微機原理講義（9）定時計數(shù)

1、PAGE 第九章 計數(shù)器和定時器概述在計算機系統(tǒng)中經(jīng)常要用到定時信號，可用硬件和軟件兩種方法來獲得。延時子程序是常用的軟件方法，當延長數(shù)比較大時，常常將延時子程序設計為循環(huán)程序。軟件延時優(yōu)點是節(jié)省硬件，缺點是CPU一直被占用降低效率。如用硬件延時可用555等定時器芯片，可編程則用定時器計數(shù)器82538254等。方法是根據(jù)需要的定時時間，用指令對定時器設定定時常數(shù),并用指令啟動定時器,于是開始計數(shù),定時到產生輸出,突出的優(yōu)點是不占用CPU的時間.9.1可編程計數(shù)器定時器的工作原理計數(shù)器與定時器的主要差別:作為計數(shù)器,減”1”到0后,輸出一個信號便結束;作為定時器時,則不斷產生信號.具體說,C/T

2、有如下用處:多任務分時系統(tǒng)中用來作為中斷信號實現(xiàn)程序的切換.可以往IO設備輸出精確的定時信號.作為一個可編程的波特率發(fā)生器.實現(xiàn)時間延遲.圖9.0是典型的計數(shù)器定時器原理圖大方框中有:4個寄存器(初始值寄存器,計數(shù)輸出寄存器,控制寄存器和狀態(tài)寄存器),它們都可被CPU訪問.輸入信號中有一個時鐘(CLK),它決定了計數(shù)速率.還有一個門脈沖(GATE),它是由設備送來的,作為對時鐘的控制信號.計數(shù)到達”0”時,輸出端OUT有信號,可作中斷請求信號,也有用來啟動一個外設的輸入輸出操作.任何時候都可將計數(shù)器的值傳輸?shù)接嫈?shù)輸出寄存器中而被讀出,讀出過程不會干擾計數(shù),因而計數(shù)輸出寄存器起到了一個緩沖作用.

3、計數(shù)到達”0”時,一方面會在輸出引腿OUT上輸出一個信號,另一方面還會在狀態(tài)寄存器的對應位上反映出來.既可請求中斷,也可供軟件查詢.控制寄存器可用來控制工作模式,即門脈沖和時鐘脈沖怎樣配合產生輸出模式:門脈沖控制時鐘輸入,門脈沖到來時,時鐘有效.門脈沖結束時,時鐘無效.用門脈沖來重新啟動計數(shù).用門脈沖停止計數(shù),原來在計數(shù),門脈沖一來,停止計數(shù),OUT為高電平.單一計數(shù),與門脈沖沒有關系(但須有效電平),計數(shù)到0,輸出停止.循環(huán)計數(shù),計數(shù)到0,輸出信號,又從初值寄存器獲得初值,開始新的計數(shù)過程. 計數(shù)初值時鐘頻率TT為時間片的長度.9.2可編程計數(shù)器定時器82538253的結構和工作原理編程結構

4、Intel8253是NMOS工藝制成的可編程計數(shù)器定時器,最高計數(shù)速率為2.6MHz， 圖9.1是8253的編程結構圖8253內部有3個計數(shù)器，分別為計數(shù)器0，1，2，相互獨立工作。每個計數(shù)器內有一個計數(shù)初值寄存器CR、計數(shù)執(zhí)行部件CE、輸出鎖存OL它們都是16位寄存器，但也可作為8位寄存器用。CPU可以通過輸入輸出指令訪問8253內部寄存器。8253的工作原理圖9.3是8253的工作原理圖圖9.4給出了8253的引腿圖計數(shù)器0，計數(shù)器1，計數(shù)器2每個計數(shù)器包含一個16位的初值寄存器，計數(shù)執(zhí)行部件和一個鎖存器。各計數(shù)器的外部輸入輸出信號如下：計數(shù)器0：CLK0計數(shù)器0的時鐘輸入。 GATE0計

