51单片机中断：核心原理、类型、配置与应用详解

51单片机中断是什么？

51单片机中断是一种硬件中断机制，允许微控制器在执行主程序时，被外部或内部事件打断，转而去执行一段预先设定的中断服务程序（ISR），完成后再返回主程序。这是一种高效的处理异步事件的方式。

深入理解 51 单片机中断

在嵌入式系统开发中，51单片机中断机制扮演着至关重要的角色。它极大地提高了系统的响应速度和效率，使得单片机能够同时处理多个任务，而无需轮询等待。本文将围绕“51单片机中断”这一核心关键词，对其原理、类型、配置方法以及实际应用进行详尽的阐述。

一、 51 单片机中断的基本原理

中断的核心思想在于“被打断”。当单片机正在执行主程序中的指令时，如果发生了一个满足条件的中断请求（Interrupt Request, IRQ），CPU会立即停止当前正在执行的任务，并跳转到预先设定好的中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR）中执行。ISR执行完毕后，CPU会恢复到中断发生前的状态，继续执行被中断的主程序指令。这种机制避免了CPU不断地去检查各种事件是否发生（即轮询），从而大大节省了CPU的宝贵时间，提高了系统的实时性和效率。

中断过程大致可以分为以下几个步骤：

• 中断源产生中断信号： 外部硬件（如按钮按下、传感器信号变化）或内部定时器、串口等产生中断请求信号。
• CPU响应中断： CPU检测到中断请求信号（需要中断被允许），保存当前程序的断点（PC计数器值）以及CPU的当前状态（如PSW寄存器）。
• 跳转到中断服务程序： CPU根据中断向量表找到对应中断源的中断服务程序的入口地址，并跳转执行。
• 执行中断服务程序： ISR完成对中断事件的处理，例如读取传感器数据、发送数据等。
• 中断返回： ISR执行完毕，CPU恢复之前保存的断点和CPU状态，并从主程序中断处继续执行。

中断优先级是中断机制中的一个重要概念。当多个中断源同时产生中断请求时，CPU会根据预设的中断优先级来决定先响应哪个中断。优先级高的中断可以打断优先级低的中断服务程序的执行，而优先级低的中断则需要等待优先级高的中断执行完毕后才能响应。

二、 51 单片机中断的类型

51系列单片机提供了多种中断源，主要可以分为两大类：外部中断和内部中断。

1. 外部中断

外部中断是由单片机外部引脚上的电平变化触发的中断。51单片机通常有 INT0 和 INT1 两个外部中断引脚。

• INT0 (P3.2)： 外部中断0。
• INT1 (P3.3)： 外部中断1。

外部中断的触发方式有两种：

• 下降沿触发： 当外部引脚电平从高电平变为低电平时触发中断。
• 低电平触发： 当外部引脚电平一直处于低电平时触发中断。

这两种触发方式可以通过中断控制寄存器 IE（Interrupt Enable）和中断类型控制寄存器 TCON 的相应位进行配置。

2. 内部中断

内部中断是由单片机内部功能模块产生的中断。51单片机主要的内部中断源包括：

• 定时器中断：
  • 定时器0中断 (TF0)： 当定时器0溢出时产生。
  • 定时器1中断 (TF1)： 当定时器1溢出时产生。
• 串口中断：
  • 发送完成中断 (TI)： 当串口发送完一个字节数据时产生。
  • 接收完成中断 (RI)： 当串口接收完一个字节数据时产生。
• 外部中断INT0 (IE0)： (与外部中断共享一个中断向量，但优先级高于定时器中断)
• 外部中断INT1 (IE1)： (与外部中断共享一个中断向量，但优先级低于INT0)

每个中断源都有一个对应的标志位，当中断发生时，该标志位会被硬件自动置1，CPU响应中断后，该标志位通常需要由软件清零（中断服务程序中）。

三、 51 单片机中断的配置与控制

要使能并使用中断，需要对几个关键寄存器进行配置。

1. 中断允许控制寄存器 (IE)

IE 寄存器（地址 A8H）用于全局控制中断是否允许，以及对每个中断源进行独立的使能/禁止。

IE 寄存器的各位定义如下：

• EA (位7)： 全局中断允许位。置1时允许所有中断；置0时禁止所有中断。
• - (位6)： 保留位，未用。
• EL0 (位5)： 外部中断0（INT0）的中断允许位。1允许，0禁止。
• ET0 (位4)： 定时器0中断（TF0）的中断允许位。1允许，0禁止。
• EX1 (位3)： 外部中断1（INT1）的中断允许位。1允许，0禁止。
• ET1 (位2)： 定时器1中断（TF1）的中断允许位。1允许，0禁止。
• ES (位1)： 串口中断（TI/RI）的中断允许位。1允许，0禁止。
• - (位0)： 保留位，未用。

