MCS-51定時(shí)/計(jì)數(shù)器

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，定時(shí)器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）構(gòu)成，定時(shí)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(shí)寄存器的工作方式，TCON則用于控制定時(shí)器T0和T1的啟動(dòng)和停止計(jì)數(shù)，同時(shí)管理定時(shí)器T0和T1的溢出標(biāo)志等。程序開始時(shí)需對(duì)TL0、TH0、TL1和TH1進(jìn)行初始化編程，以定義它們的工作方式和控制T0和T1的計(jì)數(shù)。

TMOD和TCON這兩個(gè)特殊功能寄存器的格式參見下表：

[1].定時(shí)/計(jì)數(shù)器的方式控制字TMOD，字節(jié)地址為89H，其格式如表1：

[2].定時(shí)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：

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(huì)在中斷的內(nèi)容中加以說(shuō)明，MCS-51的定時(shí)/計(jì)數(shù)器共有四種工作方式，我們逐個(gè)進(jìn)行討論。

工作方式0

定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的工作方式0電路邏輯結(jié)構(gòu)見圖2（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1與其完全一致），工作方式0是13位計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)的工作方式，其計(jì)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(méi)有使用。當(dāng)=0時(shí)，多路開關(guān)接通振蕩脈沖的12分頻輸出，13位計(jì)數(shù)器以次進(jìn)行計(jì)數(shù)。這就是定時(shí)工作方式。當(dāng)=1時(shí)，多路開關(guān)接通計(jì)數(shù)引腳（To），外部計(jì)數(shù)脈沖由銀南腳To輸入。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，這就是我們常稱的計(jì)數(shù)工作方式。

我們討論門控位GATA的功能，GATA位的狀態(tài)決定定時(shí)器運(yùn)行控制取決于TR0的一個(gè)條件還是TR0和INT0引腳這兩個(gè)條件。當(dāng)GATA=1時(shí)，由于GATA信號(hào)封鎖了與門，使引腳INT0信號(hào)無(wú)效。而這時(shí)候如果TR0=1，則接通模擬開關(guān)，使計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，即定時(shí)/計(jì)數(shù)工作。而TR0=0，則斷開模擬開關(guān)，停止計(jì)數(shù)，定時(shí)/計(jì)數(shù)不能工作。

當(dāng)GATA=0時(shí)，與門的輸出端由TR0和INT0電平的狀態(tài)確定，此時(shí)如果TR0=1，INT0=1與門輸出為1，允許定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，在這種情況下，運(yùn)行控制由TR0和INT0兩個(gè)條件共同控制，TR0是確定定時(shí)/計(jì)數(shù)器的運(yùn)行控制位，由軟件置位或清“0”。

如上所述，TF0是定時(shí)/計(jì)數(shù)器的溢出狀態(tài)標(biāo)志，溢出時(shí)由硬件置位，TF0溢出中斷被CPU響應(yīng)時(shí)，轉(zhuǎn)入中斷時(shí)硬件清“0”，TF0也可由程序查詢和清“0”。

在工作方式下，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值范圍是：

1—8192（213）

當(dāng)為定時(shí)工作方式時(shí)，定時(shí)時(shí)間的計(jì)算公式為：

（213—計(jì)數(shù)初值）╳晶振周期╳12

或（213—計(jì)數(shù)初值）╳機(jī)器周期

其時(shí)間單位與晶振周期或機(jī)器周期相同。

如果單片機(jī)的晶振選為6.000MHz，則最小定時(shí)時(shí)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(dāng)M1，M0=01時(shí)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器處于工作方式1，此時(shí)，定時(shí)/及數(shù)器的等效電路如圖3所示，仍以定時(shí)器0為例，定時(shí)器1與之完全相同。

