《單片機系統(tǒng)設計及工程應用》課件第4章

4.151系列單片機的中斷系統(tǒng)4.2定時器/計數(shù)器習題44.1.1中斷的概念

所謂中斷，是指計算機在執(zhí)行某一程序的過程中，由于計算機系統(tǒng)內(nèi)部或外部的某種原因，CPU必須暫時停止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，而自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行預先安排好的處理該事件的

服務子程序，待處理結(jié)束之后，再回來繼續(xù)執(zhí)行被暫停程序的過程。實現(xiàn)這種中斷功能的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)。4.151系列單片機的中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)是計算機的重要組成部分。實時控制、故障自動處理、計算機與外部設備間傳送數(shù)據(jù)及實現(xiàn)人機對話通常采用中斷方式。中斷系統(tǒng)需要解決以下基本問題：

(1)中斷源：中斷請求信號的來源。包括中斷請求信號的產(chǎn)生及該信號怎樣被CPU有效地識別。要求中斷請求信號產(chǎn)生一次，只能被CPU接收處理一次，不能一次中斷申請被CPU多次響應，這就涉及到中斷請求信號的及時撤除問題。

(2)中斷響應與返回：CPU采集到中斷請求信號后，怎樣轉(zhuǎn)向特定的中斷服務子程序及執(zhí)行完中斷服務子程序怎樣返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷響應與返回的過程中涉及到CPU響應中斷的條件、現(xiàn)場保護、現(xiàn)場恢復等問題。

(3)優(yōu)先級控制：一個計算機應用系統(tǒng)，特別是計算機實時測控系統(tǒng)，往往有多個中斷源，各中斷源的重要程度又有輕重緩急之分。與人處理問題的思路一樣，希望重要緊急的事件優(yōu)先處理，而且如果當前處于正在處理某個事件的過程中，有更重要、更緊急的事件到來，就應當暫停當前事件的處理，轉(zhuǎn)去處理新事件。這就是中斷系統(tǒng)優(yōu)先級控制所要解決的問題。中斷優(yōu)先級的控制形成了中斷嵌套。51系列單片機中斷系統(tǒng)原理及組成如圖4.1所示。圖4.1

51系列單片機中斷系統(tǒng)原理及組成圖4.1.2中斷源

中斷源是指向CPU發(fā)出中斷請求的信號來源，中斷源可以人為設定，也可以為響應突發(fā)性隨機事件。51系列單片機有5個中斷源，見表4.1，其中兩個是外部中斷源，另外三個屬于內(nèi)部中斷。(注：52子系列有6個中斷源，增加了一個定時器/計數(shù)器T2的溢出中斷。)表4.1

MCS－51單片機的中斷源

1.外部中斷

外部中斷源有兩個，外部中斷0(

)和外部中斷1(

)。外部中斷請求有兩種觸發(fā)方式：電平觸發(fā)及邊沿觸發(fā)。這兩種觸發(fā)方式可以通過對特殊功能寄存器TCON(TCON稱為定時器/計數(shù)器控制寄存器)編程來選擇。下面給出TCON的位定義格式，并對與中斷有關的位予以說明。

定時器/計數(shù)器控制寄存器TCON：地址為88H

IT0：外部中斷0的觸發(fā)方式控制位。若IT0被設置為0，則選擇外部中斷0為電平觸發(fā)方式，即IT0=0時，低電平有效；若IT0被設置為1，則選擇外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式，即IT0=1時，負沿有效。

IT1：外部中斷1的觸發(fā)方式控制位。若IT1被設置為0，則選擇外部中斷1為電平觸發(fā)方式，即IT1=0時，低電平有效；若IT1被設置為1，則選擇外部中斷1為邊沿觸發(fā)方式，即IT1=1時，負沿有效。

IE0：外部中斷0的中斷請求標志位。IE0=1，表示請求中斷；IE0=0，表示沒有請求中斷。當IT0=0時，外部中斷0為電平觸發(fā)方式。在這種方式下，CPU在每個機器周期的S5P2期間對(P3.2)引腳采樣。若為低電平，則認為有中斷申請，隨即使IE0標志置位，并以此向CPU請求中斷；若為高電平，則認為無中斷申請，或中斷申請已撤除，隨即使IE0標志復位。當IT0=1時，即外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式時，若第一個機器周期采樣到引腳為高電平，第二個機器周期采樣到

引腳為低電平時，由硬件置位IE0，并以此向CPU請求中斷。當CPU響應中斷轉(zhuǎn)向中斷服務程序時，由硬件自動將IE0清零。

IE1：外部中斷1的中斷請求標志位，其作用與IE0類似。當IT1=0時，外部中斷1為電平觸發(fā)方式。在這種方式下，CPU在每個機器周期的S5P2期間對(P3.3)引腳采樣，若為低電平，則認為有中斷申請，隨即使IE1標志置位，并以此向CPU請求中斷；若為高電平，則認為無中斷申請，或中斷申請已撤除，隨即使IE1標志復位。

當IT1=1時，即外部中斷1為邊沿觸發(fā)方式時。若第一個機器周期采樣到引腳為高電平，第二個機器周期采樣到

引腳為低電平時，由硬件置位IE1，并以此向CPU請求中斷。當CPU響應中斷轉(zhuǎn)向中斷服務程序時，由硬件自動將IE1清零。若把外部中斷設置為邊沿觸發(fā)方式，CPU在每個機器周期都采樣。為了保證CPU能檢測到負跳變，輸入到引腳上的高電平與低電平至少應保持1個機器周期。對于電平觸發(fā)的外部中斷，由外部中斷的輸入信號直接控制中斷請求標志位IE0(IE1)，CPU響應中斷后不能由硬件自動清除IE0(IE1)標志，也不能由軟件清除IE0(IE1)標志。因此，在中斷返回之前，需要外接電路來撤消中斷請求輸入引腳上的低電平，否則將再次中斷，導致一次中斷申請被CPU多次響應而出錯。圖4.2是電平觸發(fā)方式下外部中斷的請求、撤除電路。外部中斷請求信號通過D觸發(fā)器加到單片機X引腳上。當外部中斷請求信號使D觸發(fā)器的CLK端發(fā)生負跳變時，由

