微型计算机原理第10章定时器／计数器课件.ppt

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1、10.1 定时/计数技术概述 10.2 可编程定时器/计数器8253/8254 10.3 8253在微机系统中的应用,第10章定时/计数技术及接口,第一，计算机系统本身需要一个时间基准，以保证计算机在确定时刻完成规定动作。,10.1 定时/计数技术概述,第10章定时/计数技术及接口,10.1.1 系统的时间基准,计算机为什么需要时间基准？,计算机系统的时间基准：主时钟频率（简称主频）,第二，用计算机构成的测控系统常被要求能提供一些定时和计数的功能。,10.1.2 系统定时分类软件定时：用循环程序实现定时：简单硬件定时：用硬件电路实现硬件定时：可编程硬件定时：用可编程芯片实现（软、硬件结

2、合方式）,第10章定时/计数技术及接口,第10章定时/计数技术及接口,举例：MOV CX，100;占用时钟周期数为m1 L1：MOV BX，50;占用时钟周期数为m1 L2：DEC BX;占用时钟周期数为m2 NOP;占用时钟周期数为m3 JNZ L2;占用时钟周期数为m4 NOP;占用时钟周期数为m3 LOOP L1;占用时钟周期数为m5,1.软件定时：让CPU执行一段具有固定延时时间的循环程序来实现的延时。是实现系统定时或延时控制的最简单的方法。优点：不需要外加硬件电路且定时精确。缺点：定时时间越长，CPU的开销越大，而且不能响应中断，否则定时就不准确。,则：定时时间t=T 100

3、50（m2+m3+m4）+m1+m3+m5+m1,设T为主频率对应的时钟周期,第10章定时/计数技术及接口,2.硬件定时:由硬件电路来实现的定时。优点减轻CPU的负担，使得在定时期间CPU能做其它工作。不可编程的硬件定时555时基电路等缺点：不易修改定时参数，时间长了器件会老化。可编程硬件定时8253定时/计数器等优点：定时参数和工作方式可由软件来控制，定时过程不需要CPU干预。,10.2.1 8253主要特性单一正5V电源，NMOS工艺制成。片内具有3个独立的16位减法计数器（或称计数通道）。计数频率为02MHz。两种计数方式：即二进制或BCD方式计数。六种工作方式，既可对系统时钟脉冲计

4、数实现定时，又可对外部事件进行计数。可由软件或硬件控制开始计数或停止计数。,第10章定时/计数技术及接口,10.2 可编程定时器/计数器8253/8254,10.2.2 8253 内部结构,第10章定时/计数技术及接口,1.数据总线缓冲器：三态、双向8位寄存器 CPU写入的命令传送的信息：CPU写入的计数初值 CPU读出的当前计数值8254增加了回读命令：CPU可读出当前状态,第10章定时/计数技术及接口,2.读/写逻辑读/写逻辑接收由CPU发来的读、写信号和地址信号等，选择读出或写入寄存器，控制芯片完成读写操作。3.控制字寄存器控制字寄存器接收CPU送来的控制命令。选择计数器及相应

5、的工作方式。控制字寄存器只能写入，不能读出。,第10章定时/计数技术及接口,4.计数器8253有三个独立的计数通道 16位的计数单元（减1计数器）每个通道的组成：16位初值寄存器（只写）16位输出锁存器锁存当前计数值控制单元控制该计数器的工作方式,第10章定时/计数技术及接口,第10章定时/计数技术及接口,图10.2 计数器的内部逻辑,计数初值寄存器：用于存放计数初值（定时常数或称分频系数），最大计数值为65536（64K）。计数初值是在初始化时装入计数初值寄存器的，计数初值在计数过程中保持不变。计数单元：用于进行减1计数操作，每来一个时钟脉冲，它就作一次减1运算，直至将计数初值减为零

6、。当前计数值锁存器：用于锁存减1计数器的内容，以供CPU读出。,第10章定时/计数技术及接口,计数器工作原理：初始化时首先向计数通道装入计数初值，送入计数初值寄存器然后送到计数单元（减1计数器）。计数启动后（GATE允许），在时钟脉冲CLK作用下，计数单元进行减1计数，直到计数值减到0，OUT输出端产生相应动作时，计数结束。计数初值寄存器的内容在计数过程中保持不变。需要读出当前计数值时，发锁存命令，锁存器锁定当前计数值，之后可读出当前计数值。,第10章定时/计数技术及接口,8253 的引脚图,第10章定时/计数技术及接口,10.2.3 8253外部特性,8253的引脚分为两部分：1

