PLC單片機(jī)中斷資源的應(yīng)用方法解析

1 PIC 單片機(jī) 簡(jiǎn)介

PIC系列 單片機(jī) 是美國(guó)Microchip技術(shù)公司推出的高性能價(jià)格比的8位嵌入式控制器（Embedded Controller），它采用了精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC（Reduced Instruction Set Computer）和哈佛（Harvard）雙總線以及兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)。具有高速度、低工作電壓、低功耗等特點(diǎn)和優(yōu)良的性能價(jià)格比，因而PIC系列單片機(jī)越來越受到單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用工程技術(shù)人員的青睞。該系列獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和中斷資源使其在使用時(shí)與其它系列的單片機(jī)有許多不同之處。下面以PIC16CXX系列微控制器為例來介紹PIC系列單片機(jī)的中斷資源特點(diǎn)以及應(yīng)用方法。

2 中斷資源的開發(fā)與屏蔽

第一類是由中斷控制器INTCON直接控制的中斷，包括外部引腳中斷INT的RB口電平變化中斷以及定時(shí)器TMRO溢出中斷，它們的中斷允許位和中斷標(biāo)志都在INTCON寄存器中。引腳中斷INT和定時(shí)器TMRO溢出中斷與其它微處理器相同。RB口電平變化中斷是PIC 單片機(jī) 特有的中斷，當(dāng)把RB口高4位I/O口線設(shè)置為輸入時(shí)，只要這4位I/O口線上的電平發(fā)生變化就會(huì)引起中斷。RB口的電平中斷特性對(duì)用戶是非常有用的。用戶可以直接利用這些口線的關(guān)鍵部位進(jìn)行電平檢測(cè)，并可利用中斷進(jìn)行保護(hù)性控制等操作；另一方面，電平中斷特性還可以利用RB口的軟件控制弱上拉特性組成一個(gè)矩陣鍵盤，并用按鍵喚醒CPU，這對(duì)于那些以電池供電的系統(tǒng)特別有用。

另一類是外圍接口中斷，包括定時(shí)器TMR1溢出中斷、TMR溢出或匹配中斷、同步串行口中斷、異步串行口中斷、并行從動(dòng)口中斷和CCP（Capture/Compare/PWM）中斷等，而帶A/D功能的PIC16C7X系列微處理器還有A/D轉(zhuǎn)換完成中斷。這些中斷的允許位分別在PIE1和PIE2寄存器，而中斷標(biāo)志則分別在PIR1和PIR2中。

所有的中斷都有自己的中斷允許位和中斷標(biāo)志，外圍接口中斷不僅受各自的中斷允許位控制，同時(shí)還共同受外圍中斷控制允許位的控制。全局中斷允許位GID能夠控制所有的中斷。無(wú)論全局中斷允許位GIE和相應(yīng)的中斷允許位狀態(tài)如何，只要滿足中斷條件，各個(gè)中斷標(biāo)志位都會(huì)被置1。與其它微處理器不同的是：當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時(shí)全局中斷允許閏GIF會(huì)自動(dòng)被清零，中斷標(biāo)志位不能用硬件清零而只能用軟件清零；當(dāng)執(zhí)行中斷返回指令RETFIE時(shí)，全局中斷允許位GIE會(huì)被自動(dòng)置1而重新開放中斷。因此，在重新開放中斷之前要用軟件清零有關(guān)的中斷標(biāo)志位，以避免產(chǎn)生不斷地中斷請(qǐng)求而反復(fù)進(jìn)入中斷。由于全局中斷允許位GIE會(huì)被中斷服務(wù)程序（RETFIE指令）自動(dòng)置1，因此用軟件清零GIE并不可靠，這一點(diǎn)要特別注意。用下面的程序可確保整個(gè)中斷被禁止。

LOOP BCF INTCON，GIE ；禁止整個(gè)中斷

BTFSC INTCON，GIE ；判斷全局中斷是否被禁止

GOTO LOOP ；否，重新清零

繼續(xù)

對(duì)于外部中斷事件，例如：INT引腳中斷和RB口引腳電平變化中斷等為邊沿觸發(fā)，因此，CPU在響應(yīng)中斷時(shí)對(duì)外部信號(hào)的要求并不苛刻。一般情況下，中斷花費(fèi)的時(shí)間需要3或4個(gè)指令周期，確切時(shí)間取決于中斷事件發(fā)生的時(shí)刻而與指令本身的周期數(shù)無(wú)關(guān)。