5、數(shù)器0的門脈沖控制輸入。 OUT0計數(shù)器0的輸出。計數(shù)器1、計數(shù)器2（略）總線數(shù)據(jù)緩沖器（3方面功能）。（通過它）往計數(shù)器設置計數(shù)初值。從計數(shù)器讀取計數(shù)值。往控制寄存器設置控制字讀寫邏輯電路A1、A0用來對3個計數(shù)器以及控制寄存器進行尋址RD、WR、CS含義明了?？刂萍拇嫫鰽1A011時，選中控制寄存器，可寫入控制字。表9.5 8253輸入信號與各功能的對應關系上表兩點說明：除了表中7種信號組合外，其它組合下，數(shù)據(jù)總線為高阻狀態(tài)。A1A0=11時，第一次寫入的一定是控制字，此后寫入的作為鎖存命令。2. 8253控制寄存器的格式圖 8253的控制寄存器的格式BCD位：1計數(shù)值為BCD碼格式，0為

6、二進制格式M2、M1、M0為模式選擇，共6中模式（05）RW1、RW0：讀寫指示位00對計數(shù)器進行鎖存操作，以便讀出。01只讀寫低8位字節(jié)10只讀寫高8位字節(jié)11先讀寫低8位字節(jié)，再讀寫高8位字節(jié)SC1、SC0：用來選擇計數(shù)器00計數(shù)器0 01計數(shù)器1 10計數(shù)器2 11無意義3. 8253的編程命令因為8253的控制寄存器和3個計數(shù)器分別具有獨立的編程地址，并且控制器本身的內容又確定了所控制的寄存器序號，所以編程沒有太多嚴格的順序規(guī)定。遵守下列兩條即可：對計數(shù)器設置初值前必須先寫控制字初值設置時，要符合控制字中的格式規(guī)定(即只寫高位還是只寫低位等)。編程命令有兩類，讀出命令和寫入命令：讀出命

7、令讀出命令用來讀取計數(shù)器當前的值。寫入命令（有3個）設置控制命令字:用來選擇計數(shù)器設定工作模式和計數(shù)格式.設置初始值:用來給出計數(shù)初值(8位或16位),16位要用兩條輸出指令.鎖存命令: 配合讀出命令,讀計數(shù)值時,先要將計數(shù)值在輸出鎖存器中鎖住.4. 8253的工作模式(共6種),共同原則如下:控制字寫入計數(shù)器時,所有控制邏輯電路立即復位,輸出端OUT進入初始態(tài)初始值寫入后，要經(jīng)過一個時鐘上升沿和一個下降沿，執(zhí)行部件開始計數(shù)通常門控信號在時鐘CLK的上升沿被采樣，門控信號觸發(fā)方式有邊沿和電平觸發(fā)兩種。模式0、4電平觸發(fā)；模式1、5上升沿觸發(fā)，2、3均可。 表7.2是經(jīng)過歸納的各工作模式下受門控

8、信號影響的情況CLK的下降沿計數(shù)器作減1計數(shù)。0是計數(shù)器能容納的最大初始值。6種模式逐一介紹如下：模式0計數(shù)結束產生中斷8253作計數(shù)器用時一般工作在模式0，特點如下：控制字寫入后OUT起始電平為低電平,保持到計數(shù)達0,轉高電平直到寫入新計數(shù)值控制字和計數(shù)初值寫入后必須等下一個CLK,初值才送執(zhí)行部件門控GATE=1并獲計數(shù)初值開始計數(shù),此時GATE0則停止計數(shù),但門控不影響OUT電平,所以計數(shù)時如有一段時間GATE=0, OUT低電平相應延長.計數(shù)過程中又有新計數(shù)值輸入,下一個CLK起按新計數(shù)值計數(shù).2字節(jié)初值如在GATE=0時寫入初值,當GATE=1時計數(shù)開始,N個CLK后轉高電平圖9.4

