代码收藏家技术教程 2024-11-22

【单片机基础】中断系统的作用与配置

单片机中的中断系统是用于处理外部或内部事件的一种机制。通过中断系统，单片机可以在执行当前任务的同时，及时响应外部事件或内部定时器产生的中断请求，从而提高系统的实时性和响应能力。理解中断系统的作用和配置方法对于单片机编程和系统设计非常重要。以下是单片机中断系统的作用和配置方法的详细介绍：

1. 中断系统的作用

1.1 提高系统的实时性

作用：当外部事件发生时，中断系统可以立即中断当前正在执行的任务，转去执行中断服务程序，处理完后再返回原任务继续执行。

应用场景：按键检测、定时器溢出、外部传感器触发等。

1.2 提高系统的效率

作用：中断系统允许单片机在等待外部事件时进入低功耗模式，当事件发生时再唤醒单片机，从而节省能源。

应用场景：低功耗系统、电池供电设备等。

1.3 简化程序设计

作用：通过中断处理，可以将一些复杂的任务分解成多个小任务，每个任务由相应的中断服务程序处理，使主程序更加简洁。

应用场景：多任务系统、复杂控制系统等。

2. 中断系统的结构

2.1 中断源

外部中断源：如按键、传感器等外部设备产生的中断。

内部中断源：如定时器溢出、串行通信接收完成等内部事件产生的中断。

2.2 中断向量表

功能：存储各中断服务程序的入口地址。

作用：当中断发生时，CPU根据中断向量表跳转到相应的中断服务程序。

2.3 中断使能寄存器

功能：控制各中断源的使能状态。

位设置：每个位对应一个中断源，1表示使能，0表示禁止。

2.4 中断标志寄存器

功能：记录各中断源的中断请求状态。

位设置：每个位对应一个中断源，1表示有中断请求，0表示无中断请求。

2.5 中断优先级寄存器

功能：设置各中断源的优先级。

作用：当多个中断同时发生时，根据优先级决定先处理哪个中断。

3. 中断系统的配置

3.1 初始化中断系统

设置中断向量表：确保中断向量表中正确配置了各中断服务程序的入口地址。

设置中断使能寄存器：使能所需的中断源。

设置中断优先级寄存器：设置各中断源的优先级。

使能全局中断：允许CPU响应中断请求。

3.2 编写中断服务程序

中断服务程序：处理中断请求的具体代码。

注意事项：

短小精悍：中断服务程序应尽量简短，避免长时间占用CPU。

保护现场：在中断服务程序开始时保存当前的状态寄存器和通用寄存器，在结束时恢复。

清除中断标志：处理完中断请求后，清除相应的中断标志位。

4. 实际应用示例

4.1 外部中断示例（8051单片机）

硬件连接：将按键一端接地，另一端连接到单片机的外部中断引脚（如P3.2）。

软件代码：

#include <8051.h>

// 外部中断0的服务程序
void ExternalInterrupt0_ISR() interrupt 0 {
    // 清除外部中断0标志
    IE0 = 0;
    // 执行中断处理代码
    // 例如：切换LED状态
    P1 ^= 0x01;  // 切换P1.0的电平
}

void main() {
    // 初始化外部中断0
    EX0 = 1;  // 使能外部中断0
    IT0 = 1;  // 设置外部中断0为下降沿触发
    EA = 1;   // 使能全局中断

    while (1) {
        // 主程序循环
    }
}

4.2 定时器中断示例（STM32单片机）

硬件连接：无需特殊连接，使用内部定时器。

软件代码：

#include "stm32f10x.h"

// 定时器2中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // 清除定时器2更新中断标志
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
        // 执行中断处理代码
        // 例如：切换LED状态
        GPIO_ToggleBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);  // 切换PA0的电平
    }
}

void TIM2_Config(void) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 使能TIM2和GPIOA的时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置PA0为推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置TIM2
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 9999;  // 自动重装载值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199; // 预分频器值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 使能TIM2的更新中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

    // 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    // 启动TIM2
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

int main(void) {
    TIM2_Config();
    while (1) {
        // 主程序循环
    }
}