微機(jī)原理第五章 定時計(jì)數(shù)器

微機(jī)原理第五章定時計(jì)數(shù)器2023/6/111第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二授課教師:殷代紅制作者:殷代紅

郵箱：yindh07@2023/6/112第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二第五章定時與計(jì)數(shù)器2023/6/113第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二5.1概述5.1.1定時與計(jì)數(shù)問題的提出定時與計(jì)數(shù)是計(jì)算機(jī)經(jīng)常面臨的工作，它不僅應(yīng)用在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，同時，也廣泛應(yīng)用在各種不同領(lǐng)域的實(shí)際系統(tǒng)中，如定時中斷、定時檢測、定時掃描等等，還有些場合要求能對外部事件計(jì)數(shù)。實(shí)現(xiàn)定時與計(jì)數(shù)的方法通常有兩種：軟件方法和硬件方法。軟件方法：通過用戶編制的程序來完成，如延時子程序，軟件定時占用CPU，降低了CPU的利用率。硬件方法：通過完全的硬件連接或軟/硬件的結(jié)合來完成，包含簡單硬件定時和可編程硬件定時兩種方式。簡單硬件定時可以采用小規(guī)模集成電路器件（例如555），外接部分定時部件（電阻和電容）構(gòu)成。這樣的定時電路簡單而且通過改變電阻和電容，可以使定時在一定的范圍內(nèi)改變，但不能由指令來控制和改變。可編程定時器電路的定時值及其范圍，可以很容易地由軟件來確定和改變，所以使用靈活，功能更強(qiáng)。2023/6/114第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二5.1.2端口的概念接口電路：微機(jī)可以通過接口電路接收外部設(shè)備送來的信息或?qū)⑿畔l(fā)送給外部設(shè)備。分類：可以提供使微機(jī)正常工作所需要的輔助電路；輸入/輸出接口電路包括并行接口、串行接口、專用接口等，提供CPU與接口直接進(jìn)行操作的“通道”每個部件或接口內(nèi)部都包含有一組寄存器，這些寄存器通常稱為端口，每個端口有一個端口地址。2023/6/115第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二端口通常分為三類：用來傳輸數(shù)據(jù)的稱為數(shù)據(jù)端口；用來存放設(shè)備或者部件狀態(tài)的稱為狀態(tài)端口；用來存放CPU發(fā)出的命令的稱為控制端口。CPU通過數(shù)據(jù)端口完成數(shù)據(jù)傳輸，因此，數(shù)據(jù)端口一般是可讀可寫的；CPU通過狀態(tài)端口可以檢測外設(shè)和接口部件當(dāng)前的狀態(tài)，因此，狀態(tài)端口一般是只讀的；CPU通過控制端口傳輸命令以便控制接口和設(shè)備的動作，因此，控制端口一般是只寫的。2023/6/116第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二5.2可編程定時器/計(jì)數(shù)器8253一、計(jì)數(shù)/定時的工作原理計(jì)數(shù)/定時的功能對外部事件發(fā)生次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常用到定時信號，如DRAM刷新定時計(jì)數(shù)和定時本質(zhì)上是相同的，它們都是對一個輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果輸入脈沖的頻率一定，那么記錄脈沖的個數(shù)與所需的時間是一一對應(yīng)的關(guān)系。例如輸入脈沖頻率為2MHz，那么計(jì)數(shù)2106計(jì)時1秒使用同一個芯片，既能計(jì)數(shù)，又能定時——定時器/計(jì)數(shù)器2023/6/117第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二一、計(jì)數(shù)/定時的工作原理控制寄存器初始值寄存器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸出寄存器狀態(tài)寄存器CLKGATEOUT組成：控制寄存器——決定工作模式狀態(tài)寄存器——反應(yīng)工作狀態(tài)初值寄存器——計(jì)數(shù)的初值計(jì)數(shù)輸出寄存器——CPU從中讀 當(dāng)前計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)器——執(zhí)行計(jì)數(shù)操作， CPU不能訪問2023/6/118第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二一、計(jì)數(shù)/定時的工作原理工作原理：對CLK信號進(jìn)行減1計(jì)數(shù)首先，CPU把控制字寫入控制寄存器，計(jì)數(shù)初始值寫入初值寄存器計(jì)數(shù)從初值開始，每當(dāng)CLK信號出現(xiàn)一次，計(jì)數(shù)值減1當(dāng)計(jì)數(shù)值減到0，從OUT端輸出規(guī)定的信號CLK信號出現(xiàn)時，計(jì)數(shù)器是否減1，由門控信號GATE控制2023/6/119第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二5.2.18253的功能與結(jié)構(gòu)

