微型计算机原理第10章定时器／计数器

微型计算机原理第10章定时器／计数器第一页，共63页。第一，计算机系统本身需要一个时间基准，以保证计算机在确定时刻完成规定动作。§10.1定时/计数技术概述第10章定时/计数技术及接口§10.1.1

系统的时间基准

计算机为什么需要时间基准？计算机系统的时间基准：主时钟频率（简称主频）

第二，用计算机构成的测控系统常被要求能提供一些定时和计数的功能。第二页，共63页。

§10.1.2系统定时分类

软件定时：用循环程序实现定时：简单硬件定时：用硬件电路实现硬件定时：可编程硬件定时：用可编程芯片实现

（软、硬件结合方式）第10章定时/计数技术及接口第三页，共63页。第10章定时/计数技术及接口举例：MOVCX，100;占用时钟周期数为m1L1：MOVBX，50;占用时钟周期数为m1L2：DECBX;占用时钟周期数为m2NOP;占用时钟周期数为m3JNZL2;占用时钟周期数为m4NOP;占用时钟周期数为m3LOOPL1;占用时钟周期数为m5

1.

软件定时：让CPU执行一段具有固定延时时间的循环程序来实现的延时。是实现系统定时或延时控制的最简单的方法。优点：不需要外加硬件电路且定时精确。缺点：定时时间越长，CPU的开销越大，而且不能响应中断，否则定时就不准确。

则：定时时间t=T×

{100×

[50×（m2+

m3+m4

）+m1+m3+m5]+m1}设T为主频率对应的时钟周期第四页，共63页。第10章定时/计数技术及接口2.硬件定时:由硬件电路来实现的定时。

优点—减轻CPU的负担，使得在定时期间CPU能做其它工作。①不可编程的硬件定时—555时基电路等缺点：不易修改定时参数，时间长了器件会老化。②可编程硬件定时—8253定时/计数器等优点：定时参数和工作方式可由软件来控制，定时过程不需要CPU干预。第五页，共63页。§10.2.18253主要特性

①

单一正5V电源，NMOS工艺制成。②

片内具有3个独立的16位减法计数器（或称计数通道）。③

计数频率为0~2MHz。④

两种计数方式：即二进制或BCD方式计数。⑤

六种工作方式，既可对系统时钟脉冲计数实现定时，又可对外部事件进行计数。⑥

可由软件或硬件控制开始计数或停止计数。

第10章定时/计数技术及接口§10.2可编程定时器/计数器8253/8254

第六页，共63页。§10.2.28253内部结构

第10章定时/计数技术及接口第七页，共63页。1.数据总线缓冲器：三态、双向8位寄存器

CPU写入的命令传送的信息：CPU写入的计数初值

CPU读出的当前计数值8254增加了回读命令：CPU可读出当前状态第10章定时/计数技术及接口第八页，共63页。2.读/写逻辑读/写逻辑接收由CPU发来的读、写信号和地址信号等，选择读出或写入寄存器，控制芯片完成读写操作。3.控制字寄存器控制字寄存器接收CPU送来的控制命令。选择计数器及相应的工作方式。

控制字寄存器只能写入，不能读出。第10章定时/计数技术及接口第九页，共63页。4.计数器8253有三个独立的计数通道

16位的计数单元（减1计数器）每个通道的组成：16位初值寄存器（只写）16位输出锁存器—锁存当前计数值

控制单元—控制该计数器的工作方式

第10章定时/计数技术及接口第十页，共63页。第10章定时/计数技术及接口图10.2计数器的内部逻辑

第十一页，共63页。计数初值寄存器：用于存放计数初值（定时常数或称分频系数），最大计数值为65536（64K）。

计数初值是在初始化时装入计数初值寄存器的，计数初值在计数过程中保持不变。计数单元：用于进行减1计数操作，每来一个时钟脉冲，它就作一次减1运算，直至将计数初值减为零。当前计数值锁存器：用于锁存减1计数器的内容，以供CPU读出。第10章定时/计数技术及接口第十二页，共63页。计数器工作原理：

初始化时首先向计数通道装入计数初值，送入计数初值寄存器然后送到计数单元（减1计数器）。

计数启动后（GATE允许），在时钟脉冲CLK作用下，计数单元进行减1计数，直到计数值减到0，OUT输出端产生相应动作时，计数结束。计数初值寄存器的内容在计数过程中保持不变。

