微機(jī)原理及其應(yīng)用-第6章課件

第6章計(jì)數(shù)/定時(shí)技術(shù)定時(shí)與計(jì)數(shù)技術(shù)及應(yīng)用定時(shí)/計(jì)數(shù)器——8253本章內(nèi)容了解定時(shí)/計(jì)數(shù)技術(shù)的應(yīng)用情況掌握8253的連接與編程學(xué)習(xí)目的熟習(xí)8253的工作方式6.1概述

定時(shí)計(jì)數(shù)技術(shù)在計(jì)算機(jī)中具有極為重要的作用。微機(jī)控制系統(tǒng)中，常要按一定的采樣周期對(duì)處理對(duì)象進(jìn)行采樣或定時(shí)檢測某些參數(shù)等，用計(jì)數(shù)器對(duì)外部事件計(jì)數(shù)，即記錄外設(shè)提供的脈沖個(gè)數(shù)。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和多任務(wù)操作系統(tǒng)中，可以利用定時(shí)器產(chǎn)生的定時(shí)中斷進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。

定時(shí)器和計(jì)數(shù)器都由數(shù)字電路中的計(jì)數(shù)電路構(gòu)成。前者記錄高精度晶振脈沖信號(hào)，因此可以輸出準(zhǔn)確的時(shí)間間隔，稱為定時(shí)器，而當(dāng)記錄外設(shè)提供的具有一定隨機(jī)性的脈沖信號(hào)時(shí)，它主要反映脈沖的個(gè)數(shù)，稱為計(jì)數(shù)器。

定時(shí)的方法有3種：軟件定時(shí)、不可編程的硬件定時(shí)和可編程的定時(shí)。1.軟件定時(shí)

﹡CPU執(zhí)行每條指令需要一定的時(shí)間，重復(fù)執(zhí)行一些指令會(huì)占用一段固定的時(shí)間，適當(dāng)?shù)剡x取指令和循環(huán)次數(shù)便很容易實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能﹡這種方法不需要增加硬件，可通過編程來控制和改變定時(shí)時(shí)間，靈活方便。﹡缺點(diǎn)是CPU重復(fù)執(zhí)行的這段程序的目的僅為延時(shí)，從而降低了CPU利用率。2.不可編程的硬件定時(shí)

采用數(shù)字電路中的分頻器將系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸l產(chǎn)生需要的定時(shí)信號(hào)；也可以采用單穩(wěn)電路或簡易定時(shí)電路（如常用的555定時(shí)器）由外接RC電路控制定時(shí)時(shí)間。定時(shí)范圍不易由程序來改變和控制，使用不甚方便，而且定時(shí)精度也不高。3.可編程的定時(shí)采用軟、硬件相結(jié)合的方法，用可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器芯片構(gòu)成一個(gè)方便靈活的定時(shí)計(jì)數(shù)電路。 這種電路不僅定時(shí)值和定時(shí)范圍可用程序確定和改變，而且具有多種工作方式，可以輸出多種控制信號(hào) 由微處理器的時(shí)鐘信號(hào)提供時(shí)間基準(zhǔn)，故計(jì)時(shí)也精確穩(wěn)定。如Intel8253。

6.2Intel8253可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器6.2.18253的基本功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)范圍為1~65536；（2）每個(gè)計(jì)數(shù)器均可以按二進(jìn)制或二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)；（3）計(jì)數(shù)器速率可達(dá)2MHz；（4）可編程6種不同的工作方式；（5）所有輸入和輸出都與TTL兼容。

8253具有較好的通用性和使用靈活性，幾乎適合于任何一種微處理器組成的系統(tǒng)。

1.8253PIT的基本功能2.8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖6.18253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（1）數(shù)據(jù)總線緩沖器

8位、雙向、三態(tài)的緩沖器，可直接掛在數(shù)據(jù)總線上。CPU通過數(shù)據(jù)總線D0~D7傳送如下信息：

①向控制寄存器寫入控制字。②向某計(jì)數(shù)器寫入計(jì)數(shù)初值。③CPU通過緩沖器讀取計(jì)數(shù)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值（2）讀/寫控制邏輯

