MCS-51系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)的軟擴(kuò)展

    摘要：鑒于MCS-51系統(tǒng)只提供“二級(jí)中斷嵌套”，提出擴(kuò)展51系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)的純軟件方法。其利用51系統(tǒng)內(nèi)建的中斷允許寄存器IE和中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP，通過(guò)屏蔽字機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)；以C51的形式，給出這種擴(kuò)展方法的函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，為該方法的使用賦予友好、簡(jiǎn)潔的用戶接口。

    關(guān)鍵詞：MCS-51單片機(jī) 中斷優(yōu)先級(jí) 軟擴(kuò)展 C51

引言

眾所周知，MCS-51系統(tǒng)只提供“二級(jí)中斷嵌套”，而大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)希望有多于兩級(jí)的優(yōu)先級(jí)別。因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，系統(tǒng)都有掉電中斷，且應(yīng)置為最高優(yōu)先級(jí)，這樣所有其它中斷只能共用一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)，如此，往往不能滿足實(shí)際的邏輯需求。為了使系統(tǒng)具有多于兩級(jí)的中斷優(yōu)先級(jí)別，可以利用8259A之類的中斷控制芯片實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級(jí)的硬擴(kuò)展，但卻增加了系統(tǒng)的造價(jià)和復(fù)雜性。因復(fù)雜性的提高，系統(tǒng)的可靠性將受到影響。本文提出一種擴(kuò)展MCS-51系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)的純軟件方法，不需增加任何硬件，且所需的額外資源消耗也很小。實(shí)際應(yīng)用表明這種方法是可行的和有效的。

1 MCS-51的中斷系統(tǒng)簡(jiǎn)介

MCS-51系列單片機(jī)允許有五個(gè)中斷源，提供兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，可實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套。這兩級(jí)優(yōu)先級(jí)遵循下述規(guī)則：僅高優(yōu)先級(jí)中斷源可中斷嵌套低優(yōu)先級(jí)中斷源。為實(shí)現(xiàn)這一規(guī)則，中斷系統(tǒng)內(nèi)部包含兩個(gè)不可尋址的優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器。當(dāng)特定優(yōu)先級(jí)的某中斷源被響應(yīng)時(shí)，相應(yīng)的觸發(fā)器即被置位，直到執(zhí)行了RETI指令后，這個(gè)觸發(fā)器才復(fù)位。在此期間，同級(jí)和低級(jí)中斷將被防止。中斷源的中斷請(qǐng)求能否得到響應(yīng)，受中斷允許寄存器IE的控制。每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)可通過(guò)對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP編程來(lái)設(shè)定：或最低，或最高。同一優(yōu)先級(jí)中的各中斷源同時(shí)請(qǐng)求中斷時(shí)，由內(nèi)部查詢邏輯確定響應(yīng)次序。查詢次序依次為：外部中斷0（X0）、定時(shí)器中斷0（T0）、外部中斷1（X1）、定時(shí)器中斷1（T1）、串口中斷（S）。如果當(dāng)前指令是RETI或是對(duì)IE、IP操作的指令，將封裝CPU對(duì)中斷的響應(yīng)，且必須再執(zhí)行完一條指令之后才會(huì)響應(yīng)中斷。

2 中斷優(yōu)先級(jí)軟擴(kuò)展的方法

首先，給出軟擴(kuò)展的第一種方法，并分析其特點(diǎn)，指出其存在的缺陷。然后，基于對(duì)方法一的不足之處，給出不斷完善的方法二、方法三。其中方法二是對(duì)方法一的完善，方法三是對(duì)方法二的完善，并最終解決了方法一、二中的缺陷，實(shí)現(xiàn)了真正的中斷優(yōu)先級(jí)的軟擴(kuò)展。

2.1 方法一

此法僅使用和系統(tǒng)的中斷允許寄存器IE，通過(guò)中斷屏蔽字機(jī)制，以使不同的中斷源具有不同的邏輯中斷優(yōu)先級(jí)（下文中的“優(yōu)先級(jí)”如不加說(shuō)明即指“邏輯中斷優(yōu)先級(jí)”）。

不失一般性，不妨令8051系統(tǒng)的五個(gè)中斷源——外中斷0（X0）、定時(shí)器中斷0（T0）、外中斷1(X1)、定時(shí)器中斷1（T1）及串口中斷（S），有如表1所列的優(yōu)先級(jí)。（實(shí)際應(yīng)用中，視具體情況，賦予不同中斷源以適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí)。）

其中，“0”代表最高優(yōu)先級(jí)，“4”代表最低優(yōu)先級(jí)。

首先，給設(shè)定了優(yōu)先級(jí)的諸中斷源賦以二級(jí)“物理中斷優(yōu)先級(jí)”：將優(yōu)先級(jí)最高的中斷源（X1）在中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP中的相應(yīng)位（PX1）置1，而令I(lǐng)P中的其它相關(guān)位（PT1、PT0、PS、PX0）為0。

