第7章1 定时计数器8253.pdf

1 微机与接口技术 西南交通大学 第7章 常用数字接口电路 第7章 常用数字接口电路 主要内容 主要内容 8253 8255可编程接口芯片及其应用可编程接口芯片及其应用 2 微机与接口技术 西南交通大学 7 2 可编程定时可编程定时 计数器计数器8253 主要内容主要内容 引线功能及计数启动方法引线功能及计数启动方法 6种工作方式及其输出波形种工作方式及其输出波形 8253的使用的使用 芯片与系统的连接芯片与系统的连接 芯片的初始化编程芯片的初始化编程 典型应用典型应用 3 微机与接口技术 西南交通大学 定时信号定时信号 系统时钟系统时钟 DRAM刷新定时刷新定时 定时采样定时采样 实时控制实时控制 脉冲的计数脉冲的计数 系统时钟是微机内总的同步信号源 但其时钟周期 很小 例如 系统时钟是微机内总的同步信号源 但其时钟周期 很小 例如 10M Hz的主时钟频率下的时钟周期为的主时钟频率下的时钟周期为 100ns 而微机内需要用到一些较长周期的信号源 例 如 动态存储器的刷新定时为 而微机内需要用到一些较长周期的信号源 例 如 动态存储器的刷新定时为2ms 8259定时中断周期 为 定时中断周期 为55ms 一些实时调度程序的定时周期为 一些实时调度程序的定时周期为1ms 10ms 因此 需要有一个功能部件可编程 产生在主时钟基础 上的不同分频值时钟 因此 需要有一个功能部件可编程 产生在主时钟基础 上的不同分频值时钟 4 微机与接口技术 西南交通大学 如何实现定时 如何实现定时 软件方法 软件方法 用一段程序实现延时用一段程序实现延时 利用利用程序循环程序循环延迟指定的时间延迟指定的时间 缺点 缺点 CPU利用率低 延时精度不高 利用率低 延时精度不高 硬件方法 硬件方法 定时定时 计数器电路计数器电路 利用利用脉冲计数脉冲计数在设定的时间输出定时信号 在设定的时间输出定时信号 程序简单 程序简单 CPU利用率高 应用广泛 利用率高 应用广泛 82538253是一种硬件定时是一种硬件定时是一种硬件定时是一种硬件定时 计数器芯片计数器芯片计数器芯片计数器芯片 5 微机与接口技术 西南交通大学 定时定时 计数器的基本概念计数器的基本概念 1 定时器定时器 能通过对等周期输入时钟脉冲分频值的设定能通过对等周期输入时钟脉冲分频值的设定 来产生不同频率值输出脉冲的功能部件 来产生不同频率值输出脉冲的功能部件 可编程分频 器 可编程分频 器 2 计数器计数器 可对输入脉冲个数进行计数可对输入脉冲个数进行计数 当输入脉冲个数 达到设定值时将产生一个有效输出电平 当输入脉冲个数 达到设定值时将产生一个有效输出电平 6 微机与接口技术 西南交通大学 2 不同之处不同之处 1 定时器方式下定时器方式下 减一计数器的值减到零后会自动恢复其初始值进行 新一轮的减一计数过程 减一计数器的值减到零后会自动恢复其初始值进行 新一轮的减一计数过程 并循环往复 而计数器方式下 当减一 计数器的值减到零后 不再进行新的自动往复计数过程 除非有 外界因素的重触发 并循环往复 而计数器方式下 当减一 计数器的值减到零后 不再进行新的自动往复计数过程 除非有 外界因素的重触发 2 定时器方式下 输入时钟必须是等周期的 而计数器方式下则不 一定 定时器方式下 输入时钟必须是等周期的 而计数器方式下则不 一定 1 相同之处相同之处 通过对一个减一计数器初始值的设定来实现分频或计数 减一 计数器的值会在每个输入脉冲作用下自动减一 减一计数器的 值减到零后会产生一个输出 输出信号形式可编程选择 通过对一个减一计数器初始值的设定来实现分频或计数 减一 计数器的值会在每个输入脉冲作用下自动减一 减一计数器的 值减到零后会产生一个输出 输出信号形式可编程选择 定时器与计数器的异同点定时器与计数器的异同点 7 微机与接口技术 西南交通大学 7 2 1 8253外部引线及内部结构外部引线及内部结构 8253概貌概貌 3个个16位的定时位的定时 计数器 通道 计数器 通道 24引脚双列直插式引脚双列直插式 最高计数频率最高计数频率2MHz TTL电平兼容电平兼容 单电源单电源 5V供电供电 8 微机与接口技术 西南交通大学 1 外部引线及功能外部引线及功能 