《微型計算機基本原理與應(yīng)用》課件第12章 可編程定時、計數(shù)器及其應(yīng)用

第12章

可編程定時器/計數(shù)器及其應(yīng)用本章主要內(nèi)容1.計算機中定時、計數(shù)的基本技術(shù)；2.可編程計數(shù)器/定時器8253的結(jié)構(gòu)及工作方式；3.8253的編程應(yīng)用。12.1概述實現(xiàn)定時的三種方法：1.軟件定時

由CPU執(zhí)行指令序列所花費的時間來構(gòu)成一定的時間間隔，從而達到定時的目的。例如：

MOVCX,××××HHERE:LOOPHERE優(yōu)點:不需要專門的硬件設(shè)備。缺點:浪費了寶貴的CPU資源。2.不可編程的硬件定時

時序波形

穩(wěn)態(tài)

td觸發(fā)信號

暫穩(wěn)態(tài)單穩(wěn)態(tài)電路3.可編程計數(shù)器/定時器可用軟件的方法(通過初始化編程)設(shè)定或調(diào)整定時范圍。典型產(chǎn)品：ZilogZ80-CTCIntel

8253(8254)12.2可編程計數(shù)器/定時器825312.2.18253的主要功能

(1)具有三個獨立的16位計數(shù)通道；

(2)每個計數(shù)通道可按二進制或二－十進制計數(shù)；

(3)每個計數(shù)通道的計數(shù)速率可達2MHz；

(4)每個計數(shù)通道有六種工作方式；

(5)全部輸入輸出都與TTL電平兼容。12.2.28253的結(jié)構(gòu)框圖8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖12.1所示。由圖可見，它由與CPU的接口、內(nèi)部控制電路以及三個計數(shù)器通道所組成。數(shù)據(jù)總線緩沖器讀/寫邏輯控制字寄存器D7~D0計數(shù)器0計數(shù)器1計數(shù)器2RDWRA0A1CS內(nèi)部總線CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2圖12.18253內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖1.數(shù)據(jù)總線緩沖器這是8253與CPU的數(shù)據(jù)總線(D7～D0)連接的8位雙向三態(tài)緩沖器。

CPU用輸入輸出指令對8253進行讀寫操作時的所有信息都通過這個緩沖器傳送。2.讀/寫邏輯

這是8253內(nèi)部操作的控制電路，它從系統(tǒng)控制總線上接收輸入信號，然后轉(zhuǎn)換成8253內(nèi)部操作的各種控制信號。3.控制字寄存器當?shù)刂沸盘朅1和A0都為1時，訪問控制字寄存器。控制字寄存器從數(shù)據(jù)總線上接收CPU送來的控制字，并由控制字的D7、D6兩位的編碼決定控制字寫入哪個通道的控制寄存器中去。由寄存在每個通道內(nèi)的控制寄存器的內(nèi)容決定該通道的工作方式，選擇計數(shù)器是按二進制還是BCD數(shù)計數(shù)，并確定每個計數(shù)器初值的寫入順序。4.計數(shù)器0、計數(shù)器1、計數(shù)器2這是三個計數(shù)器/定時器通道，每一個都由16位的可設(shè)置計數(shù)初值的減法計數(shù)器構(gòu)成。三個通道的操作是完全獨立的。每個通道都有兩個輸入引腳CLK和GATE以及一個輸出引腳OUT。從編程的角度看，8253的結(jié)構(gòu)框圖如圖12.2所示。

數(shù)據(jù)總線地址譯碼RDWRIO/MVCCGNDCLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2D7~D0RDWRCSA1A0控制寄存器（8位）高8位低8位高8位低8位計數(shù)器0高8位低8位計數(shù)初值寄存器（CR）計數(shù)執(zhí)行部件（CE）輸出鎖存器（OL）計數(shù)器1計數(shù)器2圖12.28253計數(shù)通道結(jié)構(gòu)

