计数器与定时器2.docx
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计数器与定时器2
计数器与定时器
一、计数概念的引入
从选票的统计谈起：
画“正”。
这就是计数，生活中计数的例子处处可见。
例：
录音机上的计数器、家里面用的电度表、汽车上的里程表等等，再举一个工业生产中的例子，线缆行业在电线生产出来之后要计米，也就是测量长度，怎么测法呢？
用尺量？
不现实，太长不说，要一边做一边量呢，怎么办呢？
行业中有很巧妙的方法，用一个周长是1米的轮子，将电缆绕在上面一周，由线带轮转，这样轮转一周不就是线长1米嘛，所以只要记下轮转了多少圈，就可以知道走过的线有多长了。
二、计数器的容量
从一个生活中的例子看起：
一个水盆在水龙头下，水龙没关紧，水一滴滴地滴入盆中。
水滴不断落下，盆的容量是有限的，过一段时间之后，水就会逐渐变满。
录音机上的计数器最多只计到999….那么单片机中的计数器有多大的容量呢？
8031单片机中有两个计数器，分别称之为T0和T1，这两个计数器分别是由两个8位的RAM单元组成的，即每个计数器都是16位的计数器，最大的计数量是65536。
三、定时
8031中的计数器除了可以作为计数之用外，还可以用作时钟，时钟的用途当然很大，如打铃器，电视机定时关机，空调定时开关等等，那么计数器是如何作为定时器来用的呢？
一个闹钟，我将它定时在1个小时后闹响，换言之，也可以说是秒针走了（3600）次，所以时间就转化为秒针走的次数的，也就是计数的次数了，可见，计数的次数和时间之间的确十分相关。
那么它们的关系是什么呢？
那就是秒针每一次走动的时间正好是1秒。
图1
结论：
只要计数脉冲的间隔相等，则计数值就代表了时间的流逝。
由此，单片机中的定时器和计数器是一个东西，只不过计数器是记录的外界发生的事情，而定时器则是由单片机提供一个非常稳定的计数源。
那么提供组定时器的是计数源是什么呢？
看图1，原来就是由单片机的晶振经过12分频后获得的一个脉冲源。
晶振的频率当然很准，所以这个计数脉冲的时间间隔也很准。
问题：
一个12M的晶振，它提供给计数器的脉冲时间间隔是多少呢？
当然这很容易，就是12M/12等于1M，也就是1个微秒。
结论：
计数脉冲的间隔与晶振有关，12M的晶振，计数脉冲的间隔是1微秒。
四、溢出
让我们再来看水滴的例子，当水不断落下，盆中的水不断变满，最终有一滴水使得盆中的水满了。
这时如果再有一滴水落下，就会发生什么现象？
水会漫出来，用个术语来讲就是“溢出”。
水溢出是流到地上，而计数器溢出后将使得TF0变为“1”。
至于TF0是什么我们稍后再谈。
一旦TF0由0变成1，就是产生了变化，产生了变化就会引发事件，就象定时的时间一到，闹钟就会响一样。
至于会引发什么事件，我们下次课再介绍，现在我们来研究另一个问题：
要有多少个计数脉冲才会使TF0由0变为1。
五、任意定时及计数的方法
刚才已研究过，计数器的容量是16位，也就是最大的计数值到65536，因此计数计到65536就会产生溢出。
这个没有问题，问题是我们现实生活中，经常会有少于65536个计数值的要求，如包装线上，一打为12瓶，一瓶药片为100粒，怎么样来满足这个要求呢？
……
提示：
如果是一个空的盆要1万滴水滴进去才会满，我在开始滴水之前就先放入一勺水，还需要10000滴嘛？
对了，我们采用预置数的方法，我要计100，那我就先放进65436，再来100个脉冲，不就到了65536了吗。
定时也是如此，每个脉冲是1微秒，则计满65536个脉冲需时65.536毫秒，但现在我只要10毫秒就可以了，怎么办？
……
10个毫秒为10000个微秒，所以，只要在计数器里面放进55536就可以了。
说明：
本课部份图请打本单片机书，都有，抱歉，不及画。
定时/计数器的方式控制字
从上一节我们已经得知，单片机中的定时/计数器都可以有多种用途，那么我怎样才能让它们工作于我所需要的用途呢？
