《计算器定时器》PPT课件

1,河南科技大学电子信息工程学院,计算机接口技术,第7章可编程计数器定时器接口芯片8253,知识点：了解8253内部结构及管脚功能；掌握8253工作原理及六种工作方式；掌握8253控制字及编程应用。,难点：8253的六种工作方式及编程应用。,2,计算机接口技术,7.1概述在微机系统中，常用到定时功能，如定时中断、定时采样、定时检测等等；此外，还需要计数功能，以实现对外部事件的计数，如对生产线上零件或产品的计数，对大桥和高速公路上车流量的统计等等。定时与计数的本质是相同的对脉冲信号进行计数。如果计数的对象是与外部事件相对应的脉冲信号（周期可以不相等），即为计数。如果计数的对象是标准的内部时钟信号，由于其周期恒定，故计数值就恒定地对应于一定的时间，这一过程即为定时。所以，定时的本质就是计数，当脉冲信号是周期信号时，计数就可以用于定时。如脉冲信号是周期为1秒的周期信号，则计数60次就是1分，计满60分就是1小时，计满24小时就是1天。,3,计算机接口技术,CPU执行每条指令都需要一定的时间，重复执行一些指令就会占用一段固定的时间，因此，可运用软件编程的方法，适当地选取一些指令和循环次数便能实现定时功能。,1、定时的三种方法,1）软件定时,例：MOVCX，1000DEALY：MOVBX，1234HLOOPDEALY,优点：不需要增加硬件，只需通过编程来控制和改变定时时间，灵活方便，节省费用。缺点：CPU重复执行的这段程序，程序本身并没有什么具体执行目的，仅为了延时，从而降低了CPU利用率。,4,计算机接口技术,利用专门的定时电路实现定时，如利用555定时器外接RC构成的定时电路。,2)不可编程的硬件定时,优点：电路结构简单，价格便宜，通过改变电阻或电容值，可以在一定的定时范围内改变定时时间。缺点：电路在硬件已连接好的情况下，定时时间和范围不能由程序来控制和改变，而且定时精度不高。,5,计算机接口技术,3）可编程的硬件定时,在微机系统中，常采用软件、硬件相结合的方法实现定时，如用可编程计数器/定时器芯片（如Intel8253）构成一个方便灵活的计数定时电路。这种电路不仅定时值和定时范围可由软件编程来确定和改变，而且具有多种工作方式，可以输出多种形式的控制信号，以CPU的时钟信号为输入脉冲信号，故定时精确。与CPU并行工作，应用广泛。系统也可以利用计数器/定时器芯片对外部事件进行计数。,6,计算机接口技术,2、外部事件计数,高速公路入口的车辆计数系统,7,计算机接口技术,7.2可编程计数器/定时器接口芯片8253,18253的主要功能具有3个独立的16位计数器通道，最大计数范围为065535；每个计数器都可以按照二进制或二十进制（BCD码）计数；每个计数器的计数速率可高达2MHz；每个计数器通道有6种工作方式，可通过程序进行设置；所有的输入和输出都与TTL兼容。,8,计算机接口技术,28253的内部结构,双向、三态、8位，CPU通过数据总线缓冲器可向控制字寄存器写入控制字，向计数器写入计数初值；也可读出计数器当前计数值。,接收来自CPU的控制信号。完成对8253各计数器的读/写操作。,接收CPU写入的控制字，决定8253使用哪个计数器，工作方式、读/写格式、计数方式。,计数器的门控信号,计数器的输出信号,计数器的时钟信号,9,计算机接口技术,8253的编程结构,工作过程：1、初值CRCE，CE减1计数，OL跟随CE变化，减到0，OUT输出结束信号。,2、锁存命令到来，OL锁存当前计数，当计数被读走，OL又随CE变化。,10,计算机接口技术,计数器的内部结构与工作原理,1）16位计数初值寄存器CR存放计数初值可通过程序来设置,2）计数执行部件CE一个16位减1计数器；初值是计数初值寄存器的内容；在GATE控制下，对CLK脉冲计数；启动后每出现一个CLK脉冲计数值减1；当减为0时通过OUT输出结束信号。,3）输出锁存器OL通常随计数执行部件CE的内容变化;当接收到CPU锁存命令时，锁存当前的计数值，而当前计数值被CPU读取后，OL内容又随CE的内容变化。,4）CLK信号周期性时钟信号，定时器功能；非周期性计数信号，计数器功能。5）GATE信号控制输入端有多种控制作用（允许/禁止计数、启动/停止计数）,11,计算机接口技术,数据总线缓冲器是一个三态、双向、8位缓冲器，用于将8253与系统数据总线D0D7相连，实现CPU与8253之间数据的传送。