MCS-51定时/计数器

MCS-51的单片机内有两个16位可编程的定时/计数器，它们具有四种工作方式，其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式。下面我们对它们的特性进行阐述。

定时/计数器的工作方式     MCS-51单片机内部的定时/计数器的结构如图1所示，定时器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作方式，TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。程序开始时需对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化编程，以定义它们的工作方式和控制T0和T1的计数。     TMOD和TCON这两个特殊功能寄存器的格式参见下表：     [1]. 定时/计数器的方式控制字TMOD，字节地址为89H，其格式如表1：

表1  TMOD寄存器结构
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]. 定时器控制积存器TCON，字节地址为88H，位地址为88H—8FH，其格式如表2：

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

TMOD和TCON各位的意义和用途我们将在下面的章节中予以介绍，需要注意的是，TCON的D0—D3位与中断有关，我们会在中断的内容中加以说明，MCS-51的定时/计数器共有四种工作方式，我们逐个进行讨论。      工作方式0     定时/计数器0的工作方式0电路逻辑结构见图2（定时/计数器1与其完全一致），工作方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH的全部8位和TL的低5位构成，TL的高3位没有使用。当=0时，多路开关接通振荡脉冲的12分频输出，13位计数器以次进行计数。这就是定时工作方式。当=1时，多路开关接通计数引脚（To），外部计数脉冲由银南脚To输入。当计数脉冲发生负跳变时，计数器加1，这就是我们常称的计数工作方式。

不管是哪种工作方式，当TL的低5位溢出时，都会向TH进位，而全部13位计数器溢出时，则会向计数器溢出标志位TF0进位。     我们讨论门控位GATA的功能，GATA位的状态决定定时器运行控制取决于TR0的一个条件还是TR0和INT0引脚这两个条件。当GATA=1时，由于GATA信号封锁了与门，使引脚INT0信号无效。而这时候如果TR0=1，则接通模拟开关，使计数器进行加法计数，即定时/计数工作。而TR0=0，则断开模拟开关，停止计数，定时/计数不能工作。     当GATA=0时，与门的输出端由TR0和INT0电平的状态确定，此时如果TR0=1，INT0=1与门输出为1，允许定时/计数器计数，在这种情况下，运行控制由TR0和INT0两个条件共同控制，TR0是确定定时/计数器的运行控制位，由软件置位或清“0”。     如上所述，TF0是定时/计数器的溢出状态标志，溢出时由硬件置位，TF0溢出中断被CPU响应时，转入中断时硬件清“0”，TF0也可由程序查询和清“0”。     在工作方式下，计数器的计数值范围是：           1—8192（213）     当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：          （213—计数初值）╳晶振周期╳12     或   （213—计数初值）╳机器周期     其时间单位与晶振周期或机器周期相同。     如果单片机的晶振选为6.000MHz，则最小定时时间为：         [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     当M1，M0=01时，定时/计数器处于工作方式1，此时，定时/及数器的等效电路如图3所示，仍以定时器0为例，定时器1与之完全相同。

可以看出，方式0和方式1的区别仅在于计数器的位数不同，方式0为13位，而方式1则为16位，由TH0作为高8位，TL0为低8位，有关控制状态字（GATA、、TF0、TR0）和方式0相同。     在工作方式1下，计数器的计数值范围是：           1—65536（216）     当为定时工作方式1时，定时时间的计算公式为：          （216—计数初值）╳晶振周期╳12     或   （216—计数初值）╳机器周期     其时间单位与晶振周期或机器周期相同。     如果单片机的晶振选为6.000MHz，则最小定时时间为：         [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
    当M1M0=10时,定时/计数器处于工作方式2.此时定时器的等效电阻如图4所示.我们还是以定时/计数器0为例,定时/计数器1与之完全一致。

