第3章 中斷編程與代碼管理

雖然目前已經順利實現LED閃爍的功能，但是在實際產品中，一塊單片機通常總是會同時實現多個功能，最常見的應用就是：在控制顯示的同時還要檢測按鍵（以處理用戶的輸入交互信息）。由于LED閃爍是由延時函數實現的，它就是一系列（除延時外無實際意義的）累加操作，也就是說，單片機在延時期間無法處理其他事情。如果恰好在1s的延時期間按下按鍵（這是非?？赡艿模瑔纹瑱C自然檢測不到按下狀態，因為它在任一時刻只能處理一件事情（順序執行）。反過來，當單片機在執行其他非常耗時的任務時，LED閃爍行為也就會被迫改變（例如，閃爍速度變慢了），對不對？

為了凸顯延時函數帶來的困擾，我們稍微更改一下任務：按鍵第一次按下可以使LED閃爍，第二次按下將停止閃爍，第三次按一下LED繼續閃爍，依此類推。下面看一下相應的源代碼，如清單3.1所示。

在源代碼的開始，我們使用關鍵字sbit分別給控制LED與讀取按鍵狀態的引腳都定義了一個別名。在main函數內，我們使用關鍵字bit定義了一個位變量flicker_flag標記LED是否執行閃爍功能（與關鍵字sbit不同，bit定義的是變量，而不是別名），為0則停止，1則運行。flicker_flag初始狀態為0表示默認不閃爍。

然后檢測按鍵是否被按下，即讀取引腳P3.2（KEY）的電平是否等于0。如果答案是肯定的，就把flicker_flag取反。這里特別要注意語句while（!KEY），它用來檢測按鍵是否松開，如果省略這條語句，LED閃爍電路也可以正常啟動運行，但要使它停下來幾乎不可能。因為判斷按鍵是否被按下的語句也就只有幾微秒，一旦LED閃爍開始，執行閃爍功能的時間會比判斷按鍵是否按下的時間要長得多，換句話說，當按鍵被按下時，單片機有很大的概率還在延時函數里執行，所以按鍵按下的狀態也就沒有被檢測到。

那么，長時間按下按鍵總可以吧？然而一旦按鍵被檢測到按下了（KEY為低電平），假設flicker_flag現在被設置為0，理論上LED閃爍確實會停止（后面執行LED閃爍的if語句不會執行），但是這下好了，程序又會重新檢測，以迅雷不及掩耳之勢將flicker_flag又設置為1了，LED閃爍功能又打開了，如圖3.1所示。

也就是說，要想使LED閃爍功能停止，只有一種可能：在檢測到按鍵后幾微秒內準確停止，也就是第1步開始后在第2步馬上松開按鍵。但是，按鍵動作持續的時間一般都是毫秒級的，這意味著不太可能做到如此短而準確地按鍵操作。while（!KEY）就表示當按鍵被按下后，如果一直按著按鍵，它就總會執行這條while循環語句（感嘆號為“邏輯非”運算，0為假，非0為真），直到松開按鍵之后（KEY為高電平），單片機才會跳出while循環語句執行后面的if語句，這樣可以防止單片機檢測到一次按鍵被按下狀態后，就立即重復檢測相同的一次按鍵狀態。

實際的按鍵讀取代碼通常還會進行消抖（消除抖動）操作，它在檢測到按鍵按下后延時一段時間（通常是十幾毫秒左右）再讀取按鍵是否仍然被按下。因為按鍵按下的那一瞬間，單片機讀到的電平狀態并不是穩定的，按鍵消抖可以防止按鍵被誤觸發。當然，這已經不是我們關注的主要內容，大家了解一下即可。

盡管如此，清單3.1所示代碼還是有點小問題，大多數時候必須長時間按下按鍵才能使LED閃爍停止，因為前面已經提過，單片機大部分時間還是在運行LED閃爍代碼，必須按下按鍵直到它運行到按鍵檢測部分才能再次修改flicker_flag標記，繼而達到停止LED閃爍的目的。而我們卻希望在任意時刻只要按一下按鍵就會立刻停止LED閃爍，該怎么辦呢？比較好的解決方案就是使用中斷（Interrupt）編程。

什么是中斷呢？咱們舉個例子，假如我正在教室講課，門外有人敲門：外面有個陌生人找。我當然會氣定神閑地慢悠悠回復道：你讓他在會議室等一下，下課后我再過去找他。然后繼續上課，外面又有人敲門說：校長有事找！事關薪資福利職稱，必須馬上得走一趟，刻不容緩！這時我會急匆匆地對學生們說：（你們先自己）預習（一下），（處理完事我再過來）。隨即快速奪門絕塵而去。

