可編程定時器計數(shù)器8253及其應(yīng)用

第八章可編程定時器/計數(shù)器8253及其應(yīng)用【回顧】可編程芯片的概念，端口的概念?！颈局v重點】定時與計數(shù)的基本概念及其意義,定時/計數(shù)器芯片Intel8253的性能概述，內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)及其與CPU的連接。定時與計數(shù)1．定時與計數(shù)在微機系統(tǒng)或智能化儀器儀表的工作過程中，經(jīng)常需要使系統(tǒng)處于定時工作狀態(tài)，或者對外部過程進行計數(shù)。定時或計數(shù)的工作實質(zhì)均體現(xiàn)為對脈沖信號的計數(shù)，如果計數(shù)的對象是標準的內(nèi)部時鐘信號，由于其周期恒定，故計數(shù)值就恒定地對應(yīng)于一定的時間，這一過程即為定時，如果計數(shù)的對象是與外部過程相對應(yīng)的脈沖信號(周期可以不相等)，則此時即為計數(shù)。2．定時與計數(shù)的實現(xiàn)方法硬件法專門設(shè)計一套電路用以實現(xiàn)定時與計數(shù)，特點是需要花費一定硬設(shè)備，而且當電路制成之后，定時值及計數(shù)范圍不能改變。軟件法利用一段延時子程序來實現(xiàn)定時操作，特點，無需太多的硬設(shè)備，控制比較方便，但在定時期間，CPU不能從事其它工作，降低了機器的利用率。軟、硬件結(jié)合法即設(shè)計一種專門的具有可編程特性的芯片，來控制定時和計數(shù)的操作，而這些芯片，具有中斷控制能力，定時、計數(shù)到時能產(chǎn)生中斷請求信號，因而定時期間不影響CPU的正常工作。定時/計數(shù)器芯片Intel8253Intel8253是8086微機系統(tǒng)常用的定時/計數(shù)器芯片，它具有定時與計數(shù)兩大功能。一、8253的一般性能概述1．每個8253芯片有3個獨立的16位計數(shù)器通道；.每個計數(shù)器通道都可以按照二進制或二一十進制（BCD碼）計數(shù)；.每個計數(shù)器的計數(shù)速率可以高達2MHz；4．每個通道有6種工作方式，可以由程序設(shè)定和改變；.所有的輸入、輸出電平都與TTL兼容。二、8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-1所示，它主要包括以下幾個主要部分：圖8-18253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1．數(shù)據(jù)總線緩沖器實現(xiàn)8253與CPU數(shù)據(jù)總線連接的8位雙向三態(tài)緩沖器，用以傳送CPU向8253的控制信息、數(shù)據(jù)信息以及CPU從8253讀取的狀態(tài)信息，包括某時刻的實時計數(shù)值。2．讀/寫控制邏輯控制8253的片選及對內(nèi)部相關(guān)寄存器的讀/寫操作，它接收CPU發(fā)來的地址信號以實現(xiàn)片選、內(nèi)部通道選擇以及對讀/寫操作進行控制。

3．控制字寄存器在8253的初始化編程時，由CPU寫入控制字，以決定通道的工作方式，此寄存器只能寫入，不能讀出。4．計數(shù)通道0#、1#、2#：這是三個獨立的，結(jié)構(gòu)相同的計數(shù)器/定時器通道，每一個通道包含一個16位的計數(shù)寄存器，用以存放計數(shù)初始值，一個16位的減法計數(shù)器和一個16位的鎖存器，鎖存器在計數(shù)器工作的過程中，跟隨計數(shù)值的變化，在接收到CPU發(fā)來的讀計數(shù)值命令時，用以鎖存計數(shù)值，供CPU讀取，讀取完畢之后，輸出鎖存器又跟隨減1計數(shù)器變化。三、8253的外部引腳8253芯片是具有24個引腳的雙列直插式集成電路芯片，其引腳分布如圖8－2所示。