于D端接地，Q端輸出0，向單片機發(fā)出中斷請求。CPU響應中斷后，利用一根口線，如P1.0作應答線，用P1.0控制D觸發(fā)器的置1端。在中斷服務程序中用以下兩條指令來撤除中斷請求：

ANLP1.0#0FEH

ORLP1.0#01H第一條指令使P1.0為0，而P1口其他各位的狀態(tài)不變。由于P1.0與直接置1端相連，因此D觸發(fā)器Q=1，撤除了中斷請求信號。第二條指令將P1.0變成1，即置1端為1處于無效狀態(tài)，使以后產(chǎn)生的新的外部中斷請求信號又能向單片機申請中斷。圖4.2外部中斷請求、撤除的電路

2.內(nèi)部中斷

內(nèi)部中斷是單片機芯片內(nèi)部產(chǎn)生的中斷。51系列單片機(51子系列)的內(nèi)部中斷有定時器/計數(shù)器T0、T1的溢出中斷，串行口的發(fā)送/接收中斷。當定時器/計數(shù)器T0、T1計數(shù)溢出時，由硬件自動置位TCON的TF0(定時器/計數(shù)器T0的中斷標志位)或TF1(定時器/計數(shù)器T1的中斷標志位)，向CPU申請中斷。CPU響應中斷而轉(zhuǎn)向中斷服務程序時，由硬件自動將TF0或TF1清零，即CPU響應中斷后能自動撤除中斷請求信號。當串行口發(fā)送完或接收完一幀信息時，由接口硬件自動置位SCON的TI(發(fā)送中斷請求標志位)或RI(接收中斷請求標志位)，以此向CPU申請中斷，CPU響應中斷后，接口硬件不能自動將TI或RI清零，即CPU響應中斷后不能自動撤除中斷請求信號，用戶必須采用軟件方法將TI或RI清零，來撤除中斷請求信號。4.1.3中斷控制

1.中斷允許控制

MCS－51單片機中沒有專設的開中斷和關中斷指令，對各中斷源的中斷開放或關閉是由內(nèi)部的中斷允許寄存器IE的各位來控制的。

中斷允許寄存器IE：地址為A8H

EX0：外部中斷0的中斷允許位。EX0=0，禁止外部中斷0中斷；EX0=1允許外部中斷0中斷。

ET0：定時器/計數(shù)器T0的溢出中斷允許位。ET0=0，禁止T0中斷；ET0=1，允許T0中斷。

EX1：外部中斷1的中斷允許位。EX1=0，禁止外部中斷1中斷；EX1=1，允許外部中斷1中斷。

ET1：定時器/計數(shù)器T1的溢出中斷允許位。ET1=0，禁止T1中斷；ET1=1，允許T1中斷。

ES：串行口中斷允許位。ES=0，禁止串行口中斷；ES=1允許串行口中斷。

ET2：定時器/計數(shù)器T2的溢出中斷允許位，只用于52子系列，51子系列無此位。ET2=0，禁止T2中斷；ET2=1，允許T2中斷。

EA：中斷允許總控位。EA=0，禁止所有的中斷請求；EA=1，開放所有的中斷請求，

但是否允許各中斷源的中斷的中斷請求，還要取決于各中斷源的中斷允許控制位的狀態(tài)。

注意：單片機系統(tǒng)復位后，IE中各中斷允許位均被清0，即禁止所有中斷。

2.中斷優(yōu)先級控制

51單片機的中斷源可設置為兩種中斷優(yōu)先級：高優(yōu)先級(優(yōu)先級)中斷和低優(yōu)先級(普通級)中斷，從而可實現(xiàn)多級中斷嵌套。中斷響應遵循如下規(guī)則：

(1)先高后低——對于不同優(yōu)先級的中斷源同時請求中斷時，CPU首先響應優(yōu)先級最高的中斷請求。

(2)約定順序——相同優(yōu)先級的中斷源同時請求中斷時，按約定順序響應。

(3)停低轉(zhuǎn)高——正在處理低優(yōu)先級中斷而又有高優(yōu)先級中斷源請求中斷時，中斷正在進行的操作，轉(zhuǎn)去響應高優(yōu)先級中斷，處理完成后再返回繼續(xù)處理低優(yōu)先級中斷。

(4)高不理低——CPU正在處理高優(yōu)先級中斷而又有低優(yōu)先級中斷源請求中斷時，繼續(xù)處理高優(yōu)先級中斷，而不理會低優(yōu)先級的中斷請求，待處理完高優(yōu)先級中斷后才響應低

優(yōu)先級的中斷請求。

中斷響應的上述規(guī)則，完全與現(xiàn)今社會中的上下級處理事務相類似。

專用寄存器IP為中斷優(yōu)先級控制寄存器，鎖存各中斷源優(yōu)先級控制位，IP中的每一位均可由軟件置1或清0，用來確定每個中斷源的中斷優(yōu)先級。置1表示對應中斷源為高優(yōu)先級中斷，清0表示低優(yōu)先級。其格式如下：中斷優(yōu)先級控制寄存器IP：地址為B8H