工作方式0和工作方式1的最大特点就是计数溢出后，计数器为全0，因而循环定时或循环计数应用时就存在反复设置初值的问题，这给程序设计带来许多不便，同时也会影响计时精度，工作方式2就针对这个问题而设置，它具有自动重装载功能，即自动加载计数初值，所以也有的文献称之为自动重加载工作方式。在这种工作方式中，16位计数器分为两部分，即以TL0为计数器，以TH0作为预置寄存器，初始化时把计数初值分别加载至TL0和TH0中，当计数溢出时，不再象方式0和方式1那样需要“人工干预”，由软件重新赋值，而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL0重新加载。     程序初始化时，给TL0和TH0同时赋以初值，当TL0计数溢出时，置位TF0的同时把预置寄存器TH0中的初值加载给TL0，TL0重新计数。如此反复，这样省去了程序不断需给计数器赋值的麻烦，而且计数准确度也提高了。但这种方式也有其不利的一面，就是这样一来的计数结构只有8位，计数值有限，最大只能到255。所以这种工作方式很适合于那些重复计数的应用场合。例如我们可以通过这样的计数方式产生中断，从而产生一个固定频率的脉冲。也可以当作串行数据通信的波特率发送器使用。      工作方式3     当M1M0=11时，定时/计数器处于工作方式3，此时，定时/及数器的等效电路如图3所示，仍以定时器0为例，值得注意的是，在工作方式3模式下，定时/计数器1的工作方式与之不同，下面我们分别讨论。

在工作方式3模式下，定时/计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0。其中TL0既可以作计数器使用，也可以作为定时器使用，定时/计数器0的各控制位和引脚信号全归它使用。其功能和操作与方式0或方式1完全相同。TH0就没有那么多“资源”可利用了，只能作为简单的定时器使用，而且由于定时/计数器0的控制位已被TL0占用，因此只能借用定时/计数器1的控制位TR1和TF1，也就是以计数溢出去置位TF1，TR1则负责控制TH0定时的启动和停止。等效电路参见图6。     由于TL0既能作定时器也能作计数器使用，而TH0只能作定时器使用而不能作计数器使用，因此在方式3模式下，定时/计数器0可以构成二个定时器或者一个定时器和一个计数器。     如果定时/计数器0工作于工作方式3，那么定时/计数器1的工作方式就不可避免受到一定的限制，因为自己的一些控制位已被定时/计数器借用，只能工作在方式0、方式1或方式2下，等效电路参见图6

在这种情况下，定时/计数器1通常作为串行口的波特率发生器使用，以确定串行通信的速率，因为已没有TF1被定时/计数器0借用了，只能把计数溢出直接送给串行口。当作波特率发生器使用时，只需设置好工作方式，即可自动运行。如要停止它的工作，需送入一个把它设置为方式3的方式控制字即可，这是因为定时/计数器本身就不能工作在方式3，如硬把它设置为方式3，自然会停止工作。

对初学者来说，中断这个概念比较抽象，其实单片机的处理系统与人的一般思维有着许多异曲同工之妙，我们举个很贴切的比方，在日常生活和工作中有很多类似的情况。假如你正在上班，例如是编译资料，这时侯电话铃响了，你在书本上做个记号（以记下你现在正编译到某某页），然后与对方通电话，而此时恰好有客人到访，你先停下通电话，与客人说几句话，叫客人稍侯，然后回头继续通完电话，再与客人谈话。谈话完毕，送走客人，继续你的资料编译工作。

    这就是日常生活和工作中的中断现象，类似的情况还有很多，从编译资料到接电话是第一次中断，通电话的过程中引有客人到访，这是第二次中断，即在中断的过程中又出现第二次中断，这就是我们常说的中断嵌套。处理完第二个中断任务后，回头处理第一个中断，第一个中断完成后，再继续你原先的主要工作。

    为什么会出现这样的中断呢？道理很简单，人非三头六臂，人只有一个脑袋，在一种特定的时间内，可能会面对着两、三甚至更多的任务。但一个人又不可能在同一时间去完成多样任务，因此你只能采分析任务的轻重缓急，采用中断的方法穿插去完成它们。那么这种情况对于单片机中的中央处理器也是如此，单片机中CPU只有一个，但在同一时间内可能会面临着处理很多任务的情况，如运行主程序、数据的输入和输出，定时/和计数时间已到要处理、可能还有一些外部的更重要的中断请求（如超温超压）要先处理。此时也得象人的思维一样停下某一样（或几样）工作先去完成一些紧急任务的中断方法。

    这样的一样处理方法上升到计算机理论，就是一个资源面对多项任务的处理方式，由于资源有限，面对多项任务同时要处理时，就会出现资源竞争的现象。中断技术就是为了解决资源竞争的一个可行的方法，采用中断技术可使多项任务共享一个资源，所以有些文献也称中断技术是一种资源共享技术。

