从计时器入手理解单片机中断:概念与编程指南

一、引子：为什么计时器需要中断？

在单片机编程中，计时器（也叫定时器）是实现定时功能的核心模块，比如让LED每1秒闪烁一次、让蜂鸣器定时报警等。但如果只用“查询方式”使用计时器，会暴露一个严重问题：主程序会被“卡死”在等待计时器溢出的循环中，无法执行其他任务。

举个直观的例子：用查询方式实现1秒定时LED闪烁，主程序需要不断检查计时器的溢出标志位（比如TF0），在等待的1秒内，无法响应按键、采集传感器数据等其他操作。这就像你守在烤箱旁等面包烤熟，期间什么都做不了——效率极低。

而“中断”就是解决这个问题的关键：让计时器在计时结束后主动“提醒”单片机，单片机暂停当前主程序，先处理定时任务（比如翻转LED），处理完后再回到主程序继续执行之前的操作。就像烤箱自带“叮”的提醒功能，你可以在等待时做其他事，听到提醒再去处理面包。

二、基础铺垫：单片机计时器的核心逻辑

在深入中断前，先简单梳理计时器的基本工作原理（以经典51单片机为例），避免后续理解中断时产生障碍：

2.1 计时器的本质：计数与溢出

单片机计时器的核心是“计数器”，默认工作在“定时模式”时，计数器会以“机器周期”为单位累加计数（机器周期=12/晶振频率，比如11.0592MHz晶振的机器周期约1.085μs）。当计数值从初始值累加到最大值（比如16位计时器的最大值65535）后，会产生“溢出”，此时计时器会置位溢出标志位（如TF0），表示“定时时间到”。

比如要实现1ms定时：先计算1ms需要的计数次数（1000μs/1.085μs≈922次），再给计数器赋初值（65536-922=64614，即0xFC66H），计数器从0xFC66H开始累加，922次后溢出，就代表1ms时间到。

2.2 两种使用方式：查询 vs 中断

计时器溢出后，有两种处理方式，对比之下更能凸显中断的优势：

•查询方式：主程序循环检查溢出标志位（TF0），一旦检测到TF0=1，就执行定时任务，然后重置标志位和计时器初值。缺点：主程序被循环阻塞，无法执行其他任务；

•中断方式：开启计时器中断后，溢出时硬件会自动触发中断，暂停主程序，跳转到中断服务函数执行任务，执行完后自动返回主程序。优点：主程序可正常执行其他任务，实现“并行处理”。

三、核心概念：单片机中断到底是什么？

通过计时器的场景，我们可以提炼出中断的通用定义：中断是单片机在执行主程序时，被外部或内部事件（如计时器溢出、按键按下、串口接收数据等）触发后，暂停当前主程序，转去执行对应“中断服务函数”（处理紧急任务），执行完后再回到主程序断点继续执行的机制。

3.1 中断的核心要素（以计时器中断为例）

•中断源：触发中断的事件/模块，这里就是“计时器溢出”（51单片机常见中断源还有外部中断0/1、串口中断等）；

•中断请求：中断源触发后，会向单片机CPU发出“请求信号”（比如计时器置位TF0=1，就是中断请求）；

•中断响应：CPU收到请求后，暂停主程序，保存断点地址（方便后续返回），跳转到中断服务函数；

•中断服务函数：处理中断任务的专用函数（比如计时器中断中重置初值、翻转LED）；

•中断返回：执行完服务函数后，CPU恢复断点地址，回到主程序继续执行。

3.2 中断的核心价值：并行与高效

中断的本质是“用硬件实现的多任务并行处理”，无需主程序主动查询，极大提升了单片机的资源利用率。比如用计时器中断实现1秒LED闪烁的同时，主程序还能正常响应按键操作——这是查询方式无法实现的。

四、关键基础：51单片机中断与计时器核心寄存器

要实现计时器中断编程，必须掌握3类核心寄存器的配置（以51单片机T0计时器中断为例），这些寄存器是“开启中断、控制计时器”的关键：

4.1 计时器模式控制寄存器（TMOD）—— 配置计时器工作模式

TMOD用于设定计时器的工作方式、计数/定时模式，低4位控制T0，高4位控制T1，核心位说明：

•C/T位：计数/定时模式选择，0=定时模式（计数内部机器周期，用于计时），1=计数模式（计数外部引脚脉冲）；

•M1、M0位：工作方式选择，常用“方式1”（M1M0=01），即16位定时模式，计数范围0~65535，溢出后需软件重装初值。

示例配置（T0定时模式，方式1）：TMOD &= 0xF0; TMOD |= 0x01;（先清T0模式位，再置位方式1）。

4.2 中断允许寄存器（IE）—— 开启中断“开关”