这就要通过定时/计数器的方式控制字来设置。
在单片机中有两个特殊功能寄存器与定时/计数有关，这就是TMOD和TCON。
顺便说一下，TMOD和TCON是名称，我们在写程序时就可以直接用这个名称来指定它们，当然也可以直接用它们的地址89H和88H来指定它们（其实用名称也就是直接用地址，汇编软件帮你翻译一下而已）。
从图1中我们可以看出，TMOD被分成两部份，每部份4位。
分别用于控制T1和T0，至于这里面是什么意思，我们下面介绍。
从图2中我们可以看出，TCON也被分成两部份，高4位用于定时/计数器，低4位则用于中断（我们暂不管）。
而TF1（0）我们上节课已提到了，当计数溢出后TF1（0）就由0变为1。
原来TF1（0）在这儿！
那么TR0、TR1又是什么呢？
看上节课的图。
计数脉冲要进入计数器还真不容易，有层层关要通过，最起码，就是TR0
（1）要为1，开关才能合上，脉冲才能过来。
因此，TR0
（1）称之为运行控制位，可用指令SETB来置位以启动计数器/定时器运行，用指令CLR来
关闭定时/计数器的工作，一切尽在自已的掌握中。
定时/计数器的四种工作方式
1.工作方式0
定时器/计数器的工作方式0称之为13位定时/计数方式。
它由TL（1/0）的低5位和TH（0/1）的8位构成13位的计数器，此时TL（1/0）的高3位未用。
我们用这个图来讨论几个问题：
1.M1M0：
定时/计数器一共有四种工作方式，就是用M1M0来控制的，2位正好是四种组合。
2.C/T：
前面我们说过，定时/计数器即可作定时用也可用计数用，到底作什么用，由我们根据需要自行决定，也说是决定权在我们��编程者。
如果C/T为0就是用作定时器（开关往上打），如果C/T为1就是用作计数器（开关往下打）。
顺便提一下：
一个定时/计数器同一时刻要么作定时用，要么作计数用，不能同时用的，这是个极普通的常识，几乎没有教材会提这一点，但很多初学者却会有此困惑。
3.GATE：
看图，当我们选择了定时或计数工作方式后，定时/计数脉冲却不一定能到达计数器端，中间还有一个开关，显然这个开关不合上，计数脉冲就没法过去，那么开关什么时候过去呢？
有两种情况
1.GATE=0，分析一下逻辑，GATE非后是1，进入或门，或门总是输出1，和或门的另一个输入端INT1无关，在这种情况下，开关的打开、合上只取决于TR1，只要TR1是1，开关就合上，计数脉冲得以畅通无阻，而如果TR1等于0则开关打开，计数脉冲无法通过，因此定时/计数是否工作，只取决于TR1。
2.GATE=1，在此种情况下，计数脉冲通路上的开关不仅要由TR1来控制，而且还要受到INT1引脚的控制，只有TR1为1，且INT1引脚也是高电平，开关才合上，计数脉冲才得以通过。
这个特性可以用来测量一个信号的高电平的宽度，想想看，怎么测？
为什么在这种模式下只用13位呢？
干吗不用16位，这是为了和51机的前辈48系列兼容而设的一种工作式，如果你觉得用得不顺手，那就干脆用第二种工作方式。
1.工作方式1
工作方式1是16位的定时/计数方式，将M1M0设为01即可，其它特性与工作方式0相同。
2.工作方式2
在介绍这种式方式之前先让我们思考一个问题：
上一次课我们提到过任意计数及任意定时的问题，比如我要计1000个数，可是16位的计数器要计到65536才满，怎么办呢？
我们讨论后得出的办法是用预置数，先在计数器里放上64536，再来1000个脉冲，不就行了吗？
是的，但是计满了之后我们又该怎么办呢？
要知道，计数总是不断重复的，流水线上计满后马上又要开始下一次计数，下一次的计数还是1000吗？
当计满并溢出后，计数器里面的值变成了0（为什么，可以参考前面课程的说明），因此下一次将要计满65536后才会溢出，这可不符合要求，怎么办？
当然办法很简单，就是每次一溢出时执行一段程序（这通常是需要的，要不然要溢出干吗？
）可以在这段程序中做把预置数64536送入计数器中的事情。