PX0：外部中斷0的中斷優(yōu)先級控制位。

PT0：定時器/計數(shù)器T0的中斷優(yōu)先級控制位。

PX1：外部中斷1的中斷優(yōu)先級控制位。

PT1：定時器/計數(shù)器T1的中斷優(yōu)先級控制位。

PS：串行口的中斷優(yōu)先級控制位。

PT2：定時器/計數(shù)器T2的中斷優(yōu)先級控制位，只用于52子系列。

注意：

(1)當系統(tǒng)復位后，IP全部清0，所有中斷源均設定為低優(yōu)先級中斷。

(2)如果幾個同一優(yōu)先級的中斷源同時向CPU申請中斷，則CPU通過內(nèi)部硬件查詢邏輯，按自然優(yōu)先級約定順序確定先響應哪個中斷請求。自然中斷優(yōu)先級見表4.2。表4.2自然中斷優(yōu)先級4.1.4中斷響應

1.中斷響應的條件

單片機響應中斷時必須同時滿足以下5個條件：

(1)有中斷源發(fā)出中斷請求。

(2)中斷總允許位EA=1(CPU開中斷)。

(3)申請中斷的中斷源對應的中斷允許控制位為1。

(4)當前指令執(zhí)行完。正在執(zhí)行RETI中斷返回指令或訪問專用寄存器IE和IP的指令時，CPU執(zhí)行完該指令和緊隨其后的另一條指令后才會響應中斷。

(5)CPU沒有響應同級或高優(yōu)先級的中斷。

滿足以上基本條件，CPU才會響應中斷。

2.中斷響應過程

CPU響應中斷后，由硬件自動執(zhí)行如下的功能操作：

(1)保護斷點，即把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容壓入堆棧保存

(2)清內(nèi)部硬件可清除的中斷請求標志位(IE0、IE1、TF0、TF1)。

(3)把被響應的中斷服務程序入口地址送入PC，從而轉(zhuǎn)向相應的中斷服務程序執(zhí)行。各中斷服務程序的入口地址見表4.3。表4.3

51系列單片機中斷入口地址

3.中斷響應時間

所謂中斷響應時間，是指CPU檢測到中斷請求信號到轉(zhuǎn)入中斷服務程序入口所需要的機器周期數(shù)。了解中斷響應時間對設計實時測控系統(tǒng)有重要的指導意義。

51系列單片機響應中斷的最短時間為3個機器周期。若CPU檢測到中斷請求信號時間正好是一條指令的最后一個機器周期，則不需等待就可以立即響應。所謂響應中斷，就

是由內(nèi)部硬件執(zhí)行一條長調(diào)用指令，需要2個機器周期，加上檢測需要1個機器周期，一共需要3個機器周期才開始執(zhí)行中斷服務程序。中斷響應的最長時間由下列情況所決定：若中斷檢測時正在執(zhí)行RETI或訪問IE或IP指令的第一個機器周期，則包括檢測在內(nèi)需要2個機器周期(以上3條指令均需2個機器周期)；若緊接著要執(zhí)行的指令恰好是執(zhí)行時間最長的乘除法指令，則其執(zhí)行時間均為4個機器周期；再用2個機器周期執(zhí)行一條長調(diào)用指令才轉(zhuǎn)入中斷服務程序。這樣，總共需要8個機器周期。

因此，中斷響應時間一般為3～8個機器周期。4.1.5中斷系統(tǒng)的應用

1.必要工作

為了使讀者對中斷系統(tǒng)的應用有一個全面的了解，我們簡單歸納一下使用中斷系統(tǒng)時要做的工作：

(1)明確任務，確定采用哪些中斷源。

(2)確定中斷源觸發(fā)方式。

(3)中斷優(yōu)先級分配。

(4)中斷源及中斷標志位的撤除方法。

(5)中斷服務程序要完成的任務。

(6)中斷服務程序入口地址的設置。

(7)中斷允許設置。

2.相關寄存器

我們對中斷系統(tǒng)的設置實質(zhì)上就是對相關寄存器功能位的設置。與中斷系統(tǒng)相關的寄存器有：中斷允許寄存器IE、中斷優(yōu)先級控制寄存器IP、串行口控制寄存器SCON、

中斷標志位及外中斷觸發(fā)方式設置借助于定時器/計數(shù)器控制寄存器TCON，各個寄存器相關位的功能及使用方法前面已有介紹，讀者只需按要求設置即可，這里不再贅述。

3.中斷系統(tǒng)應用舉例

例4.1.1

利用中斷方式實現(xiàn)輸入/輸出。在圖4.3中，每按一次P按鈕便在的輸入端產(chǎn)生一個負脈沖，向CPU請求中斷，響應中斷后，讀取開關S0～S3上的數(shù)據(jù)，輸出到發(fā)光二極管L0～L3顯示。當開關閉合時，對應的發(fā)光管點亮。

解主程序和中斷服務子程序如下：

ORG0000H

LJMPMAIN ；上電自動轉(zhuǎn)向主程序

ORG0003H

LJMPINT0SUB；指向INT0的中斷服務子程序

ORG0040HMAIN: SETBIT0 ；選擇INT0為負沿觸發(fā)方式

SETBEX0 ；允許INT0中斷

SETBEA ；開CPU中斷

HERE: LJMPHERE ；等待中斷

；INT0的中斷服務子程序INT0SUB:MOVP1，#0FH；數(shù)據(jù)送P1口，設置P1.0～P1.3

；為輸入

MOVA，P1 ；讀S0～S3上的數(shù)據(jù)

SWAP A ；A的低4位與高4位交換

ORLA，#0FH

MOVP1，A ；數(shù)據(jù)送L0～L3

RETI ；中斷返回

END圖4.3利用中斷方式實現(xiàn)輸入/輸出

例4.1.2

利用中斷實現(xiàn)單步操作。

解可利用圖4.4的電路實現(xiàn)單步操作，把一個外部中斷(設為)設置為電平觸發(fā)方式，且允許INT1中斷。其中斷服務程序的末尾寫上如下幾條指令:

JNBP3.3，$ ；在INT1變高前原地等待

JBP3.3，$ ；在INT變低前原地等待

RETI ；返回并執(zhí)行主程序的一條指令圖4.4利用中斷實現(xiàn)單步操作平時，按鈕P未按下時，保持低電平，則CPU就進入外部中斷1服務程序，由于有上述幾條指令，它就會停在JNB處，原地等待。當P按下一次，端出現(xiàn)一個正脈沖(由低到高，再到低)時，程序就會往下執(zhí)行，執(zhí)行RETI后，將返回到主程序，往下執(zhí)行主程序的一條指令，然后又立即響應中斷，以等待端出現(xiàn)的下一個正脈沖。這樣，在

端每出現(xiàn)一個正脈沖，主程序就執(zhí)行一條指令，實現(xiàn)了單步執(zhí)行的目的。

例4.1.3

多中斷源擴展。

解51單片機有兩個外部中斷輸入端，當有2個以上中斷源時，它的中斷輸入端就不夠了。此時，可以采用中斷與查詢相結(jié)合的方法來實現(xiàn)多中斷源擴展。圖4.5中每個中斷源都接在同一個外部中斷輸入端上，同時利用P1口作為在多中斷源情況下各中斷源的識別。當擴展中斷源為高電平時，輸入端為低電平，向CPU請求中斷。響應中斷后，采用軟件查詢的方法進行相應的中斷服務，的中斷服務程序如下：

INT0SUB:

PUSHA；/INT0的中斷服務程序

JBP1.0，ZD1；軟件查詢

JBP1.1，ZD2

JBP1.2，ZD3

JBP1.3，ZD4GOBACK:POPACC

RETI ；中斷返回

ZD1:…

；擴展中斷源1的中斷服務程序

LJMPGOBACK

ZD2:…

；擴展中斷源2的中斷服務程序

LJMPGOBACK

LJMPGOBACK

ZD3:… ；擴展中斷源3的中斷服務程序

LJMPGOBACK

ZD4:…

；擴展中斷源4的中斷服務程序LJMPGOBACK圖4.5多中斷源擴展4.2.1定時器/計數(shù)器的基本原理

1.定時器/計數(shù)器的特點

對于定時器/計數(shù)器來說，不管是獨立的定時器芯片還是單片機內(nèi)的定時器，大都具有以下特點：

(1)定時器/計數(shù)器有多種工作方式，可以是計數(shù)方式也可以是定時方式。

4.2定時器/計數(shù)器

(2)定時器/計數(shù)器的計數(shù)值是可變的，當然計數(shù)的最大值是有限的，這取決于計數(shù)器的位數(shù)。計數(shù)的最大值也就確定了作為定時器時的最大定時范圍。

(3)能夠在到達設定的定時或計數(shù)值時發(fā)出中斷申請，以便實現(xiàn)定時控制。

51單片機(51子系列)中的兩個16位定時器/計數(shù)器T0和T1，它們均可作為定時器或計數(shù)器使用，其原理如圖4.6所示。圖4.6定時器/計數(shù)器原理框圖

2.定時器/計數(shù)器工作原理

51單片機的定時器/計數(shù)器采用加法計數(shù)方式工作。兩個定時器/計數(shù)器T0和T1的內(nèi)部均有一個16位加法計數(shù)器(TH0，TL0和TH1，TL1)，用來完成加1計數(shù)。當加法計數(shù)器產(chǎn)生溢出時，硬件自動產(chǎn)生溢出中斷標志信號，可向CPU申請中斷。由于加法計數(shù)器的初值可以由程序設定，因此其計數(shù)/定時范圍就可利用軟件來編程。當處于計數(shù)方式時，定時器/計數(shù)器對加在T0(P3.4)、T1(P3.5)引腳的脈沖信號進行加1計數(shù)，我們可以通過設置不同的初值來控制計數(shù)次數(shù)。

當處于定時方式時，定時器/計數(shù)器對內(nèi)部機器周期Tc進行加1計數(shù)，因此其計數(shù)最小單位就是1個機器周期。例如，當我們的應用系統(tǒng)采用的時鐘頻率為12MHz時，其機器周期

Tc=1μs，其基本定時單位就是1μs。

在定時/計數(shù)過程中，可以用指令將加法計數(shù)器的值讀回CPU。4.2.2定時器/計數(shù)器的控制方式

1.定時器方式寄存器TMOD

TMOD稱為定時器方式寄存器，用來設置定時器/計數(shù)器的工作方式、是否需要門控信號等，其地址為89H。定時器/計數(shù)器T0、T1都有4種工作方式，可通過對方式寄存器TMOD設置來選擇工作方式。TMOD的低4位用于設置定時器/計數(shù)器T0的工作方式，高4位用于設置定時器/計數(shù)器1的工作方式，各位定義如圖4.7所示。

M1、M0：工作方式選擇位，其值與工作方式對應關系見表4.4。圖4.7

TMOD功能圖表4.4定時器/計數(shù)器工作方式

C/T:功能選擇位，當C/T=1時為計數(shù)方式；當C/T=0時為定時方式。

GATE：門控位，用于控制定時器/計數(shù)器的啟動是否受外部中斷請求信號的影響。

(1)對定時器/計數(shù)器0來講，當GATE=0時，只要定時器控制寄存器TCON中的軟件控制位TR0=1，就可啟動定時器T0，與外部中斷請求信號無關。如果GATE=1，必須使軟件控制位TR0=1，且為高電平方可啟動定時器T0。即定時器/計數(shù)器T0的啟動要受外部中斷請求信號的影響，只有在沒有外部中斷請求信號的情況下才允許啟動定時器T0。

