微机原理第9章-计数器和定时器

定时与计数技术及应用 定时 计数器 8253 了解定时 计数技术的应用情况 掌握8253的连接与编程 熟习8253的工作方式 9 1概述 定时器和计数器都由数字电路中的计数电路构成 前者记录高精度晶振脉冲信号 因此可以输出准确的时间间隔 称为定时器 而当记录外设提供的具有一定随机性的脉冲信号时 它主要反映脉冲的个数 称为计数器 一 定时和计数 1 软件定时 根据CPU执行每条指令需要一定的时间 重复执行一些指令就会占用一段固定的时间 通过适当地选取指令和循环次数便很容易实现定时功能 这种方法不需要增加硬件 可通过编程来控制和改变定时时间 灵活方便 节省费用 缺点是CPU重复执行的这段程序的本身并没有什么具体目的 仅为延时 从而降低了CPU利用率 2 不可编程的硬件定时 3 可编程的定时 二 8253的基本功能和内部结构 1 3个独立的16位计数器 最大计数范围为0 65535 2 每个计数器均可以按二进制或二 十进制计数 3 计数器速率可达2MHz 4 可编程6种不同的工作方式 5 所有输入和输出都与TTL兼容 8253具有较好的通用性和使用灵活性 几乎适合于任何一种微处理器组成的系统 1 8253PIT的基本功能 2 8253的内部结构 8253的内部结构如图9 1所示 由数据总线缓冲器 控制寄存器 读 写控制逻辑和计数器等部分组成 图9 18253的内部结构示意图 1 数据总线缓冲器 该缓冲器为8位双向三态的缓冲器 可直接挂在数据总线上 CPU通过8位数据总线D0 D7传送如下信息 2 读 写控制逻辑 决定三个计数器和控制字寄存器中哪一个能进行工作 并控制内部总线上数据传送的方向 3 控制寄存器 接收从CPU来的控制字 并由控制字的D7 D6位的编码决定该控制字写入哪个计数器的控制寄存器 控制寄存器只能写入 不能读出 4 计数器 当8253用作计数器时 加在CLK引脚上脉冲的间隔可以是不相等的 当它用作定时器时 则在CLK引脚应输入精确的时钟脉冲 8253所能实现的定时时间 取决于计数脉冲的频率和计数器的初值 即 定时时间 时钟脉冲周期Tc 预置的计数初值n 对8253来讲 外部输入到CLK引脚上的时钟脉冲频率不能大于2MHZ 否则需分频后才能送到CLK端 图9 2计数器内部逻辑图 三 8253的引脚信号 8253是一片具有3个独立通道的16位计数器 定时器芯片 使用单一 5V电源 24引脚双列直插式封装 如图9 3所示 1 与CPU的接口信号 表9 18253读 写操作逻辑表 2 与外部设备的接口信号 1 CLK0 CLK1 CLK2 时钟脉冲输入端 用于输入定时脉冲或计数脉冲信号 CLK可以是系统时钟脉冲 也可以是由其他脉冲源提供 8253规定加在CLK引脚的输入时钟周期不得小于380ns 2 GATE0 GATE1 GATE2 门控输入端 用于外部控制计数器的启动或停止计数的操作 当GATE为高电平时 允许计数器工作 当GATE为低电平时 禁止计数器工作 3 OUT0 OUT1 OUT2 计数输出端 在不同工作方式中 当计数器计数到0时 OUT引脚上必输出相应的信号 9 28253的工作方式 8253是一种面向微机系统的专用接口芯片 它的每一个计数器都可以按照控制字的规定有6种不同的工作方式 每种工作方式中都有以下三种情况 正常计数的波形图 正在计数过程中改变门控信号GATE后对整个计数工作的影响 正在计数的过程中改变计数值对整个计数工作的影响 方式0 计数结束中断方式 InterruptonTerminalCount 图9 4 a 方式0正常计数 图9 4 b 方式0时GATE信号的作用 图9 4 c 方式0时计数过程中改变计数值 2 方式1 可编程的单稳态触发器 ProgrammableOneShort 图9 5 a 方式1正常计数 图9 5 b 方式1时GATE信号的作用 图9 5 c 方式1时计数过程中改变计数值 3 方式2 比率发生器 分频器 RateGenerator 方式2用门控信号达到同步计数的目的 波形图如图9 6 a b c d 所示 图9 6 a 方式2正常计数 图9 6 b 方式2时GATE信号的作用 图9 6 c 方式2时计数过程中改变计数值 4 方式3 方波发生器 SquareWaveGenerator 