所以采用工作方式0或1都要在溢出后做一个重置预置数的工作，做工作当然就得要时间，一般来说这点时间不算什么，可是有一些场合我们还是要计较的，所以就有了第三种工作方式��自动再装入预置数的工作方式。
既然要自动得新装入预置数，那么预置数就得放在一个地方，要不然装什么呢？
那么预置数放在什么地方呢？
它放在T（0/1）的高8位，那么这样高8位不就不能参与计数了吗？
是的，在工作方式2，只有低8位参与计数，而高8位不参与计数，用作预置数的存放，这样计数范围就小多了，当然做任可事总有代价的，关键是看值不值，如果我根本不需要计那么多数，那么就可以用这种方式。
看图4，每当计数溢出，就会打开T（0/1）的高、低8位之间的开关，计预置数进入低8位。
这是由硬件自动完成的，不需要由人工干预。
通常这种式作方式用于波特率发生器（我们将在串行接口中讲解），用于这种用途时，定时器就是为了提供一个时间基准。
计数溢出后不需要做事情，要做的仅仅只有一件，就是重新装入预置数，再开始计数，而且中间不要任何延迟，可见这个任务用工作方式2来完成是最妙不过了。
3.工作方式3
这种式作方式之下，定时/计数器0被拆成2个独立的定时/计数器来用。
其中，TL0可以构成8位的定时器或计数器的工作方式，而TH0则只能作为定时器来用。
我们知道作定时、计数器来用，需要控制，计满后溢出需要有溢出标记，T0被分成两个来用，那就要两套控制及、溢出标记了，从何而来呢？
TL0还是用原来的T0的标记，而TH0则借用T1的标记。
如此T1不是无标记、控制可用了吗？
是的。
一般情况处，只有在T1以工作方式2运行（当波特率发生器用）时，才让T0工作于方式3的。
定时器/计数器的定时/计数范围
工作方式0：
13位定时/计数方式，因此，最多可以计到2的13次方，也就是8192次。
工作方式1：
16位定时/计数方式，因此，最多可以计到2的16次方，也就是65536次。
工作方式2和工作方式3，都是8位的定时/计数方式，因此，最多可以计到2的8次方，也说是256次。
预置值计算：
用最大计数量减去需要的计数次数即可。
例：
流水线上一个包装是12盒，要求每到12盒就产生一个动作，用单片机的工作方式0来控制，应当预置多大的值呢？
对了，就是8192-12=8180。
以上是计数，明白了这个道理，定时也是一样。
这在前面的课程已提到，我们不再重复，请参考前面的例子。
单片机第二十课：
中断系统
1.有关中断的概念
什么是中断，我们从一个生活中的例子引入。
你正在家中看书，突然电话铃响了，你放下书本，去接电话，和来电话的人交谈，然后放下电话，回来继续看你的书。
这就是生活中的“中断”的现象，就是正常的工作过程被外部的事件打断了。
仔细研究一下生活中的中断，对于我们学习单片机的中断也很有好处。
第一、什么可经引起中断，生活中很多事件可以引起中断：
有人按了门铃了，电话铃响了，你的闹钟闹响了，你烧的水开了….等等诸如此类的事件，我们把可以引起中断的称之为中断源，单片机中也有一些可以引起中断的事件，8031中一共有5个：
两个外部中断，两个计数/定时器中断，一个串行口中断。
第二、中断的嵌套与优先级处理：
设想一下，我们正在看书，电话铃响了，同时又有人按了门铃，你该先做那样呢？
如果你正是在等一个很重要的电话，你一般不会去理会门铃的，而反之，你正在等一个重要的客人，则可能就不会去理会电话了。
如果不是这两者（即不等电话，也不是等人上门），你可能会按你通常的习惯去处理。
总之这里存在一个优先级的问题，单片机中也是如此，也有优先级的问题。
优先级的问题不仅仅发生在两个中断同时产生的情况，也发生在一个中断已产生，又有一个中断产生的情况，比如你正接电话，有人按门铃的情况，或你正开门与人交谈，又有电话响了情况。
考虑一下我们会怎么办吧。
第三、中断的响应过程：
当有事件产生，进入中断之前我们必须先记住现在看书的第几页了，或拿一个书签放在当前页的位置，然后去处理不同的事情（因为处理完了，我们还要回来继续看书）：