需要读出当前计数值时，发锁存命令，锁存器锁定当前计数值，之后可读出当前计数值。第10章定时/计数技术及接口第十三页，共63页。8253的引脚图第10章定时/计数技术及接口§10.2.38253外部特性第十四页，共63页。8253的引脚分为两部分：1.与CPU连接的引脚

CPU写入的命令D7—D0：数据线（双向,三态）传送

CPU写入的计数初值CPU读出的当前计数值：写信号，用于控制完成写操作：读信号，用于控制完成写操作A1、A0：地址线，用于寻址8253内部的4个端口：片选信号，用于选中

8253芯片第10章定时/计数技术及接口第十五页，共63页。表10.18253端口操作中各信号组合所实现的功能

第10章定时/计数技术及接口第十六页，共63页。2.与外设的接口引脚

CLK0~2：计数时钟，输入。用于输入定时脉冲或计数脉冲信号。GATE0~2：门控信号，输入。用于外部控制计数器的启动计数和停止计数的操作。OUT0~2：计数输出端。当计数器从初值开始完成计数操作时，OUT引脚上输出相应的信号。

第10章定时/计数技术及接口第十七页，共63页。8253控制字的格式D7D6D5D4D3D2D1D0

0=二进制1=十进制工作方式选择000=方式0001=方式1X10=方式2X11=方式3100=方式4101=方式5通道寻址00=通道001=通道110=通道211=不用读写操作00=锁定当前计数值01=读/写计数器低8位10=读写计数器高8位11=先读/写计数器低8位再读/写计数器高8位第10章定时/计数技术及接口§10.2.48253方式控制字（CW）第十八页，共63页。第10章定时/计数技术及接口

例：选择2号计数器，工作在方式3，计数初值为533H（2个字节），采用二进制计数。设8253的端口地址为304H～307H。则其初始化程序段为:

方波发生器（1）工作方式编程举例工作方式3为输出方波§10.2.58253控制字的应用

MOVDX，307H；命令口

MOVAL，10110110B

；2号计数器的初始化命令字

OUTDX，AL；写入命令寄存器

MOVDX，306H；2号计数器数据口

MOVAX，533H；计数初值

OUTDX，AL；选送低字节到2号计数器

MOVAL，AH；取高字节送ALOUTDX，AL；后送高字节到2号计数器第十九页，共63页。（2）读当前计数值在事件计数器的应用中，需要读出计数过程中的当前计数值，以便根据这个值做计数判断。

例：要求读出并检查1号计数器的当前计数值是否是全“1”。设8253的端口地址为304H～307H，假定只读低8位。程序段为：

MOVDX,307H；命令口L：MOVAL，01000000B

；1号计数器的锁存命令

OUTDX，AL；写入命令寄存器

MOVDX，305H；指向1号计数器数据端口

INAL，DX；读1号计数器的当前计数值

CMPAL，0FFH；比较

JNEL；非全“1”，再读

HLT；是全“1”，暂停

第10章定时/计数技术及接口第二十页，共63页。初始化编程的具体步骤为：1.

写入计数器的控制字，规定其工作方式等；2.

写入计数初值。①若规定只写低8位，则写入的为计数值的低8位，高8位自动置0；②若规定只写高8位，则写入的是计数值的高8位，低8位自动置0；③若规定写16位计数值，则分两次写入，先写的必是低8位，后写的必是高8位。

第10章定时/计数技术及接口§10.2.68253初始化编程

第二十一页，共63页。解：1．按要求找出所用计数器的控制字

选计数器0只写低8位

选工作方式0二进制计数

选计数器1只写高8位

选工作方式2BCD计数

0

0

0

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

例10.1：某微机系统中8253的端口地址为40H~43H，要求计数器0工作在方式0，计数初值为FFH，按二进制计数；计数器1工作在方式2，计数初值为1000，按BCD码计数。试写出初始化程序段。

计数器0的控制字：计数器1的控制字：第10章定时/计数技术及接口第二十二页，共63页。2．初始化程序段MOVAL，10H；写通道0控制字OUT43H，ALMOVAL，0FFH；写通道0计数初值OUT40H，ALMOVAL，65H；写通道1控制字OUT43H，ALMOVAL，10H；写通道1计数初值OUT41H，AL第10章定时/计数技术及接口第二十三页，共63页。例10.2：

