微機原理講義(第9章計數(shù)器定時器和多功能接口芯片)

第10章計數(shù)器/定時器和多功能接口芯片湖南中醫(yī)藥大學(xué)王志輝本章重點為:8253/8254的編程結(jié)構(gòu)；8253/8254的兩類控制字；8253/8254必須遵守的編程原則；8253/8254的兩類編程命令；8253/8254的6種工作模式的特點；82380的功能結(jié)構(gòu)；82380的中斷模塊。定時器：在時鐘信號作用下，進行定時的減“1”計數(shù)，定時時間到（減“1”計數(shù)回零），從輸出端輸出周期均勻、頻率恒定的脈沖信號。定時器強調(diào)的是精確的時間或時間間隔。定時舉例：

①一天24小時的計時，稱為日時鐘。②在監(jiān)測系統(tǒng)中，對被測點的定時取樣。③在讀鍵盤時，為去抖，一般延遲一段時間，再讀。④在微機控制系統(tǒng)中，控制某工序定時啟動。概述

計數(shù)器：

在外設(shè)脈沖信號作用下，進行減“1”計數(shù)，計數(shù)次數(shù)到（減“1”計數(shù)回零），從輸出端輸出一個脈沖信號。它主要反映脈沖的個數(shù)（進而獲知外設(shè)的某種狀態(tài)）。

計數(shù)舉例：①對零件和產(chǎn)品的計數(shù)；②對大橋和高速公路上車流量的統(tǒng)計等等。定時控制在微機系統(tǒng)中具有極為重要的作用，計數(shù)是許多過程控制領(lǐng)域常用的功能。它們都是由數(shù)字電路中的計數(shù)電路構(gòu)成。在分時操作時作為中斷切換可以輸出精確的定時信號給I/O設(shè)備作為可編程的波特率發(fā)生器實現(xiàn)時間延遲或測量外部事件的時間對外部事件計數(shù)計數(shù)器、定時器的基本作用利用微處理器執(zhí)行一個延時程序段實現(xiàn)不用硬件，但占用CPU時間、定時精度不高，隨系統(tǒng)時鐘頻率改變優(yōu)點：不需添加硬件設(shè)備，只需編制有關(guān)延時程序缺點：增加CPU的開銷，時間越長，開銷越大，浪費CPU資源1.軟件定時定時功能的實現(xiàn)方法有三種（1+2）采用分頻器、單穩(wěn)電路或簡易定時電路控制定時時間定時電路簡單、定時時間可以在一定范圍改變2.不可編程的硬件延時軟件硬件相結(jié)合、用可編程定時器芯片構(gòu)成一個方便靈活的定時電路具有多種工作方式、能夠輸出多種控制信號3.可編程硬件定時

主要思路：計數(shù)器/定時器開始工作，此時CPU不必過問它的工作，而可以去作別的工作。計數(shù)器/定時器計數(shù)或定時達到確定值時，可以自動產(chǎn)生一個輸出。優(yōu)點：計數(shù)或定時時，不占用CPU，并且利用計數(shù)/定時器產(chǎn)生中斷信號，還可以建立多作業(yè)環(huán)境，提高了CPU的效率。可編程計數(shù)器/定時器具有兩種功能：一是作為計數(shù)器，設(shè)置好計數(shù)初值后，計數(shù)器被啟動，便開始減1計數(shù)，當(dāng)減為0時，輸出一個信號；二是作為定時器，設(shè)置好計數(shù)初值后，啟動減1計數(shù)，按定時常數(shù)不斷的輸出為時鐘周期整數(shù)倍的定時間隔。3.可編程硬件定時

2、8253定時與計數(shù)器與CPU的關(guān)系8253定時與計數(shù)操作過程與CPU相互獨立，并行操作。

3、8253定時與計數(shù)結(jié)束時產(chǎn)生的脈沖信號可用于對某一事件進行控制，也可作用為一外部終端請求信號。8253在微機系統(tǒng)中可用作定時器和計數(shù)器。定時時間與計數(shù)次數(shù)是由用戶事先設(shè)定。W9-111主動工作態(tài)：總線主模塊

在主動工作狀態(tài)下，DMAC取代處理器CPU，獲得了對系統(tǒng)總線的控制權(quán)，成為系統(tǒng)總線的主控者，向存儲器和外設(shè)發(fā)號施令。被動工作態(tài)：總線從模塊