CPU通过数据总线缓冲器向控制字寄存器写入确定8253工作方式的控制字；向某个计数器写入计数初值；从某个计数器读出当前计数值。,(1)数据总线缓冲器,12,计算机接口技术,(2)读/写逻辑,13,计算机接口技术,（3）WR：写信号低电平有效，当WR有效时，CPU将计数初值写入指定的计数器，即将计数初值写入CR，或将控制字写入控制字寄存器中。（4）A1、A0：端口选择信号8353内部有3个计数器(02)和1个控制字寄存器。,14,计算机接口技术,注意：如果8253与8088CPU相连时，由于8088系统数据总线为8位，所以，8253的8位数据线直接与8088系统数据总线相连，地址总线的最低两位A1、A0连8253的A1、A0。如果8253与8086CPU相连时，由于8086系统数据总线为16位。通常8253的D7D0与数据总线的低8位相连，所以，地址总线的A2、A1连8253的A1、A0；地址总线的A0置为0，这样8253内部各个端口地址都为偶地址。,15,计算机接口技术,16,计算机接口技术,8253初始化时，CPU用OUT输出指令向控制字寄存器写入控制字，以选定计数器通道，规定计数器通道的工作方式，读写格式和计数格式。此寄存器只能写入而不能读出。,(3)控制字寄存器,17,计算机接口技术,(4)计数器0、1、2,3个完全相同的计数器通道，对3个计数器通道的操作完全独立。每个通道都包含：一个16位的计数初值寄存器CR：存放由CPU送来的计数初值。一个计数执行部件CE(16位减1计数器)：它的起始值就是初值寄存器的值，该值可由程序设置。一个输出锁存器OL：用来锁存计数执行部件的值，CPU可对它执行读操作，来检查某个时刻计数器的计数值。,注意：计数初值寄存器、计数执行部件和输出锁存器都是16位寄存器，它们均可被分成高8位和低8位两个部分。因此也可作为8位寄存器来使用。,18,计算机接口技术,38253的管脚及功能,19,计算机接口技术,BCD,M0,M1,M2,RW0,RW1,SC0,SC1,4.8253的控制字,20,计算机接口技术,说明：8253在工作前，必须先初始化，即先写入控制字，通过设置控制字，可完成以下任务：选择计数器；确定计数器读写格式；选择计数器工作方式；确定计数的格式。,8253内部只有一个控制字寄存器，即只有一个控制端口地址。当三个计数器同时工作时，必须对三个计数器分别进行初始化。（假设计数器0、计数器1、计数器2和控制字寄存器的地址分别为：40H，41H，42H，43H，初始化程序段为：,MOVAL，00010011BOUT43H，ALMOVAL，01111010BOUT43H，ALMOVAL，10110110BOUT43H，AL,21,计算机接口技术,对写入计数初值的说明：,先写入控制字再写计数初值；若初值是8位数，一次可完成初值的写入。若初值16位，分两次写入（写入方式按照控制字中的D5、D4进行）。每次写入一个字节；不同计数器的计数初值写到相应计数器通道中。,（3）写操作包括写入控制字、写入计数初值和锁存命令。,用作定时器时的计数器初值计算方法：定时时间时钟脉冲周期Tc计数初值N,22,计算机接口技术,（4）读操作计数器在计数时，计数器的计数内容是动态变化的，需检查当前计数值时要用到读操作。步骤为：先向8253写控制字（D5D4=00），锁存当前计数值，再读入。读完后，锁存功能自动失效。,程序：MOVAL，0000BOUT43H，AL；发出锁存命令INAL，40H；读计数器0当前计数值的低8位MOVCL，AL；送入CX寄存器的CL中INAL，40H；读计数器0当前计数值的高8位MOVCH，AL；送入CX寄存器的CL中,23,计算机接口技术,（5）计数格式,BCD=1时采用BCD码计数，写入计数器的初值用BCD码表示，范围：00009999H，其中0000表示最大值10000，即104；若设置计数初值n=1234H，表示设置了一个十进制数1234。,BCD=0时采用二进制计数，写入计数器的初值用二进制数表示，范围：0000HFFFFH，其中0000H表示最大值65536，即216；当设置计数初值n=1234H，表示设置了一个十六进制数1234H，即十进制数4660。