“控制寄存器”及“計數(shù)初值寄存器(CR)”可由CPU寫入；“輸出鎖存器(OL)”可由CPU讀出。12.2.38253的引腳8253的引腳如圖12.3所示。8253D7D6D5D4D3D2D1D0CLK0OUT0GATE0GND123456789101112242322212019181716151413VccWRRDCSA1A0CLK2GATE2OUT2CLK1GATE1OUT112.38253的引腳圖12.2.48253的工作方式8253的每個通道均可以通過編程選擇6種工作方式之一:1.方式0——計數(shù)到零產(chǎn)生中斷請求

(InterruptonTerminalCount)方式0的操作時序圖如圖12.4所示。CLKGATE（高）01234CWN＝4WRN＋1個OUT圖12.4方式0的時序圖方式0的主要特點是：計數(shù)器只計一遍而不能自動重復(fù)工作。當減1計數(shù)到零時，并不自動恢復(fù)計數(shù)初值重新開始計數(shù)，且OUT輸出保持為高電平。只有CPU再次寫入一個新的計數(shù)值(即使計數(shù)值相同也需再次寫入)，OUT才變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器按新寫入的計數(shù)值重新開始計數(shù)?；蛘逤PU重新對8253設(shè)置方式0控制字，它的OUT輸出也可以立即變?yōu)榈碗娖?，并等再次寫入計?shù)初值后重新開始計數(shù)。(2)CPU向CR寄存器寫入計數(shù)初值后的第一個CLK脈沖（即圖中用斜線標出的那個脈沖），將CR的內(nèi)容送入CE，從此之后計數(shù)器才開始減1計數(shù)。這第一個CLK脈沖不包括在減1計數(shù)過程中。如果設(shè)置計數(shù)初值為N，則輸出OUT是在N+1個CLK脈沖之后才變?yōu)楦唠娖健?3)在計數(shù)過程中，可由GATE信號控制暫停計數(shù)。當GATE變低時，計數(shù)暫停；當GATE變高后又接著計數(shù)。其工作波形如圖12.5所示。CLKGATE12223N＝3CWWROUT圖12.5方式0計數(shù)過程中改變GATE信號0(4)在計數(shù)過程中也可改變計數(shù)值。在寫入新的計數(shù)值后，計數(shù)器將立即按新的計數(shù)值重新開始計數(shù)，即改變計數(shù)值是立即有效的。當按新的計數(shù)值減1計數(shù)到0時，輸出OUT變?yōu)楦唠娖?。其工作波形如圖12.6所示。CLKGATE（高）12123CWN＝3WROUT圖12.6方式0計數(shù)過程中改變計數(shù)值0N＝22.方式1—硬件可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

(Programmableone-shot)

方式1的時序圖如圖12.7所示。

CLKGATE圖12.7方式1的時序圖CWN＝2WR112OUT020在方式1，當CPU輸出控制字后(WR的上升沿)，OUT輸出變?yōu)楦唠娖?若原為高電平，則保持為高電平)；在CPU寫入計數(shù)初值后，計數(shù)器并不開始計數(shù)，直至門控信號GATE上升沿(即門控觸發(fā)信號)出現(xiàn)，并在其下一個CLK脈沖的下降沿，CR的內(nèi)容送入CE，同時使OUT輸出變?yōu)榈碗娖剑缓箝_始對隨后的CLK脈沖進行減1計數(shù)。