其次，給設(shè)定了優(yōu)先級(jí)的各中斷源分配適當(dāng)?shù)摹爸袛嗥帘巫帧?。其基本思想是屏蔽同?jí)和低級(jí)中斷。具體分配過(guò)程如下：優(yōu)先級(jí)為k(0≤k≤N-1，N為中斷源數(shù)量)的中斷源的“中斷屏蔽字”為：優(yōu)先級(jí)為x(x∈[k,N-1]，即同級(jí)和低級(jí))的中斷源在IE中的對(duì)應(yīng)位置0，優(yōu)先級(jí)為y(y∈[0,k-1]，即高級(jí))的中斷源在IE中的相應(yīng)位置1而得的位組字節(jié)。當(dāng)然，IE的EA位（CPU中斷允許標(biāo)志位）始終為1.

對(duì)于表1所列的中斷優(yōu)先級(jí)分配情況，各中斷源的“中斷屏蔽字”配置如表2所列。

表1 中斷源的優(yōu)先級(jí)分配表

最后，給各中斷源的ISR（Interrupt Routine，中斷服務(wù)例程）加以如下所示的外殼（Assembly形式的）。不妨以定時(shí)器0（T0）為例：

CSEG AT 8×1+3

；定義絕對(duì)段，設(shè)置斷向量

JMP T0_ISR_SHELL

?PR?TO_ISR_SHELL?XX SEGMENT CODE ;聲明再定位段

T0_ISR_SHELL：

PUSH IE ；保存IE

MOV IE，#TO_INT_MASK

；設(shè)置當(dāng)前中斷屏蔽字

CALL ResetIntSys:復(fù)位中斷系統(tǒng)

CALL T0_ISR：調(diào)用中斷服務(wù)例程的主體

POP IE ；恢復(fù)IE

RET

這里，T0_ISR為定時(shí)器0（T0）的ISR的主體部分。其應(yīng)以一般函數(shù)的形式，用匯編或C編寫。ResetIntSys為僅含一條中斷返回指令（IRET）的函數(shù)，即ResetIntSys:RETI。其用于復(fù)位中斷系統(tǒng)，以使在相應(yīng)ISR執(zhí)行過(guò)程中，系統(tǒng)仍可響應(yīng)其它中端源提出的中斷請(qǐng)求，以便實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。這樣就達(dá)到了防止同級(jí)和低級(jí)優(yōu)先級(jí)中斷的目的。

高優(yōu)先級(jí)的中斷源可以提出中斷請(qǐng)求，但未必會(huì)被立即響應(yīng)。因?yàn)樵诋?dāng)前策略下，尚不能實(shí)現(xiàn)真正的“中斷嵌套”（即高優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)例程可中斷低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)例程而嵌套執(zhí)行），而僅有最高優(yōu)先級(jí)的中斷（X1）才可以實(shí)現(xiàn)這種真正的“中斷嵌套”。因?yàn)樵?051系統(tǒng)里，中斷能否嵌套僅取決于其相應(yīng)的“物理中斷優(yōu)先級(jí)”（各中斷源的物理中斷優(yōu)先級(jí)由中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP中的相應(yīng)位決定，且僅有二級(jí)）。下面分三種情況說(shuō)明方法一的特點(diǎn)和不足：

①當(dāng)外部中斷1(X1，其具有最高的邏輯中斷優(yōu)先級(jí)和最高的物理中斷優(yōu)先級(jí))提出中斷請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)將立即響應(yīng)，而不管系統(tǒng)此時(shí)忙否。如果此時(shí) 系統(tǒng)正在執(zhí)行其它中斷的ISR，X1的ISR將以嵌套形式執(zhí)行，因?yàn)槠渌袛嗪吹奈锢碇袛鄡?yōu)先級(jí)都為最低（51系統(tǒng)僅有兩級(jí)物理優(yōu)先級(jí)：最高或最低）。

②當(dāng)定時(shí)器0（T0，其優(yōu)先級(jí)為2）的中斷請(qǐng)求正被響應(yīng)時(shí)，來(lái)自串口（S，其優(yōu)先級(jí)為3）和外部中斷0（X0，其優(yōu)先級(jí)為4）的中斷請(qǐng)求將被禁止；而只允許外部中斷1（X1，其優(yōu)先級(jí)為0）和定時(shí)器1（T1，其優(yōu)先級(jí)為1）提出中斷請(qǐng)求。如果是X1提出中斷請(qǐng)求，則X1的ISR將立即嵌套執(zhí)行；如果是T1提出，盡管其優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前中斷T0，但因其物理中斷優(yōu)先級(jí)與T0一樣（同為最低），故而將不會(huì)像X1那樣被系統(tǒng)立即響應(yīng)，并嵌套執(zhí)行，而只能等待，直到T0的中斷服務(wù)例程執(zhí)行完畢。

