MCS-51定時/計數器

MCS-51的單片機內有兩個16位可編程的定時/計數器，它們具有四種工作方式，其控制字和狀態均在相應的特殊功能寄存器中，通過對控制寄存器的編程，就可方便地選擇適當的工作方式。下面我們對它們的特性進行闡述。

?????定時/計數器的工作方式 ????MCS-51單片機內部的定時/計數器的結構如圖1所示，定時器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）構成，定時器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）構成。特殊功能寄存器TMOD控制定時寄存器的工作方式，TCON則用于控制定時器T0和T1的啟動和停止計數，同時管理定時器T0和T1的溢出標志等。程序開始時需對TL0、TH0、TL1和TH1進行初始化編程，以定義它們的工作方式和控制T0和T1的計數。 ????TMOD和TCON這兩個特殊功能寄存器的格式參見下表： ????[1].?定時/計數器的方式控制字TMOD，字節地址為89H，其格式如表1：

??表1??TMOD寄存器結構
D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
GATA		M1	M0	GATA		M1	M0
←T1方式字段→				←T0方式字段→

????[2].?定時器控制積存器TCON，字節地址為88H，位地址為88H—8FH，其格式如表2：

??表2??TCON結構
D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

?????TMOD和TCON各位的意義和用途我們將在下面的章節中予以介紹，需要注意的是，TCON的D0—D3位與中斷有關，我們會在中斷的內容中加以說明，MCS-51的定時/計數器共有四種工作方式，我們逐個進行討論。 ?????工作方式0 ????定時/計數器0的工作方式0電路邏輯結構見圖2（定時/計數器1與其完全一致），工作方式0是13位計數結構的工作方式，其計數器由TH的全部8位和TL的低5位構成，TL的高3位沒有使用。當=0時，多路開關接通振蕩脈沖的12分頻輸出，13位計數器以次進行計數。這就是定時工作方式。當=1時，多路開關接通計數引腳（To），外部計數脈沖由銀南腳To輸入。當計數脈沖發生負跳變時，計數器加1，這就是我們常稱的計數工作方式。

????不管是哪種工作方式，當TL的低5位溢出時，都會向TH進位，而全部13位計數器溢出時，則會向計數器溢出標志位TF0進位。 ????我們討論門控位GATA的功能，GATA位的狀態決定定時器運行控制取決于TR0的一個條件還是TR0和INT0引腳這兩個條件。當GATA=1時，由于GATA信號封鎖了與門，使引腳INT0信號無效。而這時候如果TR0=1，則接通模擬開關，使計數器進行加法計數，即定時/計數工作。而TR0=0，則斷開模擬開關，停止計數，定時/計數不能工作。 ????當GATA=0時，與門的輸出端由TR0和INT0電平的狀態確定，此時如果TR0=1，INT0=1與門輸出為1，允許定時/計數器計數，在這種情況下，運行控制由TR0和INT0兩個條件共同控制，TR0是確定定時/計數器的運行控制位，由軟件置位或清“0”。 ????如上所述，TF0是定時/計數器的溢出狀態標志，溢出時由硬件置位，TF0溢出中斷被CPU響應時，轉入中斷時硬件清“0”，TF0也可由程序查詢和清“0”。 ????在工作方式下，計數器的計數值范圍是： ??????????1—8192（213） ????當為定時工作方式時，定時時間的計算公式為： ?????????（213—計數初值）╳晶振周期╳12 ????或???（213—計數初值）╳機器周期 ????其時間單位與晶振周期或機器周期相同。 ????如果單片機的晶振選為6.000MHz，則最小定時時間為： ????????[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M1，M0=01時，定時/計數器處于工作方式1，此時，定時/及數器的等效電路如圖3所示，仍以定時器0為例，定時器1與之完全相同。

????可以看出，方式0和方式1的區別僅在于計數器的位數不同，方式0為13位，而方式1則為16位，由TH0作為高8位，TL0為低8位，有關控制狀態字（GATA、、TF0、TR0）和方式0相同。 ????在工作方式1下，計數器的計數值范圍是： ??????????1—65536（216） ????當為定時工作方式1時，定時時間的計算公式為： ?????????（216—計數初值）╳晶振周期╳12 ????或???（216—計數初值）╳機器周期 ????其時間單位與晶振周期或機器周期相同。 ????如果單片機的晶振選為6.000MHz，則最小定時時間為： ????????[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)。

??工作方式2
????當M1M0=10時,定時/計數器處于工作方式2.此時定時器的等效電阻如圖4所示.我們還是以定時/計數器0為例,定時/計數器1與之完全一致。