決定三個(gè)計(jì)數(shù)器和控制字寄存器中哪一個(gè)能進(jìn)行工作，并控制內(nèi)部總線上數(shù)據(jù)傳送的方向。

①CS片選信號(hào),由地址總線經(jīng)I/O端口譯碼電路產(chǎn)生。②RD讀信號(hào)，有效時(shí)允許CPU讀取所選定的計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容。③WR寫信號(hào)，有效時(shí)允許CPU將計(jì)數(shù)初值寫入所選中的計(jì)數(shù)器中或?qū)⒖刂谱謱懭肟刂萍拇嫫髦小＂蹵1A0端口選擇信號(hào)， 當(dāng)A1A0=00，01，10時(shí)表示分別選中計(jì)數(shù)器0，1，2當(dāng)A1A0=11時(shí)選中控制寄存器（3）控制寄存器接收從CPU來的控制字， 并由控制字的D7、D6位的編碼決定該控制字寫入哪個(gè)計(jì)數(shù)器的控制寄存器， 控制寄存器只能寫入，不能讀出。

（4）計(jì)數(shù)器8253所能實(shí)現(xiàn)的定時(shí)時(shí)間，取決于計(jì)數(shù)脈沖的頻率和計(jì)數(shù)器的初值，即：定時(shí)時(shí)間=時(shí)鐘脈沖周期Tc×預(yù)置的計(jì)數(shù)初值n。外部輸入到CLK引腳上的時(shí)鐘脈沖頻率不能大于2MHz圖6.2計(jì)數(shù)器內(nèi)部邏輯圖控制單元初值寄存器減1計(jì)數(shù)器輸出鎖存器內(nèi)部總線CLKGATEOUT控制單元初值寄存器減1計(jì)數(shù)器輸出鎖存器內(nèi)部總線CLK6.2.28253的引腳信號(hào)圖6.38253PIT管腳圖計(jì)

數(shù)

器

0計(jì)

數(shù)

器

1計(jì)

數(shù)

器

2數(shù)

據(jù)

線控

制

線電

源

線

8253是一片具有3個(gè)獨(dú)立通道的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器芯片，使用單一+5V電源，24引腳雙列直插式封裝，如圖6.3所示1.與CPU的接口信號(hào)（1）D0~D7——三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線。與CPU數(shù)據(jù)總線相連， 用于傳遞CPU與8253之間的數(shù)據(jù)信息、控 制信息和狀態(tài)信息；（2）CS——片選信號(hào)（ChipSelect），輸入，低電平有效（3）WR——寫信號(hào)，輸入，低電平有效，用于控制CPU對(duì) 8253的寫操作，可與A1，A0信號(hào)配合以決定 是寫入控制字還是計(jì)數(shù)初值；（4）RD——讀信號(hào)，輸入，低電平有效。用于控制CPU 對(duì)8253的讀操作，可與A1，A0信號(hào)配合讀取 某個(gè)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值；（5）A0，A1-——地址輸入線。用于8253內(nèi)部尋址的4個(gè) 端口，即3個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)控制字寄存 器。一般與CPU低位的地址線相連

。A1A0寄存器選擇和操作000000001011110000×100001111×100110011××01010101××寫入計(jì)數(shù)器0寫入計(jì)數(shù)器1寫入計(jì)數(shù)器2寫入控制字寄存器讀計(jì)數(shù)器0讀計(jì)數(shù)器1讀計(jì)數(shù)器2無操作

禁止使用無操作CSRDWR表6.18253讀/寫操作邏輯表

2.與外部設(shè)備的接口信號(hào)（1）CLK0（CLK1，CLK2）——時(shí)鐘脈沖輸入端，用于輸入定時(shí)脈沖或計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，加在CLK引腳的輸入時(shí)鐘周期不得小于380ns；（2）GATE0（GATE1，GATE2）——門控輸入端，用于外部控制計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)或停止。當(dāng)GATE為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)器工作，當(dāng)GATE為低電平時(shí)，禁止計(jì)數(shù)器工作；（3）OUT0（OUT1，OUT2-）-——計(jì)數(shù)輸出端。在不同工作方式中，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，OUT引腳輸出相應(yīng)的信號(hào)。