8253芯片的24個引腳分為兩組，一組面向CPU，另一組面向外部設(shè)備，各個引腳及其所傳送信號的情況，介紹如下：1.D7~D0：雙向、三態(tài)數(shù)據(jù)線引腳，與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線連接，傳送控制、數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息。RD：來自于CPU的讀控制信號輸入引腳，低電平有效。.WR:來自于CPU的寫控制信號輸入引腳，低電平有效。C:芯片選擇信號輸入引腳，低電平有效。267654321至231920213529IT267654321至231920213529ITF■一gTEU計數(shù)需一口UT口|口號匚LK1一一GATE1計數(shù)器圖8-28253的引腳5?A1、A0：地址信號輸入弓1腳，用以選擇8253芯片的通道及控制字寄存器。A0、A的狀

態(tài)與8253端口地址的對應(yīng)關(guān)系如下表所示。A1A0000#通道011#通道102#通道11控制端口6.VCC及GND:+5V電源及接地引腳7.CLKi：i=0,1,2第i個通道的計數(shù)脈沖輸入引腳，8253規(guī)定，加在CLK引腳的輸入時鐘信號的頻率不得高于2.6MHZ，即時鐘周期不能小于380ns。8.GATEi：i=0,1,2,第i個通道的門控信號輸入弓|腳，門控信號的作用與通道的工作方式有關(guān)。9.OUTi：i=0,1,2,第i個通道的定時/計數(shù)到信號輸出弓I腳，輸出信號的形式由通道的工作方式確定，此輸出信號可用于觸發(fā)其它電路工作，或作為向CPU發(fā)出的中斷請求信號。四、8253的控制字口二二進制1=ECD「口口口方式001方式M10方式口二二進制1=ECD「口口口方式001方式M10方式xl1方式100方式101方式00選擇計數(shù)器0〕01選擇討數(shù)盟I,10選擇計數(shù)器2r11非法選擇J00計數(shù)器鎖存命令10只讀/寫最高有效字節(jié)〔高B位）01只讀/寫最低有效字節(jié)蒸后皮/■馬最高有效字節(jié)JU蒸后皮/■馬最高有效字節(jié)J圖8-38253的控制字其中：D0：數(shù)制選擇控制。為1時，表明采用BCD碼進行定時/計數(shù)；否則，采用二進制進行定時/計數(shù)。D3~D1：工作方式選擇控制。000,0；001,1；X10,2；X11,3；100,4；101,5；D5、D4：讀寫格式。00,計數(shù)鎖存命令；01,讀/寫高8位命令；10，讀/寫低8位命令；11,先讀/寫低8位，再讀寫高8位命令。D7、D6：通道選擇控制。000通道；01，1通道；10，2通道；11，非法1．8253的初始化編程要使用8253，必須首先進行初始化編程，初始化編程包括設(shè)置通道控制字和送通道計數(shù)初值兩個方面，控制字寫入8253的控制字寄存器，而初始值則寫入相應(yīng)通道的計數(shù)寄存器中。初始化編程包括如下步驟:寫入通道控制字，規(guī)定通道的工作方式寫入計數(shù)值，若規(guī)定只寫低8位，則高8位自動置0，若規(guī)定只寫高8位，則低8位自動置0。若為16位計數(shù)值則分兩次寫入，先寫低8位，后寫高8位。D0：用于確定計數(shù)數(shù)制，0，二進制；1，BCD碼【例1】設(shè)8253的端口地址為：04H~0AH，要使計數(shù)器1工作在方式0,僅用8位二進制計數(shù)，計數(shù)值為128，進行初始化編程?？刂谱譃椋?1010000B=50H初始化程序：MOVAL，50HOUT0AH，ALMOVAL，80HOUT06H，AL【例2】設(shè)8253的端口地址為：F8H~FEH，若用通道0工作在方式1,按二——十進制計數(shù)，計數(shù)值為5080H，進行初始化編程?？