?????定時/計數(shù)器的工作方式 ????MCS-51單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)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(gòu)成,定時器T1由特性功能寄存器TL1(低8位)和TH1(高8位)構(gòu)成。特殊功能寄存器TMOD控制定時寄存器的工作方式,TCON則用于控制定時器T0和T1的啟動和停止計數(shù),同時管理定時器T0和T1的溢出標志等。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(shù)。 ????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(shù)器的方式控制字TMOD,字節(jié)地址為89H,其格式如表1: |
??表1??TMOD寄存器結(jié)構(gòu) | |||||||||
D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | ||
GATA | M1 | M0 | GATA | M1 | M0 | ||||
←T1方式字段→ | ←T0方式字段→ |
????[2].?定時器控制積存器TCON,字節(jié)地址為88H,位地址為88H—8FH,其格式如表2: |
??表2??TCON結(jié)構(gòu) | |||||||||
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(jié)中予以介紹,需要注意的是,TCON的D0—D3位與中斷有關(guān),我們會在中斷的內(nèi)容中加以說明,MCS-51的定時/計數(shù)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(shù)器0的工作方式0電路邏輯結(jié)構(gòu)見圖2(定時/計數(shù)器1與其完全一致),工作方式0是13位計數(shù)結(jié)構(gòu)的工作方式,其計數(shù)器由TH的全部8位和TL的低5位構(gòu)成,TL的高3位沒有使用。當=0時,多路開關(guān)接通振蕩脈沖的12分頻輸出,13位計數(shù)器以次進行計數(shù)。這就是定時工作方式。當=1時,多路開關(guān)接通計數(shù)引腳(To),外部計數(shù)脈沖由銀南腳To輸入。當計數(shù)脈沖發(fā)生負跳變時,計數(shù)器加1,這就是我們常稱的計數(shù)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(shù)器溢出時,則會向計數(shù)器溢出標志位TF0進位。 ????我們討論門控位GATA的功能,GATA位的狀態(tài)決定定時器運行控制取決于TR0的一個條件還是TR0和INT0引腳這兩個條件。當GATA=1時,由于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(guān),使計數(shù)器進行加法計數(shù),即定時/計數(shù)工作。而TR0=0,則斷開模擬開關(guān),停止計數(shù),定時/計數(shù)不能工作。 ????當GATA=0時,與門的輸出端由TR0和INT0電平的狀態(tài)確定,此時如果TR0=1,INT0=1與門輸出為1,允許定時/計數(shù)器計數(shù),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(shù)器的運行控制位,由軟件置位或清“0”。 ????如上所述,TF0是定時/計數(shù)器的溢出狀態(tài)標志,溢出時由硬件置位,TF0溢出中斷被CPU響應(yīng)時,轉(zhuǎn)入中斷時硬件清“0”,TF0也可由程序查詢和清“0”。 ????在工作方式下,計數(shù)器的計數(shù)值范圍是: ??????????1—8192(213) ????當為定時工作方式時,定時時間的計算公式為: ?????????(213—計數(shù)初值)╳晶振周期╳12 ????或???(213—計數(shù)初值)╳機器周期 ????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—1)]╳1/6╳10-6╳12=2╳10-6(s)=2(us) ????????(213—0)╳1/6╳10-6╳12=16384╳10-6(s)=16384(us)。 ?????工作方式1 ????當M1,M0=01時,定時/計數(shù)器處于工作方式1,此時,定時/及數(shù)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(qū)別僅在于計數(shù)器的位數(shù)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(guān)控制狀態(tài)字(GATA、、TF0、TR0)和方式0相同。 ????在工作方式1下,計數(shù)器的計數(shù)值范圍是: ??????????1—65536(216) ????當為定時工作方式1時,定時時間的計算公式為: ?????????(216—計數(shù)初值)╳晶振周期╳12 ????或???(216—計數(shù)初值)╳機器周期 ????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—1)]╳1/6╳10-6╳12=2╳10-6(s)=2(us) ????????(216—0)╳1/6╳10-6╳12=131072╳10-6(s)=131072(us)。 |
