微型計算機接口技術：第八章 可編程定時計數(shù)器8253及其應用

1、第八章可編程定時/計數(shù)器8253及其應用1 北京工業(yè)大學計算機學院主要內(nèi)容8253工作原理8253的內(nèi)部結(jié)構和引腳信號初始化編程步驟和門控信號的功能8253的工作方式8253的應用舉例 8253定時功能的應用例子8253計數(shù)功能的應用例子8253在PC/XT機中的應用2 北京工業(yè)大學計算機學院定時是最常見和最普遍的問題，一天24小時的定時，稱為日時鐘。長時間的定時（日、月、年）稱為實時時鐘。計算機實時控制和處理系統(tǒng)中，要按一定的采樣周期對處理對象進行采樣，或定時檢測某些參數(shù)等，都需要定時信號。計數(shù)使用得更多，在生產(chǎn)線上對零件和產(chǎn)品的計數(shù)；對大橋和高速公路上車流量的統(tǒng)計，等等對外部事件進行計數(shù)。

2、定時與計數(shù)的關系定時的本質(zhì)就是計數(shù)，只不過這里的“數(shù)”的單位是時間單位。如果把計時單位累加起來，就可獲得一段時間。因此， 定時的本質(zhì)就是計數(shù)。3 北京工業(yè)大學計算機學院 采用可編程通用的定時/計數(shù)器電路產(chǎn)生定時。這種方法不占用CPU的時間CPU利用率高，定時時間由軟件設置定時時間長，使用靈活。尤其是定時準確，定時時間不受主機頻率影響，定時程序具有通用性，故得到廣泛應用。目前，通用的定時/計數(shù)器集成芯片種類很多，如Intel8253/8254,Zilog的CTC等。本章對Intel8253定時/計數(shù)器進行詳細討論。(1)軟件定時 利用CPU內(nèi)部定時機構，運用軟件編程，循環(huán)執(zhí)行一段程序而產(chǎn)生的等待

3、延時。優(yōu)點: 不需增加硬設備，簡單只需編制相應的延時程序以備調(diào)用。缺點: 增加了CPU的時間開銷， CPU執(zhí)行延時時間越長，這種等待開銷越大，降低了CPU的效率，浪費CPU的資源。并且，軟件延時的時間隨主機頻率不同而發(fā)生變化，即定時程序的通用性差。實現(xiàn)定時的方法 (2)硬件定時 硬件定時常采用可編程和不可編程的硬件電路來實現(xiàn)定時。軟件定時硬件定時采用555芯片和阻容器件構成定時電路。優(yōu)點:電路簡單,改R,C值可改變定時時間。缺點:不靈活，定時時間不可由程序控制和改變。且定時精度不高。4 北京工業(yè)大學計算機學院8-1 8253的工作原理 定時和計數(shù)的本質(zhì)是相同的，它們都是對一個輸入脈沖進行計數(shù)，

4、定時器由數(shù)字電路中的計數(shù)電路構成，通過記錄高精度晶振脈沖信號的個數(shù),輸出準確的時間間隔。例如，輸入脈沖的頻率為2MHz，則：計數(shù) 2 1 0 6 - 定時1秒。 計數(shù)電路如果記錄外設提供的具有一定隨機性的脈沖信號時，主要反映脈沖的個數(shù)，又稱為計數(shù)器。因此，使用同一個接口芯片，既能進行計數(shù)，又能進行計時，統(tǒng)稱為定時/計數(shù)器。（Timer/Counter簡稱T/C）。5 北京工業(yè)大學計算機學院Intel 8253是一種可編程定時/計數(shù)器具有如下功能:具有3個獨立的16位減法（-1）計數(shù)器；每一個計數(shù)器均可編程工作在6種方式下；能進行二進制/十進制（BCD）計數(shù)；計數(shù)頻率為0 2MHz（8253-5