(2)對定時器/計數(shù)器1來講，當GATE=0時，只要TR1=1即可啟動定時器T1，與外部中斷請求信號無關。如果GATE=1，必須使TR1=1，且為高電平方可啟動定時器T1。即定時器/計數(shù)器T1的啟動要受外部中斷請求信號的影響，只有在沒有外部中斷請求信號的情況下才允許啟動定時器T1。

注意：與其他寄存器(如TCON、IP、IE等)不同，定時器方式寄存器TMOD不能進行位尋址。只能用字節(jié)地址向TMOD中寫命令字來設置T1和T0的工作方式。復位時，TMOD所有位均清0。

2.定時器的控制寄存器TCON

定時器的控制寄存器TCON地址為88H，可以進行位尋址。用來控制定時器/計數(shù)器開始定時/計數(shù)、設置中斷及中斷響應等。TCON控制寄存器各位定義如下：

TF0(TF1)：定時器/計數(shù)器T0(T1)的中斷標志位。當T0(T1)計數(shù)溢出時，由硬件置位，在允許中斷的情況下，向CPU發(fā)出中斷請求信號，CPU響應中斷轉(zhuǎn)向中斷服務程序

時，由硬件自動將該位清零。

TR0(TR1)：T0(T1)的啟動控制位。當TR0(TR1)=1時，可啟動T0(T1)；當TR0(TR1)=0時，關閉T0(T1)。該位由軟件進行設置，一般情況下，在定時器/計數(shù)器初始化完成后，設

置為不需門控時，用指令將該位置為1即可啟動T0(T1)。

IE0(IE1)：外部中斷0(外部中斷1)請求標志位。

IT0(IT1)：外部中斷0(外部中斷1)觸發(fā)方式選擇位。4.2.3定時器/計數(shù)器的工作方式

1.工作方式1

將方式寄存器TMOD的方式選擇位M1M0設置為01時，定時器/計數(shù)器設定為方式1，由TH0和TL0(或TH1和TL1)構成了16位的計數(shù)器。圖4.8給出了定時器T0在方式1時的工作原理框圖，T1在方式1時的工作原理與此類似。圖4.8定時器/計數(shù)器0方式1的邏輯結(jié)構如果C/T=1，圖4.8中開關S1自動地接在下面，定時器/計數(shù)器工作在計數(shù)狀態(tài)，TH0、TL0構成了一個16位的加法計數(shù)器，它對T0(P3.4)引腳上的外部脈沖計數(shù)。當計數(shù)到全1(FFFFH)，再來一個外部脈沖便計數(shù)到0，計數(shù)器溢出使TF0=1，以此作為定時器/計數(shù)器的中斷標志向CPU請求中斷。在方式1下，計數(shù)長度為16位二進制數(shù)，最大計數(shù)值M=216=65536。如果要讓計數(shù)器計數(shù)N次，則事先應向計數(shù)器中寫入的計數(shù)初值X為計數(shù)初值X=最大計數(shù)值M-計數(shù)次數(shù)

N=216－N=65536－N

(4.1)在式(4.1)中，M是計數(shù)器的最大計數(shù)值，N為計次數(shù)，X是應寫入TH0、TL0的計數(shù)初值。例如，讓計數(shù)器計數(shù)5次，計數(shù)次數(shù)N=5，則計數(shù)初值X為

計數(shù)初值X=216－N=65536－5=65531=FFFBH

此例中應向TH0寫入FFH、向TL0寫入FBH才可實現(xiàn)5次計數(shù)。

當計數(shù)初值X=65535(FFFFH)時，只計數(shù)1次便產(chǎn)生溢出中斷，所以65535是方式1時的最小計數(shù)初值；X=0時，計數(shù)器從1計數(shù)到65536，計數(shù)器溢出請求中斷，所以0是方式1時的最大計數(shù)初值，最大計數(shù)次數(shù)N=65536。

CPU在每個機器周期的S5P2期間采樣T0(P3.4)引腳的輸入信號，若一個機器周期的采樣值為1，下一個機器周期的采樣值為0，則計數(shù)器加1。由于識別一個高電平到低

電平的跳變需兩個機器周期2Tc，因此外部計數(shù)脈沖的頻率應低于1／(2Tc)＝fosc/24，且高電平與低電平的延續(xù)時間均不得小于1個機器周期。

C/T=0時為定時器方式，圖4.8中開關S1接在上面，加法計數(shù)器對機器周期Tc計數(shù)，每個機器周期計數(shù)器加1。根據(jù)計數(shù)次數(shù)N便可計算出定時時間，定時時間由下式確定：

T=N×Tc=(65536－X)Tc

(4.2)式中Tc為單片機的機器周期。如果振蕩頻率fosc=12MHz，則Tc=1μs，定時范圍為1～65536μs。

定時器/計數(shù)器0的啟動或停止受3個條件的制約：控制寄存器TCON中的TR0位、門控位GATE及外部中斷請求信號INT0。當GATE=0時，只要用軟件置TR0=1，圖4.8中開關S2閉合，定時器/計數(shù)器就開始工作；當置TR0=0時，第二個開關分開，定時器/計數(shù)器停止工作。所以把TR0稱為定時器/計數(shù)器0的啟動控制位。

GATE=1為門控方式。此時，僅當TR0=1且T0(P3.4)引腳上出現(xiàn)高電平(即無外部中斷請求信號)時，開關S2才閉合，定時器/計數(shù)器開始工作。如果引腳上出現(xiàn)低電平(即有外部中斷請求信號)，則停止工作。所以，門控方式下，定時器/計數(shù)器的啟動受外部中斷請求的影響，常用來測量引腳上出現(xiàn)正脈沖的寬度。