电话铃响我们要到放电话的地方去，门铃响我们要到门那边去，也说是不同的中断，我们要在不同的地点处理，而这个地点通常还是固定的。
计算机中也是采用的这种方法，五个中断源，每个中断产生后都到一个固定的地方去找处理这个中断的程序，当然在去之前首先要保存下面将执行的指令的地址，以便处理完中断后回到原来的地方继续往下执行程序。
具体地说，中断响应可以分为以下几个步骤：
1、保护断点，即保存下一将要执行的指令的地址，就是把这个地址送入堆栈。
2、寻找中断入口，根据5个不同的中断源所产生的中断，查找5个不同的入口地址。
以上工作是由计算机自动完成的，与编程者无关。
在这5个入口地址处存放有中断处理程序（这是程序编写时放在那儿的，如果没把中断程序放在那儿，就错了，中断程序就不能被执行到）。
3、执行中断处理程序。
4、中断返回：
执行完中断指令后，就从中断处返回到主程序，继续执行。
究竟单片机是怎么样找到中断程序所在位置，又怎么返回的呢？
我们稍后再谈。
2.MCS-51中断系统的结构：
如图（抱歉，本图请找本51书看一下）所示，由与中断有关的特殊功能寄存器、中断入口、顺序查询逻辑电路等组成，包括5个中断请求源，4个用于中断控制的寄存器IE、IP、ECON和SCON来控制中断类弄、中断的开、关和各种中断源的优先级确定。
1.中断请求源：
（1）外部中断请求源：
即外中断0和1，经由外部引脚引入的，在单片机上有两个引脚，名称为INT0、INT1，也就是P3.2、P3.3这两个引脚。
在内部的TCON中有四位是与外中断有关的。
IT0：
INT0触发方式控制位，可由软件进和置位和复位，IT0=0，INT0为低电平触发方式，IT0=1，INT0为负跳变触发方式。
这两种方式的差异将在以后再谈。
IE0：
INT0中断请求标志位。
当有外部的中断请求时，这位就会置1（这由硬件来完成），在CPU响应中断后，由硬件将IE0清0。
IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。
（2）内部中断请求源
TF0：
定时器T0的溢出中断标记，当T0计数产生溢出时，由硬件置位TF0。
当CPU响应中断后，再由硬件将TF0清0。
TF1：
与TF0类似。
TI、RI：
串行口发送、接收中断，在串口中再讲解。
2、中断允许寄存器IE
在MCS－51中断系统中，中断的允许或禁止是由片内可进行位寻址的8位中断允许寄存器IE来控制的。
见下表
EA
X
X
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
其中EA是总开关，如果它等于0，则所有中断都不允许。
ES－串行口中断允许
ET1－定时器1中断允许
EX1－外中断1中断允许。
ET0－定时器0中断允许
EX0－外中断0中断允许。
如果我们要设置允许外中断1，定时器1中断允许，其它不允许，则IE可以是
EA
X
X
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
1
0
0
0
1
1
0
0
即8CH，当然，我们也可以用位操作指令
SETBEA
SETBET1
SETBEX1
来实现它。
3、五个中断源的自然优先级与中断服务入口地址
外中断0：
0003H
定时器0：
000BH
外中断1：
0013H
定时器1：
001BH
串口：
0023H
它们的自然优先级由高到低排列。
写到这里，大家应当明白，为什么前面有一些程序一始我们这样写：
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0030H
START：
。
。
。
这样写的目的，就是为了让出中断源所占用的向量地址。
当然，在程序中没用中断时，直接从0000H开始写程序，在原理上并没有错，但在实际工作中最好不这样做。