刂谱譃椋?0110011B=33H初始化程序：MOVAL，33HOUT0FEH，ALMOVAL，80HOUT0F8H，ALMOVAL，50HOUT0F8H，AL【例3】設(shè)8253的端口地址為：04H~0AH，若用通道2工作在方式2，按二進制計數(shù)，計數(shù)值為02F0H，進行初始化編程?？刂谱譃椋?0110100B=0B4H初始化程序：MOVAL，0B4HOUT0AH，ALMOVAL，0F0HOUT08H，ALMOVAL，02HOUT08H，AL2．讀取8253通道中的計數(shù)值8253可用控制命令來讀取相應(yīng)通道的計數(shù)值，由于計數(shù)值是16位的，而讀取的瞬時值，要分兩次讀取，所以在讀取計數(shù)值之前，要用鎖存命令，將相應(yīng)通道的計數(shù)值鎖存在鎖存器中，然后分兩次讀入，先讀低字節(jié)，后讀高字節(jié)。當控制字中，D5、D4=00時，控制字的作用是將相應(yīng)通道的計數(shù)值鎖存的命令，鎖存計數(shù)值在讀取完成之后，自動解鎖。如要讀通道1的16位計數(shù)器，編程如下：地址F8H~FEH。MOVAL，40H；OUT0FEH，AL；鎖存計數(shù)值INAL，0FAHMOVCL，AL；低八位INAL，0FAH；MOVCH，AL；高八位五、8253在系統(tǒng)中的典型連接8253在系統(tǒng)中的連接如圖8-4所示?！?LS^37*1LSI38圖8-4Intel8253在系統(tǒng)中的連接Intel8086Inml犯53時-鐘輸“■4LS^37*1LSI38圖8-4Intel8253在系統(tǒng)中的連接Intel8086Inml犯53時-鐘輸“討聚腓沖定時輸出CLKj畫?ATF><tATEi柑a峋adgate口OITtAlJj-AIT^六、8253的工作方式8253共有6種工作方式，各方式下的工作狀態(tài)是不同的，輸出的波形也不同，其中比較靈活的是門控信號的作用。由此組成了8253豐富的工作方式、波形，下面我們逐個介紹：1．幾條基本原則⑴控制字寫入計數(shù)器時，所有的控制邏輯電路立即復(fù)位，輸出端OUT進入初始狀態(tài)。初始狀態(tài)對不同的模式來說不一定相同。(2)計數(shù)初始值寫入之后，要經(jīng)過一個時鐘周期上升沿和一個下降沿，計數(shù)執(zhí)行部件才可以開始進行計數(shù)操作，因為第一個下降沿將計數(shù)寄存器的內(nèi)容送減1計數(shù)器。(3)通常，在每個時鐘脈沖CLK的上升沿，采樣門控信號GATE。不同的工作方式下，門控信號的觸發(fā)方式是有具體規(guī)定的，即或者是電平觸發(fā)，或者是邊沿觸發(fā)，在有的模式中，兩種觸發(fā)方式都是允許的。其中0、2、3、4是電平觸發(fā)方式，1、2、3、5是上升沿觸發(fā)。(4)在時鐘脈沖的下降沿，計數(shù)器作減1計數(shù)，0是計數(shù)器所能容納的最大初始值。二進制相當于216，用BCD碼計數(shù)時，相當于1042．方式0—計數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷方式0的波形如圖8-5所示，當控制字寫入控制字寄存器后，輸出OUT就變低，當計數(shù)值寫入計數(shù)器后開始計數(shù)，在整個計數(shù)過程中，OUT保持為低，當計數(shù)到0后，OUT變高；GATE的高低電平控制計數(shù)過程是否進行。CW=1OLSB=4GATEOUT圖8-5方式0波形從波形圖中不難看出，工作方式0有如下特點：計數(shù)器只計一遍，當計數(shù)到0時，不重新開始計數(shù)保持為高，直到輸入一新的計數(shù)值，OUT才變低，開始新的計數(shù)；計數(shù)值是在寫計數(shù)值命令后經(jīng)過一個輸入脈沖，才裝入計數(shù)器的，下一個脈沖開始計數(shù)，因此，如果設(shè)置計數(shù)器初值為N，則輸出OUT在N+1個脈沖后才能變高;③在計數(shù)過程中，可由GATE信號控制暫停。