DBD7 D0 8253 A1 A0 WR RD CS 通道通道2 通道通道1 通道通道0 CLK0 GATE0 OUT0 CLK1 GATE1 OUT1 CLK1 GATE1 OUT1 A1 A0 IOW IOR 片选信号片选信号 9 微机与接口技术 西南交通大学 连接连接系统端系统端的主要引线 的主要引线 D7 D0 CS RD WR A1 A0 用于选择四个端口之一用于选择四个端口之一 A1 A0 选 择选 择 0 0 计数通道计数通道0 0 1 计数通道计数通道1 1 0 计数通道计数通道2 1 1 控制寄存器控制寄存器 计数通道计数通道的主要引线 每通道均相同 的主要引线 每通道均相同 CLKn时钟脉冲输入 计数器的计时基准 时钟脉冲输入 计数器的计时基准 GATEn门控信号输入 控制计数器的启停 门控信号输入 控制计数器的启停 OUTn计数器输出信号 不同工作方式下产生不 同波形 计数器输出信号 不同工作方式下产生不 同波形 n 0 2 10 微机与接口技术 西南交通大学 2 8253的内部结构的内部结构 WR A0 A 1 CS WR A0 A 1 CS 数据 总线缓 冲器 读 写 逻辑 控制 寄存器 计数器 0 计数器 1 计数器 2 GATE1 D0 D7 数据 总线缓 冲器 读 写 逻辑 控制 寄存器 计数器 0 计数器 1 计数器 2 GATE1 D0 D7 RDRD CLK1 OUT1 CLK2 GATE2 OUT 2 CLK 0 GATE0 OUT0 片 内 总 线 CLK1 OUT1 CLK2 GATE2 OUT 2 CLK 0 GATE0 OUT0 片 内 总 线 11 微机与接口技术 西南交通大学 8253的内部结构的内部结构 计数器计数器 3个个 包括包括 控制寄存器控制寄存器 存放控制命令字 只写 存放控制命令字 只写 占用占用4个地址个地址 3个计数器 个计数器 1个控制寄存器个控制寄存器 16位初值寄存器位初值寄存器 16位计数寄存器位计数寄存器 16位当前计数值锁存器位当前计数值锁存器 减法计数器 减法计数器 8253计数器内部结构计数器内部结构 12 微机与接口技术 西南交通大学 定时定时 计数的工作过程计数的工作过程 1 设置设置8253的工作方式的工作方式 2 设置计数初值到初值寄存器设置计数初值到初值寄存器 3 第一个第一个CLK信号使初值寄存器的内容置入计数寄存器信号使初值寄存器的内容置入计数寄存器 4 以后每来一个以后每来一个CLK信号 计数寄存器减信号 计数寄存器减1 5 减到减到0时 时 OUT端输出一特殊波形的信号端输出一特殊波形的信号 以上计数过程中还受到以上计数过程中还受到GATE信号的控制信号的控制 计数初值寄存器的内容 在计数过程中保持不变 计数初值寄存器的内容 在计数过程中保持不变 计数初值可从计数初值寄存器直接读出 计数初值可从计数初值寄存器直接读出 当前计数值 则必须将当前值锁存后 从输出锁存器读 出 不能直接从减 当前计数值 则必须将当前值锁存后 从输出锁存器读 出 不能直接从减1计数器中读出当前值 计数器中读出当前值 13 微机与接口技术 西南交通大学 3 计数启动方式计数启动方式 软件启动过程软件启动过程 GATE端保持为高电平端保持为高电平 写入计数初值写入计数初值后的第后的第2个个 CLK脉冲的 下降沿开始计数 脉冲的 下降沿开始计数 程序指令启动程序指令启动 软件启动软件启动 外部电路信号启动外部电路信号启动 硬件启动硬件启动 GATE端有一个上升沿端有一个上升沿 经经CLK脉冲的上升沿采样 之后脉冲的上升沿采样 之后CLK 下降沿开始计数下降沿开始计数 硬件启动过程硬件启动过程 14 微机与接口技术 西南交通大学 硬件启动过程硬件启动过程 WR CLK GATE OUT CWN 2 21 0 方式方式1波形波形 15 微机与接口技术 西南交通大学 7 2 2 8253的工作方式的工作方式 方式方式0 计数结束中断计数结束中断 方式方式1 可重复触发的单稳态触发器可重复触发的单稳态触发器 方式方式2 频率发生器频率发生器 方式方式3 方波发生器方波发生器 方式方式4 软件触发选通软件触发选通 方式方式5 硬件触发选通硬件触发选通 16 微机与接口技术 