在計數(shù)過程中，OUT一直維持為低電平，直至減1計數(shù)到0時，OUT輸出變?yōu)楦唠娖?。即由于GATE上升沿的觸發(fā)，使OUT輸出端產(chǎn)生一個寬度為N個CLK周期的負脈沖。此后，若再次由GATE上升沿觸發(fā)，則輸出再次產(chǎn)生一個同樣寬度的負脈沖。方式1的主要特點是：(1)若設(shè)置計數(shù)初值為N，則輸出負脈沖的寬度為N個CLK脈沖周期。(2)當計數(shù)到零時，可再次由GATE上升沿觸發(fā)，輸出同樣寬度的負脈沖，而不必重新寫入計數(shù)初值。(3)在計數(shù)過程中(輸出負脈沖期間)，可由GATE上升沿再觸發(fā)。并使計數(shù)器從計數(shù)初值開始重新作減1計數(shù)，減至0時，OUT輸出變?yōu)楦唠娖?。其效果是使輸出負脈沖的寬度比原來加寬了。(4)在計數(shù)過程中，CPU可改變計數(shù)初值，這時計數(shù)過程不受影響，計數(shù)到零后輸出變高。當再次觸發(fā)時，計數(shù)器才按新輸入的計數(shù)值計數(shù)。即改變計數(shù)值是下次有效的。3.方式2——分頻器(RateGenerator)在方式2，當CPU輸出控制字后，OUT輸出為高。在寫入計數(shù)初值后，計數(shù)器將自動對輸入時鐘CLK計數(shù)。在計數(shù)過程中OUT輸出為高，直至計數(shù)器減到1(注意，不是減到0)時，OUT輸出變低，經(jīng)過一個CLK周期，輸出恢復(fù)為高，且計數(shù)器將自動重新開始計數(shù)。這種方式可作脈沖速率發(fā)生器或用來產(chǎn)生實時時鐘中斷信號。

方式2的時序圖如圖12.8所示。CLKGATE（高）23123CWN＝3WROUT圖12.8方式2時序圖13方式2的主要特點是：

(1)不用重新設(shè)置計數(shù)值，通道能連續(xù)工作，輸出固定頻率的脈沖。如果計數(shù)初值為N，則每輸入N個CLK脈沖，輸出一個負脈沖。負脈沖寬度為1個CLK周期，重復(fù)周期為N倍的CLK周期。(2)計數(shù)過程可由GATE信號控制。當GATE信號變低時，立即暫?，F(xiàn)行計數(shù)；當GATE信號又變高后，從計數(shù)初值開始重新計數(shù)。(3)如果在計數(shù)過程中，CPU重新寫入計數(shù)值，則對于正在進行的計數(shù)無影響，而是從下一個計數(shù)操作周期開始按新的計數(shù)值改變輸出脈沖的頻率。4.方式3——方波發(fā)生器

(SquareWaveRateGenerator)方式3和方式2的工作情況類似，兩者的主要區(qū)別是輸出波形的形式。對于方式3，OUT輸出是對稱方波或基本對稱的矩形波。即在一個計數(shù)周期內(nèi)，若計數(shù)初值N為偶數(shù)，則OUT輸出將有N/2個CLK周期為高電平，N/2個CLK周期為低電平，輸出為對稱方波，其周期為N個CLK周期；若N為奇數(shù)，則OUT輸出將有(N+1)/2個CLK周期為高電平，(N-1)/2個CLK周期為低電平，輸出為基本對稱的矩形波，其周期也為N個CLK周期。

在方式3，當CPU設(shè)置控制字后，輸出將為高，在寫完計數(shù)初值N后計數(shù)器就自動開始計數(shù)，輸出保持為高。當計數(shù)到N/2(或(N+1)/2)時，輸出變低，直至計數(shù)到0，使輸出變高。同時又重新裝入計數(shù)值開始新的計數(shù)。計數(shù)過程周而復(fù)始重復(fù)進行。這種方式常用來產(chǎn)生一定頻率的方波。方式3的時序圖如圖12.9所示。

