第3章 中断编程与代码管理

虽然目前已经顺利实现LED闪烁的功能，但是在实际产品中，一块单片机通常总是会同时实现多个功能，最常见的应用就是：在控制显示的同时还要检测按键（以处理用户的输入交互信息）。由于LED闪烁是由延时函数实现的，它就是一系列（除延时外无实际意义的）累加操作，也就是说，单片机在延时期间无法处理其他事情。如果恰好在1s的延时期间按下按键（这是非常可能的），单片机自然检测不到按下状态，因为它在任一时刻只能处理一件事情（顺序执行）。反过来，当单片机在执行其他非常耗时的任务时，LED闪烁行为也就会被迫改变（例如，闪烁速度变慢了），对不对？

为了凸显延时函数带来的困扰，我们稍微更改一下任务：按键第一次按下可以使LED闪烁，第二次按下将停止闪烁，第三次按一下LED继续闪烁，依此类推。下面看一下相应的源代码，如清单3.1所示。

在源代码的开始，我们使用关键字sbit分别给控制LED与读取按键状态的引脚都定义了一个别名。在main函数内，我们使用关键字bit定义了一个位变量flicker_flag标记LED是否执行闪烁功能（与关键字sbit不同，bit定义的是变量，而不是别名），为0则停止，1则运行。flicker_flag初始状态为0表示默认不闪烁。

然后检测按键是否被按下，即读取引脚P3.2（KEY）的电平是否等于0。如果答案是肯定的，就把flicker_flag取反。这里特别要注意语句while（!KEY），它用来检测按键是否松开，如果省略这条语句，LED闪烁电路也可以正常启动运行，但要使它停下来几乎不可能。因为判断按键是否被按下的语句也就只有几微秒，一旦LED闪烁开始，执行闪烁功能的时间会比判断按键是否按下的时间要长得多，换句话说，当按键被按下时，单片机有很大的概率还在延时函数里执行，所以按键按下的状态也就没有被检测到。

那么，长时间按下按键总可以吧？然而一旦按键被检测到按下了（KEY为低电平），假设flicker_flag现在被设置为0，理论上LED闪烁确实会停止（后面执行LED闪烁的if语句不会执行），但是这下好了，程序又会重新检测，以迅雷不及掩耳之势将flicker_flag又设置为1了，LED闪烁功能又打开了，如图3.1所示。

也就是说，要想使LED闪烁功能停止，只有一种可能：在检测到按键后几微秒内准确停止，也就是第1步开始后在第2步马上松开按键。但是，按键动作持续的时间一般都是毫秒级的，这意味着不太可能做到如此短而准确地按键操作。while（!KEY）就表示当按键被按下后，如果一直按着按键，它就总会执行这条while循环语句（感叹号为“逻辑非”运算，0为假，非0为真），直到松开按键之后（KEY为高电平），单片机才会跳出while循环语句执行后面的if语句，这样可以防止单片机检测到一次按键被按下状态后，就立即重复检测相同的一次按键状态。

实际的按键读取代码通常还会进行消抖（消除抖动）操作，它在检测到按键按下后延时一段时间（通常是十几毫秒左右）再读取按键是否仍然被按下。因为按键按下的那一瞬间，单片机读到的电平状态并不是稳定的，按键消抖可以防止按键被误触发。当然，这已经不是我们关注的主要内容，大家了解一下即可。

尽管如此，清单3.1所示代码还是有点小问题，大多数时候必须长时间按下按键才能使LED闪烁停止，因为前面已经提过，单片机大部分时间还是在运行LED闪烁代码，必须按下按键直到它运行到按键检测部分才能再次修改flicker_flag标记，继而达到停止LED闪烁的目的。而我们却希望在任意时刻只要按一下按键就会立刻停止LED闪烁，该怎么办呢？比较好的解决方案就是使用中断（Interrupt）编程。

什么是中断呢？咱们举个例子，假如我正在教室讲课，门外有人敲门：外面有个陌生人找。我当然会气定神闲地慢悠悠回复道：你让他在会议室等一下，下课后我再过去找他。然后继续上课，外面又有人敲门说：校长有事找！事关薪资福利职称，必须马上得走一趟，刻不容缓！这时我会急匆匆地对学生们说：（你们先自己）预习（一下），（处理完事我再过来）。随即快速夺门绝尘而去。

