MCS-51定時/計數器/中斷系統

admin @ 2014-03-14 , reply:0

MCS-51的單片機內有兩個16位可編程的定時/計數器,它們具有四種工作方式,其控制字和狀態均在相應的特殊功能寄存器中,通過對控制寄存器的編程,就可方便地選擇適當的工作方式。下面我們對它們的特性進行闡述。

     定時/計數器的工作方式
    MCS-51單片機內部的定時/計數器的結構如圖1所示,定時器T0特性功能寄存器TL0(低8位)和TH0(高8位)構成,定時器T1由特性功能寄存器TL1(低8位)和TH1(高8位)構成。特殊功能寄存器TMOD控制定時寄存器的工作方式,TCON則用於控制定時器T0和T1的啟動和停止計數,同時管理定時器T0和T1的溢出標誌等。程序開始時需對TL0、TH0、TL1和TH1進行初始化編程,以定義它們的工作方式和控制T0和T1的計數。

    TMOD和TCON這兩個特殊功能寄存器的格式參見下表:

    [1]. 定時/計數器的方式控制字TMOD,位元組地址為89H,其格式如表1:
 
  表1  TMOD寄存器結構
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
GATA M1 M0 GATA M1 M0
←T1方式欄位→ ←T0方式欄位→


    [2]. 定時器控制積存器TCON,位元組地址為88H,位地址為88H—8FH,其格式如表2:

 
  表2  TCON結構
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0


     TMOD和TCON各位的意義和用途我們將在下面的章節中予以介紹,需要注意的是,TCON的D0—D3位與中斷有關,我們會在中斷的內容中加以說明,MCS-51的定時/計數器共有四種工作方式,我們逐個進行討論。

     工作方式0
    定時/計數器0的工作方式0電路邏輯結構見圖2(定時/計數器1與其完全一致),工作方式0是13位計數結構的工作方式,其計數器由TH的全部8位和TL的低5位構成,TL的高3位沒有使用。當=0時,多路開關接通振蕩脈衝的12分頻輸出,13位計數器以次進行計數。這就是定時工作方式。當=1時,多路開關接通計數引腳(To),外部計數脈衝由銀南腳To輸入。當計數脈衝發生負跳變時,計數器加1,這就是我們常稱的計數工作方式。
    不管是哪種工作方式,當TL的低5位溢出時,都會向TH進位,而全部13位計數器溢出時,則會向計數器溢出標誌位TF0進位。

    我們討論門控位GATA的功能,GATA位的狀態決定定時器運行控制取決於TR0的一個條件還是TR0和INT0引腳這兩個條件。當GATA=1時,由於GATA信號封鎖了與門,使引腳INT0信號無效。而這時候如果TR0=1,則接通模擬開關,使計數器進行加法計數,即定時/計數工作。而TR0=0,則斷開模擬開關,停止計數,定時/計數不能工作。

    當GATA=0時,與門的輸出端由TR0和INT0電平的狀態確定,此時如果TR0=1,INT0=1與門輸出為1,允許定時/計數器計數,在這種情況下,運行控制由TR0和INT0兩個條件共同控制,TR0是確定定時/計數器的運行控制位,由軟體置位或清“0”。

    如上所述,TF0是定時/計數器的溢出狀態標誌,溢出時由硬體置位,TF0溢出中斷被CPU響應時,轉入中斷時硬體清“0”,TF0也可由程序查詢和清“0”。

    在工作方式下,計數器的計數值範圍是:

          1—8192(213

    當為定時工作方式時,定時時間的計算公式為:

         (213

    或   (213

    其時間單位與晶振周期或機器周期相同。

    如果單片機的晶振選為6.000MHz,則最小定時時間為:

        [213—(213-6-6(s)=2(us)

        (213-6-6(s)=16384(us)。

     工作方式1
    當M1,M0=01時,定時/計數器處於工作方式1,此時,定時/及數器的等效電路如圖3所示,仍以定時器0為例,定時器1與之完全相同。

    可以看出,方式0和方式1的區別僅在於計數器的位數不同,方式0為13位,而方式1則為16位,由TH0作為高8位,TL0為低8位,有關控制狀態字(GATA、、TF0、TR0)和方式0相同。

    在工作方式1下,計數器的計數值範圍是:

          1—65536(216

    當為定時工作方式1時,定時時間的計算公式為:

         (216

    或   (216

    其時間單位與晶振周期或機器周期相同。

    如果單片機的晶振選為6.000MHz,則最小定時時間為:

        [213—(216-6-6(s)=2(us)

        (216-6-6(s)=131072(us)。

  工作方式2
    當M1M0=10時,定時/計數器處於工作方式2.此時定時器的等效電阻如圖4所示.我們還是以定時/計數器0為例,定時/計數器1與之完全一致。

    工作方式0和工作方式1的最大特點就是計數溢出后,計數器為全0,因而循環定時或循環計數應用時就存在反覆設置初值的問題,這給程序設計帶來許多不便,同時也會影響計時精度,工作方式2就針對這個問題而設置,它具有自動重裝載功能,即自動載入計數初值,所以也有的文獻稱之為自動重載入工作方式。在這種工作方式中,16位計數器分為兩部分,即以TL0為計數器,以TH0作為預置寄存器,初始化時把計數初值分別載入至TL0和TH0中,當計數溢出時,不再象方式0和方式1那樣需要“人工干預”,由軟體重新賦值,而是由預置寄存器TH以硬體方法自動給計數器TL0重新載入。

    程序初始化時,給TL0和TH0同時賦以初值,當TL0計數溢出時,置位TF0的同時把預置寄存器TH0中的初值載入給TL0,TL0重新計數。如此反覆,這樣省去了程序不斷需給計數器賦值的麻煩,而且計數準確度也提高了。但這種方式也有其不利的一面,就是這樣一來的計數結構只有8位,計數值有限,最大隻能到255。所以這種工作方式很適合於那些重複計數的應用場合。例如我們可以通過這樣的計數方式產生中斷,從而產生一個固定頻率的脈衝。也可以當作串列數據通信的波特率發送器使用。

     工作方式3
    當M1M0=11時,定時/計數器處於工作方式3,此時,定時/及數器的等效電路如圖3所示,仍以定時器0為例,值得注意的是,在工作方式3模式下,定時/計數器1的工作方式與之不同,下面我們分別討論。


    如果定時/計數器0工作於工作方式3,那麼定時/計數器1的工作方式就不可避免受到一定的限制,因為自己的一些控制位已被定時/計數器借用,只能工作在方式0、方式1或方式2下,等效電路參見圖6
    在這種情況下,定時/計數器1通常作為串列口的波特率發生器使用,以確定串列通信的速率,因為已沒有TF1被定時/計數器0借用了,只能把計數溢出直接送給串列口。當作波特率發生器使用時,只需設置好工作方式,即可自動運行。如要停止它的工作,需送入一個把它設置為方式3的方式控制字即可,這是因為定時/計數器本身就不能工作在方式3,如硬把它設置為方式3,自然會停止工作。



    這就是日常生活和工作中的中斷現象,類似的情況還有很多,從編譯資料到接電督是第一次中斷,通電督的過程中引有客人到訪,這是第二次中斷,即在中斷的過程中又出現第二次中斷,這就是我們常說的中斷嵌套。處理完第二個中斷任務后,回頭處理第一個中斷,第一個中斷完成後,再繼續你原先的主要工作。

    為什麼會出現這樣的中斷呢?道理很簡單,人非三頭六臂,人只有一個腦袋,在一種特定的時間內,可能會面對著兩、三甚至更多的任務。但一個人又不可能在同一時間去完成多樣任務,因此你只能采分析任務的輕重緩急,採用中斷的方法穿插去完成它們。那麼這種情況對於單片機中的中央處理器也是如此,單片機中CPU只有一個,但在同一時間內可能會面臨著處理很多任務的情況,如運行主程序、數據的輸入和輸出,定時/和計數時間已到要處理、可能還有一些外部的更重要的中斷請求(如超溫超壓)要先處理。此時也得象人的思維一樣停下某一樣(或幾樣)工作先去完成一些緊急任務的中斷方法。

    這樣的一樣處理方法上升到計算機理論,就是一個資源面對多項任務的處理方式,由於資源有限,面對多項任務同時要處理時,就會出現資源競爭的現象。中斷技術就是為了解決資源競爭的一個可行的方法,採用中斷技術可使多項任務共享一個資源,所以有些文獻也稱中斷技術是一種資源共享技術。

    [1].MCS-51的中斷結構
    計算機的中斷系統能夠加強CPU對多任務事件的處理能力。從而使它的應用範圍進一步擴大。在MCS-48結構的基礎上,MCS-51在增強了I/O的種類、功能和數量的同時,也增強了中斷能力。MCS-51提供了5個中斷源,兩個中斷優先順序控制,可實現兩個中斷服務嵌套。當CPU支持中斷屏蔽指令后,可將一部分或所有的中斷關斷,只有打開相應的中斷控制位后,方可接收相應的中斷請求。程序設置中斷的允許或屏蔽,也可設置中斷的優先順序。