????當M1M0=10時,定時/計數(shù)器處于工作方式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(shù)器0為例,定時/計數(shù)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(shù)溢出后,計數(shù)器為全0,因而循環(huán)定時或循環(huán)計數(shù)應(yīng)用時就存在反復(fù)設(shè)置初值的問題,這給程序設(shè)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(shè)置,它具有自動重裝載功能,即自動加載計數(shù)初值,所以也有的文獻稱之為自動重加載工作方式。在這種工作方式中,16位計數(shù)器分為兩部分,即以TL0為計數(shù)器,以TH0作為預(yù)置寄存器,初始化時把計數(shù)初值分別加載至TL0和TH0中,當計數(shù)溢出時,不再象方式0和方式1那樣需要“人工干預(yù)”,由軟件重新賦值,而是由預(yù)置寄存器TH以硬件方法自動給計數(shù)器TL0重新加載。 ????程序初始化時,給TL0和TH0同時賦以初值,當TL0計數(shù)溢出時,置位TF0的同時把預(yù)置寄存器TH0中的初值加載給TL0,TL0重新計數(shù)。如此反復(fù),這樣省去了程序不斷需給計數(shù)器賦值的麻煩,而且計數(shù)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(shù)結(jié)構(gòu)只有8位,計數(shù)值有限,最大只能到255。所以這種工作方式很適合于那些重復(fù)計數(shù)的應(yīng)用場合。例如我們可以通過這樣的計數(shù)方式產(chǎn)生中斷,從而產(chǎn)生一個固定頻率的脈沖。也可以當作串行數(shù)據(jù)通信的波特率發(fā)送器使用。 ?????工作方式3 ????當M1M0=11時,定時/計數(shù)器處于工作方式3,此時,定時/及數(shù)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(shù)器1的工作方式與之不同,下面我們分別討論。 |
????在工作方式3模式下,定時/計數(shù)器0被拆成兩個獨立的8位計數(shù)器TL0和TH0。其中TL0既可以作計數(shù)器使用,也可以作為定時器使用,定時/計數(shù)器0的各控制位和引腳信號全歸它使用。其功能和操作與方式0或方式1完全相同。TH0就沒有那么多“資源”可利用了,只能作為簡單的定時器使用,而且由于定時/計數(shù)器0的控制位已被TL0占用,因此只能借用定時/計數(shù)器1的控制位TR1和TF1,也就是以計數(shù)溢出去置位TF1,TR1則負責控制TH0定時的啟動和停止。等效電路參見圖6。 ????由于TL0既能作定時器也能作計數(shù)器使用,而TH0只能作定時器使用而不能作計數(shù)器使用,因此在方式3模式下,定時/計數(shù)器0可以構(gòu)成二個定時器或者一個定時器和一個計數(shù)器。 ????如果定時/計數(shù)器0工作于工作方式3,那么定時/計數(shù)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(shù)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(shù)器1通常作為串行口的波特率發(fā)生器使用,以確定串行通信的速率,因為已沒有TF1被定時/計數(shù)器0借用了,只能把計數(shù)溢出直接送給串行口。當作波特率發(fā)生器使用時,只需設(shè)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(shè)置為方式3的方式控制字即可,這是因為定時/計數(shù)器本身就不能工作在方式3,如硬把它設(shè)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(xiàn)象,類似的情況還有很多,從編譯資料到接電話是第一次中斷,通電話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(xiàn)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(wù)后,回頭處理第一個中斷,第一個中斷完成后,再繼續(xù)你原先的主要工作。
????為什么會出現(xiàn)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(nèi),可能會面對著兩、三甚至更多的任務(wù)。但一個人又不可能在同一時間去完成多樣任務(wù),因此你只能采分析任務(wù)的輕重緩急,采用中斷的方法穿插去完成它們。那么這種情況對于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(nèi)可能會面臨著處理很多任務(wù)的情況,如運行主程序、數(shù)據(jù)的輸入和輸出,定時/和計數(shù)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(wù)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(wù)的處理方式,由于資源有限,面對多項任務(wù)同時要處理時,就會出現(xiàn)資源競爭的現(xiàn)象。中斷技術(shù)就是為了解決資源競爭的一個可行的方法,采用中斷技術(shù)可使多項任務(wù)共享一個資源,所以有些文獻也稱中斷技術(shù)是一種資源共享技術(shù)。
????[1].MCS-51的中斷結(jié)構(gòu) |