[1].MCS-51的中断结构

计算机的中断系统能够加强CPU对多任务事件的处理能力。从而使它的应用范围进一步扩大。在MCS-48结构的基础上，MCS-51在增强了I/O的种类、功能和数量的同时，也增强了中断能力。MCS-51提供了5个中断源，两个中断优先级控制，可实现两个中断服务嵌套。当CPU支持中断屏蔽指令后，可将一部分或所有的中断关断，只有打开相应的中断控制位后，方可接收相应的中断请求。程序设置中断的允许或屏蔽，也可设置中断的优先级。     [2].中断处理流程     CPU响应中断请求后，就立即转入执行中断服务程序。不同的中断源、不同的中断要求可能有不同的中断处理方法，但它们的处理流程一般都如下所述。      现场保护和现场恢复     中断是在执行其它任务的过程中转去执行临时的任务，为了在执行完中断服务程序后，回头执行原先的程序时，知道程序原来在何处打断的，各有关寄存器的内容如何，就必须在转入执行中断服务程序前，将这些内容和状态进行备份——即保护现场。就象文章开头举的例子，在看书时，电话玲响需传去接电话时，必须在书本上做个记号，以便在接完电话后回来看书时，知道从哪些内容继续往下看。计算机的中断处理方法也如此，中断开始前需将个有关寄存器的内容压入堆栈进行保存，以便在恢复原来程序时使用。     中断服务程序完成后，继续执行原先的程序，就需把保存的现场内容从堆栈中弹出，恢复积存器和存储单元的原有内容，这就是现场恢复。     如果在执行中断服务时不是按上述方法进行现场保护和恢复现场，就会是程序运行紊乱，程序跑飞，自然使单片机不能正常工作。      中断打开和中断关闭     在中断处理进行过程中，可能又有新的中断请求到来，这里规定，现场保护和现场恢复的操作是不允许打扰的，否则保护和恢复的过程就可能使数据出错，为此在进行现场保护和现场恢复的过程中，必须关闭总中断，屏蔽其它所有的中断，待这个操作完成后再打开总中断，以便实现中断嵌套。      中断服务程序     既然有中断产生，就必然有其具体的需执行的任务，中断服务程序就是执行中断处理的具体内容，一般以子程序的形式出现，所有的中断都要转去执行中断服务程序，进行中断服务。      中断返回     执行完中断服务程序后，必然要返回，中断返回就是被程序运行从中断服务程序转回到原工作程序上来。在MCS-51单片机中，中断返回是通过一条专门的指令实现的，自然这条指令是中断服务程序的最后一条指令。     [3].MCS-51的中断源     8051有5个中断源，它们是两个外中断INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、两个片内定时/计数器溢出中断TF0和TF1，一个是片内串行口中断TI或RI，这几个中断源由TCON和SCON两个特殊功能寄存器进行控制。     在前一节，我们已对TCON的控制位进行了说明，现在继续对它的中断控制有关的位进行谈论。TCON寄存器的结构如下：

表1  TCON寄存器结构
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:外部边沿触发中断1请求标志，其功能和操作类似于TF0。     · IT1:外部中断1类型控制位，通过软件设置或清楚，用于控制外中断的触发信号类型。IT1=1，边沿触发。IT=0是电平触发。     · IE0:外部边沿触发中断0请求标志，其功能和操作类似于IE1。     · IT0:外部中断0类型控制位，通过软件设置或清楚，用于控制外中断的触发信号类型。其功能和操作类似于IE1。     SCON是串行口控制寄存器，字节地址为98H，SCON的低二位是串行口的发送和接收中断标志，其格式如下：

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

· TI:MCS-51串行口的发送中断标志，在串行口以方式0发送时，每当发送完8位数据，由硬件置位。如果以方式1、方式2或方式3发送时，在发送停止位的开始时TI被置1，TI=1表示串行发送器正向CPU发出中断请求，向串行口的数据缓冲器SBUF写入一个数据后就立即启动发送器继续发送。但是CPU响应中断请求后，转向执行中断服务程序时，并不清零TI，TI必须由用户的中断服务程序清“0”，即中断服务程序必须有“CLR TI”或“ANL SCON, #0FDH”等指令来清零TI。     · RI:串行口接收中断标志.若串行口接收器允许接收,并以方式0工作,每当接收到8位数据时,RI被置1,若以方式1、2、3方式工作，当接收到半个停止位时，TI被置1，当串行口一方式2或3方式工作，且当SM2=1时，仅当接收到第9位数据RB8为1后，同时还要在接收到半个停止位时，RI被置1。RI为1表示串行口接收器正向CPU申请中断。同样RI标志栩栩如生由用户的软件清“0”。