1．8253的主要功能

⑴有3個獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器通道。

⑵每個計(jì)數(shù)器都可以按照二進(jìn)制或二—十進(jìn)制（BCD碼）計(jì)數(shù)。

⑶每個計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速率可高達(dá)2MHz。

⑷每個通道有6種工作方式，可由程序設(shè)置和改變。

⑸所有的輸入輸出都與TTL兼容。2023/6/1110第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二一、計(jì)數(shù)/定時的工作原理CLK是計(jì)數(shù)輸入信號，計(jì)數(shù)器對CLK端出現(xiàn)的脈沖個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)CLK端可以輸入外部事件CLK端可以接入固定頻率的時鐘信號，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時OUT信號在計(jì)數(shù)結(jié)束時發(fā)生變化可將OUT作為外部設(shè)備的控制信號可將OUT作為向CPU申請中斷的信號CPU可以從計(jì)數(shù)輸出寄存器讀出當(dāng)前計(jì)數(shù)值。讀前，應(yīng)向控制寄存器發(fā)送鎖存命令2023/6/1111第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二二、8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1片8253內(nèi)部有三個計(jì)數(shù)器，結(jié)構(gòu)完全相同8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-2所示，主要由以下部分組成：(1)數(shù)據(jù)總線緩沖器(2)讀/寫控制邏輯。(3)控制字寄存器。(4)計(jì)數(shù)器0，計(jì)數(shù)器1，計(jì)數(shù)器2。

2023/6/1112第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二數(shù)據(jù)總線緩沖器。是8253與CPU數(shù)據(jù)總線連接的8位、雙向、三態(tài)緩沖器。CPU用輸入輸出指令對8253進(jìn)行讀寫的所有信息都是通過該緩沖器傳送的，內(nèi)容包括：?CPU在初始化編程時寫入8253的控制字。?CPU向8253的某一通道寫入的計(jì)數(shù)值。?CPU從某一個通道讀取的計(jì)數(shù)值。2023/6/1113第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二(2)讀/寫控制邏輯。8253內(nèi)部操作的控制部分。它接收輸入的信號.實(shí)現(xiàn)片選、內(nèi)部通道選擇（見表5-1）以及對相關(guān)端口的讀/寫操作。A1A0端口00通道001通道110通道211控制端口2023/6/1114第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二(3)控制字寄存器。在對8253進(jìn)行初始化編程時，該寄存器存放由CPU寫入的控制字，由此控制字來決定所選中通道的工作方式。此寄存器只能寫入不能讀出。(4)計(jì)數(shù)器0，計(jì)數(shù)器1，計(jì)數(shù)器2。是三個獨(dú)立的計(jì)數(shù)器/定時器通道，各自可按不同的工作方式工作。2023/6/1115第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二3．8253的引腳功能8253的引腳按功能可分為兩組:一組面向三總線數(shù)據(jù)總線、控制總線和地址總線，另一組面向外部操作。CLK、GATE、OUT2023/6/1116第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二5.2.28253的初始化編程對8253某一通道的初始化編程涉及兩個內(nèi)容:首先向控制端口寫入通道控制字，由此控制字確定選中哪個通道、采用什么工作方式和計(jì)數(shù)方式、如何寫入計(jì)數(shù)初值等內(nèi)容，然后向選中的通道端口寫入計(jì)數(shù)初值。2023/6/1117第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二1．8253的控制字2023/6/1118第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二8253的編程命令初始化1）寫入控制字2）按控制字要求寫入計(jì)數(shù)初值計(jì)數(shù)器初值計(jì)算：N=fCLK/fOUT例：設(shè)三個計(jì)數(shù)器的端口地址為70H、71H、72H，控制端口地址73H。計(jì)數(shù)器0，工作模式2，僅使用低8位，初值為100，計(jì)數(shù)值使用二進(jìn)制。MOVAL,14HOUT73H,ALMOVAL,100OUT70H,AL2023/6/1119第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二8253的編程命令例：設(shè)三個計(jì)數(shù)器的端口地址為70H、71H、72H，控制寄存器端口地址73H。計(jì)數(shù)器1，工作模式1，使用16位，初值為1234，計(jì)數(shù)值使用BCDMOVAL,73HOUT73H,ALMOVAX,1234HOUT71H,ALMOVAL,AHOUT71H,AL2023/6/1120第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二3．讀取通道當(dāng)前的計(jì)數(shù)值8253任一通道的當(dāng)前計(jì)數(shù)值，CPU都可用輸入指令讀取。8253的通道計(jì)數(shù)器是16位的，要分兩次讀至CPU，為避免在CPU的兩次讀出過程中出錯，在進(jìn)行讀出操作前必須對相應(yīng)通道進(jìn)行鎖存，鎖存的辦法有兩種：①利用GATE信號使計(jì)數(shù)過程暫停。②向8253的控制口寫入一個令通道鎖存器鎖存的控制字。