7、.与CPU连接的引脚 CPU写入的命令D7D0：数据线（双向,三态）传送 CPU写入的计数初值 CPU读出的当前计数值：写信号，用于控制完成写操作：读信号，用于控制完成写操作A1、A0：地址线，用于寻址8253内部的4个端口：片选信号，用于选中 8253芯片,第10章定时/计数技术及接口,表10.1 8253端口操作中各信号组合所实现的功能,第10章定时/计数技术及接口,2.与外设的接口引脚 CLK02：计数时钟，输入。用于输入定时脉冲或计数脉冲信号。GATE02：门控信号，输入。用于外部控制计数器的启动计数和停止计数的操作。OUT02：计数输出端。当计数器从初值开始完成计数操作时，OUT

8、引脚上输出相应的信号。,第10章定时/计数技术及接口,8253控制字的格式,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,第10章定时/计数技术及接口,10.2.4 8253方式控制字（CW）,第10章定时/计数技术及接口,例：选择2号计数器，工作在方式3，计数初值为533H（2个字节），采用二进制计数。设8253的端口地址为304H307H。则其初始化程序段为:,（1）工作方式编程举例,工作方式3为输出方波,10.2.5 8253控制字的应用,MOV DX，307H；命令口 MOV AL，10110110 B；2号计数器的初始化命令字 OUT DX，AL；写

9、入命令寄存器 MOV DX，306H；2号计数器数据口 MOV AX，533H；计数初值 OUT DX，AL；选送低字节到2号计数器 MOV AL，AH；取高字节送AL OUT DX，AL；后送高字节到2号计数器,（2）读当前计数值,在事件计数器的应用中，需要读出计数过程中的当前计数值，以便根据这个值做计数判断。,例：要求读出并检查1号计数器的当前计数值是否是全“1”。设8253的端口地址为304H307H，假定只读低8位。程序段为：MOV DX,307H；命令口 L：MOV AL，01000000B；1号计数器的锁存命令 OUT DX，AL；写入命令寄存器 MOV DX，305H；指向1号计

10、数器数据端口 IN AL，DX；读1号计数器的当前计数值 CMP AL，0FFH；比较 JNE L；非全“1”，再读 HLT；是全“1”，暂停,第10章定时/计数技术及接口,初始化编程的具体步骤为：1.写入计数器的控制字，规定其工作方式等；2.写入计数初值。若规定只写低8位，则写入的为计数值的低8位，高8位自动置0；若规定只写高8位，则写入的是计数值的高8位，低8位自动置0；若规定写16位计数值，则分两次写入，先写的必是低8位，后写的必是高8位。,第10章定时/计数技术及接口,10.2.6 8253 初始化编程,解：1按要求找出所用计数器的控制字选计数器0 只写低8位选工作方式0 二进

11、制计数选计数器1 只写高8位选工作方式2 BCD计数,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,1,0,0,1,0,1,例10.1：,某微机系统中8253的端口地址为40H43H，要求计数器0工作在方式0，计数初值为FFH，按二进制计数；计数器1工作在方式2，计数初值为1000，按BCD码计数。试写出初始化程序段。,计数器0的控制字：,计数器1的控制字：,第10章定时/计数技术及接口,2初始化程序段MOV AL，10H；写通道0控制字OUT 43H，ALMOV AL，0FFH；写通道0计数初值OUT 40H，AL MOV AL，65H；写通道1控制字OUT 43H，AL MOV AL，10

12、H；写通道1计数初值OUT 41H，AL,第10章定时/计数技术及接口,例10.2：,设8253端口地址为FFF0HFFF3H，要求计数器2工作在方式5，二进制计数，初值为F03FH。试按上述要求完成8253的初始化。解：选计数器2 先写低8位选工作方式5 二进制计数再写高8位,1控制字,第10章定时/计数技术及接口,2初始化程序段MOV DX，0FFF3H；DX指向控制端口MOV AL，0BAH；写控制字OUT DX，AL MOV DX，0FFF2H；DX指向通道2MOV AL，3FH；写初值低8全OUT DX，ALMOV AL，0F0H；写初值高8位OUT DX，AL,第10章定

13、时/计数技术及接口,10.2.7 8253工作方式,通常，在时钟脉冲CLK的上升沿，门控信号GATE被采样。不同工作方式，门控信号的触发有具体规定，或用电平触发，或用边沿触发。方式0、4中，门控信号为电平触发；方式1、5中，门控信号为上升沿触发；方式2、3中，既可用电平触发，也可用上升沿触发。在时钟脉冲的下降沿，计数器作减1计数。0是计数器所能容纳的最大值，因为用二进制计数时，16位计数器中，0相当于216；用BCD码计数时，0相当于104。,几条基本原则：控制字写入计数器时，所有的控制逻辑电路立即复位，输出端OUT进入初始状态（高电平或者低电平）。初值写入以后，要经过一个时钟上升沿和一个时钟