當GATE=0時，暫停計數(shù)；當GATE=1時，繼續(xù)計數(shù)；④在計數(shù)過程中可以改變計數(shù)值，且這種改變是立即有效的，分成兩種情況：若是8位計數(shù)，則寫入新值后的下一個脈沖按新值計數(shù)；若是16位計數(shù)，則在寫入第一個字節(jié)后，停止計數(shù)，寫入第二個字節(jié)后的下一個脈沖按新值計數(shù)。3．方式1—可編程的硬件觸發(fā)單拍脈沖方式1的波形如圖8-6所示，CPU向8253寫入控制字后OUT變高，并保持，寫入計數(shù)值后并不立即計數(shù)，只有當外界GATE信號啟動后（一個正脈沖）的下一個脈沖才開文始計數(shù)，OUT變低，計數(shù)到0后，OUT才變高，此時再來一個GATE正脈沖，計數(shù)器又開始重新計數(shù)，輸出OUT再次變低，…，因此輸出為一單拍負脈沖。圖8-6方式1波形從波形圖不難看出：方式1有下列特點：①輸出OUT的寬度為計數(shù)初值的單脈沖;②輸出受門控信號GATE的控制，分三種情況：令計數(shù)到0后，再來GATE脈沖，則重新開始計數(shù)，OUT變低；令在計數(shù)過程中來GATE脈沖，則從下一CLK脈沖開始重新計數(shù)，OUT保持為低；令改變計數(shù)值后，只有當GATE脈沖啟動后，才按新值計數(shù)，否則原計數(shù)過程不受影響，仍繼續(xù)進行，即新值的改變是從下一個GATE開始的。③計數(shù)值是多次有效的，每來一個GATE脈沖，就自動裝入計數(shù)值開始從頭計數(shù)，因此在初始化時，計數(shù)值寫入一次即可。4、方式2—速率發(fā)生器方式2的波形如圖8-7所示，在這種方式下，CPU輸出控制字后，輸出OUT就變高，寫入計數(shù)值后的下一個CLK脈沖開始計數(shù)，計數(shù)到1后，輸出OUT變低，經(jīng)過一個CLK以后，OUT恢復(fù)為高，計數(shù)器重新開始計數(shù)，…，因此在這種方式下，只需寫入一次計數(shù)值，就能連續(xù)工作，輸出連續(xù)相同間隔的負脈沖（前提：GATE保持為高），即周期性地輸出，方式2下，8253有下列使用特點：①通道可以連續(xù)工作；②GATE可以控制計數(shù)過程，當GATE為低時暫停計數(shù)，恢復(fù)為高后重新從初值；（注意:該方式與方式0不同，方式0是繼續(xù)計數(shù)）③重新設(shè)置新的計數(shù)值即在計數(shù)過程中改變計數(shù)值，則新的計數(shù)值是下次有效的，同方式1。圖8-7方式2波形5．方式3—方波速率發(fā)生器方式3的波形如圖8-8所示，這種方式下的輸出與方式2都是周期性的，不同的是周期不同，CPU寫入控制字后，輸出OUT變高，寫入計數(shù)值后開始計數(shù)，不同的是減2計數(shù)，

當計數(shù)到一半計數(shù)值時，輸出變低，重新裝入計數(shù)值進行減2計數(shù)，當計數(shù)到0時，輸出變高，裝入計數(shù)值進行減2計數(shù)，循環(huán)不止。在方式3下，8253有下列使用特點：計數(shù)值為偶數(shù)計數(shù)值為偶數(shù)CLKGATECLKGATE2I42I0?42； !-—^-H-l――\—\—1 .I. IIII2I42I0?42；OUT計數(shù)值為奇數(shù)圖8-8方式3時計數(shù)器的工作波形①通道可以連續(xù)工作；②關(guān)于計數(shù)值的奇偶，若為偶數(shù)，則輸出標準方波，高低電平各為N/2個；若為奇數(shù)，則在裝入計數(shù)值后的下一個CLK使其裝入，然后減1計數(shù)，（N+1）/2,OUT改變狀態(tài)，再減至0,OUT又改變狀態(tài)，重新裝入計數(shù)值循環(huán)此過程，因此，在這種情況下，輸出有（N+1）/2個CLK個高電平，（N-1）/2個CLK個低電平；③GATE信號能使計數(shù)過程重新開始，當GATE=0時，停止計數(shù)，當GATE變高后，計數(shù)器重新裝入初值開始計數(shù)，尤其是當GATE=0時，若OUT此時為低，則立即變高，其它動作同上；④在計數(shù)期間改變計數(shù)值不影響現(xiàn)行的計數(shù)過程，一般情況下，新的計數(shù)值是在現(xiàn)行半周結(jié)束后才裝入計數(shù)器。