第9章计数器定时器

1、本章内容：n概述n可编程计数器/定时器8253n8253的应用在计算机系统中经常要用到定时信号：n微机系统中动态存储器的刷新定时n系统日历时钟的计时n喇叭的声源在计算机实时控制和处理系统中，计算机主机需要每隔一定的时间就对处理对象进行采样，再对获得的数据进行处理，这也要用到定时信号。定时的实现方法：n软件定时n不可编程的硬件定时n可编程定时器电路让计算机执行一个延迟程序段。通过正确地挑选指令和安排循环次数很容易实现软件定时。优点：节省硬件缺点：执行延迟程序期间，CPU一直被占用，降低了CPU的效率。可以采用小规模集成电路器件如555，外接电阻和电容构成。定时电路简单，而且通过改变电阻和电容，可

2、以使定时在一定的范围内改变。这种定时电路在硬件连接好以后，定时值及定时范围不能由程序(软件)来控制和改变。定时值及定时范围可以很容易地由软件来确定和改变，功能较强，使用灵活。优点：计数时不占用CPU的时间，并且如果利用定时器产生中断信号，就可以建立多作业的环境，可以大大提高CPU的利用率。计数器/定时器本身的开销并不很大，因此，这种方法得到了广泛应用。8253的主要功能：n有3个独立的、功能相同的16位减法计数器。n每个计数器都可以按照二进制或BCD码进行计数。n每个计数器的计数速率可高达2MHz。n每个计数器有6种工作方式，可由程序设置和改变。n所有的输入输出引脚电平都与TTL电平兼容。 本

3、节内容：n8253的内部结构和引脚特性n8253的控制字n8253的工作方式n8253的编程数据总线缓冲器是8253与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器，有三方面的功能：n往计数器设置计数初值n从计数器读取计数值n往控制寄存器设置控制字接收CPU送来的读/写信号(RD/WR)，片选信号(CS)，端口选择信号(AlA0)，以决定3个计数器、控制寄存器中哪一个进行工作，以及数据传送的方向。每个计数器都有一个控制寄存器，用来接收CPU送来的控制字，这个控制字用来选择计数器及相应的工作方式等。控制寄存器只能写入不能读出，且共用一个控制端口地址。 8253内部有3个结构完全相同的计数器：计数器0、计

4、数器1和计数器2。每个计数器的输入和输出都决定于本身所带的控制寄存器的控制字，互相之间工作完全独立。每个计数器通过3个引脚和外部联系：n时钟输入端CLKn门控信号输入端GATEn输出端OUT。每个计数器内部有：n1个8位控制寄存器CWn1个16位计数初值寄存器CRn1个16位减1计数执行部件CEn1个16位输出锁存器OL。由程序首先写控制字给控制寄存器，再写计数初值给相应计数器，初值在CR中保存，并送CE中，在GATE门控信号允许或触发下，CE便开始对CLK脉冲进行减l计数，直到计数值被减到0时，计数结束或本周期结束，输出OUT端产生相应波形。输出信号的波形由事先规定的工作方式决定并受控于GA

5、TE信号。在减1计数过程中，CE中当前的计数值同时送给OL。因此，若想要知道计数过程中的当前计数值，则必须用指令将当前值锁存，然后从OL中读出，同时又不影响CE的连续计数。注意：不能直接从CE中读出。 数据线 控制线 电源线 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RD WR A0 A1 CS VCC GND 8 7 6 5 4 3 2 1 22 23 19 20 21 24 12 Intel 8253 9 11 10 15 14 13 18 16 17 CLK0 GATE0 OUT0 CLK1 GATE1 OUT1 CLK2 GATE2 OUT2 计数器0 计数器1 计数器2 双向三

