可编程定时器计数器8253及其的应用

1、第八章 可编程定时器/计数器8253及其应用【回顾】 可编程芯片的概念，端口的概念。【本讲重点】 定时与计数的基本概念及其意义，定时/计数器芯片Intel8253的性能概述， 内、外部结构及其与CPU的连接。8.1定时与计数1 .定时与计数在微机系统或智能化仪器仪表的工作过程中，经常需要使系统处于定时工作状态，或 者对外部过程进行计数。定时或计数的工作实质均体现为对脉冲信号的计数，如果计数的 对象是标准的内部时钟信号，由于其周期恒定，故计数值就恒定地对应于一定的时间，这 一过程即为定时，如果计数的对象是与外部过程相对应的脉冲信号(周期可以不相等)，则此时即为计数。2 .定时与计数的实现方法(1

2、) 硬件法专门设计一套电路用以实现定时与计数，特点是需要花费一定硬设备，而且当电路制 成之后，定时值及计数范围不能改变。(2) 软件法利用一段延时子程序来实现定时操作，特点，无需太多的硬设备，控制比较方便，但 在定时期间，CPU不能从事其它工作，降低了机器的利用率。(3) 软、硬件结合法即设计一种专门的具有可编程特性的芯片，来控制定时和计数的操作，而这些芯片，具有中断控制能力，定时、计数到时能产生中断请求信号，因而定时期间不影响CPU的正常工作。8.2定时/计数器芯片Intel8253Intel8253是8086微机系统常用的定时/计数器芯片，它具有定时与计数两大功能 -、8253的一般性能概

3、述1 .每个8253芯片有3个独立的16位计数器通道；2 .每个计数器通道都可以按照二进制或二一十进制（BCD码）计数；3 .每个计数器的计数速率可以高达 2MHz ;4 .每个通道有6种工作方式，可以由程序设定和改变；5 .所有的输入、输出电平都与 TTL兼容、8253内部结构8253的内部结构如图8-1所示，它主要包括以下几个主要部分:图8-18253的内部结构1 .数据总线缓冲器实现8253与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器，用以传送CPU向8253的控 制信息、数据信息以及CPU从8253读取的状态信息，包括某时刻的实时计数值。2 .读/写控制逻辑控制8253的片选及对内部相关寄

4、存器的读/写操作，它接收CPU发来的地址信号以 实现片选、内部通道选择以及对读/写操作进行控制。3 控制字寄存器在8253的初始化编程时，由CPU写入控制字，以决定通道的工作方式，此寄存器只能写入，不能读出。4 .计数通道0#、1#、2# :这是三个独立的，结构相同的计数器/定时器通道，每一个通道包含一个16位的计数 寄存器，用以存放计数初始值，一个16位的减法计数器和一个16位的锁存器，锁存器在 计数器工作的过程中，跟随计数值的变化，在接收到CPU发来的读计数值命令时，用以锁存计数值，供CPU读取，读取完毕之后，输出锁存器又跟随减 1计数器变化。三、8253的外部引脚8253芯片是具有24个

5、引脚的双列直插式集成电路芯片，其引脚分布如图8 - 2所示。8253芯片的24个引脚分为两组，一组面向CPU，另一组面向外部设备，各个引脚及其所传送信号的情况，介绍如下:1 . D7Do：双向、三态数据线引脚，与系统的数据线连接，传送控制、数据及状态信息2. Rd :来自于cpu的读控制信号输入引脚，低电平有效。3. WR :来自于CPU的写控制信号输入引脚，低电平有效CS :芯片选择信号输入引脚，低电平有效控制戏7r e5g41132325310i151 rl£2TITm13231910匹IS21IT2412CLK1 乜一GATE1*01111Di胧Da Da-*D sDe*-L

6、Dt帝一Al * cs»r Vcc 地CLKD GATED OUTOCLK2 劭TEE CUTS图8-28253的引脚0号计數聽1号计数器5 . A1、Ao：地址信号输入引脚，用以选择 8253芯片的通道及控制字寄存器。A。、A的状态与8253端口地址的对应关系如下表所示A1A0000井通道011井通道102井通道11控制端口6 . Vcc及GND : +5V电源及接地引脚7 . CLKi： i=0,1,2,第i个通道的计数脉冲输入引脚，8253规定，加在CLK引脚的输入时钟 信号的频率不得高于2.6MHZ，即时钟周期不能小于380ns。8 . GATEi： i=0,1,2,第i个通