????工作方式0和工作方式1的最大特點就是計數溢出后，計數器為全0，因而循環定時或循環計數應用時就存在反復設置初值的問題，這給程序設計帶來許多不便，同時也會影響計時精度，工作方式2就針對這個問題而設置，它具有自動重裝載功能，即自動加載計數初值，所以也有的文獻稱之為自動重加載工作方式。在這種工作方式中，16位計數器分為兩部分，即以TL0為計數器，以TH0作為預置寄存器，初始化時把計數初值分別加載至TL0和TH0中，當計數溢出時，不再象方式0和方式1那樣需要“人工干預”，由軟件重新賦值，而是由預置寄存器TH以硬件方法自動給計數器TL0重新加載。 ????程序初始化時，給TL0和TH0同時賦以初值，當TL0計數溢出時，置位TF0的同時把預置寄存器TH0中的初值加載給TL0，TL0重新計數。如此反復，這樣省去了程序不斷需給計數器賦值的麻煩，而且計數準確度也提高了。但這種方式也有其不利的一面，就是這樣一來的計數結構只有8位，計數值有限，最大只能到255。所以這種工作方式很適合于那些重復計數的應用場合。例如我們可以通過這樣的計數方式產生中斷，從而產生一個固定頻率的脈沖。也可以當作串行數據通信的波特率發送器使用。 ?????工作方式3 ????當M1M0=11時，定時/計數器處于工作方式3，此時，定時/及數器的等效電路如圖3所示，仍以定時器0為例，值得注意的是，在工作方式3模式下，定時/計數器1的工作方式與之不同，下面我們分別討論。

????在工作方式3模式下，定時/計數器0被拆成兩個獨立的8位計數器TL0和TH0。其中TL0既可以作計數器使用，也可以作為定時器使用，定時/計數器0的各控制位和引腳信號全歸它使用。其功能和操作與方式0或方式1完全相同。TH0就沒有那么多“資源”可利用了，只能作為簡單的定時器使用，而且由于定時/計數器0的控制位已被TL0占用，因此只能借用定時/計數器1的控制位TR1和TF1，也就是以計數溢出去置位TF1，TR1則負責控制TH0定時的啟動和停止。等效電路參見圖6。 ????由于TL0既能作定時器也能作計數器使用，而TH0只能作定時器使用而不能作計數器使用，因此在方式3模式下，定時/計數器0可以構成二個定時器或者一個定時器和一個計數器。 ????如果定時/計數器0工作于工作方式3，那么定時/計數器1的工作方式就不可避免受到一定的限制，因為自己的一些控制位已被定時/計數器借用，只能工作在方式0、方式1或方式2下，等效電路參見圖6

????在這種情況下，定時/計數器1通常作為串行口的波特率發生器使用，以確定串行通信的速率，因為已沒有TF1被定時/計數器0借用了，只能把計數溢出直接送給串行口。當作波特率發生器使用時，只需設置好工作方式，即可自動運行。如要停止它的工作，需送入一個把它設置為方式3的方式控制字即可，這是因為定時/計數器本身就不能工作在方式3，如硬把它設置為方式3，自然會停止工作。

對初學者來說，中斷這個概念比較抽象，其實單片機的處理系統與人的一般思維有著許多異曲同工之妙，我們舉個很貼切的比方，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，這時侯電話鈴響了，你在書本上做個記號（以記下你現在正編譯到某某頁），然后與對方通電話，而此時恰好有客人到訪，你先停下通電話，與客人說幾句話，叫客人稍侯，然后回頭繼續通完電話，再與客人談話。談話完畢，送走客人，繼續你的資料編譯工作。

????這就是日常生活和工作中的中斷現象，類似的情況還有很多，從編譯資料到接電話是第一次中斷，通電話的過程中引有客人到訪，這是第二次中斷，即在中斷的過程中又出現第二次中斷，這就是我們常說的中斷嵌套。處理完第二個中斷任務后，回頭處理第一個中斷，第一個中斷完成后，再繼續你原先的主要工作。

????為什么會出現這樣的中斷呢？道理很簡單，人非三頭六臂，人只有一個腦袋，在一種特定的時間內，可能會面對著兩、三甚至更多的任務。但一個人又不可能在同一時間去完成多樣任務，因此你只能采分析任務的輕重緩急，采用中斷的方法穿插去完成它們。那么這種情況對于單片機中的中央處理器也是如此，單片機中CPU只有一個，但在同一時間內可能會面臨著處理很多任務的情況，如運行主程序、數據的輸入和輸出，定時/和計數時間已到要處理、可能還有一些外部的更重要的中斷請求（如超溫超壓）要先處理。此時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的中斷方法。

????這樣的一樣處理方法上升到計算機理論，就是一個資源面對多項任務的處理方式，由于資源有限，面對多項任務同時要處理時，就會出現資源競爭的現象。中斷技術就是為了解決資源競爭的一個可行的方法，采用中斷技術可使多項任務共享一個資源，所以有些文獻也稱中斷技術是一種資源共享技術。