5、最高計數(shù)頻率為5MHz）；可作方波頻率產(chǎn)生器、分頻器和單脈沖發(fā)生器等。8-1 8253的工作原理6 北京工業(yè)大學計算機學院一、8253的內(nèi)部結(jié)構和引腳信號見圖8-1和8-28-1 8253的工作原理數(shù)據(jù)總線緩沖器控制字寄存器計數(shù)器 2計數(shù)器 1讀/寫邏輯電路計數(shù)器 0內(nèi)部總線內(nèi)部總線D7D0RDWRA0A1CSCLK0CLK2CLK1GATE0GATE1GATE2OUT0OUT2OUT18253的內(nèi)部結(jié)構圖7 北京工業(yè)大學計算機學院 24引腳雙列直插式封裝8-1 8253的工作原理8 北京工業(yè)大學計算機學院 1、數(shù)據(jù)總線緩沖器 8位 雙向 三態(tài)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)往計數(shù)器設置計數(shù)器初值從計數(shù)器讀取數(shù)

6、值寫控制寄存器2、讀/寫控制邏輯產(chǎn)生控制整個器件工作的控制信號CS：片選RD：CPU正在讀計數(shù)器的值WR：CPU正在寫計數(shù)器初值或?qū)懭肟刂谱諥1、A0：用來對3個計數(shù)器和控制器進行尋址，若8253的端口基地址為40H，計數(shù)器0，1，2和控制寄存器端口地址分別為，40H，41H，42H，43H。8-1 8253的工作原理9 北京工業(yè)大學計算機學院讀/寫控制邏輯10 北京工業(yè)大學計算機學院3、計數(shù)器028253內(nèi)部包含3個完全相同的計數(shù)/定時器通道，這三個計數(shù)器相互獨立，可各自按不同的方式工作。每個通道包括一個8位控制字寄存器，一個16位的計數(shù)初值寄存器，一個16位計數(shù)器執(zhí)行部件和一個16位計數(shù)值

7、的輸出鎖存器（用于CPU從中讀出當前計數(shù)值）。16位寄存器均可分為高8位和低8位寄存器來使用 每個通道對輸入CLK信號的計數(shù)是“減1計數(shù)”?？砂?進制和10進制進行，采用倒計數(shù)法先預置初值，開始遞減計算。8-1 8253的工作原理11 北京工業(yè)大學計算機學院3、計數(shù)器02減1計數(shù)的具體操作過程：CPU把“控制字”,寫入“控制寄存器”，把“計數(shù)初始值”寫入“初值寄存器”， 定時/計數(shù)器按控制字要求計數(shù)。計數(shù)從“計數(shù)初始值 開始，每當CLK信號出現(xiàn)一次，計數(shù)值減1。當計數(shù)值減為0時，從OUT端輸出規(guī)定的信號（具體形式與工作方式有關）。當CLK信號出現(xiàn)時，是否計數(shù)，受“門控信號”GATE的影響，一般

8、，僅當GATE有效時，才減1計數(shù)。8-1 8253的工作原理12 北京工業(yè)大學計算機學院3、計數(shù)器02用作定時器時，CLK引腳上應輸入精確的時鐘脈沖，即 定時時間=時鐘脈沖周期*預置的計數(shù)初值8253 CLK引腳的時鐘頻率不得大于2MHzCLKi： 計數(shù)器的時鐘輸入 GATEi：計數(shù)器的門控制信號輸入 OUTi： 計數(shù)器的輸出8-1 8253的工作原理13 北京工業(yè)大學計算機學院4、控制字寄存器 是只寫寄存器，用作選定計數(shù)器通道、規(guī)定各計數(shù)器通道的工作方式，讀寫格式控制?？刂谱秩鏟275所示。 SC1 SC0-通道選擇位 RL1 RL0-讀寫控制位 M2 M1 M0-工作方式選擇位 BCD 計