7、道的门控信号输入引脚，门控信号的作用与通道的工作方式有 关。9 . OUTi： i=0,1,2,第i个通道的定时/计数到信号输出引脚，输出信号的形式由通道的工作 方式确定，此输出信号可用于触发其它电路工作，或作为向CPU发出的中断请求信号。四、8253的控制字8253有一个8位的控制字寄存器，其格式如下:计数器渎爸格式工作方式数制T? De Ds Dd Us 12 Di. Doia只读/写境高育效手节高£位）01只读丿写摄低有数宇节 （i e 位）片二谱制L1-BCDroao方式001方式xio方式W1J方式100才式K 191方戒图8-38253的控制字其中：Do:数制选择控制。为

8、1时，表明采用BCD码进行定时/计数；否则，采用二进制进行定 时/计数。D3Di:工作方式选择控制。000, 0; 001，1； X10，2 ； X11，3 ； 100，4 ； 101，5 ；D5、D4：读写格式。00,计数锁存命令；01，读/写高8位命令；10,读/写低8位命令; 11，先读/写低8位，再读写高8位命令。D7、D6：通道选择控制。000通道；01，1通道；10，2通道；11，非法1 . 8253的初始化编程要使用8253，必须首先进行初始化编程，初始化编程包括设置通道控制字和送通道计 数初值两个方面，控制字写入8253的控制字寄存器，而初始值则写入相应通道的计数寄存 器中。初

9、始化编程包括如下步骤：(1) 写入通道控制字，规定通道的工作方式(2) 写入计数值，若规定只写低 8位，则高8位自动置0，若规定只写高8位，则低8位自动置0。若为16位计数值则分两次写入，先写低 8位，后写高8位。D0：用 于确定计数数制，0, 二进制；1，BCD码【例1】 设8253的端口地址为：04H0AH，要使计数器1工作在方式0，仅用8位二 进制计数，计数值为128，进行初始化编程。控制字为：01010000B=50H初始化程序：MOV AL，50HOUT0AH ， ALMOV AL，80HOUT 06H , AL【例2】 设8253的端口地址为：F8HFEH，若用通道0工作在方式1，

10、按二一一十进 制计数，计数值为5080H，进行初始化编程。控制字为：00110011B=33H初始化程序：MOV AL，33HOUT0FEH，ALMOV AL，80HOUT 0F8H，ALMOV AL，50HOUT 0F8H，AL【例3】 设8253的端口地址为：04H0AH，若用通道2工作在方式2，按二进制计数, 计数值为02F0H，进行初始化编程。控制字为：10110100B=0B4H初始化程序：MOV AL，0B4HOUT0AH ， ALMOV AL，0F0HOUT 08H，ALMOV AL，02HOUT 08H，AL2 .读取8253通道中的计数值8253可用控制命令来读取相应通道的计

11、数值，由于计数值是16位的，而读取的瞬时 值，要分两次读取，所以在读取计数值之前，要用锁存命令，将相应通道的计数值锁存在 锁存器中，然后分两次读入，先读低字节，后读高字节。当控制字中，D5、D4=00时，控制字的作用是将相应通道的计数值锁存的命令，锁存 计数值在读取完成之后，自动解锁。如要读通道1的16位计数器，编程如下：地址 F8HFEH。MOV AL，40H ;OUT 0FEH，AL ;锁存计数值IN AL, 0FAHMOV CL，AL;低八位IN AL，0FAH ;MOV CH，AL;高八位五、8253在系统中的典型连接8253在系统中的连接如图8-4所示。Intel 8086图8-4