????[1].MCS-51的中斷結構

????計算機的中斷系統能夠加強CPU對多任務事件的處理能力。從而使它的應用范圍進一步擴大。在MCS-48結構的基礎上，MCS-51在增強了I/O的種類、功能和數量的同時，也增強了中斷能力。MCS-51提供了5個中斷源，兩個中斷優先級控制，可實現兩個中斷服務嵌套。當CPU支持中斷屏蔽指令后，可將一部分或所有的中斷關斷，只有打開相應的中斷控制位后，方可接收相應的中斷請求。程序設置中斷的允許或屏蔽，也可設置中斷的優先級。 ????[2].中斷處理流程 ????CPU響應中斷請求后，就立即轉入執行中斷服務程序。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。 ?????現場保護和現場恢復 ????中斷是在執行其它任務的過程中轉去執行臨時的任務，為了在執行完中斷服務程序后，回頭執行原先的程序時，知道程序原來在何處打斷的，各有關寄存器的內容如何，就必須在轉入執行中斷服務程序前，將這些內容和狀態進行備份——即保護現場。就象文章開頭舉的例子，在看書時，電話玲響需傳去接電話時，必須在書本上做個記號，以便在接完電話后回來看書時，知道從哪些內容繼續往下看。計算機的中斷處理方法也如此，中斷開始前需將個有關寄存器的內容壓入堆棧進行保存，以便在恢復原來程序時使用。 ????中斷服務程序完成后，繼續執行原先的程序，就需把保存的現場內容從堆棧中彈出，恢復積存器和存儲單元的原有內容，這就是現場恢復。 ????如果在執行中斷服務時不是按上述方法進行現場保護和恢復現場，就會是程序運行紊亂，程序跑飛，自然使單片機不能正常工作。 ?????中斷打開和中斷關閉 ????在中斷處理進行過程中，可能又有新的中斷請求到來，這里規定，現場保護和現場恢復的操作是不允許打擾的，否則保護和恢復的過程就可能使數據出錯，為此在進行現場保護和現場恢復的過程中，必須關閉總中斷，屏蔽其它所有的中斷，待這個操作完成后再打開總中斷，以便實現中斷嵌套。 ?????中斷服務程序 ????既然有中斷產生，就必然有其具體的需執行的任務，中斷服務程序就是執行中斷處理的具體內容，一般以子程序的形式出現，所有的中斷都要轉去執行中斷服務程序，進行中斷服務。 ?????中斷返回 ????執行完中斷服務程序后，必然要返回，中斷返回就是被程序運行從中斷服務程序轉回到原工作程序上來。在MCS-51單片機中，中斷返回是通過一條專門的指令實現的，自然這條指令是中斷服務程序的最后一條指令。 ????[3].MCS-51的中斷源 ????8051有5個中斷源，它們是兩個外中斷INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、兩個片內定時/計數器溢出中斷TF0和TF1，一個是片內串行口中斷TI或RI，這幾個中斷源由TCON和SCON兩個特殊功能寄存器進行控制。 ????在前一節，我們已對TCON的控制位進行了說明，現在繼續對它的中斷控制有關的位進行談論。TCON寄存器的結構如下：

??表1??TCON寄存器結構
TCON	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0
位地址	8FH	8EH	8DH	8CH	8BH	8AH	89H	88H

????·?IE1:外部邊沿觸發中斷1請求標志，其功能和操作類似于TF0。 ????·?IT1:外部中斷1類型控制位，通過軟件設置或清楚，用于控制外中斷的觸發信號類型。IT1=1，邊沿觸發。IT=0是電平觸發。 ????·?IE0:外部邊沿觸發中斷0請求標志，其功能和操作類似于IE1。 ????·?IT0:外部中斷0類型控制位，通過軟件設置或清楚，用于控制外中斷的觸發信號類型。其功能和操作類似于IE1。 ????SCON是串行口控制寄存器，字節地址為98H，SCON的低二位是串行口的發送和接收中斷標志，其格式如下：

??表2??SCON寄存器結構
SCON	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
	-	-	-	-	-	-	TI	RI
位地址	?	?	?	?	?	?	99H	98H

????·?TI:MCS-51串行口的發送中斷標志，在串行口以方式0發送時，每當發送完8位數據，由硬件置位。如果以方式1、方式2或方式3發送時，在發送停止位的開始時TI被置1，TI=1表示串行發送器正向CPU發出中斷請求，向串行口的數據緩沖器SBUF寫入一個數據后就立即啟動發送器繼續發送。但是CPU響應中斷請求后，轉向執行中斷服務程序時，并不清零TI，TI必須由用戶的中斷服務程序清“0”，即中斷服務程序必須有“CLR TI”或“ANL SCON, #0FDH”等指令來清零TI。 ????·?RI:串行口接收中斷標志.若串行口接收器允許接收,并以方式0工作,每當接收到8位數據時,RI被置1,若以方式1、2、3方式工作，當接收到半個停止位時，TI被置1，當串行口一方式2或3方式工作，且當SM2=1時，僅當接收到第9位數據RB8為1后，同時還要在接收到半個停止位時，RI被置1。RI為1表示串行口接收器正向CPU申請中斷。同樣RI標志栩栩如生由用戶的軟件清“0”。

