8051系列单片机中断处理过程概述

简单地说，中断就是CPU暂时停止正在做的工作，转而去做其他更重要的事情，当该事情处理完毕后，再返回原来的位置继续做被中止的工作。我们在介绍独立键盘和矩阵键盘时，使用了中断法来监控按键，只有当按键被按下时才会触发中断，CPU停止当前运行的程序，开始检测是哪一个按键被按下，这样可以大大地减轻CPU的查询负担。

7.1.1 中断源

中断是需要被某些因素触发的，中断的触发（请求）源称为中断源，它是引起CPU中断当前任务进程的根源。8051系列单片机的中断源可以分为外部中断源和内部中断源两大类。

（1）外部中断源：这一类中断源的触发条件来自单片机的外部，因而称其为外部中断源。

外部中断0（INT0）：来自P3.2引脚，当其采集到低电平或者下降沿时，即可产生中断请求。

外部中断1（INT1）：来自P3.3引脚，当其采集到低电平或者下降沿时，同样可以产生中断请求。

（2）内部中断源：这一类触发源来自单片机片内，称其为内部中断源。

定时/计数器0（T0）：当定时/计数器0发生计数溢出时，即可产生中断请求。

定时/计数器1（T1）：当定时/计数器1发生计数溢出时，即可产生中断请求。

串行口（UART）：当单片机的串行口成功地完成接收或发送一组数据时，即可产生中断请求。

7.1.2 中断的处理过程

8051系列单片机对中断的处理可以概括为中断请求、中断响应和中断返回三个过程。当中断发生时，中断源向CPU提出处理请求，这一过程称为中断请求或中断申请；CPU接收到中断源的中断请求后，开始对事件进行处理，处理事件的过程称为中断响应；当CPU处理完事件后，会返回到主程序停止处，继续开始执行源程序，这一过程称为中断返回。8051系列单片机对中断的处理流程如图7-2所示。

图7-2 单片机中断过程

8051系列单片机对中断的控制是通过一系列的标志位和控制位来实现的。当一个有效的中断产生时，相应的中断标志位被单片机硬件置位（标志位由“0”变为“1”），并向CPU申请中断响应。CPU检测到中断标志位被置位后，如果该中断得到允许（中断总控制位和分控制位均为“1”），随即转向执行与该中断类型相对应的中断服务程序。中断的标志位在CPU执行了中断服务程序后，硬件会将标志位清零，但对于串行口接收和发送两个中断来说，标志位RI和TI只能由软件清零。当CPU执行完中断服务程序后，会自动回到程序原来的位置，继续执行主程序。

7.1.3 中断的优先级

8051系列单片机有五个中断源，它们都可以向CPU申请中断，那么CPU是如何分辨这五种不同类型的中断的呢？8051系列单片机给这五种中断源都分别指定了相应的中断向量号，并为每个中断向量规定了专用的中断入口地址，就像给每一个人分配好专用的座位号一样。一旦某一个中断发生，它会自动地转向某一个固定的位置，CPU根据位置不同，即可分辨出产生了哪一个类型的中断，并且应该执行哪一个中断服务程序，中断源与中断向量号的对应关系见表7-1。

表7-1 8051单片机的中断向量

1.中断的查询顺序

在明确了向量号之后，一个极端的情况是：当这五个中断源同时发生事件，同时向CPU申请中断时，CPU该怎样处理呢？8051系列单片机规定：如果同级的多个中断同时出现，则按CPU的查询顺序确定哪个中断请求被响应。CPU对中断源的查询次序为：

外部中断0→定时/计数器0→外部中断1→定时/计数器1→串行口

这个查询顺序是由单片机的硬件结构决定的，是CPU对中断的查询顺序，与后面提到的优先级无关，一旦这五个中断在默认设置（不指定优先级）的情况下同时发生，CPU只响应查询顺序在前的中断，而其他中断将被忽略。

2.中断的优先级

单纯依靠查询的办法处理中断有时会将排在其次位置的中断忽略掉，这在一些关键的应用中显得不十分可靠，为此8051系列单片机还引入了中断优先级的概念，可以分别为这五个中断源指定两个不同的优先级，当多个中断同时发生时，优先级高的中断会被优先响应。

8051系列单片机有高和低两个中断优先级，单片机在复位后的默认情况下，五个中断源共同处于低优先级当中。用户可以根据需要，软件指定某一个中断源为高优先级。比如：我们可以将“外部中断1”指定为高优先级，这时当“外部中断0”与“外部中断1”同时发生时，CPU将不按原来的查询顺序处理“外部中断0”了，而是按优先级顺序优先处理“外部中断1”。

3.中断嵌套

通过优先级控制，还可以实现中断嵌套，即高优先级的中断可以中断低优先级的中断。当CPU在响应某一低优先级中断源的中断请求时，又有一个高优先级的中断产生，CPU则将正在处理的低优先级事件暂停下来，转而处理优先级更高的中断请求，之后再继续执行原来的中断服务程序，这一过程就是中断嵌套，其过程如图7-3所示。