9、數(shù)方式選擇位 8-1 8253的工作原理14 北京工業(yè)大學計算機學院8253控制字格式計數(shù)值格式0 二進制格式1 BCD碼格式方式選擇000方式0001方式1010方式2011方式3100方式4101方式5讀寫指示00 計數(shù)器鎖存，供CPU讀01 只讀寫低位字節(jié)10 只讀寫高位字節(jié)11 先讀寫低位字節(jié)，后讀寫高位字節(jié)計數(shù)器選擇00 計數(shù)器001 計數(shù)器110 計數(shù)器211 無意義D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0SC1 |SC0| RW1 | RW0 | M2 | M1 | M0 |BCD15 北京工業(yè)大學計算機學院在CPU為8088的PC/XT機中： 若8253的端口基地址為40

10、H，則計數(shù)通道0、1、2和控制寄存器端口的地址分別為：40H、41H、42H和43H。8253CSA1A0I/O譯碼8088高位地址線 A1 A016 北京工業(yè)大學計算機學院在CPU為8086的系統(tǒng)中： 8253的D7-D0可以接到數(shù)據(jù)總線D15-D8，也可以接到低8位數(shù)據(jù)總線D7-D0。在實際中，經(jīng)常接到低8位數(shù)據(jù)總線。這樣CPU就要求芯片的內(nèi)部的各個端口都使用偶地址。使用CPU的A2A1來選擇端口。8086高位地址線 A2 A18253CSA1A0I/O譯碼17 北京工業(yè)大學計算機學院1、8253初始化步驟 上電后8253可編程芯片，處于無定義狀態(tài)，必須初始化后才可使用，具體初始化過程為：

11、寫入控制字：用輸出指令向控制字寄存器寫入一個控制字，以選定計數(shù)器通道，規(guī)定該計數(shù)器工作方式和計數(shù)格式；起到復位作用，計數(shù)器清零寫入計數(shù)初值：用輸出指令向選中的計數(shù)器端口地址中寫入一個計數(shù)初值，初值可以是8位或16位數(shù)據(jù)。16位數(shù)據(jù)分兩次寫入。計數(shù)初值寫入8253，還要經(jīng)過一個時鐘脈沖的上升沿和下降沿，才能將計數(shù)數(shù)值裝入實際的計數(shù)器，然后在門控信號GATE控制下對CLK引腳輸入的脈沖進行遞減計數(shù)。 二、初始化編程步驟和門控信號功能18 北京工業(yè)大學計算機學院計數(shù)器1計數(shù)器2H8 L8數(shù)據(jù)總線RDWRM/IO地址譯碼A0A1CSWRRDCLK1GATE1OUT1CLK2CLK0GATE2GATE0

12、OUT2OUT0D7D0控制寄存器計數(shù)器0高8位低8位高8位低8位計數(shù)初值寄存器 （CR）計數(shù)執(zhí)行部件 （CE）輸出鎖存器 （OL）GNDVcc+5V19 北京工業(yè)大學計算機學院例1：在8086系統(tǒng)中，8253的基址為70H。編程使計數(shù)器0工作在方式2，計數(shù)初值的寫入和計數(shù)值的讀出僅使用低8位，初值為100，采用二進制計數(shù)方式。 MOV AL，00010100 B；控制字 OUT 76H，AL MOV AL，100；計數(shù)初值 OUT 70H，AL 1、8253初始化步驟20 北京工業(yè)大學計算機學院例2：在8088系統(tǒng)中，8253的基址為70H。編程使計數(shù)器1工作在方式1，計數(shù)初值的寫入和計數(shù)值

13、的讀出使用16位，先低后高，初值為1234，采用BCD計數(shù)方式。 MOV AL，01110011B；控制字 OUT 73H，AL MOV AX，1234H；BCD 1234 OUT 71H，AL；計數(shù)初值低8位 XCHG AL，AH OUT 71H，AL；計數(shù)初值高8位1、8253初始化步驟21 北京工業(yè)大學計算機學院例3：在8086系統(tǒng)中，8253的基址為800H。欲使計數(shù)器2工作在方式5，初值為4000，采用BCD計數(shù)方式。試寫出初始化程序。MOVDX, 0806HMOVAL, 10111011BOUTDX, ALMOVDX, 0804HMOVAX，4000HOUTDX，ALMOVAL，A