在被動工作狀態(tài)下，DMAC接受CPU對它的控制和指揮。例如：對DMAC進行初始化編程以及從DMAC讀取狀態(tài)等。簡述DMAC的2種工作狀態(tài)?簡述8237A的內(nèi)部寄存器的類型和作用分別是什么?名稱位數(shù)數(shù)量功能當(dāng)前地址寄存器164保存在DMA傳送期間的地址值，可讀寫當(dāng)前字節(jié)計數(shù)寄存器164保存當(dāng)前字節(jié)數(shù)，初始值比實際值少1，可讀寫基地址寄存器164保存當(dāng)前地址寄存器的初始值，只能寫基字節(jié)計數(shù)寄存器164保存相應(yīng)通道當(dāng)前字節(jié)計數(shù)器的初值工作方式控制寄存器84保存相應(yīng)通道的方式控制字，由編程寫入命令寄存器81保存CPU發(fā)送的控制命令狀態(tài)寄存器81保存8237A各通道的現(xiàn)行狀態(tài)請求寄存器41保存各通道的DMA請求信號屏蔽寄存器41用于選擇允許或禁止各通道的DMA請求信號暫存寄存器81暫存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，僅用于存儲器到存儲器的傳輸DMAC8237A有哪幾種工作方式?1.單字節(jié)傳輸方式

每傳送一個字節(jié)，便釋放系統(tǒng)總線；若DREQ回到有效電平，則可繼續(xù)發(fā)送總線請求2.塊傳輸方式

可連續(xù)傳送多個字節(jié)。兩種結(jié)束方式：當(dāng)字節(jié)計數(shù)器減為0時，使EOP信號有效；接口往EOP端送入有效電平，8237A釋放總線3.請求傳輸方式