CWN＝4(N=5)GATE（高）24124OUT（N＝4時UT（N＝5時）圖12.9方式3時序圖WRCLK方式3的主要特點是：(1)若計數(shù)初值N為偶數(shù)，則輸出波形是周期為N個CLK周期的對稱方波；若計數(shù)初值N為奇數(shù)，則輸出波形是周期為N個CLK周期的基本對稱矩形波，其高電平持續(xù)時間比低電平持續(xù)時間多一個CLK周期。(2)如果在計數(shù)過程中，GATE信號變低，則暫?，F(xiàn)行計數(shù)過程，直到GATE再次有效，將從計數(shù)初值開始重新計數(shù)。(3)如果要求改變輸出方波的頻率，則CPU可在任何時候重新寫入新的計數(shù)初值，并從下一個計數(shù)操作周期開始改變輸出方波的頻率。5.方式4—軟件觸發(fā)選通

(SoftwareTriggeredStrobe)在方式4，當寫入控制字后，OUT輸出為高。當寫入計數(shù)初值后計數(shù)器即開始計數(shù)(相當于軟件觸發(fā)啟動)，當計數(shù)到0后，輸出變低，經(jīng)過1個CLK周期，輸出又變高。方式4不能自動重復(fù)計數(shù)，即這種方式計數(shù)是一次性的。每次啟動計數(shù)都要靠重新寫入計數(shù)值，所以稱為“軟件觸發(fā)選通”。當8253工作于方式4時，可用作軟件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器。方式4的時序圖如圖12.10所示。GATE（高）CLKWRCWN＝30123OUT圖12.10方式4時序圖方式4的主要特點是：

(1)若設(shè)置計數(shù)初值為N，則在寫入計數(shù)初值后的N+1個CLK脈沖，才輸出一個負脈沖。負脈沖的寬度為1個CLK周期。(2)GATE為高時，允許計數(shù)；GATE為低時，禁止計數(shù)。所以，要實現(xiàn)軟件啟動，GATE應(yīng)為高。(3)若在計數(shù)過程中改變計數(shù)值，則按新的計數(shù)值重新開始計數(shù)，即改變計數(shù)值是立即有效的。方式4可應(yīng)用于這樣一種情況：

CPU經(jīng)輸出端口發(fā)送并行數(shù)據(jù)給接收系統(tǒng)，經(jīng)過一段時間延遲后，再發(fā)送一個選通信號，利用該選通信號將并行數(shù)據(jù)打入到接收系統(tǒng)的緩沖寄存器中。通過改變計數(shù)初值N,可以方便地調(diào)整發(fā)出選通信號的延遲時間。6.方式5——硬件觸發(fā)選通

(HardwareTriggeredStrobe)

在方式5，設(shè)置了控制字后，輸出為高。在設(shè)置了計數(shù)初值后，計數(shù)器并不立即開始計數(shù)，而是由門控信號GATE的上升沿觸發(fā)啟動。當計數(shù)到0時，輸出變低，經(jīng)過一個CLK周期，輸出恢復(fù)為高，并停止計數(shù)。要等到下次門控GATE信號的觸發(fā)才能再計數(shù)，即方式5的計數(shù)是一次性的。方式5的時序圖如圖12.11所示。

CLKGATE0123CWN＝3WROUT圖12.11方式5時序圖方式5的主要特點是：(1)若設(shè)置計數(shù)初值為N，則在門控GATE上升沿觸發(fā)后，經(jīng)過N+1個CLK脈沖，才輸出一個負脈沖。(2)若在計數(shù)過程中再次出現(xiàn)門控GATE觸發(fā)信號，則將使計數(shù)器從計數(shù)初值開始重新計數(shù)，但OUT輸出的高電平不受影響。(3)若在計數(shù)過程中改變計數(shù)值，只要在計數(shù)到0之前不出現(xiàn)新的門控觸發(fā)信號，則原計數(shù)過程不受影響；等計數(shù)到0并出現(xiàn)新的門控發(fā)信號后，再按新的計數(shù)值計數(shù)。若在寫入了新的計數(shù)值后，在未計數(shù)到0之前有門控觸發(fā)信號出現(xiàn)，則立即按新的計數(shù)值重新開始計數(shù)。7.8253工作方式小結(jié)