????計算機的中斷系統(tǒng)能夠加強CPU對多任務(wù)事件的處理能力。從而使它的應(yīng)用范圍進一步擴大。在MCS-48結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,MCS-51在增強了I/O的種類、功能和數(shù)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(yōu)先級控制,可實現(xiàn)兩個中斷服務(wù)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(guān)斷,只有打開相應(yīng)的中斷控制位后,方可接收相應(yīng)的中斷請求。程序設(shè)置中斷的允許或屏蔽,也可設(shè)置中斷的優(yōu)先級。 ????[2].中斷處理流程 ????CPU響應(yīng)中斷請求后,就立即轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)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(xiàn)場保護和現(xiàn)場恢復(fù) ????中斷是在執(zhí)行其它任務(wù)的過程中轉(zhuǎn)去執(zhí)行臨時的任務(wù),為了在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后,回頭執(zhí)行原先的程序時,知道程序原來在何處打斷的,各有關(guān)寄存器的內(nèi)容如何,就必須在轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序前,將這些內(nèi)容和狀態(tài)進行備份——即保護現(xiàn)場。就象文章開頭舉的例子,在看書時,電話玲響需傳去接電話時,必須在書本上做個記號,以便在接完電話后回來看書時,知道從哪些內(nèi)容繼續(xù)往下看。計算機的中斷處理方法也如此,中斷開始前需將個有關(guān)寄存器的內(nèi)容壓入堆棧進行保存,以便在恢復(fù)原來程序時使用。 ????中斷服務(wù)程序完成后,繼續(xù)執(zhí)行原先的程序,就需把保存的現(xiàn)場內(nèi)容從堆棧中彈出,恢復(fù)積存器和存儲單元的原有內(nèi)容,這就是現(xiàn)場恢復(fù)。 ????如果在執(zhí)行中斷服務(wù)時不是按上述方法進行現(xiàn)場保護和恢復(fù)現(xiàn)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(guān)閉 ????在中斷處理進行過程中,可能又有新的中斷請求到來,這里規(guī)定,現(xiàn)場保護和現(xiàn)場恢復(fù)的操作是不允許打擾的,否則保護和恢復(fù)的過程就可能使數(shù)據(jù)出錯,為此在進行現(xiàn)場保護和現(xiàn)場恢復(fù)的過程中,必須關(guān)閉總中斷,屏蔽其它所有的中斷,待這個操作完成后再打開總中斷,以便實現(xiàn)中斷嵌套。 ?????中斷服務(wù)程序 ????既然有中斷產(chǎn)生,就必然有其具體的需執(zhí)行的任務(wù),中斷服務(wù)程序就是執(zhí)行中斷處理的具體內(nèi)容,一般以子程序的形式出現(xiàn),所有的中斷都要轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序,進行中斷服務(wù)。 ?????中斷返回 ????執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后,必然要返回,中斷返回就是被程序運行從中斷服務(wù)程序轉(zhuǎn)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(xiàn)的,自然這條指令是中斷服務(wù)程序的最后一條指令。 ????[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(nèi)定時/計數(shù)器溢出中斷TF0和TF1,一個是片內(nèi)串行口中斷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(jié),我們已對TCON的控制位進行了說明,現(xiàn)在繼續(xù)對它的中斷控制有關(guān)的位進行談?wù)?。TCON寄存器的結(jié)構(gòu)如下: |
??表1??TCON寄存器結(jié)構(gòu) | |||||||||
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:外部邊沿觸發(fā)中斷1請求標志,其功能和操作類似于TF0。 ????·?IT1:外部中斷1類型控制位,通過軟件設(shè)置或清楚,用于控制外中斷的觸發(fā)信號類型。IT1=1,邊沿觸發(fā)。IT=0是電平觸發(fā)。 ????·?IE0:外部邊沿觸發(fā)中斷0請求標志,其功能和操作類似于IE1。 ????·?IT0:外部中斷0類型控制位,通過軟件設(shè)置或清楚,用于控制外中斷的觸發(fā)信號類型。其功能和操作類似于IE1。 ????SCON是串行口控制寄存器,字節(jié)地址為98H,SCON的低二位是串行口的發(fā)送和接收中斷標志,其格式如下: |
??表2??SCON寄存器結(jié)構(gòu) | |||||||||
SCON | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | |
- | - | - | - | - | - | TI | RI | ||
位地址 | ? | ? | ? | ? | ? | ? | 99H | 98H |
????·?TI:MCS-51串行口的發(fā)送中斷標志,在串行口以方式0發(fā)送時,每當發(fā)送完8位數(shù)據(jù),由硬件置位。如果以方式1、方式2或方式3發(fā)送時,在發(fā)送停止位的開始時TI被置1,TI=1表示串行發(fā)送器正向CPU發(fā)出中斷請求,向串行口的數(shù)據(jù)緩沖器SBUF寫入一個數(shù)據(jù)后就立即啟動發(fā)送器繼續(xù)發(fā)送。但是CPU響應(yīng)中斷請求后,轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷服務(wù)程序時,并不清零TI,TI必須由用戶的中斷服務(wù)程序清“0”,即中斷服務(wù)程序必須有“CLR TI”或“ANL SCON, #0FDH”等指令來清零TI。 ????·?RI:串行口接收中斷標志.若串行口接收器允許接收,并以方式0工作,每當接收到8位數(shù)據(jù)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,當串行口一方式2或3方式工作,且當SM2=1時,僅當接收到第9位數(shù)據(jù)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表示串行口接收器正向CPU申請中斷。同樣RI標志栩栩如生由用戶的軟件清“0”。 |