③如果在串口（S，其優(yōu)先級(jí)為3）中斷正被響應(yīng)過(guò)程中，定時(shí)器1（T1，其優(yōu)先級(jí)為1）與定時(shí)器0（T0，其優(yōu)先級(jí)為2）分別提出中斷請(qǐng)求。由于它們有高于S的優(yōu)先級(jí)，所以系統(tǒng)允許它們提出中斷請(qǐng)求；但因其物理優(yōu)先級(jí)與S一樣，故而直到S的中斷服務(wù)例程執(zhí)行完畢，系統(tǒng)才會(huì)受理T1與T0的中斷請(qǐng)求。邏輯上，由于T1具有高于T0的優(yōu)先級(jí)，所以T1應(yīng)先為系統(tǒng)響應(yīng)。但因物理優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，中斷請(qǐng)求的響應(yīng)次序取決于內(nèi)部查詢順序，而T0先于T1，所以實(shí)際上T0先 系統(tǒng)響應(yīng)，即出現(xiàn)了“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”的問(wèn)題。

可見，方法一雖然可以部分地達(dá)到“擴(kuò)充中斷優(yōu)先級(jí)”的目的，但其存在兩個(gè)問(wèn)題：

*某些高優(yōu)先級(jí)中斷不能中斷嵌套低優(yōu)先級(jí)中斷；

*會(huì)出現(xiàn)“優(yōu)先級(jí)中反轉(zhuǎn)”。

方法二和方法三是針對(duì)方法一的這兩個(gè)不足而提出的，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)51系統(tǒng)的中斷優(yōu)先級(jí)的真正擴(kuò)展。

2.2 方法二

該方法是在方法一基礎(chǔ)上，為解決“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”的問(wèn)題，而實(shí)施的簡(jiǎn)單策略而得。

根據(jù)方法一中對(duì)“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”問(wèn)題的分析可知，出現(xiàn)該問(wèn)題的原因是：各中斷源的邏輯優(yōu)先級(jí)與其內(nèi)部查詢順序不一致。只要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，兼顧中斷源相關(guān)事件的緊迫程度與中斷源的內(nèi)部查詢邏輯：將最緊迫的事件（如掉電）賦以最高的優(yōu)先級(jí)0，并使其與系統(tǒng)中的最先被查詢的中斷源（外部中斷0）相關(guān)聯(lián)；使次緊迫的事件的優(yōu)先為1，并使之與系統(tǒng)內(nèi)第二個(gè)被查詢的中斷源（定時(shí)器0）相關(guān)聯(lián)，即51系統(tǒng)內(nèi)的各中斷源應(yīng)有表3所列的優(yōu)先級(jí)。

表3 中斷源的優(yōu)先級(jí)分配

如此，即可解決“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”的問(wèn)題。

2.3 方法三

本法是在方法一、二的基礎(chǔ)上，針對(duì)“某些高優(yōu)先級(jí)中斷不能中斷嵌套低優(yōu)級(jí)中斷”的問(wèn)題，引入相應(yīng)的策略，以實(shí)現(xiàn)對(duì)51系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)的“真正”擴(kuò)展。

3 優(yōu)先級(jí)軟擴(kuò)展的函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)

為了真正擴(kuò)展51系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)，各中斷源的優(yōu)先級(jí)、優(yōu)先級(jí)屏蔽字、中斷屏蔽字應(yīng)是確定的，如表3、4所列。C51編寫斷服務(wù)例程時(shí)，應(yīng)給出相應(yīng)的中斷源編號(hào)（中斷號(hào)）。特定中斷源有特定的中斷號(hào)，而此中斷號(hào)恰與各中斷應(yīng)有的優(yōu)先級(jí)一致。

本文用C51，以函數(shù)庫(kù)的形式實(shí)現(xiàn)方法三所述的策略，其包含兩個(gè)文件：ExtIntPri.H、ExtIntPri.C。須要指出，為使優(yōu)先級(jí)的設(shè)置和恢復(fù)具有原子性以防出現(xiàn)混亂，應(yīng)對(duì)SetPriority()和ResetPriority()作臨界處理，以使其不被“再入”訪問(wèn)。另外，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)棧作調(diào)整。如圖1所示，其中“1”代表SetPriority()所作的調(diào)整，其將IP、IE保存于系統(tǒng)棧中；“2”代表ResetPriority()所作的調(diào)整，其從系統(tǒng)棧中恢復(fù)IE、IP；“HAddr”、“LAddr”分別代表當(dāng)前函數(shù)返回地址的高位字節(jié)和低字節(jié)（棧中的地址是以小端字節(jié)序方式存儲(chǔ)，這是C51中唯一的例外，而所有其它多字節(jié)數(shù)據(jù)則皆以大端字節(jié)序方式存儲(chǔ)）。如果不這樣做，而是定義兩個(gè)全局變量來(lái)保存IE、IP，由于SetPriority（）和ResetPriority()都要訪問(wèn)這兩個(gè)全局變量，而這兩個(gè)函數(shù)又應(yīng)在ISR的開關(guān)和結(jié)尾處被分別調(diào)用，從而使ISR成為臨界區(qū)，而不可被其它ISR中斷，這將使優(yōu)先級(jí)的存在失去意義。