9、模式0的時序圖模式1可重復觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器寫入控制字后OUT起始低電平，GATE上升沿到來時下一CLK起OUT變低，直到計數(shù)到0計數(shù)到0，OUT轉高，直到下一次觸發(fā)后第1個CLK來前。如果計數(shù)初值為N，輸出OUT產生持續(xù)N個CLK的負脈沖。模式1可以重復觸發(fā),一個負脈沖結束后,又來一個門控上升沿,重復上述過程如在輸出脈沖期間又來一個門控上升沿,則從下一CLK起又從初值減1延長如在輸出脈沖期間又寫入新計數(shù)值,當前輸出不受影響,除非又來一個門控信號,觸發(fā)后按新計數(shù)初值減1計數(shù).圖9.5模式1的時序圖模式2分頻器控制寫入OUT高起始,計數(shù)值入下一CLK減1計數(shù),減到”1”,OUT變低電平完成一次計

10、數(shù)后輸出OUT又為高電平,開始一個新的計數(shù)過程,周而復始對于初值N,輸出周期為N的信號,N-1高電平,1低電平門控GATE=1 時計數(shù)進行,=0停止計數(shù).如在輸出脈沖期間GATE0,OUT仍將高電平,但下一CLK重新計數(shù)用門控信號來硬件同步.在計數(shù)器寫入控制字和初值后,如果GATE一直高電平下一CLK開始計數(shù)經(jīng)過N-1個CLK,OUT變低,這種通過寫入初值同步為軟件同步.如計數(shù)期間寫入新計數(shù)值,GATE一直處于高電平,OUT不受影響,但下一輸出周期中按新計數(shù)值計數(shù)在計數(shù)到1之前,如寫入新計數(shù)值,GATE又出現(xiàn)上升沿,下一CLK按新計數(shù)圖9.6模式2分頻器的時序圖模式3方波發(fā)生器模式3和模式2類

11、似,但輸出為方波或者基本對稱的矩形波控制字輸入后OUT高起始電平,寫入計數(shù)值下一CLK開始計數(shù),計到一半,OUT變低,直到計數(shù)終值又變高,產生周期N的輸出信號N為偶數(shù),對稱方波,N為奇數(shù)時,高電平(N+1)/2,低電平(N1)/2GATE=1計數(shù)進行，0計數(shù)停止.OUT低時GATE變低OUT立即變高計數(shù)停止.在GATE又變高后,下一CLK開始重新計數(shù).硬件同步.如果門控GATE一直高電平,寫入控制和計數(shù)值后下一CLK軟件同步正在計數(shù)時寫入新計數(shù)值不影響當前周期,但若又受門控上升沿下一CLK按新值計數(shù).圖9.7是模式3的時序圖模式4軟件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器控制字寫入后OUT高起始,計數(shù)值寫入后一

12、個CLK開始計數(shù),減到0時OUT變低,維持1個CLK后,又變恒高,此負脈沖可作選通信號.計數(shù)初值到計數(shù)初值寄存器后,下一CLK開始計數(shù),N個CLK后出1個負脈沖GATE=1進行計數(shù),=0停止計數(shù),輸出維持當時電平,只有減為0時才有負脈沖如計數(shù)時又寫入新計數(shù)值,下一CLK(雙字節(jié)從第2字節(jié)后)軟件同步模式4時主要靠寫入初值,來觸發(fā)計數(shù)器,產生負脈沖軟件觸發(fā)選通信號圖9.8模式4軟件觸發(fā)選通脈沖發(fā)生器模式5硬件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器控制字寫入后OUT高起始,計數(shù)值寫入后必須有門控上升沿到來,才在下一CLK開始計數(shù),計數(shù)到0時,輸出寬度為1個CLK的負脈沖:硬件觸發(fā)選通脈沖如計數(shù)初值為N,遇到門控上升

13、沿再過1個CLK,計數(shù)到N后輸出負脈沖.如果計數(shù)過程中,GATE又來上升沿,再過1個CLK,重獲計數(shù)初值減到0止如在計數(shù)中寫入新值,但無觸發(fā)脈沖,當前輸出周期不受影響,再受觸發(fā)時,按新初值計數(shù).如在計數(shù)過程中寫入新值,本周期結束前又受觸發(fā),則下一CLK圖9.9是模式5的時序圖可見模式5和模式4很相似，4用軟件觸發(fā)，5用硬件觸發(fā)。各工況兩點注意：時鐘周期和輸出周期的區(qū)別,輸出周期是OUT的輸出波形.8253的輸出波形都是在時鐘周期下降沿時產生電平的變化盡管8253有6種工作模式,從輸出端看,仍不外乎計數(shù)器 定時器.8253應用舉例例子,用8253級聯(lián)定時圖9.10 8253級聯(lián)定時應用要求825