我这个老师的形象实在是不好，开个玩笑，大家不要学习。在这个例子中，“我正在教室讲课”相当于单片机在顺序执行语句，当陌生人到来时，我对此处理的方式是押后（先把手头的事干完再处理其他事情），在单片机编程中称为顺序编程。当校长有事找时，我马上出去应答（得先去见校长再回来讲课，决计拖延不得呀），在单片机编程中称为中断编程。也就是说，“校长有事找”相当于一个中断信号，它中断了我正在进行的讲课动作。很明显，中断编程一般应用在对实时性要求比较高的场合，如果不马上处理就会后悔莫及。

在按键控制LED闪烁的简单任务中，可以把按键按下事件作为中断信号，这样无论延时代码是否正在执行，单片机都可以实时响应，对不对？还有一种思路就是：影响按键无法实时检测的根本原因在于延时语句的执行时间太长了，只要我们能缩短其执行的时间，一样可以让单片机实时响应按键状态。

由于使用循环语句延时1s的代码实在太缺乏效率了，所以我们决定使用中断编程来优化它，具体的思路是：使用一个定时器设置定时时长为1s，每当1s时间到来时就发送一个中断信号，单片机根据中断信号进行LED状态转换的控制，而在1s内（中断信号未到来之前），我们不需要再做LED闪烁功能相关的延时控制，也就可以把更多的时间用于检测按键，相应的代码执行流程对比如图3.2所示。

中断编程的关键在于中断信号的产生，这可以通过定时器来实现。定时器是个什么东西呢？看过警匪片的读者都会知道，有些反派会使用定时炸弹，先设置一个时间，开启计时后数字就会不断地减小，数字减小到了全0就会爆炸。定时炸弹就是定时器的一个典型应用。一般单片机内部都有定时器，根据型号的不同，可以是加法或减法类型。由于定时器是一个硬件电路，它与软件指令是同时运行的（并行），我们只需要控制它何时产生中断信号即可，具体来说包括设置定时时长（初始值）、使能中断（允许计数器产生中断信号）、开启计数，这样当计数完成后就会产生一个中断信号。

我们使用中断方式来实现LED闪烁功能，相应的源代码如清单3.2所示。

首先定义了一个全局变量count并初始化为0，因为51单片机定时器的定时时长达不到1s，所以只能借助另一个变量来实现。例如，把定时时长设置为20ms，定时器每中断一次就将count加1，当count为50时，就意味着1s的时间到了。所以在main函数中，我们使用了“判断count是否大于49”的if语句。在if语句中先将count清零，这样就可以开始下一个50次20ms的计数，然后将LED的状态取反即可。

注意中断服务函数（Interrupt Service Routine，ISR）timer0_isr的形式，它使用了关键字interrupt，后面跟了一个中断号1，这是51单片机中断服务函数的固定模式，虽然它看起来像一个函数，但却不能由其他函数调用（main函数也不可以），只能在指定的中断产生时自动调用，这是中断服务函数与一般函数的主要区别。

另外需要特别注意的是，我们没有在中断服务函数中编写过多代码。事实上，也不应该在中断服务函数中编写过多代码，因为中断的最大特点就是实时性。如果在其中编写大量代码，单片机在运行中断服务函数时又产生了另一个中断怎么办呢？除非新产生的中断优先级更高，否则它就无法及时得到运行，也就失去了中断实时性的特点。

请务必牢记：中断服务函数中只做必要操作！我们只是把TH0与TL0设置初始值后，再将count累加就退出了。虽然将LED电平取反的功能放到中断服务函数中也可以实现相同的功能，但这种编程方式是不妥当的（通俗来讲，这不是单片机工程师的专业编程）。

TH0与TL0是什么东西呢？main函数中赋值的TMOD、ET0、EA、ETR又是什么呢？这涉及51单片机的定时器结构，如图3.3所示。

从图可以看到，定时器结构中有很多网络或模块被取了名称（例如C/T、TR0、GATE、TL0、TH0、TF0），其实它们都是图2.4所示TMOD与TCON寄存器中的某些位，并且在reg51.h头文件中进行了标识符定义，我们直接通过它们即可控制定时器的运行状态，如图3.4所示。

51单片机中的两个定时器被命名为T0（Timer0）与T1，图3.4中我们仅标记了与T0相关的控制位，因为AT89C1051仅有这一个定时器。每个定时器都有4种工作模式，为简化讨论过程，我们使用比较常用的模式1（M1M0=01）。