在工作方式1下，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值范圍是：

1—65536（216）

當(dāng)為定時(shí)工作方式1時(shí)，定時(shí)時(shí)間的計(jì)算公式為：

（216—計(jì)數(shù)初值）╳晶振周期╳12

或（216—計(jì)數(shù)初值）╳機(jī)器周期

其時(shí)間單位與晶振周期或機(jī)器周期相同。

如果單片機(jī)的晶振選為6.000MHz，則最小定時(shí)時(shí)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(dāng)M1M0=10時(shí),定時(shí)/計(jì)數(shù)器處于工作方式2.此時(shí)定時(shí)器的等效電阻如圖4所示.我們還是以定時(shí)/計(jì)數(shù)器0為例,定時(shí)/計(jì)數(shù)器1與之完全一致。

程序初始化時(shí)，給TL0和TH0同時(shí)賦以初值，當(dāng)TL0計(jì)數(shù)溢出時(shí)，置位TF0的同時(shí)把預(yù)置寄存器TH0中的初值加載給TL0，TL0重新計(jì)數(shù)。如此反復(fù)，這樣省去了程序不斷需給計(jì)數(shù)器賦值的麻煩，而且計(jì)數(shù)準(zhǔn)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(lái)的計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)只有8位，計(jì)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(jì)數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。例如我們可以通過(guò)這樣的計(jì)數(shù)方式產(chǎn)生中斷，從而產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的脈沖。也可以當(dāng)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(dāng)M1M0=11時(shí)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器處于工作方式3，此時(shí)，定時(shí)/及數(shù)器的等效電路如圖3所示，仍以定時(shí)器0為例，值得注意的是，在工作方式3模式下，定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的工作方式與之不同，下面我們分別討論。

如果定時(shí)/計(jì)數(shù)器0工作于工作方式3，那么定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的工作方式就不可避免受到一定的限制，因?yàn)樽约旱囊恍┛刂莆灰驯欢〞r(shí)/計(jì)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

對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，中斷這個(gè)概念比較抽象，其實(shí)單片機(jī)的處理系統(tǒng)與人的一般思維有著許多異曲同工之妙，我們舉個(gè)很貼切的比方，在日常生活和工作中有很多類似的情況。假如你正在上班，例如是編譯資料，這時(shí)侯電話鈴響了，你在書本上做個(gè)記號(hào)（以記下你現(xiàn)在正編譯到某某頁(yè)），然后與對(duì)方通電話，而此時(shí)恰好有客人到訪，你先停下通電話，與客人說(shuō)幾句話，叫客人稍侯，然后回頭繼續(xù)通完電話，再與客人談話。談話完畢，送走客人，繼續(xù)你的資料編譯工作。

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(guò)程中引有客人到訪，這是第二次中斷，即在中斷的過(guò)程中又出現(xiàn)第二次中斷，這就是我們常說(shuō)的中斷嵌套。處理完第二個(gè)中斷任務(wù)后，回頭處理第一個(gè)中斷，第一個(gè)中斷完成后，再繼續(xù)你原先的主要工作。

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的中斷呢？道理很簡(jiǎn)單，人非三頭六臂，人只有一個(gè)腦袋，在一種特定的時(shí)間內(nèi)，可能會(huì)面對(duì)著兩、三甚至更多的任務(wù)。但一個(gè)人又不可能在同一時(shí)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(duì)于單片機(jī)中的中央處理器也是如此，單片機(jī)中CPU只有一個(gè)，但在同一時(shí)間內(nèi)可能會(huì)面臨著處理很多任務(wù)的情況，如運(yùn)行主程序、數(shù)據(jù)的輸入和輸出，定時(shí)/和計(jì)數(shù)時(shí)間已到要處理、可能還有一些外部的更重要的中斷請(qǐng)求（如超溫超壓）要先處理。此時(shí)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(jì)算機(jī)理論，就是一個(gè)資源面對(duì)多項(xiàng)任務(wù)的處理方式，由于資源有限，面對(duì)多項(xiàng)任務(wù)同時(shí)要處理時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)象。中斷技術(shù)就是為了解決資源競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)可行的方法，采用中斷技術(shù)可使多項(xiàng)任務(wù)共享一個(gè)資源，所以有些文獻(xiàn)也稱中斷技術(shù)是一種資源共享技術(shù)。