12、Intel8253 在系统中的连接六、8253的工作方式8253共有6种工作方式，各方式下的工作状态是不同的，输出的波形也不同，其中比较灵活的是门控信号的作用。由此组成了 8253丰富的工作方式、波形，下面我们逐个介绍：1 几条基本原则(1) 控制字写入计数器时，所有的控制逻辑电路立即复位，输出端OUT进入初始状态。初始状态对不同的模式来说不一定相同。(2) 计数初始值写入之后，要经过一个时钟周期上升沿和一个下降沿， 计数执行部件才可以开始进行计数操作，因为第一个下降沿将计数寄存器的内容送减1计数器。 通常，在每个时钟脉冲CLK的上升沿，采样门控信号GATE。不同的工作方式下，门控 信号的触发

13、方式是有具体规定的，即或者是电平触发，或者是边沿触发，在有的模式中， 两种触发方式都是允许的。其中0、2、3、4是电平触发方式，1、2、3、5是上升沿触发。(4) 在时钟脉冲的下降沿，计数器作减1计数，0是计数器所能容纳的最大初始值。二进制相当于216，用BCD码计数时，相当于1042 方式0计数结束产生中断方式0的波形如图8-5所示，当控制字写入控制字寄存器后，输出 OUT就变低，当计 数值写入计数器后开始计数，在整个计数过程中， OUT保持为低，当计数到 0后，OUT 变高；GATE的高低电平控制计数过程是否进行。Ci=10 LSB=4CPUII|III.GA.TEiiiiirIVIIII

14、IIOKT :Iiii/I'丨；彳:IX ； 3 匕 X ； 0 :理:FE图8-5方式0波形从波形图中不难看出，工作方式 0有如下特点： 计数器只计一遍，当计数到0时，不重新开始计数保持为高，直到输入一新的计数值，OUT才变低，开始新的计数； 计数值是在写计数值命令后经过一个输入脉冲， 才装入计数器的，下一个脉冲开始计数， 因此，如果设置计数器初值为 N，则输出OUT在N + 1个脉冲后才能变高； 在计数过程中，可由GATE信号控制暂停。当GATE= 0时，暂停计数；当GATE= 1时, 继续计数； 在计数过程中可以改变计数值，且这种改变是立即有效的，分成两种情况：若是8位计数，则写

15、入新值后的下一个脉冲按新值计数；若是 16位计数，则在写入第一个字节后，停 止计数，写入第二个字节后的下一个脉冲按新值计数。3 方式1可编程的硬件触发单拍脉冲方式1的波形如图8-6所示，CPU向8253写入控制字后OUT变高，并保持，写入计 数值后并不立即计数，只有当外界 GATE信号启动后（一个正脉冲）的下一个脉冲才开始 计数，OUT变低，计数到0后，OUT才变高，此时再来一个GATE正脉冲，计数器又开始 重新计数，输出OUT再次变低，因此输出为一单拍负脉冲。CW=12 LSB=3nCLKJUWWWWWGATEOUT11；i11! 3 ： 2 . L ； 0 tf； 3 2图8-6方式1波形

16、从波形图不难看出：方式1有下列特点： 输出OUT的宽度为计数初值的单脉冲； 输出受门控信号GATE的控制，分三种情况:计数到0后，再来GATE脉冲，则重新开始计数，OUT变低;在计数过程中来GATE脉冲，则从下一 CLK脉冲开始重新计数，OUT保持为低； 改变计数值后，只有当GATE脉冲启动后，才按新值计数，否则原计数过程不受影 响，仍继续进行，即新值的改变是从下一个 GATE开始的。 计数值是多次有效的，每来一个 GATE脉冲，就自动装入计数值开始从头计数，因此在初始化时，计数值写入一次即可。4、方式2速率发生器方式2的波形如图8-7所示，在这种方式下，CPU输出控制字后，输出OUT就变高，

17、 写入计数值后的下一个 CLK脉冲开始计数，计数到1后，输出OUT变低，经过一个CLK 以后，OUT恢复为高，计数器重新开始计数，因此在这种方式下，只需写入一次计数 值，就能连续工作，输出连续相同间隔的负脉冲（前提：GATE保持为高），即周期性地输出，方式2下，8253有下列使用特点： 通道可以连续工作； GATE可以控制计数过程，当GATE为低时暂停计数，恢复为高后重新从初值；（注意： 该方式与方式0不同，方式0是继续计数） 重新设置新的计数值即在计数过程中改变计数值，则新的计数值是下次有效的，同方式1。一 0=14our图8-7方式2波形ME!II 丨！I丨！I<IiI1*I>