优先级：
单片机采用了自然优先级和人工设置高、低优先级的策略，即可以由程序员设定那些中断是高优先级、哪些中断是低优先级，由于只有两级，必有一些中断处于同一级别，处于同一级别的，就由自然优先级确定。
开机时，每个中断都处于低优先级，我们可以用指令对优先级进行设置。
看表2
中断优先级中由中断优先级寄存器IP来高置的，IP中某位设为1，相应的中断就是高优先级，否则就是低优先级。
X
X
X
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
例：
设有如下要求，将T0、外中断1设为高优先级，其它为低优先级，求IP的值。
IP的首3位没用，可任意取值，设为000，后面根据要求写就可以了
X
X
X
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
0
0
0
0
0
1
1
0
因此，最终，IP的值就是06H。
例：
在上例中，如果5个中断请求同时发生，求中断响应的次序。
响应次序为：
定时器0－＞外中断1－＞外中断0－＞实时器1－＞串行中断。
1.MCS－51的中断响应过程：
1、中断响应的条件：
讲到这儿，我们依然对于计算机响应中断感到神奇，我们人可以响应外界的事件，是因为我们有多种“传感器“――眼、耳可以接受不同的信息，计算机是如何做到这点的呢？
其实说穿了，一点都不希奇，MCS51工作时，在每个机器周期中都会去查询一下各个中断标记，看他们是否是“1“，如果是1，就说明有中断请求了，所以所谓中断，其实也是查询，不过是每个周期都查一下而已。
这要换成人来说，就相当于你在看书的时候，每一秒钟都会抬起头来看一看，查问一下，是不是有人按门铃，是否有电话。
。
。
。
很蠢，不是吗？
可计算机本来就是这样，它根本没人聪明。
了解了上述中断的过程，就不难解中断响应的条件了。
在下列三种情况之一时，CPU将封锁对中断的响应：
1.CPU正在处理一个同级或更高级别的中断请求。
2.现行的机器周期不是当前正执行指令的最后一个周期。
我们知道，单片机有单周期、双周期、三周期指令，当前执行指令是单字节没有关系，如果是双字节或四字节的，就要等整条指令都执行完了，才能响应中断（因为中断查询是在每个机器周期都可能查到的）。
3.当前正执行的指令是返回批令（RETI）或访问IP、IE寄存器的指令，则CPU至少再执行一条指令才应中断。
这些都是与中断有关的，如果正访问IP、IE则可能会开、关中断或改变中断的优先级，而中断返回指令则说明本次中断还没有处理完，所以都要等本指令处理结束，再执行一条指令才可以响应中断。
2、中断响应过程
CPU响应中断时，首先把当前指令的下一条指令（就是中断返回后将要执行的指令）的地址送入堆栈，然后根据中断标记，将相应的中断入口地址送入PC，PC是程序指针，CPU取指令就根据PC中的值，PC中是什么值，就会到什么地方去取指令，所以程序就会转到中断入口处继续执行。
这些工作都是由硬件来完成的，不必我们去考虑。
这里还有个问题，大家是否注意到，每个中断向量地址只间隔了8个单元，如0003－000B，在如此少的空间中如何完成中断程序呢？
很简单，你在中断处安排一个LJMP指令，不就可以把中断程序跳转到任何地方了吗？
一个完整的主程序看起来应该是这样的：
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H
LJMPINT0；转外中断0
ORG000BH
RETI；没有用定时器0中断，在此放一条RETI，万一“不小心“产生了中断，也不会有太大的后果。
中断程序完成后，一定要执行一条RETI指令，执行这条指令后，CPU将会把堆栈中保存着的地址取出，送回PC，那么程序就会从主程序的中断处继续往下执行了。
注意：