示例： 要允许全局中断并使能定时器0中断，则需要设置 IE = 0x82 (EA=1, ET0=1)。

2. 中断优先级控制寄存器 (IP)

IP 寄存器（地址 B8H）用于设置中断的优先级。51单片机中断具有两级优先级：高优先级和低优先级。

IP 寄存器的各位定义如下：

• - (位7)： 保留位。
• - (位6)： 保留位。
• PX0 (位5)： 外部中断0（INT0）的优先级位。PX0=1为高优先级，PX0=0为低优先级。
• PT0 (位4)： 定时器0中断（TF0）的优先级位。PT0=1为高优先级，PT0=0为低优先级。
• PX1 (位3)： 外部中断1（INT1）的优先级位。PX1=1为高优先级，PX1=0为低优先级。
• PT1 (位2)： 定时器1中断（TF1）的优先级位。PT1=1为高优先级，PT1=0为低优先级。
• PS (位1)： 串口中断（TI/RI）的优先级位。PS=1为高优先级，PS=0为低优先级。
• - (位0)： 保留位。

中断优先级规则：

• 高优先级中断可以打断低优先级中断服务程序的执行。
• 同级优先级中断，先响应先发生的中断。
• 若中断发生时CPU正在执行低优先级中断服务程序，则高优先级中断会排队等待。
• 若中断发生时CPU正在执行高优先级中断服务程序，则该中断需要等待高优先级中断执行完毕。

注意： 外部中断INT0和INT1（IE0, IE1）以及定时器中断TF0, TF1, 串口中断RI/TI，它们的优先级是由IP寄存器控制的。中断向量地址的顺序也决定了它们的默认优先级（在未配置IP寄存器时）。

3. 中断标志位和控制寄存器 (TCON)

TCON 寄存器（地址 88H）除了用于定时器控制外，还包含外部中断和定时器中断的标志位。

TCON 寄存器中与中断相关的各位定义如下：

• TF1 (位7)： 定时器1溢出标志位。溢出时硬件置1。
• TR1 (位6)： 定时器1运行控制位。1运行，0停止。
• TF0 (位5)： 定时器0溢出标志位。溢出时硬件置1。
• TR0 (位4)： 定时器0运行控制位。1运行，0停止。
• IE1 (位3)： 外部中断1（INT1）的触发标志位。当INT1为低电平触发时，INT1引脚为低电平则置1；当为下降沿触发时，检测到下降沿则置1。
• IT1 (位2)： 外部中断1（INT1）的触发方式控制位。1为下降沿触发，0为低电平触发。
• IE0 (位1)： 外部中断0（INT0）的触发标志位。当INT0为低电平触发时，INT0引脚为低电平则置1；当为下降沿触发时，检测到下降沿则置1。
• IT0 (位0)： 外部中断0（INT0）的触发方式控制位。1为下降沿触发，0为低电平触发。

中断标志位处理： 当中断发生时，对应的标志位（TFx, IEx）会被硬件自动置1。中断服务程序需要通过软件将这些标志位清零，以防止中断被重复触发。

四、 编写中断服务程序 (ISR)

编写中断服务程序（ISR）时需要遵循一定的规范，以确保程序的正确性和效率。

1. 中断向量地址： 每个中断源都有一个预定义的中断向量地址。CPU在响应中断时会跳转到该地址。例如，外部中断0的向量地址是0003H，定时器0中断的向量地址是000BH。
2. 保存现场： 在ISR的开头，应该保存CPU的当前状态，包括CPU的PC计数器（通常由硬件自动完成）以及可能被ISR修改的寄存器（如R0-R7, ACC, B等），以便在ISR返回后能够恢复到中断前的状态。
3. 处理中断事件： 编写ISR代码来处理实际的中断事件。这部分代码应该尽量简短高效，避免复杂的计算和延时，以免影响主程序的实时性。
4. 清零中断标志： 在ISR的末尾（或处理完中断事件后），必须清零引起中断的标志位。
5. 恢复现场并返回： 恢复之前保存的CPU状态，然后执行中断返回指令（RETI）。