3 中斷的優(yōu)先級(jí)

PIC系列 單片機(jī) 只有一個(gè)中斷入口（004H），所有的中斷都通過該入口進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，至于是哪一個(gè)中斷源，只有在進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后查詢中斷標(biāo)志才能確認(rèn)。該單片機(jī)沒規(guī)定中斷的優(yōu)先級(jí)，也沒有用于設(shè)定中斷優(yōu)先級(jí)的寄存器，中斷的優(yōu)先級(jí)是由于中斷服務(wù)子程序中斷查詢中斷標(biāo)志的順序確定的。CPU響應(yīng)一個(gè)中斷并進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，全局中斷允許位GIE被自動(dòng)清零，CPU在此期間不響應(yīng)其它中斷，也不能形成中斷嵌套。因此，在使用中斷時(shí)要合理安排查詢中斷標(biāo)志的順序，盡量縮短CPU在中斷服務(wù)程序中逗留的時(shí)間。在用PIC系列單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡量減少中斷源的個(gè)數(shù)，對(duì)于那些執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)且不需采用中斷方式來處理的事件，應(yīng)盡量采和查詢標(biāo)志的方式進(jìn)行處理；對(duì)于那些必須采用中斷方式處理的事件，在中斷服務(wù)程序中要盡量先查詢對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要的事件的中斷標(biāo)志。另外，在退出中斷服務(wù)程序時(shí)，只清除處理過的中斷標(biāo)志即可，而不需要將所有的中斷標(biāo)志清除。對(duì)于RB口電平變化中斷，一方面要保存RB口每次變化后的狀態(tài)，以便在下次中斷時(shí)判斷是哪根口線上的電平發(fā)生了變化；另一方面可以設(shè)置產(chǎn)生中斷的口線標(biāo)志，并將由于該中斷而未執(zhí)行的程序在中斷服務(wù)程序外通過查詢口線標(biāo)志來執(zhí)行，以減少CPU在中斷服務(wù)程序中逗留的時(shí)間。

4 程序跨頁(yè)時(shí)的中斷處理

PIC系列 單片機(jī) 的程序存儲(chǔ)空間是分頁(yè)處理的，每頁(yè)空間的大小為512字節(jié)到4k字節(jié)不等。頁(yè)程序計(jì)數(shù)器PC是一個(gè)13位寬的增量寄存器，其低8位PCL是一個(gè)可讀/寫寄存器，其高字節(jié)PCH（有效位為5位）不能直接進(jìn)行讀/寫操作，它通過一個(gè)8位保護(hù)寄存器PCLATH把高5位地址傳遞給程序計(jì)數(shù)器的高字節(jié)。當(dāng)一個(gè)中斷被響應(yīng)時(shí)，PC中的斷點(diǎn)地址自動(dòng)被壓棧（PUSH）保護(hù)；而當(dāng)執(zhí)行RETFIE指令時(shí)，堆棧中的斷點(diǎn)地址回彈到（POP）程序存儲(chǔ)器PC中。無(wú)論是壓棧操作還是出棧操作，它們都不影響PCLATH寄存器的內(nèi)容。同時(shí)，CPU響應(yīng)中斷并跳轉(zhuǎn)到中斷入口地址時(shí)，都只能在本頁(yè)內(nèi)跳轉(zhuǎn)而不影響PLCATH寄存器的內(nèi)容。另外，在中斷入口安排的是GOTO語(yǔ)句，而GOTO語(yǔ)句也只能在本頁(yè)跳轉(zhuǎn)。當(dāng)中斷服務(wù)程序存放在程序存儲(chǔ)器的第一頁(yè)且CPU在執(zhí)行非第一頁(yè)內(nèi)程序時(shí)，響應(yīng)中斷將導(dǎo)致中斷入口地址和中斷返回地址錯(cuò)誤而引起程序混亂。下面以PIC16C65A來說明這個(gè)問題的解決辦法。

PIC16C65A的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為4k，分為兩頁(yè)，每頁(yè)2k。假設(shè)中斷服務(wù)程序存放在第一頁(yè)（0000H-07FFH），通常這樣做是因?yàn)橹袛嗳肟诘刂吩诘谝豁?yè)，因而可以減少程序量）。那么，具體程序如下：

