第10章定時(shí)計(jì)數(shù)器8253

1、第十章 定時(shí)計(jì)數(shù)器8253/8254基本內(nèi)容：8253/8254的功能、編程結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握8253/8254的外部接線(xiàn)、編程和使用方法?；疽螅毫私?253/8254的編程結(jié)構(gòu)、工作原理及模式；掌握8253/8254的編程應(yīng)用。重點(diǎn)內(nèi)容：8253/8254的編程結(jié)構(gòu)、工作原理及模式和編程應(yīng)用。難點(diǎn)內(nèi)容：8253/8254的編程結(jié)構(gòu)和工作模式?？删幊炭刂平涌谛酒膶W(xué)習(xí)要點(diǎn)：（1）不強(qiáng)調(diào)對(duì)接口芯片內(nèi)部電路原理的具體分析；（2）側(cè)重掌握接口芯片的外特性。主要引腳的名稱(chēng)及定義；內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖及功能描述；控制字、狀態(tài)字的組成及定義；工作方式的定義。第一節(jié) 概述一、定時(shí)信號(hào)的獲得定時(shí)/計(jì)數(shù)技術(shù)用

2、于構(gòu)建微機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)子系統(tǒng)。所謂定時(shí)（計(jì)數(shù)）就是通過(guò)硬件或軟件的方法產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的定時(shí)或延時(shí)控制。定時(shí)有三種主要方法：軟件定時(shí)、純硬件定時(shí)及可編程的硬件定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。（1）軟件定時(shí)使用延遲子程序由于執(zhí)行每條指令都需要時(shí)間，則執(zhí)行一個(gè)程序段就需要一個(gè)固定的時(shí)間，通過(guò)適當(dāng)?shù)靥暨x指令和安排循環(huán)次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件的定時(shí)。該方法要求完全占用CPU的時(shí)間，因而降低了CPU的利用率。（2）純硬件定時(shí)采用固定的電路，如可以采用小規(guī)模集成電路555，外接電阻和電容構(gòu)成單穩(wěn)延時(shí)電路。這樣的定時(shí)電路簡(jiǎn)單，而且通過(guò)改變電阻和電容，可以使定時(shí)在一定的范圍內(nèi)調(diào)整。但它由純硬件來(lái)完成，給使用帶來(lái)不便。（

3、3）可編程硬件定時(shí)器/計(jì)數(shù)器這是目前在控制系統(tǒng)中廣泛使用的方法，它通過(guò)編程來(lái)控制電路的定時(shí)值及定時(shí)范圍，功能強(qiáng)，使用靈活。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，象定時(shí)中斷、定時(shí)檢測(cè)、定時(shí)掃描等等都是用可編程定時(shí)器來(lái)完成定時(shí)控制的。Intel 8253/8254就是常用的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。8253最高工作頻率2.6MHz，8254最高工作頻率為10MHz。計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的用處： 作為中斷信號(hào) 輸出精確的定時(shí)信號(hào) 作為波特率發(fā)生器 實(shí)現(xiàn)延遲二、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的工作原理計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的基本原理圖計(jì)數(shù)器/定時(shí)器可以有下面幾種工作模式： 計(jì)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)生器選通信號(hào)發(fā)生器第二節(jié) 可

4、編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253一、8253的編程結(jié)構(gòu)3個(gè)計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器內(nèi)部有：8位的控制寄存器16位的計(jì)數(shù)初值寄存器計(jì)數(shù)執(zhí)行部件輸出鎖存器8253的編程結(jié)構(gòu) 二、8253的工作原理8253的工作原理圖1、計(jì)數(shù)器0，計(jì)數(shù)器1，計(jì)數(shù)器2 計(jì)數(shù)器0、計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2是三個(gè)完全獨(dú)立、結(jié)構(gòu)相同的計(jì)數(shù)器，每一個(gè)計(jì)數(shù)器都是由一個(gè)16位的可預(yù)置的減法計(jì)數(shù)器構(gòu)成。每一個(gè)計(jì)數(shù)器都有CLK、GATE、OUT三個(gè)引腳。每一個(gè)計(jì)數(shù)器都是由一個(gè)16位的可預(yù)置的減法計(jì)數(shù)器構(gòu)成，計(jì)數(shù)器的初值n 由程序預(yù)置。 CLK： 計(jì)數(shù)脈沖輸入端。每進(jìn)入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值就減1。 OUT： 脈沖輸出端。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值減到“0”時(shí)，就

