《微型计算机基本原理与应用》课件第12章 可编程定时、计数器及其应用

第12章

可编程定时器/计数器及其应用本章主要内容1.计算机中定时、计数的基本技术；2.可编程计数器/定时器8253的结构及工作方式；3.8253的编程应用。12.1概述实现定时的三种方法：1.软件定时

由CPU执行指令序列所花费的时间来构成一定的时间间隔，从而达到定时的目的。例如：

MOVCX,××××HHERE:LOOPHERE优点:不需要专门的硬件设备。缺点:浪费了宝贵的CPU资源。2.不可编程的硬件定时

时序波形

稳态

td触发信号

暂稳态单稳态电路3.可编程计数器/定时器可用软件的方法(通过初始化编程)设定或调整定时范围。典型产品：ZilogZ80-CTCIntel

8253(8254)12.2可编程计数器/定时器825312.2.18253的主要功能

(1)具有三个独立的16位计数通道；

(2)每个计数通道可按二进制或二－十进制计数；

(3)每个计数通道的计数速率可达2MHz；

(4)每个计数通道有六种工作方式；

(5)全部输入输出都与TTL电平兼容。12.2.28253的结构框图8253的内部结构框图如图12.1所示。由图可见，它由与CPU的接口、内部控制电路以及三个计数器通道所组成。数据总线缓冲器读/写逻辑控制字寄存器D7~D0计数器0计数器1计数器2RDWRA0A1CS内部总线CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2图12.18253内部结构框图1.数据总线缓冲器这是8253与CPU的数据总线(D7～D0)连接的8位双向三态缓冲器。

CPU用输入输出指令对8253进行读写操作时的所有信息都通过这个缓冲器传送。2.读/写逻辑

这是8253内部操作的控制电路，它从系统控制总线上接收输入信号，然后转换成8253内部操作的各种控制信号。3.控制字寄存器当地址信号A1和A0都为1时，访问控制字寄存器。控制字寄存器从数据总线上接收CPU送来的控制字，并由控制字的D7、D6两位的编码决定控制字写入哪个通道的控制寄存器中去。由寄存在每个通道内的控制寄存器的内容决定该通道的工作方式，选择计数器是按二进制还是BCD数计数，并确定每个计数器初值的写入顺序。4.计数器0、计数器1、计数器2这是三个计数器/定时器通道，每一个都由16位的可设置计数初值的减法计数器构成。三个通道的操作是完全独立的。每个通道都有两个输入引脚CLK和GATE以及一个输出引脚OUT。从编程的角度看，8253的结构框图如图12.2所示。

数据总线地址译码RDWRIO/MVCCGNDCLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2D7~D0RDWRCSA1A0控制寄存器（8位）高8位低8位高8位低8位计数器0高8位低8位计数初值寄存器（CR）计数执行部件（CE）输出锁存器（OL）计数器1计数器2图12.28253计数通道结构

“控制寄存器”及“计数初值寄存器(CR)”可由CPU写入；“输出锁存器(OL)”可由CPU读出。12.2.38253的引脚8253的引脚如图12.3所示。8253D7D6D5D4D3D2D1D0CLK0OUT0GATE0GND123456789101112242322212019181716151413VccWRRDCSA1A0CLK2GATE2OUT2CLK1GATE1OUT112.38253的引脚图12.2.48253的工作方式8253的每个通道均可以通过编程选择6种工作方式之一:1.方式0——计数到零产生中断请求

(InterruptonTerminalCount)方式0的操作时序图如图12.4所示。CLKGATE（高）01234CWN＝4WRN＋1个OUT图12.4方式0的时序图方式0的主要特点是：计数器只计一遍而不能自动重复工作。当减1计数到零时，并不自动恢复计数初值重新开始计数，且OUT输出保持为高电平。只有CPU再次写入一个新的计数值(即使计数值相同也需再次写入)，OUT才变为低电平，计数器按新写入的计数值重新开始计数。或者CPU重新对8253设置方式0控制字，它的OUT输出也可以立即变为低电平，并等再次写入计数初值后重新开始计数。(2)CPU向CR寄存器写入计数初值后的第一个CLK脉冲（即图中用斜线标出的那个脉冲），将CR的内容送入CE，从此之后计数器才开始减1计数。这第一个CLK脉冲不包括在减1计数过程中。如果设置计数初值为N，则输出OUT是在N+1个CLK脉冲之后才变为高电平。(3)在计数过程中，可由GATE信号控制暂停计数。当GATE变低时，计数暂停；当GATE变高后又接着计数。其工作波形如图12.5所示。CLKGATE12223N＝3CWWROUT图12.5方式0计数过程中改变GATE信号0(4)在计数过程中也可改变计数值。在写入新的计数值后，计数器将立即按新的计数值重新开始计数，即改变计数值是立即有效的。当按新的计数值减1计数到0时，输出OUT变为高电平。其工作波形如图12.6所示。CLKGATE（高）12123CWN＝3WROUT图12.6方式0计数过程中改变计数值0N＝22.方式1—硬件可重复触发的单稳态触发器