设8253端口地址为FFF0H～FFF3H，要求计数器2工作在方式5，二进制计数，初值为F03FH。试按上述要求完成8253的初始化。解：选计数器2先写低8位

选工作方式5二进制计数再写高8位

1．控制字第10章定时/计数技术及接口第二十四页，共63页。2．初始化程序段

MOV DX，0FFF3H；DX指向控制端口

MOV AL，0BAH；写控制字

OUTDX，AL MOVDX，0FFF2H；DX指向通道2

MOV AL，3FH；写初值低8全

OUTDX，AL MOV AL，0F0H；写初值高8位

OUTDX，AL第10章定时/计数技术及接口第二十五页，共63页。§10.2.78253工作方式通常，在时钟脉冲CLK的上升沿，门控信号GATE被采样。不同工作方式，门控信号的触发有具体规定，或用电平触发，或用边沿触发。方式0、4中，门控信号为电平触发；方式1、5中，门控信号为上升沿触发；方式2、3中，既可用电平触发，也可用上升沿触发。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值，因为用二进制计数时，16位计数器中，0相当于216；用BCD码计数时，0相当于104。

几条基本原则：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（高电平或者低电平）。初值写入以后，要经过一个时钟上升沿和一个时钟下降沿，计数执行部件才开始计数。

第10章定时/计数技术及接口第二十六页，共63页。工作方式及其特点①8253中有三个独立的计数器，每个计数器都可编程选择六种工作方式之一。②主要从三个方面区别这六种工作方式：其一是他们的输出波形不同；其二是启动计数器的触发方式不同；其三是计数过程中门控信号对计数操作的影响不同。另外：计数过程中可以写入新的初值，对于不同的工作方式，新的初值对计数过程的影响不同。第10章定时/计数技术及接口第二十七页，共63页。1.方式0

--计数结束产生中断

图3.48253的0方式时序波形n=5n=5CLKOUTWRWRGATEOUTWROUT

①

②

③

543210543210n=998n=443210图10.4方式0输出波形图正常计数GATE影响新的初值影响第10章定时/计数技术及接口第二十八页，共63页。方式0有如下3个特点:正常计数过程：写入控制字后的时钟上升沿OUT变低，向计数器写完计数初值后，开始减1计数，在计数过程中输出端OUT一直保持低电平，当计数器减到0时，OUT立即变成高电平。门控信号的影响：门控信号GATE为高电平时，计数器工作；当GATE为低电平时，计数器停止工作，其计数值保持不变。如果门控信号GATE再次变高时，计数器从中止处继续计数。新的计数初值的影响：在计数器工作期间，如果重新写入新的计数值，计数器将按新写入的计数初值重新开始计数。第10章定时/计数技术及接口第二十九页，共63页。例1：使计数器T1工作在方式0，进行16位二进制计数，计数初值的高低字节分别为BYTEH和BYTEL。 (设8253的端口地址为304H～307H）

其初始化程序段为:

MOVDX,307H；命令口

MOVAL，01110000B

；方式字

OUTDX，ALMOVDX，305H；T1数据口

MOVAL，BYTEL；计数值低字节

OUTDX，ALMOVAL，BYTEH；计数值高字节

OUTDX，AL第10章定时/计数技术及接口第三十页，共63页。2.方式1—可重触发的单稳态触发器图10.5方式1输出波形图正常计数GATE影响新的初值影响第10章定时/计数技术及接口第三十一页，共63页。正常计数过程：

写入控制字后的时钟上沿输出OUT变高,写入计数初值后，计数器并不立即开始工作；门控信号GATE有效(上升沿到来)，使输出OUT变成低电平,同时才开始减1计数；直到计数器值减到0后，输出才变成高电平。

方式1说明第10章定时/计数技术及接口新的计数初值的影响：

如果工作期间对计数器写入新的计数初值，则要等到当前的计数值计满回零且门控信号再次出现上升沿后，才按新写入的计数初值开始工作。门控信号的影响：

在计数器工作期间，当GATE又出现一个上升沿时，计数器重新装入原计数初值并重新开始计数。

第三十二页，共63页。

使计数器T2

工作在方式1，进行8位二进制计数，并设计数初值的低8位为BYTEL。

(设8253的端口地址为304H～307H）

其初始化程序段为

MOVDX，307H；命令口

MOVAL，10010010B

；方式字

OUTDX，ALMOVDX，306H；T2数据口

MOVAL，BYTEL；低8位计数值

OUTDX，AL第10章定时/计数技术及接口例2：第三十三页，共63页。3.方式2

—分频器方式2是一种自动装计数初值的N分频器。正常计数GATE影响新的初值影响图10.6方式2输出波形图第10章定时/计数技术及接口第三十四页，共63页。第10章定时/计数技术及接口新的计数初值的影响：