IE是中断的“总开关+分开关”，只有开启对应开关，中断才能被响应，核心位说明：

•EA位：总中断允许位，1=开启总中断（所有中断的“总闸”，必须开启），0=关闭所有中断；

•ET0位：T0计时器中断允许位，1=开启T0中断（分闸），0=关闭T0中断。

示例配置（开启总中断和T0中断）：EA = 1; ET0 = 1;

4.3 计时器控制寄存器（TCON）—— 控制计时器启动与中断标志

TCON用于控制计时器启动/停止，以及标记中断请求，核心位说明：

•TR0位：T0启动位，1=启动计时器计数，0=停止计数；

•TF0位：T0溢出标志位，计时器溢出时硬件自动置1（触发中断请求），进入中断服务函数后硬件自动清0。

示例配置（启动T0）：TR0 = 1;

五、计时器中断编程流程（51单片机为例）

以“用T0中断实现1秒LED闪烁”为目标，梳理完整编程步骤，每一步都明确“做什么、为什么做”：

步骤1：明确需求与参数计算

需求：LED接P1.0引脚，每1秒翻转一次；硬件参数：晶振11.0592MHz（机器周期≈1.085μs）；定时精度：先实现1ms中断（再累计1000次得到1秒）。

1ms定时初值计算：

1. 1ms需要的计数次数 = 1000μs / 1.085μs ≈ 922次；

2. 16位计时器初值 = 65536 - 922 = 64614（十六进制0xFC66H）；

因此，TH0=0xFC（高8位），TL0=0x66（低8位）。

步骤2：初始化配置（计时器+中断）

初始化函数的作用是“给计时器和中断设置好参数”，让其按预期工作，代码框架：

步骤3：编写中断服务函数—— 处理中断任务

中断服务函数是“中断触发后要执行的代码”，必须遵循固定格式：void 函数名(void) interrupt 中断号 [using 寄存器组]。

关键说明：

•interrupt 中断号：指定中断源，T0中断的中断号是1（必须准确，否则无法触发）；

•重装初值：方式1无自动重装功能，需在中断中重新赋值TH0、TL0，否则下次定时会变长；

•任务处理：这里实现1ms计数，累计1000次后置位1秒标志位（避免在中断中执行复杂操作，影响主程序）。

代码实现：

步骤4：主程序—— 执行常规任务，响应中断标志

主程序的逻辑是“正常执行常规任务，当检测到中断标志位时，执行对应定时任务”，代码框架：

六、代码验证与关键注意事项

6.1 代码运行逻辑梳理

1. 主程序初始化LED和计时器中断后，进入while(1)循环等待；

2. 计时器T0从0xFC66H开始计数，每1.085μs加1，922次后溢出，置位TF0=1，触发T0中断；

3. CPU暂停主程序，跳转到Timer0_ISR()，重装初值、累计1ms计数；

4. 累计1000次（1秒）后，flag_1s=1，中断返回主程序；

5. 主程序检测到flag_1s=1，翻转LED，清标志位，继续循环。

6.2 常见踩坑点与解决方案

•中断不触发：忘记开启总中断（EA=0）或计时器中断（ET0=0）；中断号写错（T0中断号是1，不是其他值）；TR0未置1（计时器未启动）。解决方案：逐一检查IE寄存器、中断号、TR0位；

•定时不准：未重装计时器初值（方式1必须手动重装）；晶振误差导致初值计算偏差。解决方案：中断中严格重装初值；根据实际晶振微调初值；

•主程序卡顿：中断服务函数中执行复杂操作（如长时间延时、大量运算）。解决方案：中断服务函数只做“轻量级任务”（如计数、置标志），复杂任务放在主程序中执行；

•全局变量混乱：中断与主程序共享的变量（如cnt_1ms、flag_1s）未正确初始化。解决方案：全局变量定义时明确初始值（如cnt_1ms=0、flag_1s=0）。

七、总结与进阶扩展

通过计时器中断的学习，我们可以总结出中断编程的核心逻辑：配置中断源（如计时器）→ 开启中断开关 → 编写中断服务函数 → 主程序响应中断标志。中断的本质是“硬件触发的任务切换”，而计时器是最易理解的中断源——因为它的触发条件（定时结束）是可预测、可计算的。

进阶学习方向：

•其他中断源：学习外部中断（按键触发）、串口中断（数据接收），理解“不同中断源的优先级”（51单片机有中断优先级寄存器IP，可设置中断响应顺序）；

•高级定时模式：学习计时器的“方式2”（8位自动重装模式），无需在中断中手动重装初值，简化代码；

•实际应用：用中断实现多任务（如同时实现LED闪烁、按键响应、串口通信），体会中断的“并行处理”优势。

记住：中断是单片机编程的核心技能之一，而从计时器入手是掌握中断的最佳路径——多调试代码、观察变量变化（如cnt_1ms、flag_1s），就能逐步理解中断的工作机制。