我這個老師的形象實在是不好，開個玩笑，大家不要學習。在這個例子中，“我正在教室講課”相當于單片機在順序執行語句，當陌生人到來時，我對此處理的方式是押后（先把手頭的事干完再處理其他事情），在單片機編程中稱為順序編程。當校長有事找時，我馬上出去應答（得先去見校長再回來講課，決計拖延不得呀），在單片機編程中稱為中斷編程。也就是說，“校長有事找”相當于一個中斷信號，它中斷了我正在進行的講課動作。很明顯，中斷編程一般應用在對實時性要求比較高的場合，如果不馬上處理就會后悔莫及。

在按鍵控制LED閃爍的簡單任務中，可以把按鍵按下事件作為中斷信號，這樣無論延時代碼是否正在執行，單片機都可以實時響應，對不對？還有一種思路就是：影響按鍵無法實時檢測的根本原因在于延時語句的執行時間太長了，只要我們能縮短其執行的時間，一樣可以讓單片機實時響應按鍵狀態。

由于使用循環語句延時1s的代碼實在太缺乏效率了，所以我們決定使用中斷編程來優化它，具體的思路是：使用一個定時器設置定時時長為1s，每當1s時間到來時就發送一個中斷信號，單片機根據中斷信號進行LED狀態轉換的控制，而在1s內（中斷信號未到來之前），我們不需要再做LED閃爍功能相關的延時控制，也就可以把更多的時間用于檢測按鍵，相應的代碼執行流程對比如圖3.2所示。

中斷編程的關鍵在于中斷信號的產生，這可以通過定時器來實現。定時器是個什么東西呢？看過警匪片的讀者都會知道，有些反派會使用定時炸彈，先設置一個時間，開啟計時后數字就會不斷地減小，數字減小到了全0就會爆炸。定時炸彈就是定時器的一個典型應用。一般單片機內部都有定時器，根據型號的不同，可以是加法或減法類型。由于定時器是一個硬件電路，它與軟件指令是同時運行的（并行），我們只需要控制它何時產生中斷信號即可，具體來說包括設置定時時長（初始值）、使能中斷（允許計數器產生中斷信號）、開啟計數，這樣當計數完成后就會產生一個中斷信號。

我們使用中斷方式來實現LED閃爍功能，相應的源代碼如清單3.2所示。

首先定義了一個全局變量count并初始化為0，因為51單片機定時器的定時時長達不到1s，所以只能借助另一個變量來實現。例如，把定時時長設置為20ms，定時器每中斷一次就將count加1，當count為50時，就意味著1s的時間到了。所以在main函數中，我們使用了“判斷count是否大于49”的if語句。在if語句中先將count清零，這樣就可以開始下一個50次20ms的計數，然后將LED的狀態取反即可。

注意中斷服務函數（Interrupt Service Routine，ISR）timer0_isr的形式，它使用了關鍵字interrupt，后面跟了一個中斷號1，這是51單片機中斷服務函數的固定模式，雖然它看起來像一個函數，但卻不能由其他函數調用（main函數也不可以），只能在指定的中斷產生時自動調用，這是中斷服務函數與一般函數的主要區別。

另外需要特別注意的是，我們沒有在中斷服務函數中編寫過多代碼。事實上，也不應該在中斷服務函數中編寫過多代碼，因為中斷的最大特點就是實時性。如果在其中編寫大量代碼，單片機在運行中斷服務函數時又產生了另一個中斷怎么辦呢？除非新產生的中斷優先級更高，否則它就無法及時得到運行，也就失去了中斷實時性的特點。

請務必牢記：中斷服務函數中只做必要操作！我們只是把TH0與TL0設置初始值后，再將count累加就退出了。雖然將LED電平取反的功能放到中斷服務函數中也可以實現相同的功能，但這種編程方式是不妥當的（通俗來講，這不是單片機工程師的專業編程）。

TH0與TL0是什么東西呢？main函數中賦值的TMOD、ET0、EA、ETR又是什么呢？這涉及51單片機的定時器結構，如圖3.3所示。

從圖可以看到，定時器結構中有很多網絡或模塊被取了名稱（例如C/T、TR0、GATE、TL0、TH0、TF0），其實它們都是圖2.4所示TMOD與TCON寄存器中的某些位，并且在reg51.h頭文件中進行了標識符定義，我們直接通過它們即可控制定時器的運行狀態，如圖3.4所示。

51單片機中的兩個定時器被命名為T0（Timer0）與T1，圖3.4中我們僅標記了與T0相關的控制位，因為AT89C1051僅有這一個定時器。每個定時器都有4種工作模式，為簡化討論過程，我們使用比較常用的模式1（M1M0=01）。