 [4].中断的控制

    对于中断控制，在上一节中我们已经对TCON和SCON进行了分析，其实它们两个寄存器也是中断的控制寄存器，负责对中断的部分功能进行控制。我们这里谈论的是另外两个控制寄存器IE和IP。

    MCS-51的对中断的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制来实现的，IE的结构格式如下。

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

下面我们对IE寄存器的各控制位进行介绍：     · EA:中断总控制位，EA=1，CPU开放中断。EA=0，CPU禁止所有中断。     · ES:串行口中断控制位，ES=1允许串行口中断，ES=0，屏蔽串行口中断。     · ET1:定时/计数器T1中断控制位。ET1=1，允许T1中断，ET1=0，禁止T1中断。     · EX1:外中断1中断控制位，EX1=1，允许外中断1中断，EX1=0，禁止外中断1中断。     · ET0:定时/计数器T0中断控制位。ET1=1，允许T0中断，ET1=0，禁止T0中断。     · EX0:外中断0中断控制位，EX1=1，允许外中断0中断，EX1=0，禁止外中断0中断。     MCS-51有两个中断优先级，即高优先级和低优先级，每个中断源都可设置为高或低中断优先级。如果有一低优先级的中断正在执行，那么高优先级的中断出现中断请求时，CPU则会响应这个高有限级的中断，也即高优先级的中断可以打断低优先级的中断。而若CPU正在处理一个高优先级的中断，此时，就算是有低优先级的中断发出中断请求，CPU也不会理会这个中断，而是继续执行正在执行的中断服务程序，一直到程序结束，执行最后一条返回指令，返回主程序然后再执行一条指令后才会响应新的中断请求。     为了实现上述功能，MCS-51的中断系统有两个不可寻址的优先级状态触发器，一个指出CPU是否在执行高优先级中断服务程序，另一个指出CPU是否正在执行低优先级的中断服务程序，这两个中断触发器的1状态分别屏蔽所有中断申请和同一级别的其他中断申请，此外，MCS-51还有一个申请优先级寄存IP，IP的格式如下，字节地址是B8H。

表4  IP中断控制寄存器结构
IP	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
	-	-	-	PS	PT1	Px1	PT0	PX0
位地址				BCH	BBH	BAH	B9H	B8H

· PS:串行口中断口优先级控制位，PS=1，串行口中断声明为高优先级中断，PS=0，串行口定义为低优先级中断。     · PT1:定时器1优先级控制位。PT1=1，声明定时器1为高优先级中断，PT1=0定义定时器1为低优先级中断。     · PX1:外中断1优先级控制位。PT1=1，声明外中断1为高优先级中断，PX1=0定义外中断1为低优先级中断。     · PT0:定时器0优先级控制位。PT1=1，声明定时器0为高优先级中断，PT1=0定义定时器0为低优先级中断。     · PX0:外中断0优先级控制位。PT1=1，声明外中断0为高优先级中断，PX1=0定义外中断0为低优先级中断。     [5].中断的响应     MCS-51CPU在每一个机器周期顺序检查每一个中断源，在机器周期的S6按优先级处理所有被激活的中断请求，此时，如果CPU没有正在处理更高或相同优先级的中断，或者现在的机器周期不是所执行指令的最后一个机器周期，或者CPU不是正在执行RETI指令或访问IE和IP的指令（因为按MCS-51中断系统的特性规定，在执行完这些指令之后，还要在继续执行一条指令，才会响应中断），CPU在下一个机器周期响应激活了的最高级中断请求。     中断响应的主要内容就是由硬件自动生成一条长调用LCALL addr16指令，这里的addr16就是程序存储器中相应的中断区入口地址，这些中断源的服务程序入口地址如下：

表5  个中断源的服务程序入口地址
中断源	入口地址
外中断0	0003H
定时/计数器0	000BH
外中断1	0013H
定时/计数器0	001BH
串行口中断	0023H

生成LCALL指令后,CPU紧跟着便执行之.首先将PC(程序计数器)的内容压入堆栈保护断点，然后把中断入口地址赋予PC，CPU便按新的PC地址（即中断服务程序入口地址）执行程序。     值得一提的是，各中断区只有8个单元，一般情况下（除非中断程序非常简单），都不可能安装下一个完整的中断服务程序。因此，通常是在这些入口地址区放置一条无条件转移指令，使程序按转移的实际地址去执行真正的中断服务程序。