ORG 0000H

0000H GOTO START

ORG 0004H

0004H GOTO PRO-INT

ORG 0005H

0005H START ……

0234H PRO-INT……

RETFIE

通過匯編程序編譯可知，在程序存儲(chǔ)器0004H單元存放的代碼是2A34H，當(dāng)CPU在程序存儲(chǔ)器第一頁(yè)響應(yīng)中斷時(shí)，程序先跳到0004H，然后跳到0234H執(zhí)行，正常進(jìn)入中斷，執(zhí)行完后能正常返回。當(dāng)CPU在程序存儲(chǔ)器第二頁(yè)響應(yīng)中斷時(shí)，由于PCLATH的D4D3（頁(yè)選擇位）為01，CPU4執(zhí)行“GOTO PRO-INT”時(shí)的代碼雖然是2A34H，但程序不是跳到0234H執(zhí)行，而是跳至0A34H執(zhí)行。顯然，程序執(zhí)行錯(cuò)誤。

解決這一問題的方面是在程序存儲(chǔ)器0A34H處安排一段程序，在中斷程序結(jié)束時(shí)判斷CPU響應(yīng)中斷時(shí)程序所處的位置，從而使程序根據(jù)該信息合理設(shè)置頁(yè)選擇位，然后再返回中斷。

ORG 0A34H

BSF RAM，b ;設(shè)置在程序執(zhí)行到第二頁(yè)時(shí)CPU響應(yīng)中斷的標(biāo)志

BCF PCLATH，3 ；將PC切換到第一頁(yè)

GOTO PRO-INT ；程序跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序

在指令RETFIE前應(yīng)增加的程序如下：

BTFSC RAM，b ；判斷CPU響應(yīng)中斷前程序所在位置

BSF PCLATH，3 ；設(shè)置頁(yè)選擇位

RETFIE

以上程序中的RAM是一個(gè)內(nèi)存單元，b是該單元的某一位，該位在程序初始化時(shí)清零，CPU在執(zhí)行程序存儲(chǔ)器第二頁(yè)的程序并響應(yīng)中斷時(shí)該位置“1”。經(jīng)過上述處理，CPU不管在程序存儲(chǔ)器第一頁(yè)還是第二頁(yè)響應(yīng)中斷，都能正確進(jìn)入中斷服務(wù)程序并能正確返回中斷前的地址。

5 利用中斷喚醒CPU

PIC系列 單片機(jī) 具有休眠（SLEEP）省電工作模式，當(dāng)執(zhí)行一條SLEEP指令后，芯片就進(jìn)入低功耗休眠模式。進(jìn)入休眠狀態(tài)后，主振蕩器停止工作，此時(shí)芯片消耗的電流極低（在3V工作電壓，32kHz時(shí)鐘時(shí)典型值約1μA），這一特點(diǎn)對(duì)于電池供電的系統(tǒng)非常有利。利用中斷可以將CPU從休眠狀態(tài)喚醒。這些中斷源包括外部INT引腳中斷、RB口引腳電平改變中斷和部分外圍接口中斷。用于喚醒休眠狀態(tài)的CPU外圍接口中斷有：工作在異步計(jì)數(shù)器方式下的TMR1中斷、SSP起始/停止位檢測(cè)中斷、CCP捕捉方式中斷和從動(dòng)并行口讀寫中斷。其它外圍接口中斷因需要片內(nèi)Q時(shí)鐘而無(wú)法產(chǎn)生中斷。

利用中斷事件喚醒CPU與全局中斷允許位GIE無(wú)關(guān)，任意一個(gè)中斷允許位置1的中斷源，只要產(chǎn)生中斷就會(huì)將相應(yīng)的中斷標(biāo)志置1，芯片將立入中斷服務(wù)程序與全局中斷允許位GIE的狀態(tài)和緊接SLEEP指令后的那條指令有關(guān)。由于PIC系列 單片機(jī) 采用了兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行SLEEP指令時(shí)，下一條指令已預(yù)先取出，因此在GIE位為0時(shí)，芯片被喚醒后首先執(zhí)行預(yù)先取出的那條指令；如果GIE位為1，則芯片被喚醒后執(zhí)行預(yù)先取出的那條指令后緊接著轉(zhuǎn)入中斷入口地址再執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在這種情況下，應(yīng)在SLEEP指令后安排一條空操作指令NOP，以便CPU被喚醒后能立即進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

總之，PIC系更 單片機(jī) 是一種性能價(jià)格比很高的微控制器，正確、合理地使用其中斷資源可以使系統(tǒng)更加完善，工作更加穩(wěn)定。