例：設(shè)三個計(jì)數(shù)器的CR/OL端口地址為70H、71H、72H，控制寄存器端口地址73H。讀出計(jì)數(shù)器0的當(dāng)前計(jì)數(shù)值，放在BX中MOVAL,0HOUT73H,ALINAL,70HMOVBL,ALINAL,70HMOVBH,AL2023/6/1121第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二5.2.38253的工作方式工作方式?jīng)Q定以下內(nèi)容：1）門控信號的影響高電平允許，當(dāng)GATE=0，即使出現(xiàn)CLK，也不計(jì)數(shù)——方式0，2，3，4上升沿允許（上升沿觸發(fā)）——方式1，52）OUT信號的狀態(tài)寫入控制字后，OUT的狀態(tài)計(jì)數(shù)過程中，OUT的狀態(tài)計(jì)數(shù)終了，OUT的狀態(tài)3）計(jì)數(shù)操作可否重復(fù)不可重復(fù)——方式0，4自動重復(fù)——方式2，3條件重復(fù)——方式1，52023/6/1122第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二8253的工作方式六種工作方式計(jì)數(shù)初值寫入初值寄存器后，要經(jīng)過一個CLK輸入后才開始計(jì)數(shù)（或，經(jīng)過一個CLK后，計(jì)數(shù)初值才到達(dá)計(jì)數(shù)執(zhí)行部件）計(jì)數(shù)器在CLK的下降沿使計(jì)數(shù)值減12023/6/1123第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二8253的工作方式方式0：計(jì)數(shù)初值寫入CR后，OUT由0到1跳變出現(xiàn)在n+1個時鐘脈沖之后延遲時間TD=(n+1)TCLK方式1：單脈沖寬度T=nTCLK方式2：對輸入端n個時鐘脈沖，在輸出端僅出現(xiàn)一個時鐘脈沖——N分頻計(jì)數(shù)器2023/6/1124第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二8253的工作方式方式3：例：計(jì)數(shù)器工作方式3，計(jì)數(shù)器初值15，時鐘脈沖頻率為2MHz，確定OUT端輸出方波的特性。解：TCLK=1/2MHz=500ns 計(jì)數(shù)器初值15為奇數(shù)，輸出分頻波高電平寬度

TCLK(N+1)/2=4s 輸出分頻波低電平寬度

TCLK(N-1)/2=3.5s方式4、5：觸發(fā)后n+1個時鐘脈沖之后輸出端產(chǎn)生選通脈沖信號2023/6/1125第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二8253的工作方式例：計(jì)數(shù)器0工作方式4，初始化計(jì)數(shù)器，使裝入計(jì)數(shù)器10s后產(chǎn)生選通信號(設(shè)時鐘頻率2MHz,8253端口地址為50H~53H)。解：n+1=T/TCLK=10/0.5=20n=19=13HMOVAL,18HOUT53H,ALMOVAL,13HOUT50H,AL2023/6/1126第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二5.2.48253的應(yīng)用例2在以8088CPU為核心的系統(tǒng)中，擴(kuò)展一片8253芯片，要求通道0對外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)滿400個脈沖后向CPU發(fā)出一個中斷請求，完成軟硬件設(shè)計(jì)。分析：首先完成硬件設(shè)計(jì)。8253與系統(tǒng)總線的連接如下：2023/6/1127第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二題目要求的輸出波形經(jīng)分析選擇方式0。計(jì)數(shù)初值為400確定控制字：00110000B初始化程序：MOVAL，30HOUT03H，AL；控制字寫入控制口MOVAX，400；二進(jìn)制形式的數(shù)據(jù)OUT00H，AL；先寫低8位，寫入通道0MOVAL，AHOUT00H，AL；后寫高8位，寫入通道02023/6/1128第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二5.2.48253的應(yīng)用以2MHz輸入8253，實(shí)現(xiàn)每5秒定時中斷（設(shè)8253端口地址40H~43H）分析：8253最大初值65536，CLK=2MHz可實(shí)現(xiàn)最大時間間隔65536／(2106)=32.769ms所以需要兩個計(jì)數(shù)器串聯(lián)，一個計(jì)數(shù)器的輸出作為另一個計(jì)數(shù)器的輸入2023/6/1129第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期二8253的應(yīng)用計(jì)數(shù)器1：方式2，OUT1每5ms輸出一個脈沖初值(2106)/(1/0.005)=10000計(jì)數(shù)器0：方式2，OUT0每5s輸出一個脈沖初值(1/0.005)/(1/5)=1000OUT0GATE0CLK0OUT1GATE1CLK1+5V+5V2MHz每5秒產(chǎn)生一