,24,计算机接口技术,例1：设8253的端口地址为：40H43H，使用计数器1，工作于方式3，采用二进制计数，计数初值为3000H，编写初始化程序。,方案1：MOVAL，01110110BOUT43H，AL；控制字写入控制字寄存器MOVAL，00H；计数初值低8位OUT41H，AL；计数初值低8位写入计数器1MOVAL，30H；计数初值高8位OUT41H，AL；计数初值高8位写入计数器1,方案2：MOVAL，01100110BOUT43H，AL；控制字写入控制字寄存器MOVAL，30H；计数初值高8位OUT41H，AL；计数初值高8位写入计数器1,25,计算机接口技术,例2：设8253的端口地址为：5F0H5F3H，使用计数器0，工作于方式4，采用二进制计数；使用计数器2，工作于方式5，采用BCD计数。计数器0和计数器2的计数初值都为十进制数512，编写初始化程序。,MOVAL，00111000B；计数器0，工作于方式4，二进制计数MOVDX，5F3H；控制字寄存器端口地址（DX寄存器间接寻址）OUTDX，AL；控制字写入控制字寄存器MOVDX，5F0H；计数器0端口地址（DX寄存器间接寻址）MOVAL，00H；计数初值低8位OUTDX，AL；计数初值低8位写入计数器0MOVAL，02H；计数初值高8位OUTDX，AL；计数初值高8位写入计数器0,说明：十进制数512等于十六进制数0200H,26,计算机接口技术,MOVAL，10111011B；计数器2，工作于方式5，BCD计数MOVDX，5F3H；控制字寄存器端口地址（DX寄存器间接寻址）OUTDX，AL；控制字写入控制字寄存器MOVDX，5F2H；计数器2端口地址（DX寄存器间接寻址）MOVAL，12H；计数初值低8位OUTDX，AL；计数初值低8位写入计数器2MOVAL，05H；计数初值高8位OUTDX，AL；计数初值高8位写入计数器2,说明：十进制数512的二十进制表示（BCD码）为512H,27,计算机接口技术,5.8253工作方式,8253共有6种工作方式，各方式下的工作状态是不同的，输出的波形也不同，而门控信号的作用比较灵活。由此组成了8253丰富的工作方式、波形，下面我们逐一介绍。几条基本原则写入控制字，输出端OUT进入初始状态，初始状态对不同的工作方式来说不一定相同。写入计数初值后，要经过一个时钟周期，计数执行部件才开始计数操作，因为在这个时钟周期下降沿，计数初值才由CRCE。,28,计算机接口技术,通常，在每个时钟脉冲CLK的上升沿，采样门控信号GATE。不同的工作方式下，门控信号的触发方式是有具体规定的，或者是电平触发，或者是边沿触发，在有的方式中，两种触发方式都是允许的。其中0、2、3、4是电平触发方式，1、2、3、5是上升沿触发。在时钟脉冲的下降沿，计数器作减1计数。,29,计算机接口技术,工作过程写入控制字，OUT立即变为低；写入计数初值N到计数初值寄存器（CR），若GATE为高电平，下一个时钟脉冲的下降沿将计数初值N装入计数执行部件(CE)，才开始减1计数；计数期间，OUT一直为低；当计数结束（计数值为0），OUT变为高，并一直保持。用途：方式0常用来对外部事件计数，利用OUT由低到高的变化产生中断请求信号。,方式0计数结束中断方式,30,计算机接口技术,方式0计数结束中断方式,GATE,OUT,CLK,0,3,1,2,4,N=4,CW,WR,写控制字设置工作方式,设置计数初值,计数值送入减1计数器,计数过程,计数结束,CRCE,高,31,计算机接口技术,图a方式0正常计数,图b方式0GATE信号发生变化,图c方式0再次写入计数初值,计数过程中，若GATE信号变为低电平，则在低电平期间暂停计数，计数值保持不变。,计数过程中，若重新写入新的计数初值，则在下一个CLK脉冲的下降沿，减1计数器以新的计数初值重新开始计数。,32,计算机接口技术,定时时间43600=14400(秒)3840H(秒),例1：家庭厨房系统。,33,计算机接口技术,相应的程序段如下：MOVAL，10011010B；8255A方式控制字OUT8255A控制口，ALMOVAL，00000000B；8255A置位/复位控制字，使PC00OUT8255A控制口，ALMOVAL，00110000B；8253计数器0方式控制字OUT8253控制口，ALMOVAL，40H；设置8253计数器0计数初值OUT计数器0端口，ALMOVAL，38HOUT计数器0端口，AL中断程序段如下：MOVAL，00000001B；8255A置位/复位控制字，使PC01OUT8255A控制口，AL,34,计算机接口技术,工作过程写入控制字CW，OUT立即变高，并保持不变。