【51单片机实验笔记】中断篇（一） 外部中断

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前言

中断是单片机非常重要的概念，类似于软件中回调的作用。前面几章我们都是主动驱动元器件工作，但如果单片机需要被动地去响应外部的信息时，中断的重要性就凸显出来了。从本章节开始，我们要开始直接操作中断相关的寄存器，由于偏底层，学起来可能没有之前几章那么轻松。

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中断系统概述

中断涉及的概念比较多，先阐释如下：

• 轮询：依次询问每一个IO设备，如果检测到需要提供服务，立刻执行服务，再询问下一个设备。
  • 适用场景：频繁需要服务的外设
  • 特点
    • 优点：实现简单
    • 缺点：消耗大量CPU资源。慢速的IO交互无需大量频繁的检测。
• 中断：当外部设备需要服务时，CPU接收到中断请求，立刻停止当前程序，转而执行中断服务程序，执行结束后，回到原先处继续执行。
  • 适用场景：慢速交互的情况
  • 特点
    • 优点：实时性高、即刻响应、节约CPU资源
    • 缺点：实现稍复杂
• 中断源：发生中断的源头。传统51单片机中一般至少有5个基础的中断源（按自然优先级排列）。
  • 外部中断0（INT0）
  • 定时器0中断（T0）
  • 外部中断1（INT1）
  • 定时器1中断（T1）
  • 串口中断（UART）
• 中断优先级：
  • 自然优先级：当几个中断同时向CPU发出请求，CPU会根据中断自然优先级依次处理。
  • 抢占优先级：当进入某个中断时，发生了优先级更高的中断，CPU会打断低优先级的中断，转而执行高优先级中断，形成中断嵌套。同级不会打断。传统51单片机只有2个优先级，设置寄存器IP即可更改默认排序，一般保持默认即可。
• 中断嵌套：在执行中断服务函数的过程中，有优先级更高的中断发生，会暂停当前中断执行，转而执行更高级的中断程序。即形成嵌套。
• 中断请求：中断源向CPU申请中断。
• 中断响应：CPU接收到中断请求转去执行中断服务程序的行为。
• 中断服务程序：由开发者预先定义（关键字interrupt + 中断号），处理相应的中断事件。原则上，不要在中断中写任何阻塞程序，以保证其实时性。
• 中断号：是CPU进入对应中断服务程序的重要标志，不同的中断源对应不同的中断号。
• 中断返回：执行完对应中断服务程序后，返回中断点处继续往下执行。
• 中断点：主函数被中断的地方。

中断源	优先级	中断请求标志位	中断允许标志位	中断号
$\overline{INT0}$	0	IE0	EX0/EA	0
$T0$	1	TF0	ET0/EA	1
$\overline{INT1}$	2	IE1	EX1/EA	2
$T1$	3	TF1	ET1/EA	3
$UART$	4	RI/TI	ES/EA	4
$T2$	5	TF2	ET2/EXF2/EA	5
$\overline{INT2}$	6	IE2	EX2/EA	6
$\overline{INT3}$	7	IE3	EX3/EA	7

注：T2定时器，外部中断INT2、INT3为STC89C52RC系列新增外设

以上那么多概念，其实都是很重要的，所以建议大家好好读一读，能对中断系统有一个总体的感知。虽然理论上，上述寄存器都会用到，但也没有必要强行记忆，多写两次，你就会看这些寄存器非常眼熟了，实在记不清也可以来我的博客再回忆一遍哈~

下面对中断系统做一个小结：
中断系统主要是解决高速CPU和慢速人机交互所造成的CPU资源浪费问题。适用于被动响应场景。试想，对于按键检测，如果将它放在循环里不断检测，人按下按键的过程至少是毫秒级别的，而等待按下的时间更是漫长，而此刻CPU已经循环检测了上万次，这显然是一种无意义的检测。

而这时中断的优势就体现出来了，将按键响应的代码放在中断服务函数里，只有当按键被按下时，才会执行。这样大大节约了CPU的资源。

那么我们怎么去利用中断呢，需要介绍以下几种寄存器。

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寄存器说明

中断优先级寄存器（IP）

寄存器	7	6	5	4	3	2	1	0
IP	-	-	PT2	PS	PT1	PX1	PT0	PX0

• 中断优先级寄存器（IP）：控制中断的抢占优先级。字节地址B8H。
  • PX0：外部中断INT0中断优先级控制位，置1为高优先级，置0为低优先级。
  • PT0：外部定时器T0中断优先级控制位
  • PX1：外部中断INT1中断优先级控制位
  • PT1：外部定时器T1中断优先级控制位
  • PS：串口中断优先级控制位
  • PT2：外部定时器T2中断优先级控制位（新增）

注：STC89C52单片机可以通过配置 IP寄存器和 IPH寄存器实现4个抢占优先级。详见芯片手册，本文不做介绍。

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中断允许控制寄存器（IE）

寄存器	7	6	5	4	3	2	1	0
IE	EA	-	ET2	ES	ET1	EX1	ET0	EX0

• 中断允许控制寄存器（IE）：控制中断的使能开关。字节地址A8H。
  • EX0：外部中断INT0允许位，置1（高）开，置0（低）关。
  • ET0：外部定时器T0允许位
  • EX1：外部中断INT1允许位
  • ET1：外部定时器T1允许位
  • ES：串口中断允许位
  • ET2：外部定时器T2允许位（新增）
  • EA：关总中断允许位，是控制所有中断使能的总开关。