6.2.38253的控制字與初始化編程1.8253的控制字8253的控制字有4個(gè)主要功能：*

選擇計(jì)數(shù)器；*

確定計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)的讀寫格式；*

確定計(jì)數(shù)器的工作方式；*

確定計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的數(shù)制。

控制字的格式如圖6.4所示D7D6D5D4D3D2D1D0計(jì)數(shù)器讀/寫格式工作方式數(shù)制0—二進(jìn)制1—二―十進(jìn)制（BCD）000方式0001方式1

10方式2

11方式3100方式4101方式500計(jì)數(shù)器鎖存命令10只讀/寫高8位01只讀/寫低8位11首先寫低8位然后寫高8位00選擇計(jì)數(shù)器001選擇計(jì)數(shù)器110選擇計(jì)數(shù)器211非法選擇圖6.48253控制字格式注：圖中×可以是0，也可以是1，一般取0(1)計(jì)數(shù)器選擇（D7D6）控制字的最高兩位決定這個(gè)控制字是哪一個(gè)計(jì)數(shù)器的控制字。（2）讀/寫格式（D5D4）00—計(jì)數(shù)器鎖存命令，則把當(dāng)前計(jì)數(shù)值鎖存10—只讀/寫高8位，低8位就自動(dòng)為001—只讀/寫低8位，高8位自動(dòng)置0；11—先讀/寫低8位，后讀/寫高8位（3）工作方式（D3D2D1）

8253的每個(gè)計(jì)數(shù)器可以有6種不同的工作方式，由這3位決定選擇其中的一種。（4）數(shù)制選擇（D0）8253的每個(gè)通道都有兩種計(jì)數(shù)制：二進(jìn)制和二–十進(jìn)制（BCD碼）計(jì)數(shù)，由D0位決定。選擇二進(jìn)制時(shí)（D0=0），寫入初值的范圍為0000H~FFFFH，其中0000H是最大值，代表65536選擇二–十進(jìn)制時(shí)，寫入初值范圍為0000~9999，其中0000代表最大值10000。2.8253的初始化編程

剛接通電源時(shí)，8253芯片通道都處于未定義狀態(tài)，在使用之前，必須用程序把它們初始化為所需的特定模式，這個(gè)過程稱為初始化編程。

(1)寫入控制字

用輸出指令向控制字寄存器寫入一個(gè)控制字，以選定計(jì)數(shù)器通道，規(guī)定該計(jì)數(shù)器的工作方式和計(jì)數(shù)格式。

(2)寫入計(jì)數(shù)初值﹡若是8位數(shù)，只要用一條輸出指令就可完 成初值的設(shè)置。﹡如果是16位數(shù)，則必須用兩條輸出指令來 完成，而且規(guī)定先送低8位數(shù)據(jù)，后 送高8位數(shù)據(jù)。﹡計(jì)數(shù)初值為0時(shí)，也要分成兩次寫入。﹡采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)0表示65536，采用BCD 計(jì)數(shù)時(shí)0表示10000。

8253工作過程中，CPU可讀取任一通道的計(jì)數(shù)值。CPU讀到的是執(zhí)行輸入指令瞬間計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。但8253的計(jì)數(shù)器是16位，所以要分2次讀至CPU。因?yàn)槿舨绘i存的話，在前后兩次執(zhí)行輸入指令的過程中，計(jì)數(shù)值可能已經(jīng)變化了。鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)值有下面兩種方法：①利用GATE信號(hào)使計(jì)數(shù)過程暫停。②向8253寫入一個(gè)方式控制字，令8253通道的鎖存器鎖存。在某微機(jī)系統(tǒng)中，8253的3個(gè)計(jì)數(shù)器的端口地址分別為3F0H、3F2H和3F4H，控制字寄存器的端口地址為3F6H，要求8253的通道0工作于方式3，BCD計(jì)數(shù)，并已知對(duì)它寫入的計(jì)數(shù)初值n=1234（十進(jìn)制數(shù)）,則初始化程序?yàn)椋?/p>