(1)方式2(分頻器)、方式4(軟件觸發(fā)選通)和方式5(硬件觸發(fā)選通)，它們的輸出波形相同，都是寬度為1個CLK周期的負脈沖。

區(qū)別是，方式2是自動重復(fù)工作的，而方式4需由軟件(設(shè)置計數(shù)值)觸發(fā)啟動，方式5需由門控GATE信號觸發(fā)啟動。

(2)方式5(硬件觸發(fā)選通)與方式1(硬件觸發(fā)單穩(wěn))，觸發(fā)信號相同，但輸出波形不同.方式1輸出為寬度是N個CLK周期的負脈沖(計數(shù)過程中輸出為低);方式5輸出為寬度是1個CLK周期的負脈沖(計數(shù)過程中輸出為高)。(3)在6種工作方式中，只有方式0，在寫入控制字后輸出為低；

其余5種方式，都是在寫入控制字后輸出為高。(4)6種工作方式中的任一種方式，只有在寫入計數(shù)初值后才能開始計數(shù)。方式0、2、3、4都是寫入計數(shù)初值后，計數(shù)過程就開始了。方式1、5在寫入計數(shù)初值后，需由外部GATE信號的觸發(fā)啟動，才能開始計數(shù)過程。(5)6種工作方式中，只有方式2(分頻器)和方式3(方波發(fā)生器)為自動重復(fù)工作方式，其他4種方式都是一次性計數(shù)，要繼續(xù)工作需要重新啟動。12.2.58253的初始化編程1.內(nèi)部寄存器的尋址8253有三個獨立的計數(shù)器通道，每個通道可以被CPU訪問的部件有：

8位的控制寄存器，它只能寫入,不能讀出；

16位的計數(shù)初值寄存器CR,它只能寫入,不能讀出；

16位的輸出鎖存器OL,它只能讀出,不能寫入。

8253芯片是否被選中，決定于片選信號CS,通常CS接自地址譯碼器輸出。

一片8253占用四個連續(xù)的端口地址，分別對應(yīng)于三個計數(shù)初值寄存器端口和一個控制寄存器端口。由輸入信號A1和A0的四種編碼來選擇四個端口之一。每個通道都各自有獨立的控制寄存器，但三個通道的控制寄存器都共用一個端口地址，即A1和A0都為1時的端口地址。它是三個通道共同使用的控制寄存器端口地址。

為了能夠?qū)⒚總€通道的控制字寫入它們各自的控制寄存器中，使用控制字的D7和D6的編碼，來標志此控制字是寫入哪個通道的控制寄存器中。

8253內(nèi)部寄存器的尋址如表12-1所示。表12-18253內(nèi)部寄存器的尋址

CSRDWRA1A0寄存器選擇和操作

01000寫通道0計數(shù)初值寄存器CR001001寫通道1計數(shù)初值寄存器CR101010寫通道2計數(shù)初值寄存器CR201011寫控制寄存器

00100讀通道0輸出鎖存器OL000101讀通道1輸出鎖存器OL100110讀通道2輸出鎖存器OL22.初始化編程順序注意：必須按控制字D5,D4位規(guī)定的格式進行寫入。

設(shè)置控制字寫入計數(shù)初值3.8253的控制字SC1SC0RL1RL0M2M1M0BCD00通道001通道102通道211無效通道選擇：00計數(shù)器鎖存命令01只讀/寫計數(shù)器低8位10只讀/寫計數(shù)器高8位11先讀/寫計數(shù)器低8位

后讀/寫計數(shù)器高8位讀/寫格式：計數(shù)制：0二進制計數(shù)1十進制計數(shù)工作方式：000方式0001方式1x10方式2x11方式3100方式4101方式5圖12.128253控制字格式需要說明的是：