18、5 .方式3方波速率发生器方式3的波形如图8-8所示，这种方式下的输出与方式 2都是周期性的，不同的是周 期不同，CPU写入控制字后，输出OUT变高，写入计数值后开始计数，不同的是减 2计 数，当计数到一半计数值时，输出变低，重新装入计数值进行减2计数，当计数到0时，输出变高，装入计数值进行减2计数，循环不止。在方式3下，8253有下列使用特点：JWWUWWUUW_II_I!II计数值为偶数一 CW=1& LSB巧oirr计数值为奇数；| 丨 I | 丨 | !丨 ICLKGATE图8-8 方式3时计数器的工作波形 通道可以连续工作； 关于计数值的奇偶，若为偶数，则输出标准方波，高低电

19、平各为N/2个；若为奇数，则在装入计数值后的下一个CLK使其装入，然后减1计数，（N + 1 ） /2，OUT改变状态, 再减至0，OUT又改变状态，重新装入计数值循环此过程，因此，在这种情况下，输出 有（N + 1） /2个CLK个高电平，（N 1） /2个CLK个低电平； GATE信号能使计数过程重新开始，当 GATE= 0时，停止计数，当GATE变高后，计数 器重新装入初值开始计数，尤其是当 GATE= 0时，若OUT此时为低，则立即变高，其 它动作同上； 在计数期间改变计数值不影响现行的计数过程，一般情况下，新的计数值是在现行半周 结束后才装入计数器。但若中间遇到有 GATE脉冲，则在

20、此脉冲后即装入新值开始计数。6.方式4软件触发的选通信号发生器方式4的波形如图8-9所示，在这种方式下，也是当 CPU写入控制字后，OUT立即 变高，写入计数值开始计数，当计数到 0后，OUT变低，经过一个CLK脉冲后，OUT变 高，这种计数是一次性的（与方式0有相似之处），只有当写入新的计数值后才开始下一次 计数。CLKGATEJUWUUWUWour图8-9方式4波形方式4下，8253有下列使用特点： 当计数值为N时，则间隔N + 1个CLK脉冲输出一个负脉冲（计数一次有效）； GATE= 0时，禁止计数，GATE= 1时，恢复继续计数； 在计数过程中重新装入新的计数值，则该值是立即有效的（

21、若为16位计数值，则装入第一个字节时停止计数，装入第二个字节后开始按新值计数）。7 .方式5硬件触发的选通信号发生器方式5的波形如图8-10所示，在这种方式下，当控制字写入后，OUT立刻变高，写 入计数值后并不立即开始计数，而是由 GATE的上升沿触发启动计数的，当计数到 0时， 输出变低，经过一个CLK之后，输出恢复为高，计数停止，若再有 GATE脉冲来，则重新 装入计数值开始计数，上述过程重复。方式5下，8253有下列使用特点： 在这种方式下，若设置的计数值是 N，则在GATE脉冲后，经过(N + 1)个CLK才一 个负脉冲； 若在计数过程中又来一个 GATE脉冲，则重新装入初值开始计数，

22、输出不变，即计数值 多次有效； 若在计数过程中修改计数值，则该计数值在下一个GATE脉冲后装入开始按此值计数。五二壯 LA 15B= j II I 1I I | I , E； I ；0 iFF(3图8-10方式5波形尽管8253有6种工作模式，但是从输出端来看，仍不外乎为计数和定时两种工作方式。作为计数器时，8253在GATE的控制下，进行减1计数，减到终值时，输出一个信号。作 为定时器工作时，8253在门控信号GATE控制下，进行减1计数。减到终值时，又自动装 入初始值，重新作减1计数，于是输出端会不断地产生时钟周期整数倍的定时时间间隔。8 . 8253的工作方式小结下面，我们对8253的6