每傳送1個字節(jié)，則對DREQ端進行測試。若DREQ端為無效電平，則暫停傳送，但仍繼續(xù)測試4.級聯(lián)傳輸方式將多個DMAC連在一起，一個為主，其余為從。從片收到外設(shè)的DMA請求后，不是向CPU申請總線，而是從片向主片申請，再由主片向CPU申請。屏蔽寄存器（只寫）用來禁止或允許通道的DMA請求。各通道相互獨立。復(fù)位使4個通道全被屏蔽。有單屏蔽寄存器和全屏蔽寄存器兩種形式：單通道屏蔽寄存器：每次只能屏蔽一個通道。14怎么實現(xiàn)DMAC的單通道開放功能?四通道屏蔽寄存器（全屏蔽寄存器）：可同時屏蔽4個通道。低4位全部置1，則屏蔽所有的DMA請求。低4位全部置0，則允許所有的DMA請求。1516與硬件的Reset信號功能相同。使得DMA控制器內(nèi)部的命令寄存器、狀態(tài)寄存器、請求寄存器、暫存寄存器、字節(jié)指針都清0。使得屏蔽寄存器全置1，禁止所有的DMA請求。8237A執(zhí)行復(fù)位命令后寄存器的值怎么變化?10.1可編程計數(shù)器/定時器的工作原理計數(shù)器/定時器的原理圖8253/8254的編程結(jié)構(gòu)有三個計數(shù)器共用1個控制寄存器和1個狀態(tài)寄存器（只有8254有狀態(tài)寄存器）另外有計數(shù)初值寄存器和輸出寄存器每個計數(shù)器通過3個引腳（CLK、GATE、OUT）執(zhí)行部件實際上是1個16位的減法計數(shù)器計數(shù)器的3個引腳CLK時鐘輸入信號——在計數(shù)過程中，此引腳上每輸入一個時鐘信號（下降沿），計數(shù)器的計數(shù)值減1GATE門控輸入信號——控制計數(shù)器工作，可分成電平控制和上升沿控制兩種類型OUT計數(shù)器輸出信號——當(dāng)一次計數(shù)過程結(jié)束（計數(shù)值減為0），OUT引腳上將產(chǎn)生一個輸出信號8253/8254的外部信號三通道的16位定時/計數(shù)器;計數(shù)器的工作方式及計數(shù)常數(shù)分別由軟件編程選擇;可進行二進制或十進制計數(shù)或定時操作;最高計數(shù)頻率為2.6MHz，8254達10MHz;使用單電源+5V供電;輸入/輸出均與TTL電平兼容。8253/8254的外部信號8253/8254的編程結(jié)構(gòu)（只有8254有狀態(tài)寄存器）計算機接口技術(shù)3．8253的管腳及功能計數(shù)器的門控信號輸入端GATE0~GATE2計數(shù)器的輸出端OUT0~OUT28253內(nèi)部端口選擇線A1A0片選信號CS寫信號WR讀信號RD計數(shù)器的時鐘脈沖輸入端CLK0~CLK2數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)D7~D0功能引腳8253/8254的I/O地址01000010010101001011001000010100110功能對計數(shù)器0設(shè)置計數(shù)初值CSRDA1A0WR對計數(shù)器1設(shè)置計數(shù)初值對計數(shù)器2設(shè)置計數(shù)初值設(shè)置控制字從計數(shù)器0讀出計數(shù)值從計數(shù)器1讀出計數(shù)值從計數(shù)器2讀出計數(shù)值10.38253/8254控制字、狀態(tài)字和編程命令控制字有兩類模式控制字計算機接口技術(shù)說明：⑴8253在工作前，必須先初始化，即先寫入控制字，通過設(shè)置控制字，可完成以下任務(wù)：選擇計數(shù)器；確定計數(shù)器讀寫格式；選擇計數(shù)器工作方式；確定計數(shù)的格式。⑵8253內(nèi)部只有一個控制字寄存器，即只有一個控制端口地址。當(dāng)三個計數(shù)器同時工作時，必須對三個計數(shù)器分別進行初始化。計算機接口技術(shù)對寫入計數(shù)初值的說明：先寫入控制字再寫計數(shù)初值；若初值是8位數(shù)，一次可完成初值的寫入。若初值16位，分兩次寫入（寫入方式按照控制字中的D5、D4進行）。每次寫入一個字節(jié)；不同計數(shù)器的計數(shù)初值寫到相應(yīng)計數(shù)器通道中。（3）寫操作包括寫入控制字、寫入計數(shù)初值和鎖存命令。計算機接口技術(shù)（4）讀操作計數(shù)器在計數(shù)時，計數(shù)器的計數(shù)內(nèi)容是動態(tài)變化的，需檢查當(dāng)前計數(shù)值時要用到讀操作。步驟為：先向8253寫控制字（D5D4=00），鎖存當(dāng)前計數(shù)值，再讀入。讀完后，鎖存功能自動失效。8254的鎖存控制字D7、D6、D0：固定值為110COUNT：若為0，鎖存計數(shù)器的當(dāng)前值STAUS：若為0，鎖存計數(shù)器的狀態(tài)字D3、D2、D1：指出要鎖存的計數(shù)器狀態(tài)字OUT：若為1，表示OUT端為高電平NULLCOUNT：若為0，表示初值已經(jīng)送入計數(shù)器D5~D0：與模式控制字的對應(yīng)位含義相同8253/8254的狀態(tài)字8253/8254的編程命令編程命令包括兩類寫入命令，包括設(shè)置控制字命令設(shè)置初值命令鎖存命令讀出命令讀取計數(shù)器當(dāng)前的值。對8254，還可讀取狀態(tài)字3.編程命令:編程有3條原則必須遵守：對計數(shù)器設(shè)置初始值前必須先寫控制字。初始值設(shè)置時，要符合控制字中的格式規(guī)定，即只寫低位字節(jié)還是只寫高位字節(jié)，或高低位字節(jié)都寫，控制字中一旦規(guī)定，具體初始值設(shè)定時就要一致。要讀取計數(shù)器的當(dāng)前值和狀態(tài)字（僅8254），必須用控制字先鎖定，才能讀取。模式工作的基本原則：寫入控制字后，輸出端OUT進入初始狀態(tài)方式控制字設(shè)置后，在每個CLK脈沖的上升沿對門控信號GATE進行采樣、檢測在GATE有效的前提下，將計數(shù)初值寫入計數(shù)初值寄存器CR后，在下一個CLK脈沖的下降沿由CR的值自動置入計數(shù)執(zhí)行部件CE計數(shù)單元的減1計數(shù)總是在CLK脈沖的下降沿進行48253/8254的工作模式計數(shù)器/定時器的工作模式指時鐘脈沖和門脈沖怎樣配合來產(chǎn)生輸出。8253/8254的工作模式6種工作模式計數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分頻器方波發(fā)生器軟件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器硬件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器計算機接口技術(shù)工作過程寫入控制字，OUT立即變?yōu)榈停粚懭胗嫈?shù)初值N到計數(shù)初值寄存器（CR），若GATE為高電平，下一個時鐘脈沖的下降沿將計數(shù)初值N裝入計數(shù)執(zhí)行部件(CE)，才開始減1計數(shù)；GATE＝0時，暫停計數(shù)；當(dāng)GATE＝1時，繼續(xù)計數(shù)；計數(shù)期間，OUT一直為低；當(dāng)計數(shù)結(jié)束（計數(shù)值為0），OUT變?yōu)楦?，并一直保持。用途：方?常用來對外部事件計數(shù)，利用OUT由低到高的變化產(chǎn)生中斷請求信號。