2.工作方式0

將方式寄存器TMOD的方式選擇位M1M0設置為00時，定時器/計數(shù)器設定為工作方式0，由TH的8位和TL的低5位構成了13位的計數(shù)器。圖4.9給出了定時器T1在方式0時的工作原理框圖，定時器T0在方式0時的工作原理與此類似。圖4.9定時器/計數(shù)器1方式0的邏輯結(jié)構如果C/T=1，定時器/計數(shù)器1工作在計數(shù)狀態(tài)，則由TH1、TL1構成的13位加法計數(shù)器對T1(P3.5)引腳上的外部脈沖計數(shù)。當計數(shù)到全1(即8191或1FFFH)，再來一個外部脈沖便計數(shù)到0，計數(shù)器溢出使TF1=1，以此作為定時器/計數(shù)器的中斷標志。

在方式0下，計數(shù)長度為13位二進制數(shù)，最大計數(shù)值M=213=8192。如果要讓計數(shù)器計數(shù)N次，則應向計數(shù)器中寫入的計數(shù)初值X為

計數(shù)初值X=最大計數(shù)值M-計數(shù)次數(shù)N

=213－N=8192－N(4.3)例如，設置計數(shù)器計數(shù)1000次，計數(shù)次數(shù)N=1000，則計數(shù)初值X為

計數(shù)初值X=213－N=8192－1000=7192

=11100000，11000B

但應注意，上述13位計數(shù)初值的高8位寫入TH1，而13位計數(shù)初值的低5位二進制數(shù)前面要加3個0，湊成8位二進制數(shù)后寫入TL1。此例中應向TH1寫入的數(shù)據(jù)是：

11100000B(E0H)，向TL1寫入的數(shù)據(jù)是：00011000B(18H)，即計數(shù)初值X=E018H。

在方式0下，X=8191時是最小計數(shù)初值；X=0時，計數(shù)器從1計數(shù)到8192，X=0是方式0時的最大計數(shù)初值，最大計數(shù)次數(shù)N=8192。如果C/T=0，為定時器方式，加法計數(shù)器對機器周期Tc計數(shù)，每個機器周期計數(shù)器加1。根據(jù)計數(shù)次數(shù)N便可計算出定時時間，定時時間由下式確定：

T=N×Tc=(8192－X)Tc

(4.4)

式中Tc為單片機的機器周期。如果振蕩頻率fosc=12MHz，則Tc=1μs，定時范圍為1～8192μs。

定時器/計數(shù)器1的啟動或停止受3個條件的制約：控制寄存器TCON中的TR1位、門控位GATE及外部中斷請求信號。

3.工作方式2

將方式寄存器TMOD的方式選擇位M1M0設置為10時，定時器/計數(shù)器設定為工作方式2，作為自動重新裝入初值的8位定時器/計數(shù)器工作方式，通常用作為方波發(fā)生器。

方式0和方式1都必須在每次定時/計數(shù)結(jié)束后重新裝入初值，而方式2是一種自動裝入初值的工作方式。方式2在程序初始化時，TL0和TH0由軟件賦予相同的計數(shù)初值。

TL0用作加1計數(shù)，TH0用來保存初值，一旦TL0計數(shù)溢出，TF0將被置位，同時，TH0中的初值會自動重新裝入TL0，從而進入新一輪計數(shù)，如此循環(huán)。用方式2來產(chǎn)生方波

非常方便，通常被用來作為串行通信口的波特率發(fā)生器，其內(nèi)部結(jié)構如圖4.10所示。

圖中以T0為描述對象，T1的工作原理與此類似。圖4.10定時器/計數(shù)器0方式2的邏輯結(jié)構在工作方式2時，計數(shù)范圍為1～256。計數(shù)器的計數(shù)初值和定時時間分別由下式確定：

計數(shù)初值X=最大計數(shù)值M-計數(shù)次數(shù)N

=28－N=256－N(4.5)

T=N×Tc=(256-X)Tc(4.6)4.工作方式3

將方式寄存器TMOD的方式選擇位M1M0設置為11時，定時器/計數(shù)器設定為工作方式3，其邏輯結(jié)構如圖4.11所示。圖4.11定時器/計數(shù)器0方式3的邏輯結(jié)構在工作方式3時，定時器T0被分解成兩個獨立的8位計數(shù)器TL0和TH0。其中，TL0占用原定時器T0的控制位和中斷標志位：GATE、TR0和TF0，也占用原定時器0的引腳T0(P3.4)

和INT0(P3.2)。除計數(shù)位數(shù)不同于方式0、方式1外，其功能、操作與方式0、方式1完全相同，可定時亦可計數(shù)。TH0占用原T1的控制位TF1和TR1，同時還占用了定時器1的中斷源，其啟動和關閉僅受TR1置1或清0控制。此時，TH0只能對機器周期進行計數(shù)，因此，TH0只能用作簡單的內(nèi)部定時，不能用作對外部脈沖計數(shù)，它是定時器0附加的一個8位定時器。在工作方式3時，計數(shù)范圍為1～256。計數(shù)初值和定時時間分別由式(4.5)和式(4.6)確定。

定時器1無工作方式3。當定時器0工作于方式3時，定時器1可設置為方式0、方式1或方式2，但由于TR1、TF1及T1的中斷源已被定時器0占用，此時，定時器T1只能用于不需要中斷的場合，如T1常常用作串行口波特率發(fā)生器。

通常情況下，也只有T1作為串行口波特率發(fā)生器使用時，為了充分利用單片機資源，才將T0設置為方式3使用。4.2.4定時器/計數(shù)器的應用

由于定時器/計數(shù)器的功能是由軟件編程實現(xiàn)的，因此一般在使用定時器/計數(shù)器前都要對其進行初始化。所謂初始化，實際上就是確定相關寄存器的值。初始化步驟如下：

(1)確定工作方式——對TMOD賦值。

根據(jù)任務性質(zhì)明確工作方式及類型，從而確定TMOD寄存器的值。例如，要求定時器/計數(shù)器T0完成16位定時功能，TMOD的值就應為01H，用指令