西南交通大学 6种工作方式比较种工作方式比较 17 微机与接口技术 西南交通大学 各种工作方式特点各种工作方式特点 方式方式0 计数结束中断 计数结束中断 计数过程中 计数过程中 GATE端应保持端应保持高电平高电平 每写入一次初值计数一个周期 然后停止计数 每写入一次初值计数一个周期 然后停止计数 OUT端输出是一个约端输出是一个约 N 1 TCLK宽度的负脉冲 宽度的负脉冲 计数过程中可随时修改初值重新开始计数 计数过程中可随时修改初值重新开始计数 方式方式1 单稳态触发器 单稳态触发器 门控信号门控信号GATE端的跳变触发计数 可重复触发 端的跳变触发计数 可重复触发 若下一次若下一次GATE上升沿提前到达 则上升沿提前到达 则OUT端负脉冲 拉宽为两次计数过程之和 端负脉冲 拉宽为两次计数过程之和 计数过程中写入新初值不影响本次计数 计数过程中写入新初值不影响本次计数 18 微机与接口技术 西南交通大学 方式方式2 频率发生器 频率发生器 GATE为计数的控制信号 为计数的控制信号 GATE变低计数停止 再 变高时的下一个 变低计数停止 再 变高时的下一个CLK下降沿 从初值开始重新计 数 下降沿 从初值开始重新计 数 每个计数周期结束时 减到每个计数周期结束时 减到1时 时 OUT端输出一个端输出一个 TCLK宽度的负脉冲 宽度的负脉冲 计数过程计数过程自动重复自动重复进行 进行 计数过程中修改初值不影响本轮计数过程 计数过程中修改初值不影响本轮计数过程 方式方式3 方波发生器 方波发生器 OUT输出方波 前半周期为高 后半周期为低 输出方波 前半周期为高 后半周期为低 计数过程中修改初值不影响计数过程中修改初值不影响本半轮本半轮计数过程 计数过程 其余的与方式其余的与方式2 类似 类似 19 微机与接口技术 西南交通大学 方式方式4 软件触发选通 软件触发选通 计数过程中 计数过程中 GATE端应保持端应保持高电平高电平 每写入一次初值 计数一个周期 然后停止计数 每写入一次初值 计数一个周期 然后停止计数 每个计数周期结束时 减到每个计数周期结束时 减到0时 时 OUT端输出一个端输出一个 TCLK宽度的负脉冲 宽度的负脉冲 计数过程中修改初值不影响本轮计数过程 计数过程中修改初值不影响本轮计数过程 方式方式5 硬件触发选通 硬件触发选通 写入初值时 写入初值时 GATE端应保持端应保持低电平低电平 GATE每出现一次正脉冲 计数一个周期 然后停 止计数 每出现一次正脉冲 计数一个周期 然后停 止计数 每个计数周期结束时 减到每个计数周期结束时 减到0时 时 OUT端输出一个端输出一个 TCLK宽度的负脉冲 宽度的负脉冲 计数过程中修改初值不影响本轮计数过程 计数过程中修改初值不影响本轮计数过程 20 微机与接口技术 西南交通大学 方式方式2 速率发生器 速率发生器 可软件启动可软件启动 也可硬件启动 也可硬件启动 若先有 若先有GATE 1 则由写入计数 初值启动 若送初值时 则由写入计数 初值启动 若送初值时GATE信号为低电平 则等信号为低电平 则等GATE信号 由低变高时启动 信号 由低变高时启动 方式方式2时序图时序图1 N分频分频 21 微机与接口技术 西南交通大学 1 OUT端输出在计数过程开始前为高电平 向计数初值寄存器写入初 值后 自动开始计数过程 在计数期间输出端保持高电平 减一计数 器减至 端输出在计数过程开始前为高电平 向计数初值寄存器写入初 值后 自动开始计数过程 在计数期间输出端保持高电平 减一计数 器减至1时 输出端会产生一个输入时钟周期的低电平 之后又变为 高电平 如果门控信号无变化 则自动按计数初值进行新一轮的计数 过程并循环往复 时 输出端会产生一个输入时钟周期的低电平 之后又变为 高电平 如果门控信号无变化 则自动按计数初值进行新一轮的计数 过程并循环往复 2 门控信号门控信号GATE为高电平有效为高电平有效 时钟信号时钟信号CLK是否有效 使减一计数器减一 受门控信号控制 是否有效 使减一计数器减一 受门控信号控制 在减一计数器工作过程中 门控信号的变化 由有效变为无效 后 又变为有效 会使减一计数器的当前值恢复为初值 重新开始计 数 在减一计数器工作过程中 门控信号的变化 由有效变为无效 