6、态输入/输出数据线，与系统数据总线相连，供8253与CPU之间传送数据、命令信息用。CS片选信号片选信号n输入，低电平有效。n只有在保持低电平的情况下，8253才能被选中，才能对它进行读/写操作。RD读信号读信号n输入，低电平有效。n有效时，表示CPU正在对8253的一个计数器进行读操作。WR写信号写信号n输入，低电平有效。n有效时，表示CPU正在对8253的一个计数器写入计数初值或者对控制寄存器写入控制字。A1、A0地址线地址线n3个独立的计数器各有一个端口地址，另外三个控制寄存器共用一个端口地址，所以8253共有4个端口地址。n当A1A011时，为控制寄存器端口；n当A1A0=00、01、

7、10时，分别为计数器0、计数器1、计数器2的端口。计数器0、1、2的(时钟)脉冲输入端，它们各自独立。8253进行定时或计数工作时，每输入一个CLK脉冲，计数值减1。计数器0、1、2的门控信号输入端，它们各自独立，用来禁止、暂停、停止、允许、启动计数的控制。在不同的6种工作方式中，GATE控制作用也不同。计数器0、1、2的输出信号端，它们各自独立。当定时或计数值减为0时，在OUT端输出信号，该信号的波形取决于工作方式。该信号可供CPU检测、查寻，或作为中断请求信号使用，也可作为控制信号或信号源使用。 在使用8253前，必须对它进行初始化编程。对8253的工作方式、计数方式、操作方式的确定和计数

8、器的选择都是由控制字来确定的。不同计数器的控制字必须分别设置，但它的端口地址共用一个。 图图9.4 82539.4 8253控制字格式控制字格式基本规则基本规则：n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)。n初始值写入以后，要经过时钟的一个上升沿和一个下降沿，计数执行部件才开始进行计数。n通常，在时钟脉冲CLK的上升沿，门控信号GATE被采样。n在时钟脉冲的下降沿，计数器作减1计数。n0是计数器所能容纳的最大初始值，当选用二进制时，0相当于216；用BCD码时，0相当于l04。能使OUT端产生正阶跃信号，常被用来作为中断请求信号。(1)写入控

9、制字，WR信号的上升沿使OUT端输出低电平作为初始状态。(2)再写入计数初值n，WR信号的上升沿将这个计数初值先送到CR中，在WR信号上升沿之后的第一个CLK脉冲的下降沿时才将初值从CR送到CE中。此时如果GATE=0，那CE仍不能减1计数，只有GATE=1条件下，CE立即开始对CLK脉冲下降沿作减1计数。在计数过程中，OUT端仍输出低电平，直到减1计数到0，OUT端才变为高电平。此高电平一直保持到CPU又写入控制字或又重新写入新计数初值时，OUT端才变为低电平，重新开始新的计数周期。(3)在计数过程中，可由门控制信号GATE控制暂停。若GATE由1变为0，则CE立即暂停计数，并保持当前计数值

10、，一旦GATE变为1，CE接着计数。在暂停过程中，OUT端仍输出低电平，也就是说GATE信号的变化不影响输出端状态。利用这一功能，可延长定时时间。(4)在计数过程中可改变计数初值。若CPU重新写入新的计数初值，则CE停止原计数，直到信号上升沿后的第1个CLK脉冲的下降沿时将按新的初值n重新开始计数。 能使OUT端产生单脉冲波形信号，单脉冲宽度可由程序设定。 (1)写入控制字后，WR信号的上升沿使OUT端输出高电平作为初始状态(若原为低电平，则由低电平变为高电平)。(2)再写入计数初值n，WR信号上升沿将这个计数初值先送到CR中，在WR信号上升沿之后的第一个CLK脉冲的下降沿时才将初值从CR送到