MOVAL,00110111B；控制字：選擇通道0，先讀/寫低字節(jié)，

；后高字節(jié)，方式3，BCD計(jì)數(shù)MOVDX,3F6H；指向控制口OUTDX,AL；送控制字MOVAL,34H；計(jì)數(shù)值低字節(jié),代表00110100BCDMOVDX,3F0H；指向計(jì)數(shù)器0端口OUTDX,AL；寫入低字節(jié)MOVAL,12H；計(jì)數(shù)值高字節(jié),代表00010010BCDOUTDX,AL；寫入高字節(jié)6.2.48253的工作方式8253是一種面向微機(jī)系統(tǒng)的專用接口芯片，它的每一個(gè)計(jì)數(shù)器都可以按照控制字的規(guī)定有6種不同的工作方式，每種工作方式中都提供了以下三種情況：*

正常計(jì)數(shù)的波形圖；*

正在計(jì)數(shù)過程中改變門控信號(hào)GATE后對(duì)整個(gè)計(jì) 數(shù)工作的影響；*

正在計(jì)數(shù)的過程中改變計(jì)數(shù)值對(duì)整個(gè)計(jì)數(shù)工作的 影響。方式0——計(jì)數(shù)結(jié)束中斷方式(InterruptonTerminalCount)方式0的工作時(shí)序如圖6.5(a)(b)(c)所示。圖6.5(a)方式0正常計(jì)數(shù)CW=10LSB=3WRCLKGATEOUT322210FFCW=10LSB=3WRCLKGATEOUT322210FF圖6.5(b)方式0時(shí)GATE信號(hào)的作用圖6.5(c)方式0時(shí)計(jì)數(shù)過程中改變計(jì)數(shù)值注意8253寫計(jì)數(shù)值是由CPU的WR信號(hào)控制的，在WR信號(hào)的上升沿，計(jì)數(shù)值被送入對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值寄存器，在WR信號(hào)上升沿之后的下一個(gè)CLK脈沖才開始計(jì)數(shù)。如果設(shè)置計(jì)數(shù)初值N，輸出OUT是在寫入命令執(zhí)行后，第N+1個(gè)CLK脈沖之后，才變?yōu)楦唠娖降?。后面的方?、2、4、5也有同樣的特點(diǎn)。2.方式1——可編程的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(ProgrammableOneShort)方式1的工作波形如圖6.6(a)、(b)、(c)所示。

圖6.6(a)方式1正常計(jì)數(shù)LSB=3WRCLKGATEOUT3210FF32CW=12LSB=3WRCLKGATEOUT3210FF32CW=12圖6.6(b)方式1時(shí)GATE信號(hào)的作用LSB=3WRCLK321321CW=120GATEOUT圖6.6(c)方式1時(shí)計(jì)數(shù)過程中改變計(jì)數(shù)值LSB=2WRCLKGATEOUT4210FF3FECW=12LSB=4LSB=2WRCLKGATEOUT4210FF3FECW=12LSB=43.方式2——比率發(fā)生器、分頻器(RateGenerator)方式2用門控信號(hào)達(dá)到同步計(jì)數(shù)的目的，波形圖如圖6.7(a)、(b)、(c)、(d)所示。圖6.7(a)方式2正常計(jì)數(shù)圖6.7(b)方式2時(shí)GATE信號(hào)的作用4CW=14LSB=5WRCLKGATEOUT3214534CW=14LSB=4LSB=5WRCLKGATEOUT321453圖6.7(c)方式2時(shí)計(jì)數(shù)過程中改變計(jì)數(shù)值4.方式3——方波發(fā)生器(SquareWaveGenerator)方式3的工作過程同方式2，只是輸出的脈寬不同，波形如圖6.8(a)、(b)、(c)、(d)所示。圖6.8(a)方式3計(jì)數(shù)值為偶數(shù)時(shí)的波形圖6.8(b)方式3計(jì)數(shù)值為奇數(shù)時(shí)的波形圖6.8(c)方式3GATE信號(hào)的作用圖6.8(d)方式3計(jì)數(shù)過程中改變計(jì)數(shù)值5.方式4——軟件觸發(fā)選通方式(SoftwareTriggeredStrobe)GATE門控信號(hào)只是用來允許或停止定時(shí)操作，定時(shí)的執(zhí)行過程由裝入的初值決定，波形圖如圖6.9(a)、(b)、(c)所示。圖6.9(a)方式4正常計(jì)數(shù)圖6.9(b)方式4GATE信號(hào)的作用圖6.9(c)方式4計(jì)數(shù)過程中改變計(jì)數(shù)值6.方式5——硬件觸發(fā)選通方式(HardwareTriggeredStrobe)方式5為硬件觸發(fā)選通方式，完全由GATE端引入的觸發(fā)信號(hào)控制定時(shí)和計(jì)數(shù)，波形圖如圖6.10(a)、(b)、(c)所示。圖6.10(a)方式5正常計(jì)數(shù)OUTLSB=3WRCLKGATECW=1A3210FF3圖6.10(b)方式5時(shí)GATE信號(hào)的作用圖6.10(c)方式5時(shí)計(jì)數(shù)過程中改變計(jì)數(shù)值例6.16.2.5應(yīng)用舉例1.8253定時(shí)功能的應(yīng)用

