第12章

可編程定時器/計數器及其應用本章主要內容1.計算機中定時、計數的基本技術；2.可編程計數器/定時器8253的結構及工作方式；3.8253的編程應用。12.1概述實現定時的三種方法：1.軟件定時

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

MOVCX,××××HHERE:LOOPHERE優點:不需要專門的硬件設備。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

穩態td觸發信號

暫穩態單穩態電路3.可編程計數器/定時器可用軟件的方法(通過初始化編程)設定或調整定時范圍。典型產品：ZilogZ80-CTCIntel

8253(8254)12.2可編程計數器/定時器825312.2.18253的主要功能(1)具有三個獨立的16位計數通道；(2)每個計數通道可按二進制或二－十進制計數；(3)每個計數通道的計數速率可達2MHz；(4)每個計數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的結構8253的內部結構框圖如圖12.1所示。由圖可見，它由與CPU的接口、內部控制電路以及三個計數器通道所組成。數據總線緩沖器讀/寫邏輯控制字寄存器D7~D0計數器0計數器1計數器2RDWRA0A1CS內部總線CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2圖12.18253內部結構框圖1.數據總線緩沖器這是8253與CPU的數據總線(D7～D0)連接的8位雙向三態緩沖器。

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內部操作的控制電路，它從系統控制總線上接收輸入信號，然后轉換成8253內部操作的各種控制信號。3.控制字寄存器當地址信號A1和A0都為1時，訪問控制字寄存器。控制字寄存器從數據總線上接收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的控制寄存器的內容決定該通道的工作方式，選擇計數器是按二進制還是BCD數計數，并確定每個計數器初值的寫入順序。4.計數器0、計數器1、計數器2這是三個計數器/定時器通道，每一個都由16位的可設置計數初值的減法計數器構成。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的結構框圖如圖12.2所示。

數據總線地址譯碼RDWRIO/MVCCGNDCLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2D7~D0RDWRCSA1A0控制寄存器（8位）高8位低8位高8位低8位計數器0高8位低8位計數初值寄存器（CR）計數執行部件（CE）輸出鎖存器（OL）計數器1計數器2圖12.28253計數通道結構

“控制寄存器”及“計數初值寄存器(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——計數到零產生中斷請求

(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：計數器只計一遍而不能自動重復工作。當減1計數到零時，并不自動恢復計數初值重新開始計數，且OUT輸出保持為高電平。只有CPU再次寫入一個新的計數值(即使計數值相同也需再次寫入)，OUT才變為低電平，計數器按新寫入的計數值重新開始計數。或者CPU重新對8253設置方式0控制字，它的OUT輸出也可以立即變為低電平，并等再次寫入計數初值后重新開始計數。(2)CPU向CR寄存器寫入計數初值后的第一個CLK脈沖（即圖中用斜線標出的那個脈沖），將CR的內容送入CE，從此之后計數器才開始減1計數。這第一個CLK脈沖不包括在減1計數過程中。如果設置計數初值為N，則輸出OUT是在N+1個CLK脈沖之后才變為高電平。(3)在計數過程中，可由GATE信號控制暫停計數。當GATE變低時，計數暫停；當GATE變高后又接著計數。其工作波形如圖12.5所示。CLKGATE12223N＝3CWWROUT圖12.5方式0計數過程中改變GATE信號0(4)在計數過程中也可改變計數值。在寫入新的計數值后，計數器將立即按新的計數值重新開始計數，即改變計數值是立即有效的。當按新的計數值減1計數到0時，輸出OUT變為高電平。其工作波形如圖12.6所示。CLKGATE（高）12123CWN＝3WROUT圖12.6方式0計數過程中改變計數值0N＝22.方式1—硬件可重復觸發的單穩態觸發器(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輸出變為高電平(若原為高電平，則保持為高電平)；在CPU寫入計數初值后，計數器并不開始計數，直至門控信號GATE上升沿(即門控觸發信號)出現，并在其下一個CLK脈沖的下降沿，CR的內容送入CE，同時使OUT輸出變為低電平，然后開始對隨后的CLK脈沖進行減1計數。