5、從OUT端輸出一個(gè)信號(hào)，輸出信號(hào)的波形取決于工作方式。 則： 定時(shí)時(shí)間 = 時(shí)鐘周期 (T) × 預(yù)置的計(jì)數(shù)器初值( n ) GATE： 門(mén)控信號(hào)端，當(dāng)GATE為低電平時(shí)，禁止計(jì)數(shù)器工作；當(dāng) GATE為高電平時(shí)，才允許計(jì)數(shù)器工作。2、數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器 功能：往計(jì)數(shù)器設(shè)置初值從計(jì)數(shù)器讀取計(jì)數(shù)值往控制寄存器設(shè)置控制字 3、讀寫(xiě)邏輯電路 A1、A0 對(duì)計(jì)數(shù)器和控制寄存器尋址，A1、A0為： 00-計(jì)數(shù)器 0， 01-計(jì)數(shù)器1， 10-計(jì)數(shù)器2， 11-控制器 RD 讀信號(hào)，讀取選中計(jì)數(shù)器的內(nèi)容（計(jì)數(shù)值） WR 寫(xiě)信號(hào)，向選中的計(jì)數(shù)器寫(xiě)入計(jì)數(shù)初值，或向選中控制器寫(xiě)入控制字 CS 片選信號(hào)，有效

6、表明8253被選中。4、控制寄存器在8253初始化時(shí)，由CPU寫(xiě)入控制字來(lái)設(shè)置計(jì)數(shù)器的工作方式。 特點(diǎn)： 只能寫(xiě)入而不能讀出。三、8253 的控制字和編程 1、編程即對(duì)8253初始化剛接通電源時(shí)，8253處于未定義的狀態(tài)，需用程序?qū)⑵湓O(shè)置為一個(gè)特定的模式，即初始化。步驟：寫(xiě)入控制字；寫(xiě)入計(jì)數(shù)器初值。注意： 三個(gè)計(jì)數(shù)器應(yīng)該分別初始化 計(jì)數(shù)器一旦初始化之后，就在設(shè)置的模式下進(jìn)行減1計(jì)數(shù)2、控制字的格式 SC1、SC0： 這兩位決定這個(gè)控制字是哪一個(gè)計(jì)數(shù)器的控制字 RL1、RL0：設(shè)置數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)格式。在讀取計(jì)數(shù)值時(shí)，可令RL1、RL0 = 00，先將寫(xiě)控制字時(shí)的計(jì)數(shù)值鎖存，然后再讀取。 M2、M1、

7、M0：設(shè)置每個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式。 BCD：用于選擇每個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)制。在二進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)初值的范圍是0000HFFFFH，其中0000H是最大值，代表65536。在BCD碼計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)初值的范圍中00009999，其中，0000是最大值，代表10000。注意：最大計(jì)數(shù)為0000，不是FFFFH或9999。除方式3外，最小值都為1。四、8253的工作模式8253的基本規(guī)則： 控制字寫(xiě)入時(shí)，進(jìn)入初始狀態(tài) 初值寫(xiě)入后，要經(jīng)過(guò)上升沿和一個(gè)下降沿，才開(kāi)始計(jì)數(shù) 在CLK的上升沿被采樣 在CLK下降沿，計(jì)數(shù)器作減1計(jì)數(shù)Intel 8253有6種工作方式：方式0計(jì)數(shù)結(jié)束后輸出由低變高方式1可編程序的單拍脈沖

8、方式2頻率發(fā)生器（分頻器） 方式3 方波發(fā)生器方式4軟件觸發(fā)選通方式5硬件觸發(fā)選通 6種工作方式的主要區(qū)別是：1. 輸出的波形不同 ( 時(shí)序圖) ，2. 計(jì)數(shù)過(guò)程中GATE信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)操作的影響不同，3. 啟動(dòng)計(jì)數(shù)器的觸發(fā)方式不同。1、模式0計(jì)數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷（計(jì)數(shù)結(jié)束后輸出由低變高）特點(diǎn)：當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)0時(shí)，輸出端OUT為高電平模式0的時(shí)序圖如下： 注：CW10H 寫(xiě)入控制字后，OUT輸出端變?yōu)榈碗娖?。?dāng)寫(xiě)入計(jì)數(shù)初值后，計(jì)數(shù)器開(kāi)始減1計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)過(guò)程中OUT一直保持為低電平，直到計(jì)數(shù)到0時(shí)，OUT輸出變?yōu)楦唠娖?。此信?hào)可用于向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。 計(jì)數(shù)器只計(jì)數(shù)一遍。當(dāng)計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，不恢復(fù)計(jì)數(shù)初值，