23、种工作模式的特点，作一番比较和总结。(1) 方式2、4、5的输出波形是相同的，都是宽度为一个 CLK周期的负脉冲，但方式2连 续工作，方式4由软件触发启动，方式5由硬件触发启动。(2) 方式5与方式1工作过程相同，但输出波形不同，方式1输出的是宽度为N个CLK脉 冲的低电平有效的脉冲(计数过程中输出为低)，而方式5输出的为宽度为一个CLK脉冲 的负脉冲(计数过程中输出为高)。(3) 输出端OUT的初始状态，方式0在写入方式字后输出为低，其余方式，写入控制字后， 输出均变未能高。(4) 任一种方式，均是在写入计数初值之后，才能开始计数，方式0、2、3、4都是在写入计数初值之后，开始计数的，而方式

24、 1和方式5需要外部触发启动，才开始计数。(5) 6种工作方式中，只有方式2和方式3是连续计数，其它方式都是一次计数，要继续工作需要重新启动，方式0、4由软件启动，方式1、5由硬件启动。(6) 门控信号的作用；通过门控信号 GATE，可以干预8253某一通道的计数过程，在不同的工作方式下，门控信号起作用的方式也不一样，其中0、2、3、4是电平起作用，1、2、3、5是上升沿起作用，方式2、3对电平上升沿都可以起作用。(7) 在计数过程中改变计数值，它们的作用有所不同。(8) 计数到0后计数器的状态，方式0、1、4、5继续倒计数，变为FF、FE0 ooooo,而方 式2、3、，则自动装入计数初值继

25、续计数。七、8253的编程应用【例4】 在IBM PC/XT中，8253作为定时计数器电路，它的三个通道的作用分别为：计数器0编程为方式3，GATE0固定为高电平，OUT0作为中断请求信号接至8259A 中断控制器的第0级IRQ0。这个定时中断(约55ms )用于报时时钟的时间基准。计数器1编程为方式2，GATE1固定为高电平，OUT1的输出经过一个D触发器后作 为8237A 5DMA控制器通道0的DMA请求DREQ0，用于定时(约15us )启动刷新动 态RAM，这样在2ms内可以有132次刷新，大于128次(128次是系统的最低要求)。计数器2编程为方式3, 1KHZ的方波输出，通过滤波，

26、去除高频分量后送扬声器，GATE2是8255的PBO，OUT输出经一与门控制，控制信号为 8255的PB1，这样利用PB0、PB1同时为高的时间来控制发长音还是发短音。 定时时间T N 定时时间 N =时钟频率F为1.19MHZ，T=1/FT8253 5的地址为040H043H，ROM BIOS对8253 5的编程如下： 计数器0用于定时中断。MOV AL，00110110B ; 00110110 二进制OUT 43H，ALMOV AL，0 ;计数初值为0000，即为216OUT 40H，ALOUT 40H，AL;定时为：840ns 216 55ms，即频率为18.2HZ 每秒产生8.2次时

27、钟中断（CLK周期为：1/1.19M ）计数器1用于定时DMA请求。MOV AL，01010100B ; 01010100 二进制OUT 43H，ALMOV AL，12H ;计数初值为 18D，定时：840ns 1815 sOUT 41H，AL计数器2用于产生1KHZ的方波送至扬声器发声，声响子程序为BEEP，入口地址为FFA08H。BEEP PROC NEARMOV AL，10110110B ; 10110110 二进制OUT 43H，ALMOVAX，0533H ;计数初值为1331OUT42H，ALMOVAL，AHOUT42H，ALIN AL, 61H ;取 8255B 端口MOVAH，A

28、L;存在 AHOR AL, 03H ;使 PBiPBo 11OUT 61H , AL;输出至82255的B端口，使扬声器发声SUB CX, CX;循环计数G7: LOOP G7MOVBH，0DECBX; BL的值为控制长短声，BL - 6 （长），BL- 1 （短）JNZG7MOVAL，AH ;恢复8255B端口值，停止发声OUT61H，ALRETBEEP ENDP【例5】CPU为8086，用8253的CH0 （通道0），每隔2ms输出一个负脉冲，设 CLK为2MHZ，完成软件设计 分析：时间常数的计算：已知时钟频率 F及定时时间t，求计数初值N :NtN t FF设用方式2，时间常数:2 10 3 2 1064 103控制字：00110100 二进制端口地址：CH0 H ;控制端口06H初始化编程：MOV AL，34H； 00110100BOUT 06H，ALMOV AX，4000OUT 00H，A