14、HOUTDX，AL1、8253初始化步驟22 北京工業(yè)大學計算機學院2、門控信號控制功能門控信號GATE在各種工作方式下功能如P279-P282六種工作方式。 23 北京工業(yè)大學計算機學院三、8253的工作方式在計數(shù)方式下： 當計數(shù)器被賦予初值時，由CLK時鐘在GATE開啟狀態(tài)下，對計數(shù)器進行減1計數(shù)，在一串CLK脈沖作用下，計數(shù)器減到0時，由OUT端輸出一信號。在定時方式下： 當定時器被賦予初值時，由CLK時鐘脈沖在GATE開啟狀態(tài)下觸發(fā)定時器開始工作，定時器在OUT端不間斷地產(chǎn)生CLK時鐘整數(shù)倍的定時時間間隔。 8253A每個計數(shù)器都有6種工作方式。8253A可工作在計數(shù)和定時兩種方式下2

15、4 北京工業(yè)大學計算機學院1、方式0計數(shù)結(jié)束中斷方式寫入控制字為方式0時，out輸出端為低電平n值被寫入8253的計數(shù)器初值寄存器，寫信號在上升沿后的時鐘脈沖的下降沿，才把n裝入通道內(nèi)的實際計數(shù)器中開始減1計數(shù)。方式0，要使8253計數(shù)，門控信號GATE必須為高電平如果GATE變?yōu)榈碗娖?，則暫停減1計數(shù)，直到GATE為高電平繼續(xù)計數(shù)方式0進行計數(shù)時，計數(shù)器只計數(shù)一次，重新計數(shù)需重新寫入計數(shù)值25 北京工業(yè)大學計算機學院2、方式1可編程單穩(wěn)態(tài)輸出方式寫入控制字為方式1時，out輸出端為高電平n值寫入計數(shù)器，GATE形成一個上升沿后，在下一個時鐘脈沖的下降沿，才把n裝入計數(shù)器，同時out輸出一個低

16、電平，計數(shù)器中開始減1操作。計數(shù)器減到0，out輸出高電平。 OUT引腳上得到一個負脈沖，并可由編程控制負脈沖的寬度，等于時鐘脈沖的寬度乘以計數(shù)n值。計數(shù)過程，GATE產(chǎn)生低跳變，不會影響計數(shù)過程，但若GATE又產(chǎn)生正跳變，重新開始計數(shù)，OUT負脈沖的寬度加大。26 北京工業(yè)大學計算機學院3、方式2-比率發(fā)生器寫入控制字為方式2時，out輸出端為高電平如果GATE為高電平，寫入計數(shù)值后的下一個時鐘脈沖，進行遞減計數(shù)。當計數(shù)減為1時，out輸出為低電平，計數(shù)減為0，out又輸出為高電平，同時，重新裝入計數(shù)值，開始新的過程，周而復始。若計數(shù)值為n，out引腳上，每隔n個時鐘脈沖就產(chǎn)生一個負脈沖。計

17、數(shù)過程中寫入新的計數(shù)值，計數(shù)周期結(jié)束后，才按新的計數(shù)值工作。計數(shù)過程，GATE變?yōu)榈碗娖?，將迫使OUT為高電平，并禁止計數(shù)，當GATE由低變?yōu)楦唠娖?，下一個時鐘脈沖，預置初值，重新開始。27 北京工業(yè)大學計算機學院4、方式3-方波發(fā)生器CLKWRGATE“1”O(jiān)UTCWN=4424242OUT54255424N=42524N=5和方式2類似，out輸出為基本對稱的方波。寫入控制字為方式3時，out輸出端為高電平，如果GATE為高電平，寫入計數(shù)值后的下一個時鐘脈沖，進行遞減計數(shù)。寫入計數(shù)初值為偶數(shù)，每輸入一個脈沖，計數(shù)值減2。計數(shù)值減為0，out輸出由高電平變?yōu)榈碗娖健Ｍ瑫r，自動重新裝入計數(shù)初值