方式0計數(shù)結(jié)束中斷方式方式0：計數(shù)結(jié)束中斷①②⑤④⑥GATEOUTCLK

031244方式0WR①設(shè)定工作方式②設(shè)定計數(shù)初值④計數(shù)值送入計數(shù)器⑤計數(shù)過程⑥計數(shù)結(jié)束

1、方式0“一次有效”,計數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷

1）、計數(shù)器寫完計數(shù)值時，開始計數(shù)，相應(yīng)的輸出信號OUT就開始變成低電平。當(dāng)計數(shù)器減到零時，OUT立即輸出高電平。18組11

3）、在計數(shù)器工作期間，如果重新寫入新的計數(shù)值，計數(shù)器將按新寫入的計數(shù)值重新工作。

2）、門控信號GATE位高電平時，計數(shù)器工作；為低電平時，計數(shù)器停止工作，計數(shù)值保持不變。18組118組2n=5CLKOUTWR①

543210圖8253的0方式時序波形WROUT③

n=998n=443210n=5WRGATEOUT②

54321044方式1特點①輸出OUT的寬度為計數(shù)初值的單脈沖；②輸出受門控信號GATE的控制，分三種情況：*計數(shù)到0后，再來GATE脈沖，則重新開始計數(shù)，OUT變低；*在計數(shù)過程中來GATE脈沖，則從下一CLK脈沖開始重新計數(shù)，OUT保持為低；*改變計數(shù)值后，只有當(dāng)GATE脈沖啟動后才按新值計數(shù)，否則原計數(shù)過程不受影響，仍繼續(xù)進行，即新值的改變是從下一個GATE開始的。③計數(shù)值是多次有效的，每來一個GATE脈沖，就自動裝入計數(shù)值開始從頭計數(shù)，因此在初始化時，計數(shù)值寫入一次即可。用途：輸出穩(wěn)態(tài)負(fù)脈沖信號

OUT端輸出負(fù)脈沖的寬度=計數(shù)初值N×?xí)r鐘脈沖寬度TCLK。方式1：可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器①②⑤④⑥①設(shè)定工作方式②設(shè)定計數(shù)初值③③硬件啟動④計數(shù)值送入計數(shù)器⑤計數(shù)過程⑥計數(shù)結(jié)束GATEOUTCLK

031244方式1WR2.模式1——可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器寫入控制字高電平檢測到GATE上升沿CR→CE，并開始計數(shù)計數(shù)為0，OUT變?yōu)楦唠娖接嫈?shù)器第2個觸發(fā)上升沿計數(shù)初值N

2.

模式1

----另外一種解讀（GATE信號上升沿重新計數(shù)）

情況一：（1）寫入計數(shù)初值后，計數(shù)器并不立即開始工作；（2）門控信號GATE有效，才開始工作，使輸出OUT變成低電平；（3）直到計數(shù)器值減到零后，輸出才變高電平。見下圖中①。情況二：

在計數(shù)器工作期間，當(dāng)GATE又出現(xiàn)一個上升沿時，計數(shù)器

重新裝入原計數(shù)初值并重新開始計數(shù)，見下圖中②。21組17

如果工作期間對計數(shù)器寫入新的計數(shù)初值，則要等到當(dāng)前的計數(shù)值計滿回零且門控信號再次出現(xiàn)上升沿后，才按新寫入的計數(shù)初值開始工作，見下圖中所示③。21組121組16圖8253的1方式時序波形n=3WR③n=2OUT

3210210GATEn=4CLKGATEWROUT①

43210OUT②

4321GATE40計算機接口技術(shù)工作過程寫入控制字CW，OUT變高，并保持不變。寫入計數(shù)初值N，若GATE為高電平，則在下一個時鐘脈沖下降沿，將計數(shù)初值N裝入減1計數(shù)器CE，開始減1計數(shù)。當(dāng)計數(shù)值減為1時，OUT由高變低，減為0時，OUT又變?yōu)楦撸碠UT輸出一個時鐘周期的負(fù)脈沖；同時，自動將計數(shù)初值N裝入計數(shù)執(zhí)行部件CE，開始新一輪計數(shù)。用途：分頻器