11、CE中。然后，只有当GATE信号出现上升沿并在上升后的第一个CLK脉冲下降沿时才启动计数并使OUT端变为低电平，直到计数值减到0时，使OUT端再变为高电平，由此OUT端上产生一个负单稳态脉冲波形，脉冲宽度为n个CLK脉冲周期宽度。 (3)在计数过程中，如果CPU又写入新的计数初值，当前计数值将不受影响，仍继续计数直到结束。计数结束后，只有再次出现GATE上升沿脉冲，才按新初值启动计数。(4)在计数过程中，如果GATE又出现上升沿脉冲，则计数器将立即从初值开始重新计数，直到计数结束，OUT端才变为高电平。利用这一功能，可延长OUT输出的单脉冲宽度。(5)当计数到0后，如果GATE又出现上升沿脉冲

12、，则可以再输出一个同样宽度的单脉冲，而不用再次送计数初值。 使OUT端输出固定频率的脉冲，输出脉冲周期等于n个CLK脉冲的宽度，也相当于对CLK信号n分频。这种方式给自动控制中的实时检测、实时控制提供了实时时钟，也可作为一个可编程脉冲速率发生器。 (1)写入控制字后，OUT端输出高电平作为初始状态。(2)写入计数初值后的第一个CLK脉冲下降沿，初值才送入CE。在GATE=l时，开始减1计数，当计数减到1(注意不是减到0)时，OUT端变为低电平；再减1，即计数减到0，OUT端又变为高电平，同时计数器自动重新从计数初值开始新的减1计数过程，如此重复进行，输出固定频率的脉冲。(3)在计数过程中，CP

13、U写入新的初值并不影响当前计数，而是影响后面的计数。(4)在计数过程中，GATE变为低电平，则停止计数，直到GATE恢复高电平后，计数器则从计数初值开始重新计数。由此可见，这种方式下，门控信号既可用电平触发，也可用上升沿触发。方式3与方式2工作原理相似，但输出波形则为占空比1：1或近似1：1的连续方波或矩形波。 (1)写入控制字后，OUT端输出高电平作为初始状态。(2)写计数初值n，该WR信号上升沿将这个计数初值先送到CR中，在WR信号上升沿之后的第个CLK脉冲的下降沿时才送入CE中。此时，若GATE=1，CE就启动减1计数。n若计数初值n为偶数时，当计数器开始减1计数，计数到一半(n/2)时

14、，OUT端就由高电平变为低电平。再继续减1计数，计到0时，OUT端由低电平变为高电平，从而完成一个周期的工作，然后又自动开始重复计数。由此OUT端输出占空比为1：1的连续方波。n当计数初值n为奇数时，OUT端输出矩形波，正半周(高电平)为(n+1)/2个CLK脉冲的宽度，负半周(低电平)为(n-1)/2个CLK脉冲的宽度，即OUT输出为高电平的时间将比其为低电平的时间多一个CLK周期。 (3)其它功能时序与方式2相同。 计数器主要靠写入新的计数初值来触发计数器工作，所以常称它为软件触发。OUT端输出的负单脉冲信号常作为选通信号使用；另外还可用作定时功能，定时时间为n个CLK周期。 (1)写入控

15、制字后，OUT端输出高电平作为初始状态。(2)写计数初值n，该 信号上升沿将这个计数初值先送到CR中，在 信号上升沿之后的第一个CLK脉冲的下降沿时才送入CE中。此时，若GATE=1，CE就启动减1计数，直到计数值减到0时，OUT端才由高电平变为低电平，并且仅保持一个时钟周期的低电平后，就自动变为高电平，也就是在OUT端产生一个负脉冲信号波形。(3)在计数过程中，若CPU又写入新的计数初值，则 信号下降沿使计数器停止计数，然后在 的上升沿后的第一个CLK脉冲下降沿开始按新计数初值作减1计数。n注意：若该初值为双字节数，则写第一个字节时，不影响原计数，写第二个字节时 信号才起作用。(4)在计数过