14、下降沿，计数执行部件才开始计数。,第10章定时/计数技术及接口,工作方式及其特点8253中有三个独立的计数器，每个计数器都可编程选择六种工作方式之一。主要从三个方面区别这六种工作方式：其一是他们的输出波形不同；其二是启动计数器的触发方式不同；其三是计数过程中门控信号对计数操作的影响不同。另外：计数过程中可以写入新的初值，对于不同的工作方式，新的初值对计数过程的影响不同。,第10章定时/计数技术及接口,1.方式0-计数结束产生中断,正常计数,GATE影响,新的初值影响,第10章定时/计数技术及接口,方式0有如下3个特点:正常计数过程：写入控制字后的时钟上升沿OUT变低，向计数器写完计数初值

15、后，开始减1计数，在计数过程中输出端OUT一直保持低电平，当计数器减到0时，OUT立即变成高电平。门控信号的影响：门控信号GATE为高电平时，计数器工作；当GATE为低电平时，计数器停止工作，其计数值保持不变。如果门控信号GATE再次变高时，计数器从中止处继续计数。新的计数初值的影响：在计数器工作期间，如果重新写入新的计数值，计数器将按新写入的计数初值重新开始计数。,第10章定时/计数技术及接口,例1：使计数器T1工作在方式0，进行16位二进制计数，计数初值的高低字节分别为BYTEH和BYTEL。(设8253的端口地址为304H307H）其初始化程序段为:MOV DX,307H；命令口 MO

16、V AL，01110000B；方式字 OUT DX，AL MOV DX，305H；T1数据口 MOV AL，BYTEL；计数值低字节 OUT DX，AL MOV AL，BYTEH；计数值高字节 OUT DX，AL,第10章定时/计数技术及接口,2.方式1可重触发的单稳态触发器,图10.5 方式1输出波形图,正常计数,GATE影响,新的初值影响,第10章定时/计数技术及接口,正常计数过程：写入控制字后的时钟上沿输出OUT变高,写入计数初值后，计数器并不立即开始工作；门控信号GATE有效(上升沿到来)，使输出OUT变成低电平,同时才开始减1计数；直到计数器值减到0后，输出才变成高电平。,方式1

17、说明,第10章定时/计数技术及接口,新的计数初值的影响：如果工作期间对计数器写入新的计数初值，则要等到当前的计数值计满回零且门控信号再次出现上升沿后，才按新写入的计数初值开始工作。,门控信号的影响：在计数器工作期间，当GATE又出现一个上升沿时，计数器重新装入原计数初值并重新开始计数。,使计数器T2 工作在方式1，进行8位二进制计数，并设计数初值的低8位为BYTEL。(设8253的端口地址为304H307H）其初始化程序段为 MOV DX，307H；命令口 MOV AL，10010010B；方式字 OUT DX，AL MOV DX，306H；T2数据口 MOV AL，BYTEL；低8位计数值

18、 OUT DX，AL,第10章定时/计数技术及接口,例2：,3.方式2 分频器,方式2是一种自动装计数初值的N分频器。,正常计数,GATE影响,新的初值影响,图10.6 方式2输出波形图,第10章定时/计数技术及接口,第10章定时/计数技术及接口,新的计数初值的影响：如果工作期间对计数器写入新的计数初值：GATE一直为高电平：新的初值下次有效写入新的初值后，遇到GATE上升沿，新的初值有效,方式2说明：输出连续脉冲波,正常计数过程：写入控制字后的时钟上沿输出OUT变高，写入计数初值后，计数器开始减1计数，减到1时OUT变成低电平，减到0时OUT又变成高电平，同时初值自动重新装入，并重复

19、前一过程；,门控信号的影响：在计数器工作期间，当GATE变为低电平时终止计数，而当GATE又恢复为高电平后，计数器重新装入原计数初值并重新开始计数。,则,例3：使计数器T0 工作在方式2，进行16位二进制计数。(设8253的端口地址为304H307H）其初始化程序段为 MOV DX，307H；命令口 MOV AL，00110100B；方式字 OUT DX，AL MOV DX，304H；T0数据口 MOV AL，BYTEL；低8位计数值 OUT DX，AL MOV AL，BYTEH；高8位计数值 OUT DX，AL,第10章定时/计数技术及接口,第10章定时/计数技术及接口,4.方式3方波发