[2].中斷處理流程

CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)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(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)

中斷是在執(zhí)行其它任務(wù)的過(guò)程中轉(zhuǎn)去執(zhí)行臨時(shí)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(shí)，知道程序原來(lái)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(jìn)行備份——即保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。就象文章開頭舉的例子，在看書時(shí)，電話玲響需傳去接電話時(shí)，必須在書本上做個(gè)記號(hào)，以便在接完電話后回來(lái)看書時(shí)，知道從哪些內(nèi)容繼續(xù)往下看。計(jì)算機(jī)的中斷處理方法也如此，中斷開始前需將個(gè)有關(guān)寄存器的內(nèi)容壓入堆棧進(jìn)行保存，以便在恢復(fù)原來(lái)程序時(shí)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(chǎng)內(nèi)容從堆棧中彈出，恢復(fù)積存器和存儲(chǔ)單元的原有內(nèi)容，這就是現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。

如果在執(zhí)行中斷服務(wù)時(shí)不是按上述方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，就會(huì)是程序運(yùn)行紊亂，程序跑飛，自然使單片機(jī)不能正常工作。

中斷打開和中斷關(guān)閉

在中斷處理進(jìn)行過(guò)程中，可能又有新的中斷請(qǐng)求到來(lái)，這里規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)的操作是不允許打擾的，否則保護(hù)和恢復(fù)的過(guò)程就可能使數(shù)據(jù)出錯(cuò)，為此在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)的過(guò)程中，必須關(guān)閉總中斷，屏蔽其它所有的中斷，待這個(gè)操作完成后再打開總中斷，以便實(shí)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(jìn)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(yùn)行從中斷服務(wù)程序轉(zhuǎn)回到原工作程序上來(lái)。在MCS-51單片機(jī)中，中斷返回是通過(guò)一條專門的指令實(shí)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(gè)中斷源，它們是兩個(gè)外中斷INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、兩個(gè)片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器溢出中斷TF0和TF1，一個(gè)是片內(nèi)串行口中斷TI或RI，這幾個(gè)中斷源由TCON和SCON兩個(gè)特殊功能寄存器進(jìn)行控制。

在前一節(jié)，我們已對(duì)TCON的控制位進(jìn)行了說(shuō)明，現(xiàn)在繼續(xù)對(duì)它的中斷控制有關(guān)的位進(jìn)行談?wù)摗CON寄存器的結(jié)構(gòu)如下：

·IT1:外部中斷1類型控制位，通過(guò)軟件設(shè)置或清楚，用于控制外中斷的觸發(fā)信號(hào)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(qǐng)求標(biāo)志，其功能和操作類似于IE1。

·IT0:外部中斷0類型控制位，通過(guò)軟件設(shè)置或清楚，用于控制外中斷的觸發(fā)信號(hào)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(biāo)志，其格式如下：

·RI:串行口接收中斷標(biāo)志.若串行口接收器允許接收,并以方式0工作,每當(dāng)接收到8位數(shù)據(jù)時(shí),RI被置1,若以方式1、2、3方式工作，當(dāng)接收到半個(gè)停止位時(shí)，TI被置1，當(dāng)串行口一方式2或3方式工作，且當(dāng)SM2=1時(shí)，僅當(dāng)接收到第9位數(shù)據(jù)RB8為1后，同時(shí)還要在接收到半個(gè)停止位時(shí)，RI被置1。RI為1表示串行口接收器正向CPU申請(qǐng)中斷。同樣RI標(biāo)志栩栩如生由用戶的軟件清“0”。