(Programmableone-shot)

方式1的时序图如图12.7所示。

CLKGATE图12.7方式1的时序图CWN＝2WR112OUT020在方式1，当CPU输出控制字后(WR的上升沿)，OUT输出变为高电平(若原为高电平，则保持为高电平)；在CPU写入计数初值后，计数器并不开始计数，直至门控信号GATE上升沿(即门控触发信号)出现，并在其下一个CLK脉冲的下降沿，CR的内容送入CE，同时使OUT输出变为低电平，然后开始对随后的CLK脉冲进行减1计数。

在计数过程中，OUT一直维持为低电平，直至减1计数到0时，OUT输出变为高电平。即由于GATE上升沿的触发，使OUT输出端产生一个宽度为N个CLK周期的负脉冲。此后，若再次由GATE上升沿触发，则输出再次产生一个同样宽度的负脉冲。方式1的主要特点是：(1)若设置计数初值为N，则输出负脉冲的宽度为N个CLK脉冲周期。(2)当计数到零时，可再次由GATE上升沿触发，输出同样宽度的负脉冲，而不必重新写入计数初值。(3)在计数过程中(输出负脉冲期间)，可由GATE上升沿再触发。并使计数器从计数初值开始重新作减1计数，减至0时，OUT输出变为高电平。其效果是使输出负脉冲的宽度比原来加宽了。(4)在计数过程中，CPU可改变计数初值，这时计数过程不受影响，计数到零后输出变高。当再次触发时，计数器才按新输入的计数值计数。即改变计数值是下次有效的。3.方式2——分频器(RateGenerator)在方式2，当CPU输出控制字后，OUT输出为高。在写入计数初值后，计数器将自动对输入时钟CLK计数。在计数过程中OUT输出为高，直至计数器减到1(注意，不是减到0)时，OUT输出变低，经过一个CLK周期，输出恢复为高，且计数器将自动重新开始计数。这种方式可作脉冲速率发生器或用来产生实时时钟中断信号。

方式2的时序图如图12.8所示。CLKGATE（高）23123CWN＝3WROUT图12.8方式2时序图13方式2的主要特点是：

(1)不用重新设置计数值，通道能连续工作，输出固定频率的脉冲。如果计数初值为N，则每输入N个CLK脉冲，输出一个负脉冲。负脉冲宽度为1个CLK周期，重复周期为N倍的CLK周期。(2)计数过程可由GATE信号控制。当GATE信号变低时，立即暂停现行计数；当GATE信号又变高后，从计数初值开始重新计数。(3)如果在计数过程中，CPU重新写入计数值，则对于正在进行的计数无影响，而是从下一个计数操作周期开始按新的计数值改变输出脉冲的频率。4.方式3——方波发生器

(SquareWaveRateGenerator)方式3和方式2的工作情况类似，两者的主要区别是输出波形的形式。对于方式3，OUT输出是对称方波或基本对称的矩形波。即在一个计数周期内，若计数初值N为偶数，则OUT输出将有N/2个CLK周期为高电平，N/2个CLK周期为低电平，输出为对称方波，其周期为N个CLK周期；若N为奇数，则OUT输出将有(N+1)/2个CLK周期为高电平，(N-1)/2个CLK周期为低电平，输出为基本对称的矩形波，其周期也为N个CLK周期。

在方式3，当CPU设置控制字后，输出将为高，在写完计数初值N后计数器就自动开始计数，输出保持为高。当计数到N/2(或(N+1)/2)时，输出变低，直至计数到0，使输出变高。同时又重新装入计数值开始新的计数。计数过程周而复始重复进行。这种方式常用来产生一定频率的方波。方式3的时序图如图12.9所示。