16、程中，若GATE由高电平变为低电平，计数器立即停止计数，但OUT端输出仍保持高电平，直到GATE恢复到高电平时，计数器将从初值开始重新减1计数。(5)由程序置入的计数初值只一次有效，减1计数到0输出一个负单脉冲信号后，计数结束，不再计数。若要继续进行计数，必须重新写计数初值，在GATE=1条件下，启动计数。方式4时，计数器主要靠写入新的计数初值来触发计数器工作，所以常称它为软件触发。OUT端输出的负单脉冲信号常作为选通信号使用；另外还可用作定时功能，定时时间为n个CLK周期。WRWRWRWRWR方式5与方式l工作原理相似，由门控信号GATE的上升沿触发计数器计数，但OUT端输出波形为单脉冲选通

17、信号，同方式4。 (1)写入控制字后，OUT端输出高电平作为初始状态。(2)写计数初值n，在 信号上升沿将这初值先送到CR中，在GATE信号出现上升沿后的第一个CLK脉冲的下降沿时将初值送入CE，并开始减1计数，直到减到0时，OUT端由高电平变为低电平，并仅保持一个CLK脉冲周期的低电平后就自动变为高电平，也就是在OUT端产生一个负单脉冲信号波形。(3)在计数过程中或计数结束后，若GATE信号再次出现上升沿，则计数器将自动重装初值并开始新的计数周期。(4)在计数过程中，若CPU又写入新的计数初值，只要GATE不出现上升沿，就不影响当前计数。如果在这以后，GATE出现上升沿，则在其后的第一个CL

18、K脉冲下降沿启动计数器，并按新初值开始计数。 WR8253有6种不同的工作方式，它们的特点不同，因而应用的场合也就不同。8253没有复位RESET输入，开机加电后，其工作方式和OUT端输出都是不确定的，必须对其进行初始化编程，初始化编程包括写控制字和写计数初值。先写控制字，使OUT端输出初始状态电平，其中只有方式0的初始状态为OUT端输出低电平，其它方式的初始状态都是OUT端输出高电平。OUT端输出波形都是在CLK脉冲下降沿时产生电平的变化。门控信号的触发方式有二种；高电平触发，上升沿触发。方式0、4中GATE为高电平触发；方式l、5中GATE为上升沿触发；方式2、3中GATE既可用高电平触发

19、也可用上升沿触发。方式0与方式1的OUT端输出波形类似，在计数过程中都保持低电平，计数结束立即变为高电平，这种正阶跃信号输出常可用作中断请求信号。但它们的OUT端初始状态不一样，方式0的OUT端输出正阶跃信号，方式1的OUT端输出负单稳态脉冲波。方式2与方式3有一共同的特点，都具有减到0后计数初值自动再重装功能，所以OUT端都能输出连续的波形。它们主要的区别在于占空比不同，方式2输出连续的负脉冲波，其中负脉冲宽仅为一个CLK脉冲，而周期为n个CLK脉冲；方式3输出连续方波或矩形波，占空比为1：1或近似1：1。方式4与方式5的输出波形相同，它们主要区别是计数启动的触发信号不同，方式4由写计数初值

20、指令的上升沿启动计数，方式5由GATE上升沿启动计数。6种工作方式都受GATE门控信号的控制。在使用计数器前，必须先写入计数初值n。在某些工作方式下初值只能用一次，如下次要用，必须重新写入初值n；而在另外些方式下，能自动重新装入初值n实现循环计数。 方式0：写入的初值n一次有效 方式1：写入的初值n一次有效，但可触发重装 方式2：写入的初值n能自动重装 方式3：写入的初值n能自动重装 方式4：写入的初值n一次有效 方式5：写入的初值n一次有效，但可触发重装6种工作方式在计数过程中都可写入新计数初值，但是在不同方式时对当前计数及OUT输出的影响各不相同。 本小节内容：n8253的初始化编程n82