写入计数初值N，计数器并不立即计数，只有当GATE的一个上升沿到来时，才在下一个时钟脉冲的下降沿，将计数初值N装入减1计数器CE，OUT由高变低，开始减1计数。计数期间，OUT一直保持低电平，当计数结束（计数值为0），OUT变为高电平。用途：输出稳态负脉冲信号OUT端输出负脉冲的宽度=计数初值N时钟脉冲宽度TCLK。,方式1可编程单稳负脉冲输出方式,35,计算机接口技术,方式1可编程单稳负脉冲输出方式,设置工作方式,设置计数初值,计数值送入计数器,计数开始,计数过程,计数结束,GATE,OUT,CLK,0,3,1,2,4,N=4,CW,WR,36,计算机接口技术,图a方式1正常计数,图b方式1GATE信号再现,图c方式1再次写入计数初值,计数期间，又来一个门控信号上升沿触发，则在下一个CLK脉冲的下降沿,计数初值重新装入减1计数器，重新开始计数，OUT端保持低电平，直至计数值减到0时，OUT端变为高电平。,计数期间，又写入新的计数初值，不影响当前计数过程。直到下一次GATE信号触发，才装入新的计数初值，并以新的计数初值开始计数。,37,计算机接口技术,例2、高速公路入口的车辆计数系统,38,计算机接口技术,原始脉冲预处理,39,计算机接口技术,工作过程写入控制字CW，OUT变高，并保持不变。写入计数初值N，若GATE为高电平，则在下一个时钟脉冲下降沿，将计数初值N装入减1计数器CE，开始减1计数。当计数值减为1时，OUT由高变低，减为0时，OUT又变为高，即OUT输出一个时钟周期的负脉冲；同时，自动将计数初值N装入计数执行部件CE，开始新一轮计数。用途：分频器若计数器的初值为N，则OUT输出的波形频率为时钟脉冲频率的N分之一。,方式2分频器,40,计算机接口技术,方式2分频器,CRCE,CRCE,CLK,GATE,OUT,3,2,1,03,2,1,03,CRCE,CR=3,2,1,高,41,计算机接口技术,图a方式2正常计数,图b方式2GATE信号发生变化,图c方式2再次写入计数初值,计数期间，又写入新的计数初值，不影响当前计数过程。计数结束后，才将新的计数初值装入减1计数器，并以新的计数初值开始计数。,计数过程中，若GATE变为低电平，则在低电平期间暂停计数，计数值保持不变，GATE上升沿使计数器重新装入计数初值，并开始减1计数。,42,计算机接口技术,工作过程写入控制字CW，OUT变高，并保持不变。写入计数初值N，若GATE为高电平，在下一个时钟脉冲下降沿，将计数初值N装入减1计数器CE，开始减1计数。当计数到一半时，OUT由高变低，减1计数器继续计数，计数到0时，OUT由低变高。之后，周而复始地自动进行计数过程。当计数初值为偶数时，OUT输出对称方波；当计数初值为奇数时，OUT输出不对称方波。用途：方波发生器，也可作为分频器。,方式3方波发生器,43,计算机接口技术,方式3方波发生器,CRCE,CW,CLK,GATE,OUT,N=4,4,3,2,1,4,3,2,CRCE,CR=4,1,4,计数初值为偶数时输出波形,CRCE,高,输出正脉冲宽度=NT/2输出负脉冲宽度=NT/2,44,计算机接口技术,1,CRCE,CW,CLK,GATE,OUT,N=5,5,4,3,2,5,4,CR=5,3,2,计数初值为奇数时输出波形,CRCE,高,输出正脉冲宽度=（N+1）T/2输出负脉冲宽度=（N-1）T/2,45,计算机接口技术,图a方式3正常计数计数初值N为偶数,图c方式3GATE信号发生变化,图b方式3正常计数计数初值N为奇数,计数过程中，在OUT为低电平时，GATE变为低电平，减1计数器停止计数，而OUT立即变高电平。在GATE变为高电平后，下一个时钟脉冲的下降沿，计数初值重新装入减1计数器，开始新的计数。,46,计算机接口技术,例3：在PC机中，常用定时器/计数器8253产生定时信号或输出方波。8253的三个计数器及控制字寄存器的端口地址、工作方式与实现功能如下表所示。,8253的三个计数器及控制字寄存器的端口地址、工作方式与实现功能,47,计算机接口技术,8253的计数器0，实时中断。