示例：一个简单的外部中断0服务程序

假设我们要用外部中断0（INT0）来控制一个LED灯的亮灭。当按下连接到INT0的按钮时，LED灯的状态翻转。

c #include // 定义LED和按钮接口 sbit LED = P1^0 sbit KEY_INT0 = P3^2 // 全局变量，用于记录LED状态 unsigned char led_state = 0 // 中断服务程序 void external_interrupt0(void) interrupt 0 { // 1. 硬件自动保存PC和PSW，但其他寄存器需要手动保存 // 这里为了演示简单，假设不修改其他寄存器 // 2. 处理中断事件：翻转LED状态 led_state = !led_state LED = led_state // 3. 清零中断标志位 (IE0在TCON中，硬件自动处理部分，但最好明确) // 实际上，当CPU响应中断时，IE0会被硬件清除，但为了安全起见， // 可以在ISR中显式清零（虽然通常不需要） // IE0 = 0 // 实际上，这里不必要，因为CPU响应中断时已经清除 // 4. 恢复现场并返回 (RETI指令) // 硬件会自动处理PC和PSW的恢复，RETI指令执行中断返回 } void main() { // 初始化 LED = 0 // 初始LED灭 led_state = 0 // 配置外部中断0 IT0 = 1 // 设置INT0为下降沿触发 EX0 = 1 // 使能外部中断0 EA = 1 // 使能总中断 // 主程序循环 while (1) { // 主程序可以做其他事情，例如闪烁LED // ... } }

示例：一个简单的定时器0中断服务程序

假设我们使用定时器0每隔10ms闪烁一次LED。

c #include sbit LED = P1^0 // 定时器0中断服务程序 void timer0_interrupt(void) interrupt 1 { // 1. 硬件自动保存PC和PSW // 2. 延时10ms的计算（假设时钟频率为12MHz） // TH0 = 65536 - 10000 // 10ms = 10000us // TL0 = TH0 // 实际上，更常见的做法是设置一个重载值 TH0 = 0x3C // 10ms的重载值 (需要根据具体时钟和定时器模式计算) TL0 = 0xAF // 3. 处理中断事件：翻转LED状态 LED = !LED // 4. 清零中断标志位 (TF0在TCON中，硬件自动处理) // TF0 = 0 // 实际上，这里不必要，因为CPU响应中断时已经清除 // 5. 恢复现场并返回 (RETI) } void main() { // 初始化 LED = 0 // 初始LED灭 // 配置定时器0 TMOD = 0xF0 // 清零定时器0的控制位 TMOD |= 0x01 // 设置定时器0为模式1 (16位定时器) TH0 = 0x3C // 10ms的重载值 TL0 = 0xAF ET0 = 1 // 使能定时器0中断 EA = 1 // 使能总中断 TR0 = 1 // 启动定时器0 // 主程序循环 while (1) { // 主程序可以做其他事情 } }

重要提示： 在编写C语言程序时，`interrupt n` 关键字会告诉编译器该函数是一个中断服务程序，并指定了中断向量号 `n`。例如，`interrupt 0` 对应外部中断0，`interrupt 1` 对应定时器0中断，`interrupt 3` 对应串口中断。

五、 51 单片机中断的应用场景

51单片机中断的应用场景非常广泛，几乎涵盖了所有需要响应外部事件或周期性任务的场景。

• 按键扫描： 使用外部中断来检测按键按下，避免CPU不断轮询按键状态，提高效率。
• 定时任务： 利用定时器中断实现精确的延时、周期性数据采集、电机控制等。
• 串口通信： 在接收或发送数据时使用串口中断，CPU可以在后台处理其他任务，无需等待串口操作完成。
• 传感器数据采集： 当传感器数据准备好时，通过中断通知CPU进行读取，实现实时数据采集。
• 实时操作系统（RTOS）调度： 中断是RTOS实现任务调度的基础，定时器中断可以用来周期性地唤醒调度器。
• 电机控制： 在PWM生成、编码器反馈等应用中，中断可以用来同步操作。
• 外部事件响应： 如安全报警、设备状态变化等，通过外部中断及时响应。

通过合理地利用51单片机的中断机制，开发者能够设计出更加高效、响应迅速、功能强大的嵌入式系统。

总结

51单片机中断是实现高效、实时系统设计的关键技术。理解其核心原理、掌握不同中断类型的配置方法，并学会编写规范的中断服务程序，对于任何一位51单片机开发者来说都是必不可少的技能。本文从原理、类型、配置、编写ISR以及应用场景等多个维度，对“51单片机中断”进行了全面的阐述，希望能为您的学习和开发提供有价值的参考。