CWN＝4(N=5)GATE（高）24124OUT（N＝4时UT（N＝5时）图12.9方式3时序图WRCLK方式3的主要特点是：(1)若计数初值N为偶数，则输出波形是周期为N个CLK周期的对称方波；若计数初值N为奇数，则输出波形是周期为N个CLK周期的基本对称矩形波，其高电平持续时间比低电平持续时间多一个CLK周期。(2)如果在计数过程中，GATE信号变低，则暂停现行计数过程，直到GATE再次有效，将从计数初值开始重新计数。(3)如果要求改变输出方波的频率，则CPU可在任何时候重新写入新的计数初值，并从下一个计数操作周期开始改变输出方波的频率。5.方式4—软件触发选通

(SoftwareTriggeredStrobe)在方式4，当写入控制字后，OUT输出为高。当写入计数初值后计数器即开始计数(相当于软件触发启动)，当计数到0后，输出变低，经过1个CLK周期，输出又变高。方式4不能自动重复计数，即这种方式计数是一次性的。每次启动计数都要靠重新写入计数值，所以称为“软件触发选通”。当8253工作于方式4时，可用作软件触发的选通信号发生器。方式4的时序图如图12.10所示。GATE（高）CLKWRCWN＝30123OUT图12.10方式4时序图方式4的主要特点是：

(1)若设置计数初值为N，则在写入计数初值后的N+1个CLK脉冲，才输出一个负脉冲。负脉冲的宽度为1个CLK周期。(2)GATE为高时，允许计数；GATE为低时，禁止计数。所以，要实现软件启动，GATE应为高。(3)若在计数过程中改变计数值，则按新的计数值重新开始计数，即改变计数值是立即有效的。方式4可应用于这样一种情况：

CPU经输出端口发送并行数据给接收系统，经过一段时间延迟后，再发送一个选通信号，利用该选通信号将并行数据打入到接收系统的缓冲寄存器中。通过改变计数初值N,可以方便地调整发出选通信号的延迟时间。6.方式5——硬件触发选通

(HardwareTriggeredStrobe)

在方式5，设置了控制字后，输出为高。在设置了计数初值后，计数器并不立即开始计数，而是由门控信号GATE的上升沿触发启动。当计数到0时，输出变低，经过一个CLK周期，输出恢复为高，并停止计数。要等到下次门控GATE信号的触发才能再计数，即方式5的计数是一次性的。方式5的时序图如图12.11所示。

CLKGATE0123CWN＝3WROUT图12.11方式5时序图方式5的主要特点是：(1)若设置计数初值为N，则在门控GATE上升沿触发后，经过N+1个CLK脉冲，才输出一个负脉冲。(2)若在计数过程中再次出现门控GATE触发信号，则将使计数器从计数初值开始重新计数，但OUT输出的高电平不受影响。(3)若在计数过程中改变计数值，只要在计数到0之前不出现新的门控触发信号，则原计数过程不受影响；等计数到0并出现新的门控发信号后，再按新的计数值计数。若在写入了新的计数值后，在未计数到0之前有门控触发信号出现，则立即按新的计数值重新开始计数。7.8253工作方式小结

(1)方式2(分频器)、方式4(软件触发选通)和方式5(硬件触发选通)，它们的输出波形相同，都是宽度为1个CLK周期的负脉冲。

区别是，方式2是自动重复工作的，而方式4需由软件(设置计数值)触发启动，方式5需由门控GATE信号触发启动。

(2)方式5(硬件触发选通)与方式1(硬件触发单稳)，触发信号相同，但输出波形不同.方式1输出为宽度是N个CLK周期的负脉冲(计数过程中输出为低);方式5输出为宽度是1个CLK周期的负脉冲(计数过程中输出为高)。(3)在6种工作方式中，只有方式0，在写入控制字后输出为低；

其余5种方式，都是在写入控制字后输出为高。(4)6种工作方式中的任一种方式，只有在写入计数初值后才能开始计数。方式0、2、3、4都是写入计数初值后，计数过程就开始了。方式1、5在写入计数初值后，需由外部GATE信号的触发启动，才能开始计数过程。(5)6种工作方式中，只有方式2(分频器)和方式3(方波发生器)为自动重复工作方式，其他4种方式都是一次性计数，要继续工作需要重新启动。12.2.58253的初始化编程1.内部寄存器的寻址8253有三个独立的计数器通道，每个通道可以被CPU访问的部件有：

8位的控制寄存器，它只能写入,不能读出；

16位的计数初值寄存器CR,它只能写入,不能读出；

16位的输出锁存器OL,它只能读出,不能写入。

8253芯片是否被选中，决定于片选信号CS,通常CS接自地址译码器输出。

一片8253占用四个连续的端口地址，分别对应于三个计数初值寄存器端口和一个控制寄存器端口。由输入信号A1和A0的四种编码来选择四个端口之一。每个通道都各自有独立的控制寄存器，但三个通道的控制寄存器都共用一个端口地址，即A1和A0都为1时的端口地址。它是三个通道共同使用的控制寄存器端口地址。