但若中間遇到有GATE脈沖，則在此脈沖后即裝入新值開始計數(shù)。6．方式4—軟件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器方式4的波形如圖8-9所示，在這種方式下，也是當CPU寫入控制字后，OUT立即變高，寫入計數(shù)值開始計數(shù)，當計數(shù)到0后，OUT變低，經(jīng)過一個CLK脈沖后，OUT變高，這種計數(shù)是一次性的（與方式0有相似之處），只有當寫入新的計數(shù)值后才開始下一次計數(shù)。圖8-9方式4波形方式4下，8253有下列使用特點：①當計數(shù)值為N時，則間隔N+1個CLK脈沖輸出一個負脈沖（計數(shù)一次有效）；②GATE=0時，禁止計數(shù)，GATE=1時，恢復(fù)繼續(xù)計數(shù)；③在計數(shù)過程中重新裝入新的計數(shù)值，則該值是立即有效的（若為16位計數(shù)值，則裝入第一個字節(jié)時停止計數(shù)，裝入第二個字節(jié)后開始按新值計數(shù)）。7．方式5—硬件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器方式5的波形如圖8-10所示，在這種方式下，當控制字寫入后，OUT立刻變高，寫入計數(shù)值后并不立即開始計數(shù)，而是由GATE的上升沿觸發(fā)啟動計數(shù)的，當計數(shù)到0時，輸出變低，經(jīng)過一個CLK之后，輸出恢復(fù)為高，計數(shù)停止，若再有GATE脈沖來，則重新裝入計數(shù)值開始計數(shù)，上述過程重復(fù)。方式5下，8253有下列使用特點：

①在這種方式下，若設(shè)置的計數(shù)值是N，則在GATE脈沖后，經(jīng)過（N+1）個CLK才一個負脈沖；若在計數(shù)過程中又來一個GATE脈沖，則重新裝入初值開始計數(shù)，輸出不變，即計數(shù)值多次有效；若在計數(shù)過程中修改計數(shù)值，則該計數(shù)值在下一個GATE脈沖后裝入開始按此值計數(shù)。匚匕3LSB=3-WT_>UW圖8-10方式5波形盡管8253有6種工作模式，但是從輸出端來看，仍不外乎為計數(shù)和定時兩種工作方式。作為計數(shù)器時，8253在GATE的控制下，進行減1計數(shù)，減到終值時，輸出一個信號。作為定時器工作時，8253在門控信號GATE控制下，進行減1計數(shù)。減到終值時，又自動裝入初始值，重新作減1計數(shù)，于是輸出端會不斷地產(chǎn)生時鐘周期整數(shù)倍的定時時間間隔。8．8253的工作方式小結(jié)下面，我們對8253的6種工作模式的特點，作一番比較和總結(jié)。⑴方式2、4、5的輸出波形是相同的，都是寬度為一個CLK周期的負脈沖，但方式2連續(xù)工作，方式4由軟件觸發(fā)啟動，方式5由硬件觸發(fā)啟動。⑵方式5與方式1工作過程相同，但輸出波形不同，方式1輸出的是寬度為N個CLK脈沖的低電平有效的脈沖（計數(shù)過程中輸出為低）,而方式5輸出的為寬度為一個CLK脈沖的負脈沖（計數(shù)過程中輸出為高）。⑶輸出端OUT的初始狀態(tài),方式0在寫入方式字后輸出為低,其余方式，寫入控制字后，輸出均變未能高。任一種方式，均是在寫入計數(shù)初值之后，才能開始計數(shù)，方式0、2、3、4都是在寫入計數(shù)初值之后，開始計數(shù)的，而方式1和方式5需要外部觸發(fā)啟動，才開始計數(shù)。