定时器中断

定时器简介

        介绍定时器之前，先说明几个CPU 时序的有关知识。

• 振荡周期：为单片机提供定时信号的振荡源的周期
• 状态周期：1 个状态周期 = 2 个振荡周期
• 机器周期：1 个机器周期 = 6 个状态周期 = 12 个振荡周期。
• 指令周期：完成 1 条指令所占用的全部时间，以机器周期为单位。

        以12MHz外接晶振为例（注意，Hz表示每秒钟周期性振动（振荡）的重复次数，每秒钟振动一次为1赫兹。单位换算：1THz=1*10^3GHz=1*10^6Mhz=1*10^9KHz=1*10^12Hz）：

• 振荡周期=1/12us;    //相当于1/12X10^6，所以此处单位为us
• 状态周期=1/6us;
• 机器周期=1us;     
• 指令周期=1~4us    

        51 单片机有两组定时/计数器，因为既可以定时，又可以计数，故称之为定时器/计数器。定时/计数器的工作过程是自动完成的，不需要 CPU 的参与，它们相互独立，执行不同的任务，因此可以增加单片机的效率。

        定时/计数器根据 “机器内部的时钟” 或 “外部的脉冲信号” 对寄存器中的数据加 1，可以实现精确定时的作用。

定时器原理

        定时/计数器的实质是加 1 计数器（16 位），由高 8 位和低 8 位两个寄存器 THx 和 TLx 组成。随着计数器的输入脉冲进行自加 1，即，每输入一个脉冲，计数器就自动加 1，当加到计数器为全 1 时，再输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使相应的中断标志位（TF0/TF1）置 1，向 CPU 发出中断请求（定时 /计数器中断允许时）。如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到； 如果工作于计数模式，则表示计数值已满。所以，由  “溢出时计数器的值”  减去 “计数初值”  才是加 1 计数器的计数值。

定时/计数器结构

        内部结构如下所示：

        图中的 T0 和 T1 引脚对应单片机 P3.4 和 P3.5 管脚。定时/ 计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。

TMOD：定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能

TCON：控制寄存器，控制 T0、T1 的启动和停止及设置溢出标志

工作方式寄存器TMOD

         工作方式寄存器 TMOD 用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于 T1。其格式如下：

位	7	6	5	4	3	2	1	0
字节地址：89H	GATE	C/T	M1	M0	GATE	C/T	M1	M0

        GATE: 门控位, GATE＝0 时，用于控制定时器的启动是否受外部中断源信号的影响。使 TCON 中的 TR0 或 TR1 为 1，就可以启动定时/计数器工作；GATA＝1 时，使 TR0 或 TR1 为 1，同时外部中断引脚 INT0或 INT1 也为高电平时，才能启动定时/计数器工作。即，此时定时器的启动条件，加上了 INT0或 INT1 也为高电平这一条件。

        C/T :定时/计数模式选择位。C/T ＝0 为定时模式；C/T =1 为计数模式。

        M1、M0：工作方式设置位。定时/计数器有四种工作方式。

定时/计数器工作方式设置表

M1	M0	工作方式	说明
0	0	方式0	13位定时/计数器
0	1	方式1	16位定时/计数器
1	0	方式2	8位自动重装定时/计数器
1	1	方式3	T0分成两个独立的8位定时/计数器；T1此方式停止计数

控制寄存器 TCON

        TCON 的低 4 位用于控制外部中断,已在前面介绍。TCON 的高 4 位用于控制定 时/计数器的启动和中断申请。其格式如下(0~3为外部中断相关位)：

位	7	6	5	4	3	2	1	0
字节地址：88H	TF1	TR1	TF0	TR0

        TF1：T1 溢出中断请求标志位。T1 计数溢出时由硬件自动置 TF1 为 1。CPU 响应中断后 TF1 由硬件自动清 0。T1 工作时，CPU 可随时查询 TF1 的状态。所以，TF1 可用作查询测试的标志。TF1 也可以用软件置 1 或清 0，同硬件置 1 或清 0 的效果一样。

        TF0：T0 溢出中断请求标志位，其功能与 TF1 类同。

        TR1：T1 运行控制位。TR1 置 1 时，T1 开始工作；TR1 置 0 时， T1 停止工作。TR1 由软件置 1 或清 0。即，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。

        TR0：T0 运行控制位，其功能与 TR1 类同。 

定时/计数器的工作方式

        这几种工作方式中应用较多的是方式 1 和方式 2。定时器中通常使用定时器方式 1，串口通信中通常使用方式 2。

方式 0：

        方式 0 为 13 位计数，由 TL0 的低 5 位（高 3 位未用）和 TH0 的 8 位组成。 TL0 的低 5 位溢出时，向 TH0 进位。TH0 溢出时，置位 TCON 中的 TF0 标志，向 CPU发出中断请求。其结构图如下所示：

         门控位 GATE 具有特殊的作用。

         当 GATE=0 时，经非门反相后，使或门输出为 1，此时仅由 TR0 控制与门的开启，与门输出 1 时，控制开关接通，计数开始；

         当 GATE=1 时，由外中断引脚信号控制或门的输出，此时控制与门的开启由 “外中断引脚信号INT0/1” 和 “TR0” 共同控制。当 TR0=1 时，若外中断引脚信号引脚为高电平，则启动计数，外中断引脚信号引脚为低电平，则停止计数。这种方式常用来测量外中断引脚上正脉冲的宽度。

         计数模式时，计数脉冲是 T0 引脚上的外部脉冲。计数初值X与计数个数N的关系为：X=2^13-N。

方式 1:

         方式 1 的计数位数是 16 位，由 TL0 作为低 8 位，TH0 作为高 8 位，组成了 16 位加 1 计数器。其结构图如下所示

          计数初值X与计数个数N的关系为：X=2^16-N。

方式 2:

          方式 2 为自动重装初值的 8 位计数方式。工作方式 2 特别适合于用作较精确的脉冲信号发生器。其结构图如下所示：

方式 3:

          方式 3 只适用于定时/计数器 T0，定时器 T1 处于方式 3 时相当于 TR1=0， 停止计数。工作方式 3 将 T0 分成为两个独立的 8 位计数器 TL0 和 TH0。其 结构如下所示：

定时器配置

           使用定时器时，配置如下：

• 对 TMOD 赋值，以确定 T0 和 T1 的工作方式
• 根据所要定时的时间计算初值，并将其写入 TH0、TL0 或 TH1、TL1。
• 如果使用中断，则对 EA 赋值1，打开总中断开关。
• 使 TR0 或 TR1 置位，启动定时/计数器定时或计数。

计算定时/计数 器初值

           机器周期是 CPU 完成一个基本操作所需要的时间。 其计算公式是：机器周期=1/单片机的时钟频率。单片机 “内部时钟频率” 是 “外部时钟频率” 的 12 分频，即，当外部晶振的频率输入到单片机里面的时候要进行 12 分频。

           以12MHZ 晶振为例，则单片机内部的时钟频率就是 12/12MHZ， 当使用 12MHZ 的外部晶振的时候，机器周期=1/1MHz=1us。

           假设使用定时/计数器 T0，需要定时 1ms。那么1ms/1us=1000，也就是要计数 1000 个，那么初值就等于：65535-1000+1 （因为计数器计数到 65536（2 的 16 次方）才溢出，所以后面要加 1），且65535-1000+1 =64536，转换为16进制：FC18H（H为后缀），所以初值为 TH0=0XFC，TL0=0X18。

           要实现很长时间的定时，比如定时 1 秒钟。可以通过初值设置定时 1ms，每当定时 1ms 结束后又重新赋初值，并且设定一个全局变量累计定时 1ms 的次数，当累计到 1000 次，表示已经定时 1 秒了。同理，当累计到 60000 次，表示已经定时 1 分钟了。这样就可以使用定时器来实现精确延时，替代之前的不精确的 delay 函数了。

           以定时器 0 为例，介绍配置定时器工作方式为1、设定 1ms 初值、开启定时器计数功能以及总中断的程序，如下所示：

void TIME0_INIT(void)
{
   TMOD |= 0X01;   //选择为定时器 0 模式，工作方式 1
   TH0 = 0XFC;     //给定时器赋初值，定时 1ms
   TL0 = 0X18;
   ET0 = 1;        //打开定时器 0 中断允许
   EA = 1;         //打开总中断
   TR0 = 1;        //T0 运行控制位置1,打开定时器0
}

           定时器 1 也是一样的的使用方法，只是将上述的 0 变为 1 即可。

void TIME1_INIT(void)
{
   TMOD |= 0X01;   //选择为定时器 1 模式，工作方式 1
   TH1 = 0XFC;     //给定时器赋初值，定时 1ms
   TL1 = 0X18;
   ET1 = 1;        //打开定时器 1 中断允许
   EA = 1;         //打开总中断
   TR1 = 1;        //T1 运行控制位置1,打开定时器1
}

硬件部分

        使用到硬件资源如下：

1. LED 模块（LED 灯D1）
2. 定时器 0

        定时器 0 属于 51 单片机内部资源，通过软件配置即可使用。

 软件部分        

        代码结构和逻辑很简单，首先定义控制 LED1 指示灯的管脚，然后定义定时器 0 中断配置函数 TIME1_INIT( )，然后进入 while 循环，在循环体内没有执行任何功能程序，知识等待定时器 0中断的产生。 当定时时间到达即会进入定时器 0 中断，在中断服务函数内，重新赋初值准备下次计数，并且定义一个静态变量来累计定时 1ms 次数，当变量等于 1000 时，表示定时时间达 1 秒，然后清零变量以及控制 LED 状态翻转，实现LED灯的亮灭。执行完成后退出中断，返回主函数，当时间到达又进入中断，如此循环。

         使用关键字 static 定义一个静态变量，能在每次进入或退出中断函数时，保存静态变量的值不变，这是C语言作用域相关的知识点，不理解可以网上去查看一些资料。

#include "reg52.h"

typedef unsigned int u16;	//对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;

//定义LED1管脚
sbit LED1=P2^0;

void TIME0_INIT(void)
{
	TMOD|=0x01;//选择为定时器0模式，工作方式1
	TH0=0xFC;  //给定时器赋初值，定时1ms
	TL0=0x18;
 	ET0=1;//打开定时器0中断允许位
	TR0=1;//T0 运行控制位置1,打开定时器0
	EA=1;//打开总开关
}

void main()
{	
	TIME0_INIT();//定时器0中断配置
	
	while(1)
	{
	 	
	}		
}

void TIME0() interrupt 1 //定时器0中断函数
{
	static u16 i;  //定义静态变量
	TH0=0xFC;	   //重新赋定时/计数的器初值，使计数器计数 1000 个后再一次溢出
	TL0=0x18;
	i++;		   //每一次进入中断增加1，增加到1000，就表示定时1s了
	if(i==1000)
	{
	 	i=0;		//重新赋值为0，为1s的时间积累做准备
		LED1=!LED1;	//实现LED灯的亮灭
	}
}

现象     

         LED指示灯 D1 间隔 1 秒闪烁。