在計數過程中，OUT一直維持為低電平，直至減1計數到0時，OUT輸出變為高電平。即由于GATE上升沿的觸發，使OUT輸出端產生一個寬度為N個CLK周期的負脈沖。此后，若再次由GATE上升沿觸發，則輸出再次產生一個同樣寬度的負脈沖。方式1的主要特點是：(1)若設置計數初值為N，則輸出負脈沖的寬度為N個CLK脈沖周期。(2)當計數到零時，可再次由GATE上升沿觸發，輸出同樣寬度的負脈沖，而不必重新寫入計數初值。(3)在計數過程中(輸出負脈沖期間)，可由GATE上升沿再觸發。并使計數器從計數初值開始重新作減1計數，減至0時，OUT輸出變為高電平。其效果是使輸出負脈沖的寬度比原來加寬了。(4)在計數過程中，CPU可改變計數初值，這時計數過程不受影響，計數到零后輸出變高。當再次觸發時，計數器才按新輸入的計數值計數。即改變計數值是下次有效的。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。在寫入計數初值后，計數器將自動對輸入時鐘CLK計數。在計數過程中OUT輸出為高，直至計數器減到1(注意，不是減到0)時，OUT輸出變低，經過一個CLK周期，輸出恢復為高，且計數器將自動重新開始計數。這種方式可作脈沖速率發生器或用來產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)不用重新設置計數值，通道能連續工作，輸出固定頻率的脈沖。如果計數初值為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，重復周期為N倍的CLK周期。(2)計數過程可由GATE信號控制。當GATE信號變低時，立即暫停現行計數；當GATE信號又變高后，從計數初值開始重新計數。(3)如果在計數過程中，CPU重新寫入計數值，則對于正在進行的計數無影響，而是從下一個計數操作周期開始按新的計數值改變輸出脈沖的頻率。4.方式3——方波發生器

(SquareWaveRateGenerator)方式3和方式2的工作情況類似，兩者的主要區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。即在一個計數周期內，若計數初值N為偶數，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，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設置控制字后，輸出將為高，在寫完計數初值N后計數器就自動開始計數，輸出保持為高。當計數到N/2(或(N+1)/2)時，輸出變低，直至計數到0，使輸出變高。同時又重新裝入計數值開始新的計數。計數過程周而復始重復進行。這種方式常用來產生一定頻率的方波。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)若計數初值N為偶數，則輸出波形是周期為N個CLK周期的對稱方波；若計數初值N為奇數，則輸出波形是周期為N個CLK周期的基本對稱矩形波，其高電平持續時間比低電平持續時間多一個CLK周期。(2)如果在計數過程中，GATE信號變低，則暫停現行計數過程，直到GATE再次有效，將從計數初值開始重新計數。(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初值，并從下一個計數操作周期開始改變輸出方波的頻率。5.方式4—軟件觸發選通

(SoftwareTriggeredStrobe)在方式4，當寫入控制字后，OUT輸出為高。當寫入計數初值后計數器即開始計數(相當于軟件觸發啟動)，當計數到0后，輸出變低，經過1個CLK周期，輸出又變高。方式4不能自動重復計數，即這種方式計數是一次性的。每次啟動計數都要靠重新寫入計數值，所以稱為“軟件觸發選通”。當8253工作于方式4時，可用作軟件觸發的選通信號發生器。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)若設置計數初值為N，則在寫入計數初值后的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；GATE為低時，禁止計數。所以，要實現軟件啟動，GATE應為高。(3)若在計數過程中改變計數值，則按新的計數值重新開始計數，即改變計數值是立即有效的。方式4可應用于這樣一種情況：

CPU經輸出端口發送并行數據給接收系統，經過一段時間延遲后，再發送一個選通信號，利用該選通信號將并行數據打入到接收系統的緩沖寄存器中。通過改變計數初值N,可以方便地調整發出選通信號的延遲時間。6.方式5——硬件觸發選通

(HardwareTriggeredStrobe)

在方式5，設置了控制字后，輸出為高。在設置了計數初值后，計數器并不立即開始計數，而是由門控信號GATE的上升沿觸發啟動。當計數到0時，輸出變低，經過一個CLK周期，輸出恢復為高，并停止計數。要等到下次門控GATE信號的觸發才能再計數，即方式5的計數是一次性的。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)若設置計數初值為N，則在門控GATE上升沿觸發后，經過N+1個CLK脈沖，才輸出一個負脈沖。(2)若在計數過程中再次出現門控GATE觸發信號，則將使計數器從計數初值開始重新計數，但OUT輸出的高電平不受影響。(3)若在計數過程中改變計數值，只要在計數到0之前不出現新的門控觸發信號，則原計數過程不受影響；等計數到0并出現新的門控發信號后，再按新的計數值計數。若在寫入了新的計數值后，在未計數到0之前有門控觸發信號出現，則立即按新的計數值重新開始計數。7.8253工作方式小結