????對于中斷控制,在上一節(jié)中我們已經(jīng)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。我們這里談?wù)摰氖橇硗鈨蓚€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(xiàn)的,IE的結(jié)構(gòu)格式如下。
??表3??IE寄存器結(jié)構(gòu) | |||||||||
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:串行口中斷控制位,ES=1允許串行口中斷,ES=0,屏蔽串行口中斷。 ????·?ET1:定時/計數(shù)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(shù)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(yōu)先級,即高優(yōu)先級和低優(yōu)先級,每個中斷源都可設(shè)置為高或低中斷優(yōu)先級。如果有一低優(yōu)先級的中斷正在執(zhí)行,那么高優(yōu)先級的中斷出現(xiàn)中斷請求時,CPU則會響應(yīng)這個高有限級的中斷,也即高優(yōu)先級的中斷可以打斷低優(yōu)先級的中斷。而若CPU正在處理一個高優(yōu)先級的中斷,此時,就算是有低優(yōu)先級的中斷發(fā)出中斷請求,CPU也不會理會這個中斷,而是繼續(xù)執(zhí)行正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序,一直到程序結(jié)束,執(zhí)行最后一條返回指令,返回主程序然后再執(zhí)行一條指令后才會響應(yīng)新的中斷請求。 ????為了實現(xiàn)上述功能,MCS-51的中斷系統(tǒng)有兩個不可尋址的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器,一個指出CPU是否在執(zhí)行高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序,另一個指出CPU是否正在執(zhí)行低優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序,這兩個中斷觸發(fā)器的1狀態(tài)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(yōu)先級寄存IP,IP的格式如下,字節(jié)地址是B8H。 |
??表4??IP中斷控制寄存器結(jié)構(gòu) | |||||||||
IP | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | |
- | - | - | PS | PT1 | Px1 | PT0 | PX0 | ||
位地址 | ? | ? | ? | BCH | BBH | BAH | B9H | B8H |
????·?PS:串行口中斷口優(yōu)先級控制位,PS=1,串行口中斷聲明為高優(yōu)先級中斷,PS=0,串行口定義為低優(yōu)先級中斷。 ????·?PT1:定時器1優(yōu)先級控制位。PT1=1,聲明定時器1為高優(yōu)先級中斷,PT1=0定義定時器1為低優(yōu)先級中斷。 ????·?PX1:外中斷1優(yōu)先級控制位。PT1=1,聲明外中斷1為高優(yōu)先級中斷,PX1=0定義外中斷1為低優(yōu)先級中斷。 ????·?PT0:定時器0優(yōu)先級控制位。PT1=1,聲明定時器0為高優(yōu)先級中斷,PT1=0定義定時器0為低優(yōu)先級中斷。 ????·?PX0:外中斷0優(yōu)先級控制位。PT1=1,聲明外中斷0為高優(yōu)先級中斷,PX1=0定義外中斷0為低優(yōu)先級中斷。 ????[5].中斷的響應(yīng) ????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(yōu)先級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(yōu)先級的中斷,或者現(xiàn)在的機器周期不是所執(zhí)行指令的最后一個機器周期,或者CPU不是正在執(zhí)行RETI指令或訪問IE和IP的指令(因為按MCS-51中斷系統(tǒng)的特性規(guī)定,在執(zhí)行完這些指令之后,還要在繼續(xù)執(zhí)行一條指令,才會響應(yīng)中斷),CPU在下一個機器周期響應(yīng)激活了的最高級中斷請求。 ????中斷響應(yīng)的主要內(nèi)容就是由硬件自動生成一條長調(diào)用LCALL addr16指令,這里的addr16就是程序存儲器中相應(yīng)的中斷區(qū)入口地址,這些中斷源的服務(wù)程序入口地址如下: |
??表5??個中斷源的服務(wù)程序入口地址 | |||||||||
中斷源 | 入口地址 | ||||||||
外中斷0 | 0003H | ||||||||
定時/計數(shù)器0 | 000BH | ||||||||
外中斷1 | 0013H | ||||||||
定時/計數(shù)器0 | 001BH | ||||||||
串行口中斷 | 0023H |
????生成LCALL指令后,CPU緊跟著便執(zhí)行之.首先將PC(程序計數(shù)器)的內(nèi)容壓入堆棧保護斷點,然后把中斷入口地址賦予PC,CPU便按新的PC地址(即中斷服務(wù)程序入口地址)執(zhí)行程序。 ????值得一提的是,各中斷區(qū)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(wù)程序。因此,通常是在這些入口地址區(qū)放置一條無條件轉(zhuǎn)移指令,使程序按轉(zhuǎn)移的實際地址去執(zhí)行真正的中斷服務(wù)程序。 |
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