9、且輸出一直保持為高電平。只有在寫(xiě)入新的計(jì)數(shù)值時(shí)，OUT才變低，并開(kāi)始新的計(jì)數(shù)。 GATE是門(mén)控信號(hào)，GATE=1時(shí)允許計(jì)數(shù)，GATE=0時(shí)，禁止計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)過(guò)程中，如果GATE=0則計(jì)數(shù)暫停，當(dāng)GATE=1后接著計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)過(guò)程中可改變計(jì)數(shù)值。若是8位計(jì)數(shù)，在寫(xiě)入新的計(jì)數(shù)值后，計(jì)數(shù)器將按新的計(jì)數(shù)值重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。如果是16位計(jì)數(shù)，在寫(xiě)入第一個(gè)字節(jié)后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，在寫(xiě)入第二個(gè)字節(jié)后，計(jì)數(shù)器按照新的計(jì)數(shù)值開(kāi)始計(jì)數(shù)。如圖所示。2、模式1 可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點(diǎn)：門(mén)控上升沿作為觸發(fā)信號(hào) 是單穩(wěn)態(tài)方式 寬度主要決定于計(jì)數(shù)值模式1的時(shí)序圖如下： 注：CW12H寫(xiě)入控制字后，輸出OUT將保持為高電平

10、，計(jì)數(shù)由GATE啟動(dòng)。GATE啟動(dòng)之后，OUT變?yōu)榈碗娖?，?dāng)計(jì)數(shù)到0時(shí)，OUT輸出高電平，從而在OUT端輸出一個(gè)負(fù)脈沖，負(fù)脈沖的寬度為 n個(gè)(計(jì)數(shù)初值)CLK的脈沖寬度。 當(dāng)計(jì)數(shù)到0后，不用送計(jì)數(shù)值，可再次由GATE脈沖啟動(dòng),輸出同樣寬度的單拍脈沖。 在計(jì)數(shù)過(guò)程中，可改變計(jì)數(shù)初值，此時(shí)計(jì)數(shù)過(guò)程不受影響。如果再次觸發(fā)啟動(dòng)，則計(jì)數(shù)器將按新輸入的計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)。 在計(jì)數(shù)未到0時(shí)，如果GATE再次啟動(dòng)，則計(jì)數(shù)初值將重新裝入計(jì)數(shù)器，并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。 3、模式2分頻器（頻率發(fā)生器）特點(diǎn)：是N分頻的計(jì)數(shù)器 正脈沖為N-1個(gè)時(shí)鐘脈沖寬度 負(fù)脈沖為1個(gè)時(shí)鐘脈沖寬度模式2的時(shí)序圖： CW14H寫(xiě)入控制字后，輸出將變?yōu)?/p>

11、高電平。寫(xiě)入計(jì)數(shù)值后，計(jì)數(shù)立即開(kāi)始。在計(jì)數(shù)過(guò)程中輸出始終為高電平，直至計(jì)數(shù)器減到1時(shí)，輸出將變?yōu)榈碗娖?。?jīng)過(guò)一個(gè)CLK周期，輸出恢復(fù)為高，且計(jì)數(shù)器開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。因此，它能夠連續(xù)工作，輸出固定頻率的脈沖。如果計(jì)數(shù)值為N，則每輸入N個(gè)CLK脈沖，輸出一個(gè)脈沖。因此，相當(dāng)于對(duì)輸入脈沖的N分頻。通過(guò)對(duì)N賦不同的初值，即可在輸出端得到所需的頻率，起到頻率發(fā)生器的作用。 計(jì)數(shù)過(guò)程可由門(mén)控脈沖控制。當(dāng)GATE=0時(shí)，暫停計(jì)數(shù)；當(dāng)GATE變高自動(dòng)恢復(fù)計(jì)數(shù)初值，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)過(guò)程中可以改變計(jì)數(shù)值，這對(duì)正在進(jìn)行的計(jì)數(shù)過(guò)程沒(méi)有影響。但在計(jì)數(shù)到1時(shí)輸出變低，經(jīng)過(guò)一個(gè)CLK周期后輸出又變高，計(jì)數(shù)器將按新的計(jì)數(shù)值計(jì)