?[4].中斷的控制

????對于中斷控制，在上一節中我們已經對TCON和SCON進行了分析，其實它們兩個寄存器也是中斷的控制寄存器，負責對中斷的部分功能進行控制。我們這里談論的是另外兩個控制寄存器IE和IP。

????MCS-51的對中斷的開放和屏蔽是由中斷允許寄存器IE控制來實現的，IE的結構格式如下。

??表3??IE寄存器結構
IE	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
	EA	-	-	ES	ET1	EX1	ET0	EX0
位地址	AFH	?	?	ACH	ABH	AAH	A9H	A8H

????下面我們對IE寄存器的各控制位進行介紹： ????·?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/計數器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/計數器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有兩個中斷優先級，即高優先級和低優先級，每個中斷源都可設置為高或低中斷優先級。如果有一低優先級的中斷正在執行，那么高優先級的中斷出現中斷請求時，CPU則會響應這個高有限級的中斷，也即高優先級的中斷可以打斷低優先級的中斷。而若CPU正在處理一個高優先級的中斷，此時，就算是有低優先級的中斷發出中斷請求，CPU也不會理會這個中斷，而是繼續執行正在執行的中斷服務程序，一直到程序結束，執行最后一條返回指令，返回主程序然后再執行一條指令后才會響應新的中斷請求。 ????為了實現上述功能，MCS-51的中斷系統有兩個不可尋址的優先級狀態觸發器，一個指出CPU是否在執行高優先級中斷服務程序，另一個指出CPU是否正在執行低優先級的中斷服務程序，這兩個中斷觸發器的1狀態分別屏蔽所有中斷申請和同一級別的其他中斷申請，此外，MCS-51還有一個申請優先級寄存IP，IP的格式如下，字節地址是B8H。

??表4??IP中斷控制寄存器結構
IP	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
	-	-	-	PS	PT1	Px1	PT0	PX0
位地址	?	?	?	BCH	BBH	BAH	B9H	B8H

????·?PS:串行口中斷口優先級控制位，PS=1，串行口中斷聲明為高優先級中斷，PS=0，串行口定義為低優先級中斷。 ????·?PT1:定時器1優先級控制位。PT1=1，聲明定時器1為高優先級中斷，PT1=0定義定時器1為低優先級中斷。 ????·?PX1:外中斷1優先級控制位。PT1=1，聲明外中斷1為高優先級中斷，PX1=0定義外中斷1為低優先級中斷。 ????·?PT0:定時器0優先級控制位。PT1=1，聲明定時器0為高優先級中斷，PT1=0定義定時器0為低優先級中斷。 ????·?PX0:外中斷0優先級控制位。PT1=1，聲明外中斷0為高優先級中斷，PX1=0定義外中斷0為低優先級中斷。 ????[5].中斷的響應 ????MCS-51CPU在每一個機器周期順序檢查每一個中斷源，在機器周期的S6按優先級處理所有被激活的中斷請求，此時，如果CPU沒有正在處理更高或相同優先級的中斷，或者現在的機器周期不是所執行指令的最后一個機器周期，或者CPU不是正在執行RETI指令或訪問IE和IP的指令（因為按MCS-51中斷系統的特性規定，在執行完這些指令之后，還要在繼續執行一條指令，才會響應中斷），CPU在下一個機器周期響應激活了的最高級中斷請求。 ????中斷響應的主要內容就是由硬件自動生成一條長調用LCALL addr16指令，這里的addr16就是程序存儲器中相應的中斷區入口地址，這些中斷源的服務程序入口地址如下：

??表5??個中斷源的服務程序入口地址
中斷源	入口地址
外中斷0	0003H
定時/計數器0	000BH
外中斷1	0013H
定時/計數器0	001BH
串行口中斷	0023H

????生成LCALL指令后,CPU緊跟著便執行之.首先將PC(程序計數器)的內容壓入堆棧保護斷點，然后把中斷入口地址賦予PC，CPU便按新的PC地址（即中斷服務程序入口地址）執行程序。 ????值得一提的是，各中斷區只有8個單元，一般情況下（除非中斷程序非常簡單），都不可能安裝下一個完整的中斷服務程序。因此，通常是在這些入口地址區放置一條無條件轉移指令，使程序按轉移的實際地址去執行真正的中斷服務程序。