18、進行計數(shù)，當計數(shù)值減為0，out又變?yōu)楦唠娖?，開始新的循環(huán)。寫入計數(shù)初值為奇數(shù)，第一個脈沖減1，以后計數(shù)值減2。從out輸出方波的頻率都等于時鐘脈沖的頻率除以計數(shù)值。計數(shù)過程，GATE變?yōu)榈碗娖?，將迫使OUT為高電平，并禁止計數(shù)，當GATE由低變?yōu)楦唠娖剑乱粋€時鐘脈沖，預置初值，重新開始。28 北京工業(yè)大學計算機學院5、方式4-軟件觸發(fā)選通寫入控制字為方式2時，out輸出端為高電平如果GATE為高電平，寫入計數(shù)值后的下一個時鐘脈沖，進行遞減計數(shù)。當計數(shù)減為0，out又輸出為低，經(jīng)過一個時鐘周期又回到高電平。此方式裝入的計數(shù)初值僅一次有效。計數(shù)過程中寫入新的計數(shù)值，將按新的計數(shù)初值進行計數(shù)，同

19、樣一次。計數(shù)過程，GATE變?yōu)榈碗娖?，則停止計數(shù)，當GATE變?yōu)楦唠娖胶?，又重新預置初值，直至減為0，out輸出一個負脈沖。29 北京工業(yè)大學計算機學院6、方式5-硬件觸發(fā)選通寫入控制字為方式5時，out輸出端為高電平當裝入計數(shù)值n，不管GATE如何減1計數(shù)器不工作，等到GATE引腳上輸入正跳變時，在下一個時鐘脈沖的下降沿后開始減1計數(shù)。當計數(shù)器減為0，out輸出一個時鐘周期的負脈沖。8253自動將計數(shù)初值裝入計數(shù)器，再等待GATE引腳的正跳變才進行減1計數(shù)。計數(shù)過程中，如果GATE有上升沿可觸發(fā)計數(shù)器，從計數(shù)初值開始計數(shù)30 北京工業(yè)大學計算機學院各種方式的主要特點概括：方式0：寫入控制字后

20、，輸出端變低，計數(shù)結(jié)束后，輸出端變高，常用該輸出端作為中斷源，其余5種方式寫入控制字后，輸出端均變高，方式0可實現(xiàn)定時或?qū)ν獠渴录M行計數(shù)。方式1：用來產(chǎn)生單脈沖，脈沖寬度可與程序控制方式2：用來產(chǎn)生連續(xù)序列的負脈沖，脈沖寬度與時鐘脈沖寬度相同方式3：用來產(chǎn)生連續(xù)的方波，方式2和方式3都實現(xiàn)對時鐘脈沖進行n分頻方式4和方式5的波形相同，都是在計數(shù)器回0后，從out端輸出一個負脈沖，其寬度等于一個時鐘周期。但方式4由軟件（設置計數(shù)值）觸發(fā)計數(shù)，方式5由硬件（門控信號）觸發(fā)計數(shù)。方式0，1，4：計數(shù)初值僅一次有效，對于方式2，3，5減到0后，8253自動將計數(shù)值重裝進計數(shù)器三、8253的工作方式3

21、1 北京工業(yè)大學計算機學院一、8253定時功能的應用例子1、用8253產(chǎn)生各種定時波形 在某個以8086為CPU的系統(tǒng)中使用了一塊8253芯片，通道的基地址為310H，所用時鐘脈沖頻率為1MHz，要求3個計數(shù)器分別完成以下功能：a.通道0工作于方式3，輸出頻率為2kHz的方波b.通道1產(chǎn)生寬度為480us的單脈沖c.通道2用硬件方式觸發(fā)，輸出單脈沖，時間常數(shù)為26.據(jù)此設計畫出硬件電路圖；編寫8253初始化程序；8-2、8253的應用舉例32 北京工業(yè)大學計算機學院時間常數(shù)N0=1MHz/2kHz=500;通道0初始化程序MOV DX , 316HMOV AL , 00110111BOUT D