在图7-3中，一个正在执行的低优先级中断程序能被高优先级的中断源中断，但是它不能被另一个低优先级的中断源所中断。当CPU正在执行高优先级的中断时，则不能被任何其他中断源所中断，直到执行结束为止。

图7-3 中断嵌套的原理

优先级的控制原则：

（1）低优先级中断不能中断高优先级的中断，但高优先级的中断可以中断低优先级中断。

（2）如果一个中断请求已被响应，则同级的其他中断服务将被禁止，即同级别中断不能嵌套。

（3）如果同级的多个中断同时出现，CPU只响应查询顺序靠前的那一个。

7.1.4 中断的相关寄存器

8051系列单片机对中断的控制使用了四个寄存器，分别是中断允许寄存器、定时器控制寄存器、串行口控制寄存器和中断优先级控制寄存器。

1.中断允许寄存器IE（Interrupt Enable Register）

8051单片机对中断的使能或屏蔽是通过中断允许寄存器IE来控制的，可位寻址。

（1）bit7（EA）：中断允许总控制位。

① 0：禁止所有中断。

② 1：总中断允许。总中断允许后各中断源由各自的中断允许位控制。

（2）bit6，bit5（保留）。

（3）bit4（ES）：串行口中断允许位。

① 0：禁止串行中断。

② 1：允许串行中断。

（4）bit3（ET1）：定时/计数器T1的溢出中断允许位。

① 0：禁止定时/计数器T1溢出中断。

② 1：允许定时/计数器T1溢出中断。

（5）bit2（EX1）：外部中断1允许位。

① 0：禁止外部中断1中断。

② 1：允许外部中断1中断。

（6）bit1（ET0）：定时/计数器T0溢出中断允许位。

① 0：禁止定时/计数器T0溢出中断。

② 1：允许定时/计数器T0溢出中断。

（7）bit0（EX0）：外部中断0允许位。

① 0：禁止外部中断0中断。

② 1：允许外部中断0中断。

2.定时器控制寄存器TCON（Timer Control Register）

TCON寄存器用来控制两个外部中断和两个定时/计数器的计数溢出，可位寻址。

（1）bit7（TF1）：定时/计数器1溢出标志位。

① 0：定时/计数器1无计数溢出。

② 1：定时/计数器1产生计数溢出。

当定时/计数器1产生计数溢出时，相应TF1位由硬件自动置位，如果该中断得到允许，CPU开始执行中断服务程序，一旦CPU开始执行中断服务程序，硬件自动将TF1位清零。

（2）bit6（TR1）：定时/计数器1运行控制位。

① 0：定时/计数器1停止计数。

② 1：定时/计数器1启动计数。

（3）bit5 TF0：定时/计数器0溢出标志位。

① 0：定时/计数器0无计数溢出。

② 1：定时/计数器0产生计数溢出。

当定时/计数器0产生计数溢出时，相应TF0位由硬件自动置位，如果该中断得到允许，CPU开始执行中断服务程序，一旦CPU开始执行中断服务程序，硬件自动将TF0位清零。

（4）bit4（TR0）：定时/计数器0运行控制位。

① 0：定时/计数器0停止计数。(www.chuimin.cn)

② 1：定时/计数器0启动计数。

（5）bit3（IE1）：外部中断1中断标志位。

① 0：无外部中断1发生。

② 1：发生外部中断1。

当CPU采样到INT1端出现有效中断请求时，IE1位自动硬件置位。如果该中断得到允许，CPU开始执行中断服务程序。一旦CPU开始执行中断服务程序，硬件自动将IE1位清零。

（6）bit2（IT1）：外部中断请求触发方式控制位。

① 0：电平触发方式，低电平有效。

② 1：脉冲触发方式，下降沿有效。

（7）bit1（IE0）：外部中断0中断标志位。

① 0：无外部中断0发生。

② 1：发生外部中断0。

当CPU采样到INT0端出现有效中断请求时，IE0位自动硬件置位，如果该中断得到允许，CPU开始执行中断服务程序。一旦CPU开始执行中断服务程序，硬件自动将IE0位清零。