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

區別是，方式2是自動重復工作的，而方式4需由軟件(設置計數值)觸發啟動，方式5需由門控GATE信號觸發啟動。

(2)方式5(硬件觸發選通)與方式1(硬件觸發單穩)，觸發信號相同，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，只有在寫入計數初值后才能開始計數。方式0、2、3、4都是寫入計數初值后，計數過程就開始了。方式1、5在寫入計數初值后，需由外部GATE信號的觸發啟動，才能開始計數過程。(5)6種工作方式中，只有方式2(分頻器)和方式3(方波發生器)為自動重復工作方式，其他4種方式都是一次性計數，要繼續工作需要重新啟動。12.2.58253的初始化編程1.內部寄存器的尋址8253有三個獨立的計數器通道，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占用四個連續的端口地址，分別對應于三個計數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。

為了能夠將每個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內部寄存器的尋址如表12-1所示。表12-18253內部寄存器的尋址

CSRDWRA1A0寄存器選擇和操作01000寫通道0計數初值寄存器CR001001寫通道1計數初值寄存器CR101010寫通道2計數初值寄存器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位規定的格式進行寫入。

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

后讀/寫計數器高8位讀/寫格式：計數制：0二進制計數1十進制計數工作方式：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：

當采用二進制計數時，如果是8位二進制計數（計數值≤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（二進制、十進制或十六進制）的形式；如果是16位二進制計數（計數值≤65536），一種方法是先把計算得到的十進制計數初值n轉換成4位十六進制數（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,AH

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

例如n=50，則應按如下方式寫入：

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的計數通道1，工作在方式0，按8位二進制計數，計數初值為128，則初始化編程如下：

(1)確定通道控制字-------50H

(2)8位計數初值-----------80H設8253的端口地址為48H～4BH，則初始化程序段為：

MOVAL，50HOUT4BH，AL;設置通道1控制字MOVAL，80HOUT49H，AL;寫通道1計數初值，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，計數初值為2010，則初始化編程如下：(1)確定通道控制字------33H(2)計數初值低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；設置通道0控制字MOVAL，10H

OUT48H，AL；寫通道0計數初值低8位MOVAL，20HOUT48H，AL；寫通道0計數初值高8位12.2.68253的讀出操作

1.讀之前先暫停計數2.讀之前先發鎖存命令12.38253的應用例12.4

8253用作脈沖信號發生器。

可用8253產生如圖12.14(a)所示的周期性脈沖信號，其重復周期為5μs，脈沖寬度為1μs。

設CLK信號頻率為2MHz。圖12.148253用作脈沖信號發生器MOVAL，00010010B；設置計數器0為方式1(單穩)，只寫低8位，二進制計數OUT86H，ALMOVAL，02H；設置計數器0的計數初值為2OUT80HALMOVAL，01010100B；設置計數器1為方式2(分頻器)，只寫低8位，二進制計數OUT86H，ALMOVAL，0AH；設置計數器1的計數初值為10OUT82H，AL例12.3

用8253實現生產流水線上的工件計數，每通過100個工件，揚聲器便發出頻率為1000Hz的音響信號，持續時間為5秒。設外部時鐘頻率為2MHZ。INTR（中斷請求）＋5V時鐘2MHz8255APA0GATE1CLK1GATE0OUT08253CLK0OUT1驅動電路揚聲器＋5V光敏電阻工件光源圖12.138253用于工件計數圖12.138253用于工件計數INTR+5V設8253的端口地址為40H～43H,8255A的端口地60H～63H,則實現本例功能的程序段如下：主程序：

MOVAL,00010001B；8253計數通道0初始化：方式0，只寫低8位，BCD計數.

OUT43H,ALMOVAL,99H；寫計數通道0的計數初值

OUT40H,ALMOVAL,10000000B；8255A初始化：A口方式0輸出

OUT63H,ALSTI；CPU開中斷HERE：JMPHERE；等待中斷中斷服務程序：MOVAL,01H;8255A的PA0輸出高電平，啟動8253計數通道1工作OUT60H,ALMOVAL,01110111B;8253計數通道1初始化：先寫低8位，后寫高8位OUT43H,AL；方式3，BCD計數M