14、3的OUT1發(fā)光二極管，亮1秒，熄滅1秒； OUT2發(fā)光二極管，亮2秒，熄滅2秒8253各通道地址為：FFE9HFFEFH,試編程。計數(shù)器0的CLK0來自2MHz經(jīng)D觸發(fā)器轉化為T觸發(fā)器2分頻，OUT0作為計數(shù)器1、2的時鐘,CLK1、CLK2初始化程序段：通道0的控制字為：00 11 010 1B=35H通道1的控制字為：01 11 011 1B=77H通道2的控制字為：10 11 011 1B=0B7H地址分別為：0FFE9H0FFEFH各通道計數(shù)初值分別為：通道0計數(shù)初值(BCD碼)：2000通道1計數(shù)初值(BCD碼)：1000通道2計數(shù)初值(BCD碼)：2000 程序段如下：MOV D

15、X,0FFEFHMOV AL,35HOUT DX,AL ;寫通道0的控制字MOV AL,77HOUT DX,AL ;寫通道1的控制字MOV AL,0B7HOUT DX,AL ;寫通道2的控制字MOV DX,0FFE9HMOV AL,00OUT DX,AL ;寫通道0的計數(shù)初值低8位MOV AL,20HOUT DX,AL ;寫通道0的計數(shù)初值高8位MOV DX,0FFEBHMOV AL,00OUT DX,AL ;寫通道1的計數(shù)初值低8位MOV AL,10HOUT DX,AL ;寫通道1的計數(shù)初值高8位MOV DX,0FFEDHMOV AL,00OUT DX,AL ; 寫通道2的計數(shù)初值低8位MO

16、V AL,10HOUT DX,AL ;寫通道2的計數(shù)初值高8位1用8254測量外部頻率計數(shù)器0 方式0；計數(shù)器1 方式1；計數(shù)器2 方式0計數(shù)器2的GATE2恒為高電平，一旦寫入控制字OUT2即為初始低電平，寫入計數(shù)初值后開始計數(shù)，OUT2保持低電平直到計數(shù)到0，轉為高電平，不再變化。OUT2作為GATE1，計數(shù)器1被GATE1高電平觸發(fā)后，輸出單穩(wěn)態(tài)負脈沖，此脈沖經(jīng)過反相器變正脈沖后后作為GATE0。計數(shù)器0寫入計數(shù)初值后，等待GATE0成為高電平，GATE0高電平期間計數(shù)器0計數(shù)，GATE0降為低電平后停止計數(shù)，停止計數(shù)后讀取計數(shù)器0的計數(shù)值，頻率可求。例2用8253進行外部事件計數(shù)，要求

17、：用計數(shù)器0外部事件計數(shù)，計滿350向CPU發(fā)中斷請求利用計數(shù)器1產生頻率為1kHz的正弦波利用計數(shù)器2產生寬度為0.5ms的單穩(wěn)態(tài)脈沖從圖上看出，端口地址為18H1EH,外部事件CLK0輸入計數(shù)器0工作在方式0，計滿350從OUT0發(fā)中斷請求計數(shù)器1輸入時鐘2MHz，方式3，產生1kHz方波計數(shù)初值為：1ms/0.5s=2000，有源濾波后成正弦波計數(shù)器2方式1，初值為500s0.5s1000 BCD碼計數(shù)器0的計數(shù)初值為350，地址為18H計數(shù)器1地址為1AH；計數(shù)器2地址為1CH;控制口1EH;初始化程序如下：MOV AL,31HOUT 1EH,AL;寫計數(shù)器0控制字MOV AL,50HOUT 18H,AL;寫計數(shù)器0計數(shù)初值低8位MOV AL,03HOUT 18H,AL;寫計數(shù)器0計數(shù)初值高8位MOV AL,77HOUT 1EH,AL;寫計數(shù)器1控制字MOV AL,