后 又变为有效 会使减一计数器的当前值恢复为初值 重新开始计 数 3 计数过程中向计数初值寄存器重新写入初值不会改变原计数过 程 只有当本次计数过程结束或门控信号产生 计数过程中向计数初值寄存器重新写入初值不会改变原计数过 程 只有当本次计数过程结束或门控信号产生1 0 1的变化 才 会开始新计数初值的计数过程 的变化 才 会开始新计数初值的计数过程 方式方式2 22 微机与接口技术 西南交通大学 方式方式3 方波发生器 方波发生器 软件启动 硬件启动 计数自动重复 软件启动 硬件启动 计数自动重复 OUT端输出方波 端输出方波 方式方式3时序图时序图 23 微机与接口技术 西南交通大学 模式模式3与其它模式的不同点是 计数过程为减与其它模式的不同点是 计数过程为减2计数而非减计数而非减1计数 计数 计数初值为偶数的计数过程 计数初值为偶数的计数过程 每个每个CLK使计数器减使计数器减2 减到 减到0后输出由高电平变低电平 并自 动恢复计数初值开始新的减 后输出由高电平变低电平 并自 动恢复计数初值开始新的减2计数过程 当减到计数过程 当减到0后输出又变为高电 平 之后又循环往复 后输出又变为高电 平 之后又循环往复 计数初值为奇数的计数过程 计数初值为奇数的计数过程 计数过程开始时 计数器在第一个计数过程开始时 计数器在第一个CLK作用下先减作用下先减1 之后每个 之后每个 CLK使计数器减使计数器减2 减到 减到0后输出由高电平变低电平并自动恢复计数 初值 在输出为低电平期间的第一个 后输出由高电平变低电平并自动恢复计数 初值 在输出为低电平期间的第一个CLK会使计数器减会使计数器减3 之后每 个 之后每 个CLK又恢复为减又恢复为减2操作 当减到操作 当减到0后输出又变为高电平 之后又循 环往复 后输出又变为高电平 之后又循 环往复 24 微机与接口技术 西南交通大学 7 2 3 控制字控制字 用于确定各计数器的工作方式 用于确定各计数器的工作方式 8253必须先必须先初始化初始化才能正常工作 才能正常工作 每个计数器都必须初始化一次 每个计数器都必须初始化一次 CPU通过通过OUT指令把控制字写入控制寄存器 指令把控制字写入控制寄存器 25 微机与接口技术 西南交通大学 8253控制字 控制字 如果是如果是BCD码计数则范围是 码计数则范围是 0000 9999 二进制计数则范围是 二进制计数则范围是 0000H 0FFFFH 0 65535 26 微机与接口技术 西南交通大学 7 2 4 8253的应用的应用 编程编程 与系统的连接与系统的连接 设置工作方式设置工作方式 置计数初值置计数初值 27 微机与接口技术 西南交通大学 1 与系统的连接示意图与系统的连接示意图 CLK GATE OUT D0 D7 WR RD A1 A0 CS DB IOW IOR A1 A0 译码器 高位地址 译码器 高位地址 A15 A2 8253 共三组共三组 8253占用占用4个接口 地址 计数器 个接口 地址 计数器0 计数器 计数器1 计数器 计数器2 控制寄存器 控制寄存器 决定决定8253的基地址的基地址 28 微机与接口技术 西南交通大学 2 初始化程序流程初始化程序流程 写控制字写控制字 写计数值低写计数值低8位位 写计数值高写计数值高8位位 非必须非必须 写入顺序 写入顺序 可按计数器分别写入控 制字和初值 也可先写所有计数器控 制字 再写入它们的初 值 可按计数器分别写入控 制字和初值 也可先写所有计数器控 制字 再写入它们的初 值 29 微机与接口技术 西南交通大学 8253初始化初始化 30 微机与接口技术 西南交通大学 3 8253在系统中的连接在系统中的连接 IBMPC XT中中8253的连接的连接 31 微机与接口技术 西南交通大学 计数器计数器0 用于定时中断 方式用于定时中断 方式3 初值 初值0 MOV AL 00110110B OUT 43H AL MOV AL 0 OUT 40H AL OUT 40H AL 8253 OUT0连接到连接到8259 IR0 每隔 每隔55ms产生一次定时中 断 中断服务程序将 产生一次定时中 断 中断服务程序将0046CH 0046FH中的双字类型数据每次 加 