21、53计数值的读取编程初始化编程的步骤为：初始化编程的步骤为：(1)写控制字，规定计数器的工作方式。(2)写计数初值。 若规定只写低8位，则写入的为计数初值的低8位，高8位自动置0。 若规定只写高8位，则写入的为计数初值的高8位，低8位自动置0。 若是16位计数初值，则分两次写入，先写入低8位，再写入高8位。 若要使计数器0工作在方式1，按BCD码计数，计数初值为5080，若端口地址分别为F8HFBH，则初始化程序为： MOV AL，33H OUT 0FBH，AL；向计数器0写控制字 MOV AL，80H OUT 0F8H，AL；向计数器0写计数初值的低8位 MOV AL，50H OUT 0F8

22、H，AL；向计数器0写计数初值的高8位注意：采用BCD码计数时，计数初值为十进制数，但在初始化写初值时，一定要在十进制数值后加十六进制后缀H。 CPU可以用输入指令读取8253任一计数器的计数值，此时CPU读到的是执行输入指令瞬间计数器的现行值。8253的计数器是16位的，要分两次读至CPU，在读入过程中，计数值可能发生变化。因此，在读取计数值之前，需对现行计数值进行锁存。 在例9.1的计数过程中，若要读取计数器0的当前16位计数值，并且读取的数值存入CX寄存器中，其程序为：MOV AL，03H ；锁存控制字为00000011B OUT 0FBH，AL ；向计数器0写控制字，实现锁存 IN A

23、L，0F8H ；读取计数器0的锁存器低8位计数值 MOV CL，AL ；保存至CL IN AL，0F8H ；再读一次计数器0的锁存器，读取高8位计数值 MOV CH ，AL ；保存至CH例9.3例9.4例9.5利用8253和8255实现对扬声器的控制。试设计一个程序，使扬声器发出262Hz频率的声音，按下任意键声音停止。已知8253计数器2与控制口地址为42H与43H，8255PB口的地址为61H。在PC/XT计算机系统中，PC机的发声系统以计数器2为核心。CLK2的输入频率1.19MHz，改变计数器初值可以由OUT2得到不同频率的方波输出。计数器2定义为工作方式3，控制字为10110110B

24、。对于要求OUT2输出600Hz的声音驱动信号，可以得出计数初值：1.19MHz/262Hz=4542。另外，PC/XT计算机的发声系统受8255芯片B口的两个输出端线PB0、PB1的控制：nPB0为1，使GATE2为1，计数器2能正常计数，可以控制扬声器何时可以发声；nPB1为1，打开输出控制门，可以控制扬声器发声时间长短。 MOV AL，10110110B；对8253计数器2初始化OUT 43H，ALMOV AX， 4542；设置计数初值OUT 42H， ALMOV AL，AHOUT 42H，ALIN AL， 61H；读8255PB口当前值OR AL， 03H；使PB1与PB0置1，其余位

25、不变OUT 61H，AL；打开GATE2并且允许发声MOV AH， 01HINT 21H；等待按任意键IN AL，61HAND AL，0FCH；清PB1与PB0OUT 61H，AL；停止发声 利用8253控制LED的点亮或熄灭。 要求循环点亮10秒钟后再让它熄灭10秒钟（周期为20秒），设计接口电路并编程实现。已知8253的各端口地址为81H，83H，85H和87H，提供的时钟信号频率为2MHz。对8253编程，使其输出周期为20秒的方波信号，就能使LED交替亮灭。时间常数计算n已知输出周期为20秒，则输出频率为：（1/20）Hz。n时钟频率为2MHz，时间常数：2M/(1/20)=40M。接口设计n 一个计数器的计数初值最多为65536，所以单纯的使用单个计数器不能满足要求。因此，采用多计数器级联的方法实现。n让计数器0和计数器1都工作在方式3，让计数器0的OUT输出脉冲信号作为计数器1的时钟输入信号，即计数器1的CLK端接计数器0的OUT端。其接口结构如图9.12所示。计数器0和计数器1都工作在方式3，其控制字分别为：00100111B和01100111B。在2个计数器的初值设置上只要满足两个计数初值的乘积为N0*N1=40M即可。可以取计数器0的计数初值为：5000；则计数器1的计数初值则为：8000。初始化程序