    [2].中斷處理流程

    CPU響應中斷請求后,就立即轉入執行中斷服務程序。不同的中斷源、不同的中斷要求可能有不同的中斷處理方法,但它們的處理流程一般都如下所述。

     現場保護和現場恢復


    中斷服務程序完成後,繼續執行原先的程序,就需把保存的現場內容從堆棧中彈出,恢復積存器和存儲單元的原有內容,這就是現場恢復。

    如果在執行中斷服務時不是按上述方法進行現場保護和恢復現場,就會是程序運行紊亂,程序跑飛,自然使單片機不能正常工作。

     中斷打開和中斷關閉
    在中斷處理進行過程中,可能又有新的中斷請求到來,這裡規疾,現場保護和現場恢復的操作是不允許打擾的,否則保護和恢復的過程就可能使數據出錯,為此在進行現場保護和現場恢復的過程中,必須關閉總中斷,屏蔽其它所有的中斷,待這個操作完成後再打開總中斷,以便實現中斷嵌套。

     中斷服務程序
    既然有中斷產生,就必然有其具體的需執行的任務,中斷服務程序就是執行中斷處理的具體內容,一般以子程序的形式出現,所有的中斷都要轉去執行中斷服務程序,進行中斷服務。

     中斷返回
    執行完中斷服務程序后,必然要返回,中斷返回就是被程序運行從中斷服務程序轉回到原工作程序上來。在MCS-51單片機中,中斷返回是通過一條專門的指令實現的,自然這條指令是中斷服務程序的最後一條指令。

    [3].MCS-51的中斷源
    8051有5個中斷源,它們是兩個外中斷INT0(P3.2)和INT1(P3.3)、兩個片內定時/計數器溢出中斷TF0和TF1,一個是片內串列口中斷TI或RI,這幾個中斷源由TCON和SCON兩個特殊功能寄存器進行控制。

    在前一節,我們已對TCON的控制位進行了說明,現在繼續對它的中斷控制有關的位進行談論。TCON寄存器的結構如下:

 
  表1  TCON寄存器結構
TCON D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0
位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H
    · IE1:

    · IT1:外部中斷1類型控制位,通過軟體設置或清楚,用於控制外中斷的觸發信號類型。IT1=1,邊沿觸發。IT=0是電平觸發。

    · IE0:

    · IT0:

    SCON是串列口控制寄存器,位元組地址為98H,SCON的低二位是串列口的發送和接收中斷標誌,其格式如下:

 
  表2  SCON寄存器結構
SCON D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
- - - - - - TI RI
位地址             99H 98H
    · TI:MCS-51串列口的發送中斷標誌,在串列口以方式0發送時,每當發送完8位數據,由硬體置位。如果以方式1、方式2或方式3發送時,在發送停止位的開始時TI被置1,TI=1表示串列發送器正向CPU發出中斷請求,向串列口的數據緩衝器SBUF寫入一個數據后就立即啟動發送器繼續發送。但是CPU響應中斷請求后,轉向執行中斷服務程序時,並不清零TI,TI必須由用戶的中斷服務程序清“0”,即中斷服務程序必須有“CLR TI”或“ANL SCON, #0FDH”等指令來清零TI。

    · RI:串列口接收中斷標誌.若串列口接收器允許接收,並以方式0工作,每當接收到8位數據時,RI被置1,若以方式1、2、3方式工作,當接收到半個停止位時,TI被置1,當串列口一方式2或3方式工作,且當SM2=1時,僅當接收到第9位數據RB8為1后,同時還要在接收到半個停止位時,RI被置1。RI為1表示串列口接收器正向CPU申請中斷。同樣RI標誌栩栩如生由用戶的軟體清“0”。

[4].中斷的控制

    對於中斷控制,在上一節中我們已經對TCON和SCON進行了分析,其實它們兩個寄存器也是中斷的控制寄存器,負責對中斷的部分功能進行控制。我們這裡談論的是另外兩個控制寄存器IE和IP。

    MCS-51的對中斷的開放和屏蔽是由中斷允許寄存器IE控制來實現的,IE的結構格式如下。

  表3  IE寄存器結構
IE D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
EA - - ES ET1 EX1 ET0 EX0
位地址 AFH     ACH ABH AAH A9H A8H
    下面我們對IE寄存器的各控制位進行介紹:
    · EA:中斷總控制位,EA=1,CPU開放中斷。EA=0,CPU禁止所有中斷。