當采用二進制計數(shù)時，如果是8位二進制計數(shù)（計數(shù)值≤256），則在8253初始化編程的傳送指令“MOVAL,n”中，n可以寫成任何進制數(shù)（二進制、十進制或十六進制）的形式；如果是16位二進制計數(shù)（計數(shù)值≤65536），一種方法是先把計算得到的十進制計數(shù)初值n轉(zhuǎn)換成4位十六進制數(shù)（即16位二進制），然后分兩次寫入8253的指定端口。

另一種方法是先把該十進制計數(shù)初值n直接傳送給AX，然后分兩次寫入8253指定端口，即：

MOVAX,nOUTPORT,AL；先寫低8位（PORT為端口號）

MOVAL,AHOUTPORT,AL；后寫高8位當采用十進制（BCD碼）計數(shù)時，必須在8253初始化編程中把計算得到的十進制計數(shù)初值n加上后綴H,以便在相應(yīng)的傳送指令執(zhí)行后能夠在AL(或AX)中得到十進制數(shù)n的BCD碼表示形式。

例如n=50，則應(yīng)按如下方式寫入：

MOVAL,50H

OUTPORT,AL

如果n=1250，則需分兩次寫入，即：

MOVAL,50H

OUTPORT,AL；先寫低8位

MOVAL,12H

OUTPORT,AL；后寫高8位

也可按如下方法兩次寫入：

MOVAX,1250HOUTPORT,AL；先寫低8位

MOVAL,AHOUTPORT,AL；

后寫高8位4.初始化編程舉例例12.1

若用8253的計數(shù)通道1，工作在方式0，按8位二進制計數(shù)，計數(shù)初值為128，則初始化編程如下：

(1)確定通道控制字-------50H

(2)8位計數(shù)初值-----------80H

設(shè)8253的端口地址為48H～4BH，則初始化程序段為：

MOVAL，50HOUT4BH，AL;設(shè)置通道1控制字

MOVAL，80HOUT49H，AL;寫通道1計數(shù)初值，只寫低8位

例12.2

若用通道0，工作在方式1，按十進制（BCD碼）計數(shù)，計數(shù)初值為2010，則初始化編程如下：

(1)確定通道控制字------33H(2)計數(shù)初值低8位為10，高8位為20。若8253的端口地址同例1，則初始化程序段為：

MOVAL，33HOUT4BH，AL；設(shè)置通道0控制字

MOVAL，10H

OUT48H，AL；寫通道0計數(shù)初值低8位

MOVAL，20HOUT48H，AL；寫通道0計數(shù)初值高8位12.2.68253的讀出操作

1.讀之前先暫停計數(shù)

2.讀之前先發(fā)鎖存命令12.38253的應(yīng)用例12.4

8253用作脈沖信號發(fā)生器。

可用8253產(chǎn)生如圖12.14(a)所示的周期性脈沖信號，其重復(fù)周期為5μs，脈沖寬度為1μs。設(shè)CLK信號頻率為2MHz。圖12.148253用作脈沖信號發(fā)生器MOVAL，00010010B；設(shè)置計數(shù)器0為方式1(單穩(wěn))，只寫低8

位，二進制計數(shù)OUT86H，ALMOVAL，02H；設(shè)置計數(shù)器0的計數(shù)初值為2OUT80HALMOVAL，01010100B；設(shè)置計數(shù)器1為方式2(分頻器)，只寫低

8位，二進制計數(shù)OUT86H，ALMOVAL，0AH；設(shè)置計數(shù)器1的計數(shù)初值為10OUT82H，AL例12.3

用8253實現(xiàn)生產(chǎn)流水線上的工件計數(shù)，每通過100個工件，揚聲器便發(fā)出頻率為1000Hz的音響信號，持續(xù)時間為5秒。設(shè)外部時鐘頻率為2MHZ。INTR（中斷請求）＋5V時鐘2MHz8255APA0GATE1CLK1GATE0OUT08253CLK0O