//ExtIntPri.H

extern void SetPriority(unsigned char);

extern void SetPriority(unsigned char);

extern void ResetPriority(void);

//ExtIntPri.C

#pragma src

#include "ExtIntPri.H"

#include

//靜態(tài)（局部）函數(shù)聲明

static void ResetIntSys(void);//僅含一條指令：RETI

//寬兩個(gè)宏用作“臨界區(qū)”的進(jìn)入?yún)^(qū)和退出區(qū)

#define ENTER_CRITICAL()EA=0//關(guān)中斷，以防臨界再入

#define EXIT_CRITICAL() EA=1

//中斷屏蔽字和優(yōu)先級(jí)屏蔽字的宏定義，如表3所列。

#define S_INT_MASK 0x8F//;1-01111B

//…

#define S_PRI_MASK 0x0F//;---01111B

//…

//先調(diào)整系統(tǒng)棧以保存IP、IE，其過(guò)程如圖1所示，再為給定中斷

//（prio也是中斷號(hào)）設(shè)置優(yōu)先級(jí)

void SetPriority(unsigned char prio){

ENTER_CRITICAL（）；//關(guān)中斷

#pragma asm

POP ACC //彈出返回地址的高位字節(jié)HAddr

POP B //彈出返回地址的低位字節(jié)Laddr

PUSH IP

PUSH IE //EA= =0

PUSH B //LAddr進(jìn)棧

PUSH ACC //HAddr進(jìn)制

#pragma endasm

switch(prio){

case 0:IP=X0_PRI_MASK;IE=X0_INT_MASK;

break;

//…

case4:IP=S_PRI_MASK;IE=S_INT_MASK;break;

}

ENTER_CRITICAL();//這里中斷被打開，故再關(guān)中斷

ResetIntSys();

EXIT_CRITICAL();//開中斷

}

//從系統(tǒng)棧中恢復(fù)IE、IP，其過(guò)程如圖1所示。該函數(shù)應(yīng)在退出ISP時(shí)調(diào)用

void ResetPriority(void){

ENTER_CRITICAL();

#pragma asm

POP ACC //彈出返回地址的高位字節(jié)HAddr

POP B //彈出返回地址的低位字節(jié)LAddr

POP IE //EA= =0

POP IP

PUSH B //LAddr進(jìn)棧

PUSH ACC //Haddr進(jìn)棧

#pragma endasm

EXIT_CRITICAL();//開中斷

}

//僅含一條指令：RETI，用以復(fù)位中斷系統(tǒng)，以便系統(tǒng)在ISR執(zhí)行過(guò)程中可響應(yīng)其它中斷

void ResetIntSys(void){

char code reti=0x32; //32H為RETI的機(jī)器碼

（（（void）(code*)(void)）(&reti)）();//將reti的地址強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為函數(shù)指針

}

使用時(shí)，只需將ExtIntPri.H頭文件用#include加入相應(yīng)源文件（當(dāng)然，應(yīng)將ExtIntPri.C的目標(biāo)文件<*.Obj>、庫(kù)文件<*.lib>或匯編源文件<*.src>加入當(dāng)前工程）。不妨以定時(shí)器0（T0）為例，其中斷號(hào)為1，故優(yōu)先級(jí)亦應(yīng)為1，如下所示：

////Test.C

#include "ExtIntPri.H"

//…

void T0_ISR(void)interrupt 1 using 2{

SetPriority(1);

//…

ResetPriority();

}

如此，T0即有了次最高優(yōu)先級(jí)——1。

結(jié)語(yǔ)

使用本文所述的“軟擴(kuò)展”方法，可以將MCS-51系統(tǒng)的中斷優(yōu)先級(jí)擴(kuò)展到5級(jí)。如果所用51系統(tǒng)的中斷源個(gè)數(shù)為N（N≤8），只須對(duì)上述方法稍作修改即可將其優(yōu)先級(jí)擴(kuò)展到N級(jí)。該方法不需增加任何硬件，且所需的額外資源消耗很小，使用也非常簡(jiǎn)單，不會(huì)給用戶增加編程負(fù)擔(dān)。實(shí)際應(yīng)用表明，這種方法是可行的和有效的。