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中断请求标志寄存器（TCON）

寄存器	7	6	5	4	3	2	1	0
TCON	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

• 中断请求标志寄存器（TCON）：设置中断的发生方式。字节地址88H。
  • IT0：外部中断INT0的触发方式控制位，置0为低电平触发，置1为下降沿触发（常用）
  • IE0：外部中断INT0的请求标志位，发生中断请求时，由硬件自动置1，响应后自动置0。
  • IT1： 外部中断INT1的触发方式控制位 。
  • IE1：外部中断INT1的请求标志位
  • TR0：定时器T0的运行控制位，置1为开始运行，置0停止运行。
  • TF0：定时器T0的溢出中断请求标志位，发生溢出中断请求时，硬件自动置1，响应后自动置0。
  • TR1：定时器T1的运行控制位。
  • TF1：定时器T1的溢出中断请求标志位。

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外部中断配置

STM32系列单片机每个引脚都可以配置中断，而传统的51单片机只有2个引脚有外部中断（STC89C52单片机共有4个外部中断引脚，分别为P3.2–INT0、P3.3–INT1、P4.3–INT2、P4.2–INT3，其中，外部中断2和3的配置还需要用到XICON寄存器）。

了解了上述3个寄存器之后，配置引脚外部中断其实很简单。具体配置流程如下（以INT0为例）：

1. 设置外部中断触发方式为下降沿触发 IT0 = 1;
2. 使能外部中断 EX0 = 1;
3. 打开关总中断 EA = 1;

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软件实现

按键事件的外部中断实现

实验现象为，按下第四个独立按键（P3.3），第一个LED（P2.0）亮灭翻转。

delay.h

#ifndef _DELAY_H_
#define _DELAY_H_

#include 

#define false 0
#define true 1

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

void delay_10us(u16);
void delay_ms(u16);

#endif

delay.c

#include "delay.h"
/** 
 **  @brief    通用函数
 **  @author   QIU
 **  @data     2023.08.23
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/

/**
 **  @brief   延时函数(10us)
 **  @param   t:0~65535，循环一次约10us
 **  @retval  无
 **/
void delay_10us(u16 t){
	while(t--);
}

/**
 **  @brief   延时函数（ms）
 **  @param   t:0~65535,单位ms
 **  @retval  无
 **/
void delay_ms(u16 t){
	while(t--){
		delay_10us(100);
	}
}

interrupt.h

#ifndef __INTERRUPT_H__
#define __INTERRUPT_H__

#include "delay.h"

void INT0_init();
void INT1_init();
	
#endif

interrupt.c

#include "interrupt.h"
/** 
 **  @brief    外部中断封装
 **  @author   QIU
 **  @data     2023.08.23
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/

/**
 **  @brief   配置外部中断0
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void INT0_init(){
	IT0 = 1; // 设置外部中断0触发方式，下降沿触发
	EX0 = 1; // 使能外部中断0
	EA = 1;  // 使能总中断
}

/**
 **  @brief   配置外部中断1
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void INT1_init(){
	IT1 = 1; // 设置外部中断1触发方式，下降沿触发
	EX1 = 1; // 使能外部中断1
	EA = 1;  // 使能总中断
}

// 外部中断0的中断服务程序模板
//void INT1_serve() interrupt 0{
//	;
//}

// 外部中断1的中断服务程序模板
//void INT1_serve() interrupt 2{
//	;
//}

main.c

#include "delay.h"
#include "interrupt.h"
/** 
 **  @brief    以外部中断方式响应按键事件
 **  @author   QIU
 **  @data     2023.08.31
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/

// 定义引脚
sbit btn4 = P3^3;
sbit LED1 = P2^0;


void main(){
	INT1_init();
	while(1);
}


void INT1_serve() interrupt 2{
	
	if(btn4 == 0){
		delay_ms(10);
		// 按下消抖
		if(btn4 == 0){
			LED1 = !LED1;	
		}
	}
}

本例简单演示了如何使能外部中断，其意义在于，将慢速的按键响应放在中断中而非主程序中检测处理，这显然比轮询方法更加高效，节约了CPU的资源。

但与此同时，我们知道，在中断服务程序中不宜处理耗时的程序，这也是本例存在的缺陷，仅仅使用外部中断不能完美解决按键检测的问题，因为按键存在抖动这一客观事实。在下一个章节，我们将使用定时器完成按键消抖。它比延时函数更加优雅，且进一步提升由于延时所消耗的性能。

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遇到的问题

• 如果使能中断就必须书写中断服务程序，并正确书写中断号。否则程序进入中断卡死。
• 开发板上P3.2引脚为外部中断INT0，除了接独立按键，还接了红外接收装置，可能会产生串扰。建议查看开发板原理图。

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总结

外部中断使得CPU可以免于无谓等待的消耗，从而集中处理更加重要事情上。单片机的性能得以充分利用。