CPU所做的保护工作是很有限的，只保护了一个地址，而其它的所有东西都不保护，所以如果你在主程序中用到了如A、PSW等，在中断程序中又要用它们，还要保证回到主程序后这里面的数据还是没执行中断以前的数据，就得自己保护起来。
定时、中断练习一
1、利用定时器实现灯的闪烁
在学单片机时我们第一个例子就是灯的闪烁，那是用延时程序做的，现在回想起来，这样做不很恰当，为什么呢？
我们的主程序做了灯的闪烁，就不能再干其它的事了，难道单片机只能这样工作吗？
当然不是，我们可以用定时器来实现灯的闪烁的功能。
例1：
查询方式
ORG0000H
AJMPSTART
ORG30H
START:
MOVP1,#0FFH;关所灯
MOVTMOD,#00000001B;定时/计数器0工作于方式1
MOVTH0,#15H
MOVTL0,#0A0H;即数5536
SETBTR0;定时/计数器0开始运行
LOOP:
JBCTF0,NEXT;如果TF0等于1，则清TF0并转NEXT处
AJMPLOOP;否则跳转到LOOP处运行
NEXT:
CPLP1.0
MOVTH0,#15H
MOVTL0,#9FH;重置定时/计数器的初值
AJMPLOOP
ENDAJMPLOOP
END
键入程序，看到了什么？
灯在闪烁了，这可是用定时器做的，不再是主程序的循环了。
简单地分析一下程序，为什么用JBC呢？
TF0是定时/计数器0的溢出标记位，当定时器产生溢出后，该位由0变1，所以查询该位就可知宇时时间是否已到。
该位为1后，要用软件将标记位清0，以便下一次定时是间到时该位由0变1，所以用了JBC指令，该指位在判1转移的同时，还将该位清0。
以上程序是可以实现灯的闪烁了，可是主程序除了让灯闪烁外，还是不能做其他的事啊！
不，不对，我们可以在LOOP：
……和AJMPLOOP指令之间插入一些指令来做其他的事情，只要保证执行这些指令的时间少于定时时间就行了。
那我们在用软件延时程序的时候不是也可以用一些指令来替代DJNZ吗？
是的，但是那就要求你精确计算所用指令的时间，然后再减去相应的DJNZ循环次数，很不方便，而现在只要求所用指令的时间少于定时时间就行，显然要求低了。
当然，这样的方法还是不好，所以我们常用以下的方法来实现。
程序2：
用中断实现
ORG0000H
AJMPSTART
ORG000BH;定时器0的中断向量地址
AJMPTIME0;跳转到真正的定时器程序处
ORG30H
START:
MOVP1,#0FFH;关所灯
MOVTMOD,#00000001B;定时/计数器0工作于方式1
MOVTH0,#15H
MOVTL0,#0A0H;即数5536
SETBEA;开总中断允许
SETBET0;开定时/计数器0允许
SETBTR0;定时/计数器0开始运行
LOOP:
AJMPLOOP;真正工作时,这里可写任意程序
TIME0:
;定时器0的中断处理程序
PUSHACC
PUSHPSW;将PSW和ACC推入堆栈保护
CPLP1.0
MOVTH0,#15H
MOVTL0,#0A0H;重置定时常数
POPPSW
POPACC
RETI
END
上面的例子中，定时时间一到，TF0由0变1，就会引发中断，CPU将自动转至000B处寻找程序并执行，由于留给定时器中断的空间只有8个字节，显然不足以写下所有有中断处理程序，所以在000B处安排一条跳转指令，转到实际处理中断的程序处，这样，中断程序可以写在任意地方，也可以写任意长度了。
进入定时中断后，首先要保存当前的一些状态，程序中只演示了保存存ACC和PSW，实际工作中应该根据需要将可能会改变的单元的值都推入堆栈进行保护（本程序中实际不需保存护任何值，这里只作个演示）。
上面的两个程序运行后，我们发现灯的闪烁非常快，根本分辨不出来，只是视觉上感到灯有些晃动而已，为什么呢？
我们可以计算一下，定时器中预置的数是5536，所以每计60000个脉冲就是定时时间到，这60000个脉冲的时间是多少
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