用于产生每秒18.2个节拍的中断信号，故设为工作在方式3，初值为0，从OUT0输出方波频率为1.19MHz/216=18.2Hz，计数器0的控制字为00110110（36H）；,8253的计数器l，动态RAM刷新。用于产生固定频率的刷新信号，故设定工作在方式2，计数初值为12H18，输出频率为1.19MHz/1866.1kHz，定时时间为15.13s，计数器1的控制字为01010100（54H）；,8253的计数器2，用于产生频率信号。故设为工作在方式3，计数初值为4A6H1190，方波输出频率为1.19MHz/11901kHz。此信号频率决定扬声器的音调，计数器2的控制字为10110110（0B6H）。,48,计算机接口技术,工作过程写入控制字CW，OUT变高，并保持不变。写入计数初值N，若GATE为高电平，在下一个时钟脉冲下降沿，将计数初值N装入减1计数器CE，开始减1计数。当减1计数器的值为0时，OUT变为低电平，经过一个CLK时钟周期，OUT变为高电平。用途：产生单个负脉冲信号，负脉冲宽度为1个时钟周期。,方式4软件触发方式,49,计算机接口技术,方式4软件触发方式,CRCE,CW,CLK,GATE,OUT,N=2,2,1,0,2,1,0,CRCE,CR=2,高,N=2,CR=2,50,计算机接口技术,图a方式4正常计数,图c方式4再次写入计数初值,图b方式4GATE信号发生变化,计数过程中，若再次写入计数初值，则在下一个时钟脉冲的下降沿，新的计数初值重新装入减1计数器，又开始新的减1计数。,51,计算机接口技术,例4：家庭厨房系统改进型。,52,计算机接口技术,工作过程写入控制字CW，OUT变高，并保持不变。写入计数初值N，只有当GATE信号的上升沿到来后，在下一个CLK脉冲的下降沿，才将计数初值N装入减1计数器，开始减1计数。当减1计数器的值为0时，OUT变为低电平，经过一个CLK时钟周期，OUT变为高电平。用途：产生单个负脉冲信号，负脉冲宽度为1个时钟周期。,方式5硬件触发方式,53,计算机接口技术,方式5硬件触发方式,1,2,CW,CLK,GATE,OUT,N=3,3,03,3,3,2,CR=3,54,计算机接口技术,图a方式5正常计数,图c方式5再次写入计数初值,图b方式5GATE信号发生变化,在计数过程中，若写入新的计数初值，但无GATE触发脉冲，则当前计数不受影响。当前计数结束后，若再有GATE触发，将按新的计数初值开始计数。,在计数过程中，若GATE又来一个上升沿触发，则在下一个CLK脉冲的下降沿，计数初值重新装入减1计数器，并按计数初值作减1计数。,55,计算机接口技术,例5：家庭厨房系统改进型。,56,计算机接口技术,8253工作方式总结：,六种方式作用：方式0：可用来实现定时或对外部事件进行计数；方式1：可用来产生单脉冲；方式2：可用来产生序列负脉冲，每个负脉冲的宽度和CLK脉冲的周期相同；方式3：用来产生连续的方波。方式2、3都能实现对时钟脉冲进行N分频；方式4：产生一个负脉冲，可用来计数；方式5：与4波形相同，产生一个负脉冲，可用来计数；,57,计算机接口技术,门控信号GATE的控制功能,58,计算机接口技术,59,计算机接口技术,六、8253应用举例,例1：现有一个高精密晶体振荡电路，输出信号是脉冲波，频率为1MHz。要求利用8253做一个秒信号发生器，其输出接一发光二极管，以0.5秒点亮，0.5秒熄灭的方式闪烁指示。设8253的端口地址为80H86H（偶地址）,解：1、时间常数计算用8253作一个分频电路，输出是方波，周期为1s，否则发光二极管不可能等间隔闪烁指示。频率为1MHz信号的周期为1s，而1Hz信号的周期为1s，分频系数N为：,60,计算机接口技术,8253一个计数器最大的计数初值是65535，所以对于N1000000，一个计数器不能完成上述分频要求。由于即取两个计数器，采用级联方式。2、电路,61,计算机接口技术,3、工作方式选择计数器1输出方波信号驱动发光二极管，所以计数器1应选工作方式3。对于计数器0，只要能起分频作用即可，对输出波形不做要求，所以可以选用方式2或方式3。对于计数器0，取工作方式2，BCD计数；对于计数器1，取工作方式3，二进制计数（也可选BCD计数）。,62,计算机接口技术,MOVAL，00110101B；计数器0控制字OUT86H，