MOVTMOD，＃01H

即可完成工作方式的設定。

(2)預置定時器/計數(shù)器的計數(shù)初值——寫入計數(shù)初值。

依據(jù)以上確定的工作方式和要求的計數(shù)次數(shù)，由算式(4.1)～(4.6)計算出相應的計數(shù)初值。直接將計數(shù)初值寫入TH0、TL0或TH1、TL1。

(3)根據(jù)需要開放定時器/計數(shù)器中斷——直接對IE寄存器賦值。

(4)啟動定時/計數(shù)器工作——將TR0或TR1置“1”。

GATE=0時，直接由軟件置位啟動；GATE=1時，除軟件置位外，還必須在外中斷引腳處加上相應的電平值才能啟動。4.2.5應用實例

在工程應用中，常常會遇到要求系統(tǒng)定時或?qū)ν獠渴录嫈?shù)等類似問題，若用CPU直接進行定時或計數(shù)不但降低了CPU的效率，而且會無法響應實時事件。靈活運用定時器/計數(shù)器不但可減輕CPU的負擔，簡化外圍電路，而且可以提高系統(tǒng)的實時性，能快速響應和處理外部事件。

例4.2.1

方式0的應用。設單片機晶振頻率為12MHz，利用定時器/計數(shù)器T0，在P1.0引腳輸出周期為2ms的方波。解2ms的方波可由間隔1ms的高低電平相間而成，因而只要每1ms對P1.0取反一次即可得到這個方波，如圖4.12所示?？蛇x用定時器/計數(shù)器T0工作為定時方式來實現(xiàn)1ms的定時。定時器工作在定時方式時，計數(shù)器對機器周期Tc計數(shù)，每個機器周期計數(shù)器加1。因為單片機晶振頻率為12MHz，所以機器周期為

Tc=12×振蕩周期=12÷fosc=1μs要實現(xiàn)1ms的定時，定時器0在1ms內(nèi)需要計數(shù)N次:

N=1ms÷1μs=1000次

設定時器0工作在方式0，則計數(shù)初值X為

X=最大計數(shù)值M-計數(shù)次數(shù)N=213－N

=8192－1000=7192=1110000011000B圖4.12

2ms方波

13位的計數(shù)初值的高8位寫入TH0，低5位二進制數(shù)前要加3個0，湊成8位二進制數(shù)后寫入TL0。即向TH0寫入的數(shù)據(jù)是：11100000B(E0H)，向TL0寫入的數(shù)據(jù)是：

00011000B(18H)。

TMOD初始化:TMOD=00000000B=00H，(GATE=0，C/T=0，M1=0，M0=0)TCON初始化:TR0=1，啟動T0

IE初始化:開放中斷，EA=1；允許定時器T0中斷，ET0=1程序如下:

ORG0000H

LJMPSTART ；復位入口

ORG000BH

LJMPT0INT ；T0中斷入口

ORG0040H

START: MOVSP，＃60H；初始化程序

MOVTH0，＃0E0H ；T0賦初值

MOVTL0，＃18H

MOVTMOD，＃00H；T0為方式0定時。注，

；不能對TMOD位操作

SETBTR0 ；啟動T0SETBET0 ；開T0中斷

SETBEA ；開總允許中斷

SJMP$ ；等待中斷

T0INT:MOVTL0，＃0E0H；T0中斷服務子程序，T0賦初

；值，再次啟動T0

MOVTH0，＃18H

CPLP1.0 ；輸出周期為2ms的方波

RETI ；中斷返回

注意：T0溢出時中斷標志位TF0=1請求中斷，CPU響應中斷時，由硬件自動將該位清零。但在中斷服務程序中，必須重新寫入計數(shù)初值方可再次啟動定時器。

例4.2.2

軟件計數(shù)器的應用。設單片機時鐘頻率為12MHz，利用定時器/計數(shù)器T0在引腳P1.0和P1.1分別輸出周期為2ms和6ms的方波，如圖4.13所示。圖4.13輸出不同周期的方波

解在例4.2.1中，T0每1ms中斷一次，對P1.0取反一次得周期為2ms的方波。

讓例4.2.1中的主程序不變，只要對T0中斷服務子程序略加修改，使用片內(nèi)RAM的30H單元進行軟件計數(shù)，每計數(shù)(中斷)3次，對P1.1取反一次可得到周期為6ms的方波。

修改后的T0中斷服務子程序如下(設30H單元的初值為0)：

T0INT:MOVTL0，＃0E0H；T0中斷服務子程序，T0

；賦初值，再次啟動T0 MOVTH0，＃18H

CPLP1.0 ；輸出周期為2ms的方波

INC30H ；每1ms軟件計數(shù)值加1

MOVA，30H

CJNEA，#03，RETURN

CPLP1.1；每3ms對P1.1取反一次

MOV30H，00H ；軟件計數(shù)初值為0

RETURN:RETI ；中斷返回

例4.2.3

方式1的應用。設單片機晶振頻率為12MHz，用定時器/計數(shù)器0控制在P1.0引腳輸出周期為20ms的方波。解20ms的方波可由間隔10ms的高低電平相間而成，只要每10ms對P1.0取反一次即可得到這個方波。若單片機晶振頻率為12MHz，則機器周期為1μs。要實現(xiàn)10ms的定時，在10ms內(nèi)需要計數(shù)N次:

N=10ms÷1μs=10000次定時器工作在方式0時，其最大計數(shù)值M=213=8192，無法實現(xiàn)10ms的定時，即無法實現(xiàn)10000次的計數(shù)。所以，必須使定時器/計數(shù)器0工作在方式1下，此時計數(shù)初值X為