如果工作期间对计数器写入新的计数初值：

GATE一直为高电平：新的初值下次有效写入新的初值后，遇到GATE上升沿，新的初值有效方式2说明：输出连续脉冲波正常计数过程：

写入控制字后的时钟上沿输出OUT变高，写入计数初值后，计数器开始减1计数，减到1时OUT变成低电平，减到0时OUT又变成高电平，同时初值自动重新装入，并重复前一过程；门控信号的影响：

在计数器工作期间，当GATE变为低电平时终止计数，而当GATE又恢复为高电平后，计数器重新装入原计数初值并重新开始计数。

则第三十五页，共63页。例3：使计数器T0工作在方式2，进行16位二进制计数。(设8253的端口地址为304H～307H）

其初始化程序段为

MOVDX，307H；命令口

MOVAL，00110100B

；方式字

OUTDX，ALMOVDX，304H；T0数据口

MOVAL，BYTEL；低8位计数值

OUTDX，ALMOVAL，BYTEH；高8位计数值

OUTDX，AL第10章定时/计数技术及接口第三十六页，共63页。第10章定时/计数技术及接口4.方式3—方波发生器方式3与方式2基本相同，也具有自动装入时间常数（计数初值）的功能。图10.7方式3输出波形图计数值为偶数计数值为奇数

方式2

OUT输出的是脉冲波

方式3与方式2的不同之处：

方式3

OUT输出的是方波第三十七页，共63页。说明：（1）工作在方式3，引脚OUT输出的是占空比为1：1或近似1：1的方波；当计数初值为偶数时，输出严格方波（输出脉冲占空比为50%）。当计数初值为奇数时，输出近似方波（输出脉冲占空比约为50%）。（2）由于方式3输出的波形是方波，并且具有自动重装计数初值的功能，因此，8253一旦计数开始，就会在输出端OUT输出连续不断的方波。第10章定时/计数技术及接口第三十八页，共63页。图10.8方式4输出波形图5.方式4—软件触发的选通信号发生器正常计数新的初值影响GATE影响第10章定时/计数技术及接口第三十九页，共63页。输出单次单拍负脉冲（软件触发）第10章定时/计数技术及接口新的计数初值的影响：

任何时候对计数器写入新的计数初值，只要GATE=1，就会立即终止现行的计数过程，而按新写入的计数初值开始工作。门控信号的影响：

在计数器工作期间，GATE=1允许计数，GATE=0禁止计数，输出OUT维持当时的电平，只有计数减到0时OUT才变低1个时钟周期，然后又恢复成高电平。

正常计数过程：

写入控制字后的时钟上沿输出OUT变高，写入计数初值后，计数器开始减1计数，减到0时OUT变低1个时钟周期，然后又恢复成高电平。方式4说明：第四十页，共63页。例4：使计数器T1工作于方式4，进行8位二进制计数，并且只装入高8位计数值。(设8253的端口地址为304H～307H）

其初始化程序段为：MOVDX，307H；命令口

MOVAL，01101000B

；方式字

OUTDX，ALMOVDX，304H；T2数据口

MOVAL，BYTEH；低8位计数值

OUTDX，AL第10章定时/计数技术及接口第四十一页，共63页。6.方式5—硬件触发的选通信号发生器图10.9方式5输出波形图正常计数GATE影响

方式4由计数值触发计数器计数

方式5与方式4的不同之处：

方式5由GATE上升沿触发计数器计数第10章定时/计数技术及接口第四十二页，共63页。方式5工作特点1）在方式5下，当写入计数初值后，计数器并不立即开始计数，而要由门控信号的上升沿启动计数。2）在计数过程中（或者计数结束后），如果门控再次出现上升沿，计数器将从原装入的计数初值重新计数。3）新的计数初值要等到下一个门控信号的上升沿到来才能生效。输出单次单拍负脉冲（硬件触发）第10章定时/计数技术及接口方式5说明：第四十三页，共63页。6种工作方式的比较方式2（分频器）和方式3（方波发生器），这两种方式共同的特点是具有自动重加载功能（装入初值）。二者的区别在于：方式2在计数过程中输出高电平，而在每当减1至0时输出宽度为1个TCLK的负脉冲。方式3是在计数过程中，OUT的信号是占空比为1:1的方波或近似方波。