方式3的工作过程同方式2 只是输出的脉宽不同 波形如图9 7 a b c d 所示 图9 7 a 方式3计数值为偶数时的波形 图9 7 b 方式3计数值为奇数时的波形 图9 7 c 方式3GATE信号的作用 图9 7 d 方式3计数过程中改变计数值 5 方式4 软件触发选通方式 SoftwareTriggeredStrobe 用方式4工作时 GATE门控信号只是用来允许或不允许定时操作的 定时的执行过程由装入的初值决定 波形图如图9 8 a b c 所示 图9 8 a 方式4正常计数 图9 8 b 方式4GATE信号的作用 图9 8 c 方式4计数过程中改变计数值 6 方式5 硬件触发选通方式 HardwareTriggeredStrobe 方式5为硬件触发选通方式 完全由GATE端引入的触发信号控制定时和计数 波形图如图9 9 a b c 所示 图9 9 a 方式5正常计数 图9 9 b 方式5时GATE信号的作用 图9 9 c 方式5时计数过程中改变计数值 9 38253的控制字与初始化编程 1 8253的控制字 8253的控制字有4个主要功能 选择计数器 确定计数器数据的读写格式 确定计数器的工作方式 确定计数器计数的数制 控制字的格式如图9 10所示 图9 108253控制字格式 注 图中 可以是0 也可以是1 一般取0 2 8253的初始化编程 刚接通电源时 8253芯片通道都处于未定义状态 在使用之前 必须用程序把它们初始化为所需的特定模式 这个过程称为初始化编程 1 写入控制字 用输出指令向控制字寄存器写入一个控制字 以选定计数器通道 规定该计数器的工作方式和计数格式 2 写入计数初值 用输出指令向选中的计数器端口地址中写入一个计数初值 初值设置时要符合控制字中有关格式的规定 若是8位数 只要用一条输出指令就可完成初值的设置 如果是16位数 则必须用两条输出指令来完成 而且规定先送低8位数据 后送高8位数据 注意 计数初值为0时 也要分成两次写入 因为在二进制计数时它表示65536 在BCD计数时它表示10000 8253工作过程中 CPU可用输入指令读取任一通道的计数值 CPU读到的是执行输入指令瞬间计数器的当前值 但8253的计数器是16位 所以要分2次读至CPU 因此 若不锁存的话 在前后两次执行输入指令的过程中 计数值可能已经变化了 锁存当前计数值有下面两种方法 利用GATE信号使计数过程暂停 向8253写入一个方式控制字 令8253通道的锁存器锁存 例如 在某微机系统中 8253的3个计数器的端口地址分别为3F0H 3F2H和3F4H 控制字寄存器的端口地址为3F6H 要求8253的通道0工作于方式3 BCD计数 并已知对它写入的计数初值n 1234 十进制数 则初始化程序为 9 4应用举例 1 8253定时功能的应用 在计算机应用中 经常会遇到隔一定时间重复某一个动作的应用 设某应用系统中 系统提供一个频率为10kHz的时钟信号 要求每隔100ms采集一次数据 在系统中 采用8253定时器的通道0来实现这一要求 将8253芯片的CLK0接到系统的10kHz时钟上 OUT0输出接到CPU的中断请求线上 8253的端口地址为10H 13H 如图9 11所示 图9 118253用于定时中断 1 选择工作方式 2 确定计数初值 已知fCLK0 10kHz 则TCLK0 0 1ms 所以 计数初值N TOUT0 TCLK0 100ms 0 1ms 1000 03E8H 3 初始化编程 根据以上要求 可确定8253通道0的方式控制字为00110100B 即34H 初始化程序段如下 2 8253计数功能的应用 通过PC机系统总线在外部扩展一个8253 利用其通道0记录外部事件的发生次数 每输入一个高脉冲表示事件发生1次 当事件发生100次后就向CPU提出中断请求 边沿触发 假设8253片选信号的I O地址范围为200H 203H 如图9 12 图9 128253用于外部事件的计数 根据要求 可以选择方式0来实现 计数初值N 100 8253初始化程序段如下 3 8253计数通道的级联应用 已知某8253占用I O空间地址为320H 323H 如图9 13所示 输入其CKL1端的脉冲频率为1MHz 要求用8253连续产生10秒的定时信号 分析 8253的一个通道的最大计数范围为6553