中的双字类型数据每次 加1 GATE0接高电平 总是允许工作接高电平 总是允许工作 1 19MHz 65536 18 2Hz 55ms 次次 32 微机与接口技术 西南交通大学 计数器计数器1 用于用于DRAM刷新时钟 方式刷新时钟 方式2 初值 初值0012H MOV AL 01010100B OUT 43H AL MOV AL 12H OUT 41H AL 8253 OUT1连接连接8237 DREQ0 定时刷新 定时刷新DRAM GATE1接高电平 总是允许工作接高电平 总是允许工作 1 19MHz 12H 66288Hz 15 08 s 次次 33 微机与接口技术 西南交通大学 计数器计数器2 为扬声器提供震荡频率 方式为扬声器提供震荡频率 方式3 初值 初值533H BEEP MOV AL 10110110B OUT 43H AL MOV AX 533H OUT 42H AL MOV AL AH OUT 42H AL 打开 打开PB1PB0 延时 关闭 延时 关闭PB1PB0 RET GATE2由由8255A PB0控制控制 1 19MHz 533H 900Hz 34 微机与接口技术 西南交通大学 1 8253通道通道0在在PC微机中用于产生最低频率微机中用于产生最低频率 18 2次次 秒秒 的定时脉冲方波 并将其输出给中断请求的定时脉冲方波 并将其输出给中断请求IR0 以此产 生周期为 以此产 生周期为54 9ms的定时中断 的定时中断 2 8253通道通道1在在PC微机中的作用是为动态存储器提供 周期为 微机中的作用是为动态存储器提供 周期为15 s 18 0 838 s 15 084 s 的刷新脉冲 的刷新脉冲 3 8253通道通道2在在PC微机中的作用是产生声音频率 工 作在方式 微机中的作用是产生声音频率 工 作在方式2 但是其输出要受 但是其输出要受8255 B口的口的PB1和和PB0的控 制 只有当 的控 制 只有当PB1和和PB0都为都为 1 时 由时 由8253通道通道2编程产生 的音频输出才可以送到喇叭发声 编程产生 的音频输出才可以送到喇叭发声 8253在系统中的作用在系统中的作用 35 微机与接口技术 西南交通大学 4 8253应用举例应用举例 采用采用8253作定时作定时 计数器 其接口地址为计数器 其接口地址为0120H 0123H 输入输入8253的时钟频率为的时钟频率为2MHz 计数器计数器0 每每10ms输出输出1个个CLK脉冲宽的负脉冲脉冲宽的负脉冲 计数器计数器1 产生产生10KHz的连续方波信号的连续方波信号 计数器计数器2 启动计数启动计数5ms后后OUT输出高电平 输出高电平 画线路连接图 并编写初始化程序 画线路连接图 并编写初始化程序 确定计数初值 确定计数初值 CNT0 10ms 0 5us 20000 CNT1 2MHz 10KHz 200 CNT2 5ms 0 5us 10000 确定控制字 确定控制字 CNT0 方式 方式2 16位计数值 位计数值 00 11 010 0 34H CNT1 方式 方式3 低 低8位计数值 位计数值 01 01 011 0 56H CNT2 方式 方式0 16位计数值 位计数值 10 11 000 0 B0H 例 例 1 36 微机与接口技术 西南交通大学 CLK0 GATE0 OUT1 D0 D7 WR RD A1 A0 CS DB IOW IOR A1 A0 译码器译码器 8253 CLK2 GATE1 GATE2 5V CLK1 2MHz OUT0 OUT2 线路连接图 线路连接图 37 微机与接口技术 西南交通大学 初始化程序初始化程序 CNT0 MOV DX 0123H MOV AL 34H OUT DX AL 写控制字 写控制字 MOV DX 0120H MOV AX 20000 OUT DX AL 写初始化值低字节 写初始化值低字节 MOV AL AH OUT DX AL 写初始化值高字节 写初始化值高字节 CNT1 CNT2 38 微机与接口技术 西南交通大学 例 例 2 扩展定时 扩展定时 计数范围计数范围 当定时长度不够时 可把当定时长度不够时 可把当定时长度不够时 可把当定时长度不够时 可把2 2个或个或个或个或3 3个计数通道