄存器（TMOD）TMOD的作用是对T0和T1的功能、工作方式及启动方式进行控制，地址为89H，其各位的含义如表4-6所示，高4位对T1进行控制，低4位对T0进行控制，高4位与低4位的作用相同。子情境二定时/计数器26表4-6定时/计数器工作方式寄存器1）GATE——门控位GATE=“0”：定时/计数器仅受TR（TCON中的TR0或TR1）控制，当TR为“1”时，定时器开始工作，此时称软启动方式。子情境二定时/计数器27GATE=“1”：只有（外部引脚（P3.2）和（P3.3）)为高电平，且TR为“1”时，定时/计数器才工作，如两个信号中任意一个为低电平，则定时器不工作，此时称为硬启动。2）C/T——功能选择位C/T=“0”：定时功能。C/T=“1”：计数功能。子情境二定时/计数器283）M0M1——工作方式选择位M0和M1组合可以定义4种工作方式，如表4-7所示。M