比較教學法在單片機調(diào)用和中斷課程中的應用

【摘要】調(diào)用和中斷是《單片機原理與應用》課程中的兩個比較難的理論知識點，經(jīng)常會有學生將這兩個知識點混淆。本文針對這一問題，將調(diào)用和中斷結合起來，采用比較的教學方法，詳細地討論兩者的異同，此方法在教學中發(fā)揮了良好的作用，提高了教學效果。

【關鍵詞】比較教學法；單片機原理與應用；調(diào)用；中斷；

從事《單片機原理與應用》教學工作已有多年，在教學過程中發(fā)現(xiàn)初學者很容易把中斷和調(diào)用這兩個過程混淆，這兩個知識點既是教學重點又是教學難點，根據(jù)多年的經(jīng)驗把它們對比起來進行施教能收到良好的教學效果。

一、調(diào)用和中斷的定義

1、調(diào)用

程序設計過程中，經(jīng)常會遇到在不同的程序中或同一程序的不同位置要用到功能相同的程序段，對于這樣的程序段，將其獨立出來，附加少量的額外指令，編制成可供反復調(diào)用的獨立程序段。這種程序設計方法稱為子程序設計。被獨立出來的程序段稱為子程序。調(diào)用子程序的程序稱為主程序。

單片機執(zhí)行主程序的過程中，需要用到子程序的功能，稱為“調(diào)用”。子程序執(zhí)行完后，必須回到主程序，稱為“返回”。

2、中斷

CPU正在執(zhí)行程序的過程中，由于CPU之外的某種原因，有必要暫停該程序的執(zhí)行，轉而去執(zhí)行相應的處理程序，待處理程序結束之后，再返回原程序斷點處繼續(xù)運行。這一過程稱為中斷。

二、調(diào)用和中斷的聯(lián)系與區(qū)別

1、聯(lián)系。調(diào)用和中斷兩過程屬于完全不同的概念，但它們也有不少相似之處。兩者都需要保護斷點（即下一條指令首地址）、跳至子程序或中斷服務程序、保護現(xiàn)場、子程序或中斷處理、恢復現(xiàn)場、恢復斷點（即返回主程序）。兩者都可實現(xiàn)嵌套，即正在執(zhí)行的子程序再調(diào)另一子程序或正在處理的中斷程序又被另一新中斷請求所中斷，嵌套可為多級。正是由于這些表面上的相似處，很容易使學生把兩者混淆起來，特別是把中斷也看為子程序，這就大錯特錯了。

2、區(qū)別。調(diào)用與中斷過程相似，但都是表面的，從本質(zhì)上講兩者是完全不一樣的。兩者的根本區(qū)別主要表現(xiàn)在服務時間與服務對象不一樣上。第一，調(diào)用子程序過程發(fā)生的時間是已知和固定的，即在主程序中的調(diào)用指令（CALL）執(zhí)行時發(fā)生主程序調(diào)用子程序，因為調(diào)用指令所在位置是已知和固定的。而中斷過程發(fā)生的時間一般是隨機的，CPU在執(zhí)行某一主程序時收到中斷源提出的中斷申請時，就發(fā)生中斷過程，而中斷申請一般由硬件電路產(chǎn)生，申請?zhí)岢鰰r間是隨機的。也可以說，調(diào)用子程序是程序設計者事先安排的，而執(zhí)行中斷服務程序是由系統(tǒng)工作環(huán)境隨機決定的。第二，子程序完全為主程序服務的，兩者屬于主從關系，主程序需要子程序時就去調(diào)用子程序，并把調(diào)用結果帶回主程序繼續(xù)執(zhí)行。而中斷服務程序與主程序兩者一般是無關的，不存在誰為誰服務的問題，兩者是平行關系。第三，主程序調(diào)用子程序過程完全屬于軟件處理過程，不需要專門的硬件電路，而中斷處理系統(tǒng)是一個軟、硬件結合系統(tǒng)，需要專門的硬件電路才能完全中斷處理的過程。第四，子程序嵌套可實現(xiàn)若干級，嵌套的最多級數(shù)由計算機內(nèi)存開辟的堆棧大小限制，而中斷嵌套級數(shù)主要由中斷優(yōu)先級數(shù)來決定，MCS-51單片機的中斷優(yōu)先級數(shù)為兩級（即高級和低級）。第五，子程序返回指令是RET，中斷返回指令是RETI.。子程序返回指令RET的功能是從子程序返回到主程序，并從調(diào)用指令的下一條指令處繼續(xù)執(zhí)行主程序，它一般位于子程序結束處；中斷返回指令RETI作為中斷服務程序的結束指令，除了具有RET的功能外，還具有清除中斷響應時被置位的優(yōu)先級狀態(tài)、恢復中斷邏輯等功能。因此這兩條返回指令使用時是有區(qū)別的，不能用子程序返回指令RET代替中斷返回指令RETI。