22、X, ALMOV DX , 310HMOV AL, 00HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL8-2、8253的應用舉例33 北京工業(yè)大學計算機學院時間常數(shù)N1=480s /1 s=480;通道1初始化程序MOV DX , 316HMOV AL , 01110011BOUT DX, ALMOV DX , 312HMOV AL, 80HOUT DX, ALMOV AL, 04HOUT DX, AL8-2、8253的應用舉例34 北京工業(yè)大學計算機學院;通道2初始化程序MOV DX , 316HMOV AL , 10011011BOUT DX, ALMOV DX , 31

23、4HMOV AL, 26HOUT DX, AL8-2、8253的應用舉例35 北京工業(yè)大學計算機學院2、控制LED的點亮或熄滅 要求點亮10秒后再讓它熄滅10秒，重復此過程 設計過程：采用8086系統(tǒng)，8253的各端口地址為81H ，83H ，85H ，87H。8253的數(shù)據(jù)線D 7D 0和CPU的高8位數(shù)據(jù)總線D 15D 8相連（這樣才能選中奇地址）。使8253的某個通道的out端輸出方波（占空比1：1，周期為20秒），就能解決此問題。因為CLK端的頻率為2MHz，所以一個通道的OUT端輸出的脈沖周期最大為1/2M*65536=32.768ms，需用兩個通道級連來實現(xiàn) 一、8253定時功能的

24、應用例子36 北京工業(yè)大學計算機學院2、控制LED的點亮或熄滅設計結(jié)果如下:2MHz加在CLK0,通道0工作在方式2,若選擇N0=5000,則OUT0得到負脈沖頻率為2MHz/5000=400Hz,周期為2.5ms 。再將該信號接CLK1，通道1工作在方式3，為使OUT1 輸出20s周期的方波，應取時間常數(shù)N1=20s/2.5ms=8000一、8253定時功能的應用例子37 北京工業(yè)大學計算機學院;通道0初始化程序MOV AL , 00110101BOUT 87H, ALMOV AL, 00HOUT 81H, ALMOV AL, 50HOUT 81H, AL8-2、8253的應用舉例;通道1初

25、始化程序MOV AL , 01110111BOUT 87H, ALMOV AL, 00HOUT 83H, ALMOV AL, 80HOUT 83H, AL38 北京工業(yè)大學計算機學院假設一個自動化工廠需要統(tǒng)計在流水線上所生產(chǎn)的某種產(chǎn)品的數(shù)量（每500個工件發(fā)一次中斷），可采用8086CPU和8253來實現(xiàn)1、硬件電路設計：見黑板2、初始化編程：選擇計數(shù)器1工作于方式0，按BCD碼計數(shù)。先讀/寫低字節(jié)，后讀/寫高字節(jié)，選初值為499，經(jīng)過N+1個脈沖，向CPU發(fā)出一次中斷請求。3、計數(shù)值的讀取：如果在計數(shù)中途需了解計數(shù)個數(shù)，由于計數(shù)值在不斷變化，需要CPU在讀取計數(shù)值時，對現(xiàn)行的計數(shù)值進行鎖存，

26、然后再讀出。 二、8253計數(shù)功能的應用例子39 北京工業(yè)大學計算機學院8-2、8253的應用舉例；初始化程序MOV AL , 01110001BOUT 0F6H, ALMOV AL, 99HOUT 0F2H, ALMOV AL, 04HOUT 0F2 H, AL40 北京工業(yè)大學計算機學院計數(shù)值讀出命令 在許多用到8253的計數(shù)功能的場合，需要讀取計數(shù)器的現(xiàn)行計數(shù)值，由于讀出命令用來讀取計數(shù)器的當前計數(shù)值，讀取命令分兩步完成： ()發(fā)出鎖存命令，使當前計數(shù)值鎖存在輸出鎖存器（OL）中 ()讀輸出鎖存器（OL），獲得當前計數(shù)值。必須注意：計數(shù)值是16位的，但8253均為8位端口，必須分兩次讀取，才能獲得16位的值，為了避免第1次讀取后，計數(shù)值發(fā)生變化，必須使用鎖存命令使計數(shù)值鎖存在輸出鎖存