    · ES:串列口中斷控制位,ES=1允許串列口中斷,ES=0,屏蔽串列口中斷。

    · ET1:定時/計數器T1中斷控制位。ET1=1,允許T1中斷,ET1=0,禁止T1中斷。

    · EX1:外中斷1中斷控制位,EX1=1,允許外中斷1中斷,EX1=0,禁止外中斷1中斷。

    · ET0:定時/計數器T0中斷控制位。ET1=1,允許T0中斷,ET1=0,禁止T0中斷。

    · EX0:外中斷0中斷控制位,EX1=1,允許外中斷0中斷,EX1=0,禁止外中斷0中斷。

    MCS-51有兩個中斷優先順序,即高優先順序和低優先順序,每個中斷源都可設置為高或低中斷優先順序。如果有一低優先順序的中斷正在執行,那麼高優先順序的中斷出現中斷請求時,CPU則會響應這個高有限級的中斷,也即高優先順序的中斷可以打斷低優先順序的中斷。而若CPU正在處理一個高優先順序的中斷,此時,就算是有低優先順序的中斷髮出中斷請求,CPU也不會理會這個中斷,而是繼續執行正在執行的中斷服務程序,一直到程序結束,執行最後一條返回指令,返回主程序然後再執行一條指令后才會響應新的中斷請求。

    為了實現上述功能,MCS-51的中斷系統有兩個不可定址的優先順序狀態觸發器,一個指出CPU是否在執行高優先順序中斷服務程序,另一個指出CPU是否正在執行低優先順序的中斷服務程序,這兩個中斷觸發器的1狀態分別屏蔽所有中斷申請和同一級別的其他中斷申請,此外,MCS-51還有一個申請優先順序寄存IP,IP的格式如下,位元組地址是B8H。

 
  表4  IP中斷控制寄存器結構
IP D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
- - - PS PT1 Px1 PT0 PX0
位地址       BCH BBH BAH B9H B8H
    · PS:串列口中斷口優先順序控制位,PS=1,串列口中斷聲明為高優先順序中斷,PS=0,串列口定義為低優先順序中斷。

    · PT1:定時器1優先順序控制位。PT1=1,聲明定時器1為高優先順序中斷,PT1=0定義定時器1為低優先順序中斷。

    · PX1:外中斷1優先順序控制位。PT1=1,聲明外中斷1為高優先順序中斷,PX1=0定義外中斷1為低優先順序中斷。

    · PT0:定時器0優先順序控制位。PT1=1,聲明定時器0為高優先順序中斷,PT1=0定義定時器0為低優先順序中斷。

    · PX0:外中斷0優先順序控制位。PT1=1,聲明外中斷0為高優先順序中斷,PX1=0定義外中斷0為低優先順序中斷。

    [5].中斷的響應

    MCS-51CPU在每一個機器周期順序檢查每一個中斷源,在機器周期的S6按優先順序處理所有被激活的中斷請求,此時,如果CPU沒有正在處理更高或相同優先順序的中斷,或者現在的機器周期不是所執行指令的最後一個機器周期,或者CPU不是正在執行RETI指令或訪問IE和IP的指令(因為按MCS-51中斷系統的特性規疾,在執行完這些指令之後,還要在繼續執行一條指令,才會響應中斷),CPU在下一個機器周期響應激活了的最高級中斷請求。

    中斷響應的主要內容就是由硬體自動生成一條長調用LCALL addr16指令,這裡的addr16就是程序存儲器中相應的中斷區入口地址,這些中斷源的服務程序入口地址如下:

 
  表5  個中斷源的服務程序入口地址
中斷源 入口地址
外中斷0 0003H
定時/計數器0 000BH
外中斷1 0013H
定時/計數器0 001BH
串列口中斷 0023H
    生成LCALL指令后,CPU緊跟著便執行之.首先將PC(程序計數器)的內容壓入堆棧保護斷點,然後把中斷入口地址賦予PC,CPU便按新的PC地址(即中斷服務程序入口地址)執行程序。

    值得一提的是,各中斷區只有8個單元,一般情況下(除非中斷程序非常簡單),都不可能安裝下一個完整的中斷服務程序。因此,通常是在這些入口地址區放置一條無條件轉移指令,使程序按轉移的實際地址去執行真正的中斷服務程序。



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