20、生器,方式3与方式2基本相同，也具有自动装入时间常数（计数初值）的功能。,图10.7 方式3输出波形图,计数值为偶数,计数值为奇数,说明：（1）工作在方式3，引脚OUT输出的是占空比为1：1或近似1：1的方波；当计数初值为偶数时，输出严格方波（输出脉冲占空比为50%）。当计数初值为奇数时，输出近似方波（输出脉冲占空比约为50%）。（2）由于方式3输出的波形是方波，并且具有自动重装计数初值的功能，因此，8253一旦计数开始，就会在输出端OUT输出连续不断的方波。,第10章定时/计数技术及接口,图10.8 方式4输出波形图,5.方式4软件触发的选通信号发生器,正常计数,新的初值影响,GATE影响

21、,第10章定时/计数技术及接口,输出单次单拍负脉冲（软件触发）,第10章定时/计数技术及接口,新的计数初值的影响：任何时候对计数器写入新的计数初值，只要GATE=1，就会立即终止现行的计数过程，而按新写入的计数初值开始工作。,门控信号的影响：在计数器工作期间，GATE=1允许计数，GATE=0禁止计数，输出OUT维持当时的电平，只有计数减到0时OUT才变低1个时钟周期，然后又恢复成高电平。,正常计数过程：写入控制字后的时钟上沿输出OUT变高，写入计数初值后，计数器开始减1计数，减到0时OUT变低1个时钟周期，然后又恢复成高电平。,方式4说明：,例4：使计数器T1工作于方式4，进行8位二进制

22、计数，并且只装入高8位计数值。(设8253的端口地址为304H307H）其初始化程序段为：MOV DX，307H；命令口 MOV AL，01101000B；方式字 OUT DX，AL MOV DX，304H；T2数据口 MOV AL，BYTEH；低8位计数值 OUT DX，AL,第10章定时/计数技术及接口,6.方式5硬件触发的选通信号发生器,图10.9 方式5输出波形图,正常计数,GATE影响,第10章定时/计数技术及接口,方式5工作特点1）在方式5下，当写入计数初值后，计数器并不立即开始计数，而要由门控信号的上升沿启动计数。2）在计数过程中（或者计数结束后），如果门控再次出现上升沿，计

23、数器将从原装入的计数初值重新计数。3）新的计数初值要等到下一个门控信号的上升沿到来才能生效。,输出单次单拍负脉冲（硬件触发）,第10章定时/计数技术及接口,方式5说明：,6种工作方式的比较,方式2（分频器）和方式3（方波发生器），这两种方式共同的特点是具有自动重加载功能（装入初值）。二者的区别在于：方式2在计数过程中输出高电平，而在每当减1至0时输出宽度为1个TCLK的负脉冲。方式3是在计数过程中，OUT的信号是占空比为1:1的方波或近似方波。,方式4（软件触发单脉冲）和方式5（硬件触发单脉冲）。这两种方式的OUT输出波形相同，两者的区别是计数启动的触发信号不同，前者由写初值启动计数，后者由

24、GATE信号的上升沿启动计数）。,方式0（门控单稳）和方式1（门控单稳），这两种方式的输出波形类似。,第10章定时/计数技术及接口,各种工作方式的输出波形,第10章定时/计数技术及接口,例：设8253的计数器0，工作在方式1，计数初值为2050；计数器1，工作在方式2，计数初值为3000；计数器2，工作在方式3，计数初值为1000。如果三个计数器的GATE都接高电平，三个计数器的CLK都接2MHz时钟信号，试画出OUT0、OUT1、OUT2的输出波形。,第10章定时/计数技术及接口,举例分析：计数器0工作在方式1，即可编程的单脉冲方式。这种方式下，计数的启动必须由外部门控脉冲GATE控制

25、。因为GATE接了高电平，当方式控制字写入后OUT0变高，计数器无法启动，所以OUT0输出高电平。计数器1工作在方式2，即分频器的方式。输出波形的频率f=2MHz/3000=666.7Hz，其周期为1.5ms（1/666.70.0015），输出负脉冲的宽度等于CLK的周期为0.5s。(1/2000000=0.0000005)计数器2工作在方式3，即方波发生器的方式。输出频率f=2MHz/1000=2000Hz的对称方波。即每个周期500s。,第10章定时/计数技术及接口,三个OUT的输出波形如下：,第10章定时/计数技术及接口,例10.3：IBM-PC/XT微机的某扩展板上使用一片8253