設(shè)某應(yīng)用系統(tǒng)中，提供一個(gè)頻率為10kHz的時(shí)鐘信號(hào)，要求設(shè)計(jì)一個(gè)100ms定時(shí)器，每隔100ms向CPU發(fā)出一次中斷請(qǐng)求信號(hào)。

分析：采用8253定時(shí)器的通道0可以實(shí)現(xiàn)這一要求。將8253芯片的CLK0接到系統(tǒng)的10kHz時(shí)鐘上，OUT0輸出接到CPU的中斷請(qǐng)求線上，設(shè)8253的端口地址為10H~13H，如圖6.11所示。中斷請(qǐng)求信號(hào)CPU總線OUT0圖6.118253用于定時(shí)中斷(1)選擇工作方式由于系統(tǒng)要求每隔100ms定時(shí)中斷一次，即頻率為10Hz，可選用方式2來實(shí)現(xiàn)。每到100ms，即計(jì)數(shù)器減到1時(shí)，輸出端OUT0輸出一個(gè)CLK周期的低電平，向CPU申請(qǐng)中斷，同時(shí)按原設(shè)定值重新開始計(jì)數(shù)，即具有計(jì)數(shù)值自動(dòng)重裝的功能。

(2)確定計(jì)數(shù)初值已知fCLK0=10kHz，則TCLK0=0.1ms，所以，計(jì)數(shù)初值：

N=TOUT0/TCLK0=100ms/0.1ms=1000=03E8H

(3)初始化編程根據(jù)以上要求，可確定8253通道0的方式控制字為00110100B，即34H。

初始化程序段如下：

MOVAL，34H；通道0，16位計(jì)數(shù)，方式2，二進(jìn)制計(jì)數(shù)OUT13H，AL；寫入方式控制字到控制字寄存器MOVAL,0E8H;計(jì)數(shù)初值低8位OUT10H，AL；寫入計(jì)數(shù)初值低8位到通道0MOVAL,03H;計(jì)數(shù)初值高8位OUT10H，AL；寫入計(jì)數(shù)初值高8位到通道0例6.22.8253計(jì)數(shù)功能的應(yīng)用在IBMPC機(jī)（8088CPU系統(tǒng)）中，利用8253的通道0記錄外部事件的發(fā)生次數(shù)，每輸入一個(gè)脈沖表示事件發(fā)生1次，當(dāng)事件發(fā)生100次后就向CPU提出中斷請(qǐng)求（邊沿觸發(fā)）。假設(shè)8253片選信號(hào)的I/O地址范圍為200H~203H，8253的連接電路如圖6.12所示。外部事件產(chǎn)生A0A1A3~A9譯碼電路圖6.128253用于外部事件的計(jì)數(shù)

根據(jù)要求，可以選擇方式0來實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)初值N=100。8253初始化程序段如下：

MOVDX，203H；設(shè)置方式控制字地址MOVAL，10H；設(shè)定通道0為工作方式0，二進(jìn)制計(jì)數(shù)，只寫入

；低字節(jié)計(jì)數(shù)值OUTDX，AL

MOV