X=最大計數(shù)值M-計數(shù)次數(shù)N

=216－N=65536－10000=55536=D8F0H

即向TH0寫入計數(shù)初值D8H，向TL0寫入計數(shù)初值F0H。TMOD初始化:TMOD=00000001B=01H，(GATE=0，C/T=0，M1=0，M0=1)；

TCON初始化:TR0=1，啟動T0；

IE初始化:開放中斷EA=1，允許定時器T0中斷ET0=1。程序清單如下:

ORG0000H

LJMPSTART ；復位入口

ORG000BH

LJMPT0INT ；T0中斷入口

ORG0040H

START: MOVTH0，＃0D8H ；T0賦初值

MOVTL0，＃0F0H

MOVTMOD，＃01H ；T0為方式1定時

SETBTR0 ；啟動T0

SETBET0 ；開T0中斷

SETBEA ；開總允許中斷

MAIN:LJMPMAIN ；主程序等待中斷

T0INT:MOVTL0，＃0D8H；T0中斷服務子程序，T0

；賦初值，再次啟動T0

MOVTH0，#0F0H

CPLP1.0 ；輸出周期為20ms的方波RETI ；中斷返回圖4.14生產(chǎn)過程控制

例4.2.4

利用定時器/計數(shù)器對生產(chǎn)過程進行控制。圖4.14給出了一個生產(chǎn)過程的示意圖。當生產(chǎn)線上無工件傳送時，在光線的照射下，光敏管導通，T1為低電平；當工件通過光源時工件會遮擋光線，光敏管截止，T1為高電平。每傳送一個工件，T1端會出現(xiàn)一個正脈沖。利用定時器/計數(shù)器1對生產(chǎn)過程進行控制，每生產(chǎn)出10000個工件，使P1.7輸出一個正脈沖，用于啟動下一個工序。

解設置定時器/計數(shù)器1工作在方式1，對工件進行計數(shù)。計數(shù)次數(shù)N=10000，則計數(shù)初值X為

X=最大計數(shù)值M-計數(shù)次數(shù)N=216－N

=65536－10000=55536=D8F0H

初始化:TMOD=01010000B=50H(GATE=0，C/T=1，M1M==01)；

TCON初始化:TR1=1，啟動T1；

IE初始化:開放中斷EA=1，允許定時器T1中斷ET1=1。程序清單如下:

ORG0000H

LJMPSTART ；復位入口

ORG001BH

LJMPT1INT；T1中斷入口

ORG0040H

START: CLRP1.7 ；初始化P1.7=0

MOVTH1，＃0D8H ；T0賦初值

MOVTL1，＃0F0H

MOVTMOD，＃50H ；T1為方式1計數(shù) SETBTR1 ；啟動T1

SETBET1 ；開T1中斷

SETBEA ；開總允許中斷

MAIN:LJMPMAIN ；主程序等待中斷

T1INT:MOVTL1，＃0D8H；T1中斷服務子程序，T1賦初

；值，再次啟動T1

MOVTH1，#0F0H

SETBP1.7 ；使P1.7輸出正脈沖，啟動下一

；個工序NOP

CLRP1.7

RETI ；中斷返回圖4.15顯示電路

例4.2.5

方式2的應用。設單片機晶振頻率為12MHz，在P1.7引腳接有一個發(fā)光二極管(如圖4.15所示)，用定時器/計數(shù)器控制，使發(fā)光二極管亮1秒滅1秒，周而復始。

解由于定時間隔太長，用一個定時器/計數(shù)器無法直接實現(xiàn)1秒的定時?？墒苟〞r器工作在方式1，得到10ms的定時間隔，再進行軟件計數(shù)100次，便可實現(xiàn)1秒的定時，讀者可參照例4.2.3和例4.2.2來完成。在此，我們采用多個定時器/計數(shù)器復合使用的方法完成此題?？蓪⒍〞r器T0設定為10ms的定時間隔，當T0定時時間到時，把P1.0的輸出取反，再把P1.0的輸出信號加到定時器T1的計數(shù)脈沖的輸入端進行計數(shù)。只要T1計數(shù)50次，便可實現(xiàn)1s的定時：

(10ms+10ms)×50=1000ms=1s

因為T1的計數(shù)次數(shù)N=50，所以令定時器T1工作在方式2，計數(shù)器的計數(shù)初值由下式確定：

X=最大計數(shù)值M-計數(shù)次數(shù)N=28－N=256－50=206=CEH

即把CEH同時寫入TH1和TL1。

TMOD初始化:TMOD=01100001B=61H，T0為方式1定時，T1為方式2計數(shù)。

IE初始化:IE=10001010B，開放中斷EA=1，允許定時器T0中斷ET0=1，允許定時器T1中斷ET1=1。

中斷允許寄存器IE：程序清單如下:

ORG0000H

LJMPSTART ；復位入口

ORG000BH

LJMPT0INT ；T0中斷入口

ORG001BH

LJMPT1INT；T1中斷入口

ORG0040HSTART: MOVTH0，＃0D8H ；T0賦初值

MOVTL0，＃0F0H

MOVTH1，＃0CEH ；T1賦初值

MOVTL1，＃0CEH

MOVTMOD，＃61H；T0為方式1定時，T1為

；方式2計數(shù)

SETBTR0 ；啟動T0

SETBTR1 ；啟動T1

SETBET0 ；開T0中斷

SETBET1 ；開T1中斷 SETBEA ；開總允許中斷

MAIN:LJMPMAIN ；主程序等待中斷

T0INT:MOVTL0，＃0D8H；T0中斷服務子程序，T0賦初值，再次啟動T0

MOVTH0，#0F0H

CPLP1.0 ；P1.0輸出周期為20ms的方波

RETI [DW3]；中斷返回

T1INT:CPLP1.0 ；T1中斷服務子程序

[DW3]；P1.7使發(fā)光二極管亮1秒滅1秒，周而復始

RETI [DW3]；中