12、數(shù)。4、模式3方波發(fā)生器特點(diǎn)：和模式2類(lèi)似，但輸出為方波或基本對(duì)稱(chēng)的矩形波模式3的時(shí)序圖 ： CW16H輸出為周期性的方波。若計(jì)數(shù)值為N，則輸出方波的周期是N個(gè)CLK脈沖的寬度。寫(xiě)入控制字后，輸出將變?yōu)楦唠娖?當(dāng)寫(xiě)入計(jì)數(shù)初值后，就開(kāi)始計(jì)數(shù),輸出仍為高電平；當(dāng)計(jì)數(shù)到初值一半時(shí),輸出變?yōu)榈碗娖剑敝劣?jì)數(shù)到0,輸出又變?yōu)楦唠娖?，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。若計(jì)數(shù)值為偶數(shù)，則輸出對(duì)稱(chēng)方波。如果計(jì)數(shù)值為奇數(shù)，則前(N+1)/2個(gè)CLK脈沖期間輸出為高電平，后(N1)/2個(gè)CLK脈沖期間輸出為低電平。GATE信號(hào)能使計(jì)數(shù)過(guò)程重新開(kāi)始。GATE=1允許計(jì)數(shù)，GATE=0禁止計(jì)數(shù)。停止后OUT將立即變高開(kāi)，當(dāng)GATE再次變

13、高以后，計(jì)數(shù)器將重新裝入計(jì)數(shù)初值，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。5、模式4軟件觸發(fā)的選通信號(hào)發(fā)生器特點(diǎn)：當(dāng)計(jì)數(shù)到0時(shí)，輸出變?yōu)榈碗娖剑⒊掷m(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期變?yōu)楦唠娖?。模?的時(shí)序圖 ： CW18H寫(xiě)入控制字后，輸出為高電平。寫(xiě)入計(jì)數(shù)值后立即開(kāi)始計(jì)數(shù)（相當(dāng)于軟件觸發(fā)啟動(dòng)），當(dāng)計(jì)數(shù)到0后，輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。只有在輸入新的計(jì)數(shù)值后，才能開(kāi)始新的計(jì)數(shù)。當(dāng)GATE=1時(shí)，允許計(jì)數(shù)，而GATE=0，禁止計(jì)數(shù)。GATE信號(hào)不影響輸出。在計(jì)數(shù)過(guò)程中，如果改變計(jì)數(shù)值，則按新計(jì)數(shù)值重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。如果計(jì)數(shù)值是16位，則在設(shè)置第一字節(jié)時(shí)停止計(jì)數(shù)，在設(shè)置第二字節(jié)后，按新計(jì)數(shù)值中開(kāi)始計(jì)數(shù)。6、模式5硬件觸發(fā)的選通信

14、號(hào)發(fā)生器特點(diǎn)：用門(mén)控上升沿觸發(fā)即硬件觸發(fā)計(jì)數(shù)到0時(shí)，輸出端一個(gè)寬度為1個(gè)時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖，然后又自動(dòng)變?yōu)楦唠娖?。模?的時(shí)序圖 ： CW1AH寫(xiě)入控制字后，輸出為高電平。在設(shè)置了計(jì)數(shù)值后，計(jì)數(shù)器并不立即開(kāi)始計(jì)數(shù)，而是由門(mén)控脈沖的上升沿觸發(fā)啟動(dòng)。當(dāng)計(jì)數(shù)到0時(shí)，輸出一個(gè)CLK周期的負(fù)脈沖，并停止計(jì)數(shù)。當(dāng)門(mén)控脈沖再次觸發(fā)時(shí)才能再計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)過(guò)程中如果再次用門(mén)控脈沖觸發(fā)，則使計(jì)數(shù)器重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，此時(shí)輸出還保持為高電平，直到計(jì)數(shù)為0，才輸出負(fù)脈沖。如果在計(jì)數(shù)過(guò)程中改變計(jì)數(shù)值，只要沒(méi)有門(mén)控信號(hào)的觸發(fā)，不影響計(jì)數(shù)過(guò)程。當(dāng)有新的門(mén)控脈沖的觸發(fā)時(shí)，不管是否計(jì)數(shù)到 0，都按新的計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)。兩個(gè)注意點(diǎn)： 時(shí)鐘周期和