（8）bit0（IT0）：外部中断请求触发方式控制位。

① 0：电平触发方式，低电平有效。

② 1：脉冲触发方式，下降沿有效。

3.串行口控制寄存器SCON（Serial Control Register）

SCON寄存器是串行口控制寄存器，可位寻址。

（1）bit7：2（保留）。

（2）bit1（TI）：串行口发送中断标志位。

① 0：无串行口发送中断发生。

② 1：发生串行口发送中断。

当串行口发送完一帧数据后，硬件将该位置位。当CPU执行中断服务程序后，系统不能用硬件将该位清零，需要用软件将该位清零。

（3）bit0（RI）：串行口接收中断标志位。

① 0：无串行口接收中断发生。

② 1：发生串行口接收中断。

当串行口接收完一帧串行数据后，硬件将该位置位。当CPU执行中断服务程序后，系统不能用硬件将该位清零，需要用软件将该位清零。

注意：串行口中断请求是由TI和RI位的逻辑“或”得到的，无论是发送标志位还是接收标志位置位，都会产生串行中断请求。

4.中断优先级控制寄存器IP（Interrupt Priority Register）

中断源的优先级由中断优先级寄存器IP进行设定，可位寻址。

（1）bit5～bit7（保留）。

（2）bit4（PS）：串行口中断优先级控制位。

① 0：串行口为低优先级中断。

② 1：串行口为高优先级中断。

（3）bit3（PT1）：定时器T1中断优先级控制位。

① 0：定时器T1为低优先级中断。

② 1：定时器T1为高优先级中断。

（4）bit2（PX1）：外部中断1中断优先级控制位。

① 0：外部中断1为低优先级中断。

② 1：外部中断1为高优先级中断。

（5）bit1（PT0）：定时器T0中断优先级控制位。

① 0：定时器T0为低优先级中断。

② 1：定时器T0为高优先级中断。

（6）bit0（PX0）：外部中断0中断优先级控制位。

① 0：外部中断0为低优先级中断。

② 1：外部中断0为高优先级中断。

8051单片机对中断的使能是分两级控制的，其中IE寄存器的EA位是中断的总控制位，此外每一个中断源还有自己的中断允许位作为分控位。当总控制位为禁止时，关闭整个中断系统，且不管分控位的状态如何；当总控制位为允许时，中断由各分控位使能或禁止。8051系列单片机复位后，IE寄存器的各位均默认为“0”，因此整个中断系统处于禁止状态。另外，单片机在完成了中断响应后，不会更改已使能的中断控制位。

7.1.5 外部中断的触发方式

外部中断具有两种不同的触发方式，即电平触发和脉冲触发。当IE寄存器的IT0/IT1位清零时，外部中断被设置为电平触发方式，低电平有效；当IT0/IT1位置位时，外部中断被设置为脉冲触发方式，下降沿有效。

1.电平触发方式

在电平触发方式下，CPU每个自动硬件机器周期都会对INT0和INT1引脚进行采样，一旦检测到低电平，相应标志位IE0或IE1置位，并且向CPU申请中断。当CPU执行完中断服务程序后，如果INT0和INT1引脚仍保持为低电平，CPU会再次进入中断状态。

2.脉冲触发方式

在脉冲触发方式下，一旦在INT0和INT1引脚上检测到脉冲的下降沿，相应标志位IE0或IE1自动硬件置位，并且向CPU申请中断。

7.1.6 外部中断的应用

以下我们通过两个实训来加深对外部中断的理解。

【实训7.1】将外部中断0（INT0）设置成低电平触发，用数码管显示发生外部中断的次数，电路图是在任务5.2的电路图的基础上添加一个按键并连接至P3.2引脚，另一端接地。

外部中断0的低电平触发程序清单如下：

以上代码经正确编译后在Proteus环境下仿真，程序运行后，数码管显示“0000”，将单击按钮（单片机的P3.2引脚连接至GND端），给该引脚送去一个持续的低电平，这时数码管的数字会持续地累加，直到弹起按钮后，数字累加才会停止，具体状态如图7-4所示。

图7-4 外部中断0的低电平触发

从上面的例子中我们发现：当低电平出现在INT0引脚时，即有中断产生，并且CPU执行了中断服务程序，数码管显示了中断产生的次数。如果INT0引脚为持续的低电平，中断也会持续的发生，这也是8051系列单片机外部中断低电平触发的特点。下面我们将程序稍做改动，将外部中断0设置为下降沿触发，具体改动方法可以参考以下代码：

程序运行后，再次单击按键，数码管显示“1”，每单击一次，数字增加1。在实际使用开发板或实验板时，由于在按键按下的瞬间，P3.2引脚上产生了一个负跳变，从而引发了中断，数码管显示一个较小的数值是因为引线连接时会有触点抖动的现象，产生了多个下降沿，但这个时间很短，产生的下降沿数量有限，所以数码管的显示数值不会增加很多。在Proteus环境中程序运行的状态如图7-5所示。

图7-5 外部中断0的下降沿触发（Proteus下的仿真）

在任务7.1中，使用了单片机的定时中断来完成精确的定时，我们身边的很多设备具有定时功能，如学校的打铃器、电视机的定时关机、空调的定时开关、运动场上的秒表等。与之类似的是，单片机工作时也需要计时或计数，这些功能的实现可以通过集成在芯片内部的定时/计数器来完成。