三、調(diào)用和中斷兩過程的詳細比較

1、調(diào)用過程。主程序調(diào)用子程序過程應包括保護斷點、跳至子程序首地址、保護現(xiàn)場、子程序處理、恢復現(xiàn)場、恢復斷點（子程序返回）六步。這六步都是用軟件指令完成的。其中前兩步保護斷點和跳至子程序首地址由調(diào)用指令CALL完成。保護斷點其實就是把斷點地址推入堆棧中保護起來，要注意的是保護的斷點應是緊跟著調(diào)用指令的下一條指令的首字節(jié)地址，而不是調(diào)用指令本身的地址，否則會引起重復調(diào)用“死循環(huán)”，這點必須提醒學生注意。LCALL和ACALL是MCS-51單片機的兩條調(diào)用指令，分別稱為長調(diào)用和絕對調(diào)用，

2、中斷過程。中斷過程遠比調(diào)用子程序過程復雜，它包括中斷請求、中斷排隊（中斷優(yōu)先級控制）、中斷響應、中斷服務和中斷返回五步。這五步是由硬件和軟件結合完成的。中斷請求：MCS-51單片機共5個中斷源，包括兩個外部中斷（由 和 引腳輸入中斷請求信號）和三個內(nèi)部中斷源（定時器/計數(shù)器溢出中斷T0、定時器/計數(shù)器溢出中斷T1和片內(nèi)串行口中斷TXD發(fā)送/RXD接收）。中斷請求由中斷源向CPU提出并將中斷請求標志寄存器（TCON、SCON）中相應的中斷請求標志位置1。中斷排隊：由于CPU在某一時刻只能響應一個中斷請求，為處理執(zhí)行主程序時同時來了多個中斷請求和正在處理某一中斷時又來了新的中斷請求這兩種情況，計算機采用硬件或軟件給各個中斷源優(yōu)先權大小進行中斷排隊，從多個中斷申請中選出一個級別最高的中斷請求并響應，這一過程稱為中斷排隊。MCS-51單片機用戶可用指令設置中斷優(yōu)先級控制寄存器IP的值，將5個中斷源的請求分為高級和低級兩個優(yōu)先級。而且同級中還有5個固定的自然優(yōu)先級別，從高到低的優(yōu)先順序分別是、T0、、T1、TXD/RXD。這樣，在執(zhí)行主程序時，同時來了兩個以上中斷請求，則先按高低兩級選擇高優(yōu)先級。如果只有一個高級的中斷請求就直接選之，如果有兩個以上都是同級，則按同級自然優(yōu)先級別選擇其中的一個優(yōu)先響應。如果正在執(zhí)行一個低優(yōu)先級，又來了一個高優(yōu)先級，則高優(yōu)先級中斷低優(yōu)先級，這就形成了兩級中斷嵌套；如果正在執(zhí)行的中斷級別高于或等于新來的中斷級別，則不予理睬，不會引起中斷嵌套。可見，MCS-51單片機最多形成兩級中斷嵌套。中斷響應：滿足響應條件時，進入指定的中斷服務程序入口地址。MCS-51單片機的中斷服務程序入口地址是固定的，它們分別是 為0003H、T0為000BH、為0013H、T1為001BH、TXD/RXD為0023H。中斷服務：有關（禁止）同級和低級中斷、中斷請求撤除、保護斷點、跳至中斷服務程序入口、保護現(xiàn)場、中斷處理、恢復現(xiàn)場等七步組成。這七步中斷服務過程與前面介紹的五步調(diào)用子程序過程類似，只是增加了禁止同級和低級中斷請求以及中斷請求撤除兩步，其余五步完全一致。禁止同級和低級中斷目的是使不同時來中斷請求的同級隱含排隊原則無效，此時只能實現(xiàn)高級嵌套低級的兩級中斷嵌套。在中斷處理的返回前清除原中斷請求原因是防止同一次中斷申請被重復響應。中斷返回：中斷處理完后，就應返回斷點繼續(xù)執(zhí)行主程序，包括開（允許）同級和低級中斷和恢復斷點兩步。

中斷服務過程的前四步是由硬件自動實現(xiàn)的，這點完全不同于調(diào)用子程序過程。當然TXD/RXD中斷請求與、電平觸發(fā)中斷請求還需用戶分別用軟件和硬件清除中斷請求。斷點現(xiàn)場保護與恢復也是通過堆棧推入與彈出或改變工作寄存器區(qū)來實現(xiàn)的。

中斷過程與調(diào)用子程序過程是《單片機原理及應用》教學中的重點和難點內(nèi)容之一。兩過程之間既有聯(lián)系又有區(qū)別，本文從多個不同角度詳細地對比了它們的異同。對于培養(yǎng)學生編制軟件及開展計算機應用方面的能力，具有積極的指導意義，采用這種比較教學法，有利于教學質(zhì)量的提高。

參考文獻：

[1]《單片機原理與應用》 梁潔婷 首衍 肖玲妮 主編 高等教育出版社 2002

[2]《單片機原理及應用技術》 劉振海 主編 高等教育出版社2003