對(duì)于中斷控制，在上一節(jié)中我們已經(jīng)對(duì)TCON和SCON進(jìn)行了分析，其實(shí)它們兩個(gè)寄存器也是中斷的控制寄存器，負(fù)責(zé)對(duì)中斷的部分功能進(jìn)行控制。我們這里談?wù)摰氖橇硗鈨蓚€(gè)控制寄存器IE和IP。

MCS-51的對(duì)中斷的開放和屏蔽是由中斷允許寄存器IE控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，IE的結(jié)構(gòu)格式如下。

·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(shí)/計(jì)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(shí)/計(jì)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(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，即高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源都可設(shè)置為高或低中斷優(yōu)先級(jí)。如果有一低優(yōu)先級(jí)的中斷正在執(zhí)行，那么高優(yōu)先級(jí)的中斷出現(xiàn)中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU則會(huì)響應(yīng)這個(gè)高有限級(jí)的中斷，也即高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷。而若CPU正在處理一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的中斷，此時(shí)，就算是有低優(yōu)先級(jí)的中斷發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU也不會(huì)理會(huì)這個(gè)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(huì)響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，MCS-51的中斷系統(tǒng)有兩個(gè)不可尋址的優(yōu)先級(jí)狀態(tài)觸發(fā)器，一個(gè)指出CPU是否在執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序，另一個(gè)指出CPU是否正在執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)程序，這兩個(gè)中斷觸發(fā)器的1狀態(tài)分別屏蔽所有中斷申請(qǐng)和同一級(jí)別的其他中斷申請(qǐng)，此外，MCS-51還有一個(gè)申請(qǐng)優(yōu)先級(jí)寄存IP，IP的格式如下，字節(jié)地址是B8H。

·PT1:定時(shí)器1優(yōu)先級(jí)控制位。PT1=1，聲明定時(shí)器1為高優(yōu)先級(jí)中斷，PT1=0定義定時(shí)器1為低優(yōu)先級(jí)中斷。

·PX1:外中斷1優(yōu)先級(jí)控制位。PT1=1，聲明外中斷1為高優(yōu)先級(jí)中斷，PX1=0定義外中斷1為低優(yōu)先級(jí)中斷。

·PT0:定時(shí)器0優(yōu)先級(jí)控制位。PT1=1，聲明定時(shí)器0為高優(yōu)先級(jí)中斷，PT1=0定義定時(shí)器0為低優(yōu)先級(jí)中斷。

·PX0:外中斷0優(yōu)先級(jí)控制位。PT1=1，聲明外中斷0為高優(yōu)先級(jí)中斷，PX1=0定義外中斷0為低優(yōu)先級(jí)中斷。

[5].中斷的響應(yīng)

MCS-51CPU在每一個(gè)機(jī)器周期順序檢查每一個(gè)中斷源，在機(jī)器周期的S6按優(yōu)先級(jí)處理所有被激活的中斷請(qǐng)求，此時(shí)，如果CPU沒(méi)有正在處理更高或相同優(yōu)先級(jí)的中斷，或者現(xiàn)在的機(jī)器周期不是所執(zhí)行指令的最后一個(gè)機(jī)器周期，或者CPU不是正在執(zhí)行RETI指令或訪問(wèn)IE和IP的指令（因?yàn)榘碝CS-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(huì)響應(yīng)中斷），CPU在下一個(gè)機(jī)器周期響應(yīng)激活了的最高級(jí)中斷請(qǐng)求。

中斷響應(yīng)的主要內(nèi)容就是由硬件自動(dòng)生成一條長(zhǎng)調(diào)用LCALL addr16指令，這里的addr16就是程序存儲(chǔ)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：

值得一提的是，各中斷區(qū)只有8個(gè)單元，一般情況下（除非中斷程序非常簡(jiǎn)單），都不可能安裝下一個(gè)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(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，使程序按轉(zhuǎn)移的實(shí)際地址去執(zhí)行真正的中斷服務(wù)程序。