26、，其端口地址为200H203H。要求从定时器0的输出端OUT0得到500Hz的方波信号，从定时器1的输出端OUT1得到50Hz的连续单拍负脉冲信号。已知系统提供的计数脉冲频率为250KHz，其硬件连接见图10.10。试编写初始化此8253的程序段。,第10章定时/计数技术及接口,11.2.8 8253应用举例,图10.10 例10.3硬件连接图,例10.3,解：1确定工作方式定时器0工作在方式3；定时器1工作在方式2。2计算计数初值计数初值=分频系数=fclk/fout 定时器0：N0=fclk0/fout0=250000/500=500 化为十六进制为01F4H。定时器1：N1=fclk1

27、/fout1=500/50=10 化成16进制为0AH。,第10章定时/计数技术及接口,3确定控制字定时器0：定时器1：,0,0,1,1,0,1,1,0,第10章定时/计数技术及接口,4初始化程序段MOV DX，203H；写定时器0控制字MOV AL，36HOUT DX，ALMOV DX，200H；写定时器0计数初值低8位MOV AL，0F4HOUT DX，ALMOV AL，01H；写定时器0计数初值高8位OUT DX，ALMOV DX，203H；写定时器1控制字MOV AL，54HOUT DX，ALMOV DX，201H；写定时器1计数初值MOV AL，0AHOUT DX，AL,第10章

28、定时/计数技术及接口,例10.4：,某IBM PC/XT 应用系统中，当某一外部事件发生时（给出一高电平信号），1秒钟后向主机申请中断。若用8253实现此延迟，试设计硬件连接图并对8253进行初始化。8253的端口地址为40H43H。,第10章定时/计数技术及接口,图10.11 例10.4硬件连接图,第10章定时/计数技术及接口,解：1确定工作方式若题目要求，OUT1输出的是连续方波，而OUT2端输出连续单拍负脉冲或高电平，则定时器1工作在方式3，定时器2必须工作在方式2或方式0。2计算计数初值若8253的定时器工作在方式2或方式3，实际上相当于分频器，即OUT端的输出信号频率是由C

29、LK端的信号频率经定时器分频得到的，而分频系数就是从计数初值开始减到1时所计得的时钟周期数。那么，计数初值N就是定时器的分频系数所对应的数字。也就是说，存在如下关系式：计数初值=分频系数=fclk/fout,第10章定时/计数技术及接口,定时器1计数初值：,定时器2计数初值：0000 0000,分析：实现1秒定时，对应频率为1Hz。定时器分频系数=N2N1=fclk0/fout0=1190000/1=1190000将分频系数分解到定时器1和定时器2。若选择十进制计数，可取N1=119，N2=10000,0000 0000,0000 0000,0001 1001,0000 0001,第10章

30、定时/计数技术及接口,3 确定控制字,第10章定时/计数技术及接口,4初始化程序段MOV AL，01110111B；写定时器1控制字OUT 43H，ALMOV AL，00011001H；写定时器1计数初值低8位OUT 41H，ALMOV AL，00000001B；写定时器1计数初值高8位OUT 41H，AL MOV AL，10010001B；写定时器2控制字OUT 43，ALMOV AL，00000000B；写定时器2计数初值低8位OUT 42H，AL（高8位自动清0）,第10章定时/计数技术及接口,10.3 8253在微机系统中的应用,10.3.1 IBM PC/XT系统板上的8253-

31、5 定时器/计数器8253-5其原理与8253相同三个通道的计数脉冲均为1.19MHz 计数器0：用于产生实时时钟信号计数器1：用于产生动态存储器刷新的地址更新定时信号计数器2：用于产生扬生器的发音驱动信号,第10章定时/计数技术及接口,10.3.2 IBM PC/XT中的扬声器接口,图10.12 IBM PC/XT系统中的扬声器接口电路,第10章定时/计数技术及接口,8255A的PB1,8255A的PB0,IBM PC/XT中的扬声器接口,例如，要使IBM PC/XT系统中的扬声器发出600Hz的声音，相应程序段为：IN AL，61H；读8255A-5的端口BOR AL，3OUT 61H，AL；将PB0和PB1置1，打开通道2的门，接通扬声器MOV AL，10110111BOUT 43H，AL；置通道2工作在方式3，先写低8位后再写高8位，BCD计数MOV AX，1989H；计数初值=1.19MHz/600Hz=1989OUT 42H，AL；写初值低8位MOV AL，AHOUT 42H，AL；写初值高8位,第10章定时/计数技术及接口,