15、輸出周期的區(qū)別 輸出波形在時(shí)鐘下降沿產(chǎn)生電平變化例：假設(shè)一個(gè)8253在某系統(tǒng)中的端口地址40H43H，如果要將計(jì)數(shù)器0設(shè)置為設(shè)置為工作方式3，計(jì)數(shù)初值為3060H,采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)法，則初始化方法如下：控制字： 計(jì)數(shù)器0， 寫(xiě)兩個(gè)字節(jié)，方式3，二進(jìn)制計(jì)數(shù)則控制字為： 00 11 011 0MOVAL， 36H ；設(shè)置控制字00110110OUT43H，AL ；寫(xiě)入控制寄存器MOVAX, 3060H ；設(shè)置計(jì)數(shù)值OUT40H, AL ；寫(xiě)低8位至計(jì)數(shù)器0MOVAL, AHOUT40H, AL ；寫(xiě)高8位至計(jì)數(shù)器0例：已知8254各通道時(shí)鐘接8MHz信號(hào)，端口地址為700H、702H、704H和70

16、6H，要求在OUT0產(chǎn)生周期為10us的方波，OUT1產(chǎn)生2KHz的連續(xù)脈沖信號(hào)，OUT3產(chǎn)生一個(gè)最大的負(fù)脈沖。分析：OUT0：初值=10us*8MHz=80 方式3OUT1：初值=8MHz/2KHz=4000 方式2OUT2：初值=0,二進(jìn)制計(jì)數(shù) 方式1；CTC0MOV DX，706H；控制端口地址MOV AL，00010110B；CTC0控制字OUT DX，ALMOV DX，700H；CTC0口地址MOV AL，80 ；CTC0初值OUT DX，AL；CTC1MOV DX，706H；控制端口地址MOV AL，01110100B ；CTC1控制字OUT DX，ALMOV DX，702H；CT

17、C1口地址MOV AX，4000；CTC1初值OUT DX，AL；先寫(xiě)低字節(jié)MOV AL，AH；取高字節(jié)OUT DX，AL；后寫(xiě)高字節(jié)；CTC2MOV DX，706H；控制端口地址MOV AL，10110010B；CTC2控制字OUT DX，ALMOV DX，704H；CTC2口地址MOV AL，0 ；CTC2初值OUT DX，AL；先寫(xiě)低字節(jié)OUT DX，AL；后寫(xiě)高字節(jié)譯碼器使8253產(chǎn)生了FF04HFF07H四個(gè)接口地址。則計(jì)數(shù)器0、1、2和控制寄存器分別占用的接口地址為：FF04H、FF05H、FF06H、FF07H。五、8253與PC總線(xiàn)的連接六、在 IBM PC/XT 機(jī)中的應(yīng)用在

18、IBM PC/XT機(jī)中，8253主要提供系統(tǒng)時(shí)鐘中斷、動(dòng)態(tài)RAM的刷新定時(shí)及喇叭發(fā)聲控制等功能。8253的初始化是在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)由BIOS完成的。下圖是8253在IBM PC/XT機(jī)的應(yīng)用的示意圖從時(shí)鐘發(fā)生器來(lái)的頻率2.386364MHZ經(jīng)二分頻后作為8253三個(gè)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入，8253三個(gè)計(jì)數(shù)器的端口地址為40H43H。（1）計(jì)數(shù)器0用于定時(shí)中斷（約55ms）MOVAL,36H ；計(jì)數(shù)器0，方式3，寫(xiě)兩個(gè)字節(jié)，二進(jìn)制計(jì)數(shù)OUT43H,AL ；控制字送控制字寄存器MOVAL,0 ；計(jì)數(shù)值為最大值OUT40H,AL ；寫(xiě)低8位OUT40H,AL ；寫(xiě)高8位（2）計(jì)數(shù)器1用于定時(shí)（15s）DMA請(qǐng)求MOVAL,54H ；計(jì)數(shù)器