方式4（软件触发单脉冲）和方式5（硬件触发单脉冲）。这两种方式的OUT输出波形相同，两者的区别是计数启动的触发信号不同，前者由写初值启动计数，后者由GATE信号的上升沿启动计数）。方式0（门控单稳）和方式1（门控单稳），这两种方式的输出波形类似。第10章定时/计数技术及接口第四十四页，共63页。各种工作方式的输出波形第10章定时/计数技术及接口第四十五页，共63页。例：设8253的计数器0，工作在方式1，计数初值为2050；计数器1，工作在方式2，计数初值为3000；计数器2，工作在方式3，计数初值为1000。如果三个计数器的GATE都接高电平，三个计数器的CLK都接2MHz时钟信号，试画出OUT0、OUT1、OUT2的输出波形。第10章定时/计数技术及接口第四十六页，共63页。

举例分析：

①计数器0工作在方式1，即可编程的单脉冲方式。这种方式下，计数的启动必须由外部门控脉冲GATE控制。因为GATE接了高电平，当方式控制字写入后OUT0变高，计数器无法启动，所以OUT0输出高电平。②计数器1工作在方式2，即分频器的方式。输出波形的频率f=2MHz/3000=666.7Hz，其周期为1.5ms（1/666.7≈0.0015），输出负脉冲的宽度等于CLK的周期为0.5µs。(1/2000000=0.0000005)③计数器2工作在方式3，即方波发生器的方式。输出频率f=2MHz/1000=2000Hz的对称方波。即每个周期500µs。第10章定时/计数技术及接口第四十七页，共63页。三个OUT的输出波形如下：第10章定时/计数技术及接口第四十八页，共63页。

例10.3：IBM-PC/XT微机的某扩展板上使用一片8253，其端口地址为200H~203H。要求从定时器0的输出端OUT0得到500Hz的方波信号，从定时器1的输出端OUT1得到50Hz的连续单拍负脉冲信号。已知系统提供的计数脉冲频率为250KHz，其硬件连接见图10.10。试编写初始化此8253的程序段。

第10章定时/计数技术及接口§11.2.88253应用举例

第四十九页，共63页。图10.10例10.3硬件连接图第五十页，共63页。例10.3解：1．确定工作方式定时器0工作在方式3；定时器1工作在方式2。2．计算计数初值

计数初值=分频系数=fclk/fout

定时器0：

N0=fclk0/fout0=250000/500=500化为十六进制为01F4H。定时器1：N1=fclk1/fout1=500/50=10化成16进制为0AH。

第10章定时/计数技术及接口第五十一页，共63页。3．确定控制字定时器0：定时器1：

0

0

1

1

0

1

1

0

选定时器0选工作方式3二进制计数先写低8位后写高8位

第10章定时/计数技术及接口第五十二页，共63页。4．初始化程序段MOVDX，203H；写定时器0控制字MOVAL，36HOUTDX，ALMOVDX，200H；写定时器0计数初值低8位MOVAL，0F4HOUTDX，ALMOVAL，01H；写定时器0计数初值高8位OUTDX，ALMOVDX，203H；写定时器1控制字MOVAL，54HOUTDX，ALMOVDX，201H；写定时器1计数初值MOVAL，0AHOUTDX，AL第10章定时/计数技术及接口第五十三页，共63页。例10.4：某IBMPC/XT应用系统中，当某一外部事件发生时（给出一高电平信号），1秒钟后向主机申请中断。若用8253实现此延迟，试设计硬件连接图并对8253进行初始化。8253的端口地址为40H~43H。

第10章定时/计数技术及接口第五十四页，共63页。图10.11例10.4硬件连接图

第10章定时/计数技术及接口第五十五页，共63页。解：

1．确定工作方式若题目要求，OUT1输出的是连续方波，而OUT2端输出连续单拍负脉冲或高电平，则定时器1工作在方式3，定时器2必须工作在方式2或方式0。

2．计算计数初值

若8253的定时器工作在方式2或方式3，实际上相当于分频器，即OUT端的输出信号频率是由CLK端的信号频率经定时器分频得到的，而分频系数就是从计数初值开始减到1时所计得的时钟周期数。那么，计数初值N就是定时器的分频系数所对应的数字。也就是说，存在如下关系式：

计数初值=分频系数=fclk/fout第10章定时/计数技术及接口第五十六页，共63页。定时器1计数初值：

定时器2计数初值：

00000000分析：实现1秒定时，对应频率为1Hz。定时器分频系数=N2×N1=fclk0/fout0=1190000/1=1190000将分频系数分解到定时器1和定时器2。若选择十进制计数，可取N1=119，N2=1000000000000000000000001100100000001第10章定时/计数技术及接口第五十七页，共63页。3．确定控制字定时器1：控制字为77H

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