定時器有兩種工作方式，即定時與計數（本質上都是計數），它們的唯一區別是：定時是對單片機內部固定頻率（對于圖2.3所示電路就是12MHz）時鐘進行計數，而計數是對外部引腳T0（P3.4）的脈沖進行計數。例如，我們要實現測量引腳P3.4的脈沖個數，此時應該使用計數而不是定時。這兩種工作方式的切換由C/T位來決定，我們當然使用定時工作方式（C/T=0）。

接下來確定是否開始啟動定時器計數，它由一個與門的輸出電平控制（為1則開始計數，為0則停止計數）。為了啟動計數過程，我們首先應該將TR0（Timer0 Run）置1，同時還應該使或門的輸出也為1。或門用來選擇引腳（P3.2）的電平是否也參與啟動計數的控制，我們只需要軟件控制計數，將GATE置0即可（注意GATE輸入有一個非門），所以將TMOD寄存器初始化為0x1（高4位無效）。

在工作模式1下，TH0與TL0組成了一個16位加法計數器。當開啟計數后，計數器就會從設置的初始值開始累加，一旦累加到最大值就會產生一個溢出標志位TF0（Timer0 overflow，可以理解為進位），此時就可以產生中斷信號。所以現在關鍵的問題在于：我們應該將定時器初始值設置多少呢？假設我們需要定時20ms，則相應的初始值應為216-20ms×12MHz/12=45536（0xB1E0）。也就是說，我們需要將TH0與TL0分別初始化為0xB1與0xE0。（計算時已經將12MHz除以12，是因為從圖3.3可以看到，振蕩時鐘經過了12分頻）

計數器溢出后是否產生中斷還取決于單片機是否允許中斷。為了允許定時器0產生中斷信號，我們首先應該開啟總中斷允許標記位EA（Enable All），它是單片機中所有中斷允許的總控制位，然后再開啟定時器0的專用允許標記位ET0（Enable timer0）即可。

最后請注意：當定時器0產生中斷后，計數器的初始值是不會重載的（計數器不會繼續累加），所以在進入中斷服務函數后，我們對TH0與TL0重新設置了初始值。

定時器需要配置的位比較多，對于51單片機不熟悉的讀者可能會覺得有些煩瑣，當然，我們討論定時器中斷編程的主要目標是為了理解這種編程思想，對于具體編程不感興趣的讀者可以跳過。在實際產品開發過程中，中斷是一種非常重要的處理方式。換句話說，可以不去了解51單片機內部定時器具體是如何控制的，因為不同廠家的單片機操作方式并不一樣（當然，原理相通），本書其他地方也并未涉及具體的中斷編程，但是不能不理解中斷編程思路。

在稍微復雜點的項目中，通常會將代碼進行分塊管理，例如，我們可以將清單2.4所示源代碼分解為六個文件，它們之間的關系如圖3.5所示。

圖3.5中的箭頭表示文件包含關系，例如simple_led_driver.c包含了led.h，led.c包含了led.h、consts.h、delay.h。各文件相應的源代碼如清單3.3～3.8所示。

擴展名為.c的文件稱為源文件（Souce File），擴展名為.h的文件稱為頭文件（Header File）。頭文件通常僅包含變量或函數的聲明（不是定義）、宏定義、特殊功能寄存器定義，它通常被源文件使用#include預處理器指令包含。

可以看到，我們把源代碼劃分后放在不同的文件中，每一個文件只包含與某一項功能相關的代碼。例如，led.c僅包含與LED控制相關的代碼，delay.c僅包含時間延時相關的代碼。后續如果有更多的功能，則可以添加到對應的文件當中。如果項目中添加了全新的功能模塊，則可以再新建源文件與頭文件負責處理。

除main函數所在的源文件simple_led_key_driver.c外，其他源文件都包含了同名的頭文件。頭文件只做了函數原型的聲明，而函數的具體定義則放在同名源文件中。每一個頭文件都會首先使用條件編譯指令#ifndef定義一個唯一的標識符，它的命名規則一般由前后加下劃線的頭文件名全大寫（這只是慣例，并非必須這么做）組成，這樣可以防止頭文件被重復包含，在大型工程中可以提升編譯效率。

條件編譯指令#ifndef所起的作用是：如果當前標識符沒有定義過，就定義它并編譯該頭文件，如果同一個項目中的另一個文件中也包含了相同的頭文件，它會首先判斷標識符是否定義過，由于剛才已經定義過，所以就會略過相同的頭文件。

很明顯，模塊化后的源代碼更多且顯得更煩瑣了，簡單的源代碼當然沒有這樣做的必要，但是項目越復雜，進行模塊劃分后會更容易管理。本書為了使代碼更簡潔，不使用這種模塊劃分方式，這里讀者主要了解一下設計思想即可。