若計數(shù)器的初值為N，則OUT輸出的波形頻率為時鐘脈沖頻率的N分之一。方式2分頻器

3.模式2——分頻器高電平GATE有效，立即將CR→CE，并開始計數(shù)計數(shù)為1，輸出1個負(fù)脈沖定時器兩種計數(shù)器同步方式：軟件同步硬件同步計算機接口技術(shù)工作過程寫入控制字CW，OUT變高，并保持不變。寫入計數(shù)初值N，若GATE為高電平，在下一個時鐘脈沖下降沿，將計數(shù)初值N裝入減1計數(shù)器CE，開始減1計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到一半時，OUT由高變低，減1計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)，計數(shù)到0時，OUT由低變高。之后，周而復(fù)始地自動進行計數(shù)過程。當(dāng)計數(shù)初值為偶數(shù)時，OUT輸出對稱方波；當(dāng)計數(shù)初值為奇數(shù)時，OUT輸出不對稱方波。用途：方波發(fā)生器，也可作為分頻器。方式3方波發(fā)生器4.模式3——方波發(fā)生器高電平GATE有效，立即將CR→CE，并開始計數(shù)N為偶數(shù)，完全對稱的方波N為奇數(shù)，矩形波，高電平為3T定時器計算機接口技術(shù)工作過程寫入控制字CW，OUT變高，并保持不變。寫入計數(shù)初值N，若GATE為高電平，在下一個時鐘脈沖下降沿，將計數(shù)初值N裝入減1計數(shù)器CE，開始減1計數(shù)。當(dāng)減1計數(shù)器的值為0時，OUT變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過一個CLK時鐘周期，OUT變?yōu)楦唠娖健?/p>

用途：產(chǎn)生單個負(fù)脈沖信號，負(fù)脈沖寬度為1個時鐘周期。方式4軟件觸發(fā)方式5.模式4——軟件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器計數(shù)為0，輸出1個負(fù)脈沖高電平GATE有效，立即將CR→CE，并開始計數(shù)計數(shù)器靠寫入初值來觸發(fā)計數(shù)器工作計算機接口技術(shù)工作過程寫入控制字CW，OUT變高，并保持不變。寫入計數(shù)初值N，只有當(dāng)GATE信號的上升沿到來后，在下一個CLK脈沖的下降沿，才將計數(shù)初值N裝入減1計數(shù)器，開始減1計數(shù)。當(dāng)減1計數(shù)器的值為0時，OUT變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過一個CLK時鐘周期，OUT變?yōu)楦唠娖健?/p>

用途：產(chǎn)生單個負(fù)脈沖信號，負(fù)脈沖寬度為1個時鐘周期。方式5硬件觸發(fā)方式

6.模式5——硬件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器高電平檢測到GATE上升沿CR→CE，并開始計數(shù)計數(shù)為0，輸出1個負(fù)脈沖第2個觸發(fā)上升沿5方式------單次負(fù)脈沖輸出（硬件觸發(fā)）

5方式工作特點是由GATE上升沿觸發(fā)計數(shù)器開始工作。①在5方式工作方式下，當(dāng)寫入計數(shù)初值后，計數(shù)器并不立即開始計數(shù)，而要由門控信號的上升沿啟動計數(shù)。30組1

②在計數(shù)過程中（或者計數(shù)結(jié)束后），如果門控再次出現(xiàn)上升沿，計數(shù)器將從原裝入的計數(shù)初值重新計數(shù)。30組2CLKWROUT①

n=5GATE543210圖8253的5方式時序波形OUT②

GATE54543210使用注意最大初值0=65536CLK與OUT的周期區(qū)別在CLK的下降沿8253的各部件才產(chǎn)生改變模式0，4的gate是電平觸發(fā)，1，5為上升沿觸發(fā)（邊沿觸發(fā)器），2，3都可以賦初值后的下個CLK才裝到執(zhí)行部件，開始計數(shù)計算機接口技術(shù)

8253工作方式總結(jié)：六種方式作用：方式0：可用來實現(xiàn)定時或?qū)ν獠渴录M行計數(shù)；方式1：可用來產(chǎn)生單脈沖；方式2：可用來產(chǎn)生序列負(fù)脈沖，每個負(fù)脈沖的寬度和CLK脈沖的周期相同；方式3：用來產(chǎn)生連續(xù)的方波。方式2、3都能實現(xiàn)對時鐘脈沖進行N分頻；方式4：產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，可用來計數(shù)；方式5：與4波形相同，產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，可用來計數(shù)；58253/8254的應(yīng)用舉例（自學(xué)）用8253/8254為A/D子系統(tǒng)提供采樣信號的例子：CLK1的頻率為F/NOUT1的負(fù)脈沖寬度為MNOUT0的脈沖頻率為F/L10.6