定时器有两种工作方式，即定时与计数（本质上都是计数），它们的唯一区别是：定时是对单片机内部固定频率（对于图2.3所示电路就是12MHz）时钟进行计数，而计数是对外部引脚T0（P3.4）的脉冲进行计数。例如，我们要实现测量引脚P3.4的脉冲个数，此时应该使用计数而不是定时。这两种工作方式的切换由C/T位来决定，我们当然使用定时工作方式（C/T=0）。

接下来确定是否开始启动定时器计数，它由一个与门的输出电平控制（为1则开始计数，为0则停止计数）。为了启动计数过程，我们首先应该将TR0（Timer0 Run）置1，同时还应该使或门的输出也为1。或门用来选择引脚（P3.2）的电平是否也参与启动计数的控制，我们只需要软件控制计数，将GATE置0即可（注意GATE输入有一个非门），所以将TMOD寄存器初始化为0x1（高4位无效）。

在工作模式1下，TH0与TL0组成了一个16位加法计数器。当开启计数后，计数器就会从设置的初始值开始累加，一旦累加到最大值就会产生一个溢出标志位TF0（Timer0 overflow，可以理解为进位），此时就可以产生中断信号。所以现在关键的问题在于：我们应该将定时器初始值设置多少呢？假设我们需要定时20ms，则相应的初始值应为216-20ms×12MHz/12=45536（0xB1E0）。也就是说，我们需要将TH0与TL0分别初始化为0xB1与0xE0。（计算时已经将12MHz除以12，是因为从图3.3可以看到，振荡时钟经过了12分频）

计数器溢出后是否产生中断还取决于单片机是否允许中断。为了允许定时器0产生中断信号，我们首先应该开启总中断允许标记位EA（Enable All），它是单片机中所有中断允许的总控制位，然后再开启定时器0的专用允许标记位ET0（Enable timer0）即可。

最后请注意：当定时器0产生中断后，计数器的初始值是不会重载的（计数器不会继续累加），所以在进入中断服务函数后，我们对TH0与TL0重新设置了初始值。

定时器需要配置的位比较多，对于51单片机不熟悉的读者可能会觉得有些烦琐，当然，我们讨论定时器中断编程的主要目标是为了理解这种编程思想，对于具体编程不感兴趣的读者可以跳过。在实际产品开发过程中，中断是一种非常重要的处理方式。换句话说，可以不去了解51单片机内部定时器具体是如何控制的，因为不同厂家的单片机操作方式并不一样（当然，原理相通），本书其他地方也并未涉及具体的中断编程，但是不能不理解中断编程思路。

在稍微复杂点的项目中，通常会将代码进行分块管理，例如，我们可以将清单2.4所示源代码分解为六个文件，它们之间的关系如图3.5所示。

图3.5中的箭头表示文件包含关系，例如simple_led_driver.c包含了led.h，led.c包含了led.h、consts.h、delay.h。各文件相应的源代码如清单3.3～3.8所示。

扩展名为.c的文件称为源文件（Souce File），扩展名为.h的文件称为头文件（Header File）。头文件通常仅包含变量或函数的声明（不是定义）、宏定义、特殊功能寄存器定义，它通常被源文件使用#include预处理器指令包含。

可以看到，我们把源代码划分后放在不同的文件中，每一个文件只包含与某一项功能相关的代码。例如，led.c仅包含与LED控制相关的代码，delay.c仅包含时间延时相关的代码。后续如果有更多的功能，则可以添加到对应的文件当中。如果项目中添加了全新的功能模块，则可以再新建源文件与头文件负责处理。

除main函数所在的源文件simple_led_key_driver.c外，其他源文件都包含了同名的头文件。头文件只做了函数原型的声明，而函数的具体定义则放在同名源文件中。每一个头文件都会首先使用条件编译指令#ifndef定义一个唯一的标识符，它的命名规则一般由前后加下划线的头文件名全大写（这只是惯例，并非必须这么做）组成，这样可以防止头文件被重复包含，在大型工程中可以提升编译效率。

条件编译指令#ifndef所起的作用是：如果当前标识符没有定义过，就定义它并编译该头文件，如果同一个项目中的另一个文件中也包含了相同的头文件，它会首先判断标识符是否定义过，由于刚才已经定义过，所以就会略过相同的头文件。

很明显，模块化后的源代码更多且显得更烦琐了，简单的源代码当然没有这样做的必要，但是项目越复杂，进行模块划分后会更容易管理。本书为了使代码更简洁，不使用这种模块划分方式，这里读者主要了解一下设计思想即可。