6種工作方式中，只有方式2和方式3是連續(xù)計數(shù)，其它方式都是一次計數(shù)，要繼續(xù)工作需要重新啟動，方式0、4由軟件啟動，方式1、5由硬件啟動。(6)門控信號的作用；通過門控信號GATE，可以干預(yù)8253某一通道的計數(shù)過程，在不同的工作方式下，門控信號起作用的方式也不一樣，其中0、2、3、4是電平起作用，1、2、3、5是上升沿起作用，方式2、3對電平上升沿都可以起作用。(7)在計數(shù)過程中改變計數(shù)值，它們的作用有所不同。(8)計數(shù)到0后計數(shù)器的狀態(tài)，方式0、1、4、5繼續(xù)倒計數(shù)，變?yōu)镕F、FE。。。。。。，而方式2、3、，則自動裝入計數(shù)初值繼續(xù)計數(shù)。七、8253的編程應(yīng)用【例4】在IBMPC/XT中，8253作為定時計數(shù)器電路，它的三個通道的作用分別為：計數(shù)器0編程為方式3，GATE0固定為高電平，OUT0作為中斷請求信號接至8259A中斷控制器的第0級IRQ0。這個定時中斷(約55ms)用于報時時鐘的時間基準。計數(shù)器1編程為方式2，GATE1固定為高電平，OUT1的輸出經(jīng)過一個D觸發(fā)器后作為8237A-5DMA控制器通道0的DMA請求DREQ0，用于定時(約15us)啟動刷新動態(tài)RAM，這樣在2ms內(nèi)可以有132次刷新，大于128次(128次是系統(tǒng)的最低要求)。計數(shù)器2編程為方式3,1KHZ的方波輸出通過濾波去除高頻分量后送揚聲器GATE2是8255的PB0,OUT輸出經(jīng)一與門控制，控制信號為8255的PB1,這樣利用PB0、PB1同時為高的時間來控制發(fā)長音還是發(fā)短音。TxN=定時時間nN=定時時間 時鐘頻率F為1.19MHZ,T=1/FT8253-5的地址為040H~043H,ROM-BIOS對8253-5的編程如下:計數(shù)器0用于定時中斷。MOVAL,00110110B；00110110一二進制OUT43H，ALMOVAL,0；計數(shù)初值為0000，即為216OUT40H，ALOUT40H,AL；定時為：840nsx216=55ms，即頻率為18.2HZ-每秒產(chǎn)生18.2次時鐘中斷（CLK周期為：1/1.19M）計數(shù)器1用于定時DMA請求。MOVAL，01010100B；01010100一二進制OUT43H，ALMOVAL，12H；計數(shù)初值為18D，定時：840nsx18=15^sOUT41H，AL計數(shù)器2用于產(chǎn)生1KHZ的方波送至揚聲器發(fā)聲，聲響子程序為BEEP,入口地址為FFA08H。BEEPPROCNEARMOVAL，10110110B；10110110 二進制OUT43H，ALMOVAX，0533H；計數(shù)初值為1331OUT42H，ALMOVAL，AHOUT42H，ALINAL，61H；取8255B端口MOVAH，AL；存在AHORAL，03H；使PBPB=1110OUT61H,AL；輸出至82255的B端口，使揚聲器發(fā)聲SUBCX,CX；循環(huán)計數(shù)G7：LOOPG7MOVBH，0DECBX；BL的值為控制長短聲，BL=6（長），BL=1（短）JNZG7MOVAL,AH；恢復(fù)8255B端口值，停止發(fā)聲OUT61H，ALRETBEEPENDP【例5】CPU為8086，用8253的CH0（通道0）,每隔2ms輸出一個負脈沖，設(shè)CLK為2MHZ，完成軟件設(shè)計。分析：時間常數(shù)的計算：已知時鐘頻率F及定時時間t，求計數(shù)初值N:0N?—=t :.N=t?FF設(shè)用方式2，時間常數(shù)：N=2乂10一3乂2乂106=4X103控制字：00110100——二進制端口地址：CH0—00H；控制端口 06H初始化編程：MOVAL，34H ；00110100BOUT06H，ALMOVAX，4000OUT