为了能够将每个通道的控制字写入它们各自的控制寄存器中，使用控制字的D7和D6的编码，来标志此控制字是写入哪个通道的控制寄存器中。

8253内部寄存器的寻址如表12-1所示。表12-18253内部寄存器的寻址

CSRDWRA1A0寄存器选择和操作

01000写通道0计数初值寄存器CR001001写通道1计数初值寄存器CR101010写通道2计数初值寄存器CR201011写控制寄存器

00100读通道0输出锁存器OL000101读通道1输出锁存器OL100110读通道2输出锁存器OL22.初始化编程顺序注意：必须按控制字D5,D4位规定的格式进行写入。

设置控制字写入计数初值3.8253的控制字SC1SC0RL1RL0M2M1M0BCD00通道001通道102通道211无效通道选择：00计数器锁存命令01只读/写计数器低8位10只读/写计数器高8位11先读/写计数器低8位

后读/写计数器高8位读/写格式：计数制：0二进制计数1十进制计数工作方式：000方式0001方式1x10方式2x11方式3100方式4101方式5图12.128253控制字格式需要说明的是：

当采用二进制计数时，如果是8位二进制计数（计数值≤256），则在8253初始化编程的传送指令“MOVAL,n”中，n可以写成任何进制数（二进制、十进制或十六进制）的形式；如果是16位二进制计数（计数值≤65536），一种方法是先把计算得到的十进制计数初值n转换成4位十六进制数（即16位二进制），然后分两次写入8253的指定端口。

另一种方法是先把该十进制计数初值n直接传送给AX，然后分两次写入8253指定端口，即：

MOVAX,nOUTPORT,AL；先写低8位（PORT为端口号）

MOVAL,AHOUTPORT,AL；后写高8位当采用十进制（BCD码）计数时，必须在8253初始化编程中把计算得到的十进制计数初值n加上后缀H,以便在相应的传送指令执行后能够在AL(或AX)中得到十进制数n的BCD码表示形式。

例如n=50，则应按如下方式写入：

MOVAL,50H

OUTPORT,AL

如果n=1250，则需分两次写入，即：

MOVAL,50H

OUTPORT,AL；先写低8位

MOVAL,12H

OUTPORT,AL；后写高8位

也可按如下方法两次写入：

MOVAX,1250HOUTPORT,AL；先写低8位

MOVAL,AHOUTPORT,AL；

后写高8位4.初始化编程举例例12.1

若用8253的计数通道1，工作在方式0，按8位二进制计数，计数初值为128，则初始化编程如下：

(1)确定通道控制字-------50H

(2)8位计数初值-----------80H

设8253的端口地址为48H～4BH，则初始化程序段为：

MOVAL，50HOUT4BH，AL;设置通道1控制字

MOVAL，80HOUT49H，AL;写通道1计数初值，只写低8位

例12.2

若用通道0，工作在方式1，按十进制（BCD码）计数，计数初值为2010，则初始化编程如下：

(1)确定通道控制字------33H(2)计数初值低8位为10，高8位为20。若8253的端口地址同例1，则初始化程序段为：

MOVAL，33HOUT4BH，AL；设置通道0控制字

MOVAL，10H

OUT48H，AL；写通道0计数初值低8位

MOVAL，20HOUT48H，AL；写通道0计数初值高8位12.2.68253的读出操作

1.读之前先暂停计数

2.读之前先发锁存命令12.38253的应用例12.4

8253用作脉冲信号发生器。

可用8253产生如图12.14(a)所示的周期性脉冲信号，其重复周期为5μs，脉冲宽度为1μs。设CLK信号频率为2MHz。图12.148253用作脉冲信号发生器MOVAL，00010010B；设置计数器0为方式1(单稳)，只写低8

位，二进制计数OUT86H，ALMOVAL，02H；设置计数器0的计数初值为2OUT80HALMOVAL，01010100B；设置计数器1为方式2(分频器)，只写低

8位，二进制计数OUT86H，ALMOVAL，0AH；设置计数器1的计数初值为10OUT82H，AL例12.3

用8253实现生产流水线上的工件计数，每通过100个工件，扬声器便发出频率为1000Hz的音响信号，持续时间为5秒。设外部时钟频率为2MHZ。INTR（中断请求）＋5V时钟2MHz8255APA0GATE1CLK1GATE0OUT08253CLK0O