第10章定时计数器8253.docx

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第10章定时计数器8253

第十章定时计数器8253/8254

基本内容：

8253/8254的功能、编程结构和工作原理，掌握8253/8254的外部接线、编程和使用方法。

基本要求：

了解8253/8254的编程结构、工作原理及模式；掌握8253/8254的编程应用。

重点内容：

8253/8254的编程结构、工作原理及模式和编程应用。

难点内容：

8253/8254的编程结构和工作模式。

可编程控制接口芯片的学习要点：

（1）不强调对接口芯片内部电路原理的具体分析；

（2）侧重掌握接口芯片的外特性。

①主要引脚的名称及定义；

②内部逻辑结构框图及功能描述；

③控制字、状态字的组成及定义；

④工作方式的定义。

第一节概述

一、定时信号的获得

定时/计数技术用于构建微机系统的定时子系统。

所谓定时（计数）就是通过硬件或软件的方法产生一个时间基准，以此来实现对系统的定时或延时控制。

定时有三种主要方法：

软件定时、纯硬件定时及可编程的硬件定时器/计数器。

（1）软件定时

使用延迟子程序

由于执行每条指令都需要时间，则执行一个程序段就需要一个固定的时间，通过适当地挑选指令和安排循环次数来实现软件的定时。

该方法要求完全占用CPU的时间，因而降低了CPU的利用率。

（2）纯硬件定时

采用固定的电路，如可以采用小规模集成电路555，外接电阻和电容构成单稳延时电路。

这样的定时电路简单，而且通过改变电阻和电容，可以使定时在一定的范围内调整。

但它由纯硬件来完成，给使用带来不便。

（3）可编程硬件定时器/计数器

这是目前在控制系统中广泛使用的方法，它通过编程来控制电路的定时值及定时范围，功能强，使用灵活。

在计算机系统中，象定时中断、定时检测、定时扫描等等都是用可编程定时器来完成定时控制的。

Intel8253/8254就是常用的可编程定时/计数器。

8253最高工作频率2.6MHz，8254最高工作频率为10MHz。

计数器/定时器的用处：

①作为中断信号

②输出精确的定时信号

③作为波特率发生器

④实现延迟

二、可编程计数器/定时器的工作原理

计数器/定时器的基本原理图

计数器/定时器可以有下面几种工作模式：

①计数结束产生中断

②可重复触发的单稳态触发器

③分频器

④方波发生器

⑤选通信号发生器

第二节可编程计数器/定时器8253

一、8253的编程结构

3个计数器，每个计数器内部有：

8位的控制寄存器

16位的计数初值寄存器

计数执行部件

输出锁存器

8253的编程结构

二、8253的工作原理

8253的工作原理图

1、计数器0，计数器1，计数器2

计数器0、计数器1、计数器2是三个完全独立、结构相同的计数器，每一个计数器都是由一个16位的可预置的减法计数器构成。

每一个计数器都有CLK、GATE、OUT三个引脚。

①每一个计数器都是由一个16位的可预置的减法计数器构成，计数器的初值n由程序预置。

②CLK：

计数脉冲输入端。

每进入一个脉冲，计数器计数值就减1。

③OUT：

脉冲输出端。

当计数器计数值减到“0”时，就从OUT端输出一个信号，输出信号的波形取决于工作方式。

则：

定时时间=时钟周期（T）×预置的计数器初值（n）

④GATE：

门控信号端，当GATE为低电平时，禁止计数器工作；当GATE为高电平时，才允许计数器工作。

2、数据总线缓冲器

功能：

①往计数器设置初值

②从计数器读取计数值

③往控制寄存器设置控制字

3、读写逻辑电路

A1、A0对计数器和控制寄存器寻址，A1、A0为：

00----计数器0，01----计数器1，10----计数器2，11----控制器

RD读信号，读取选中计数器的内容（计数值）

WR写信号，向选中的计数器写入计数初值，或向选中控制器写入控制字

CS片选信号，有效表明8253被选中。

4、控制寄存器

在8253初始化时，由CPU写入控制字来设置计数器的工作方式。

特点：

只能写入而不能读出。

三、8253的控制字和编程

1、编程——即对8253初始化

刚接通电源时，8253处于未定义的状态，需用程序将其设置为一个特定的模式，即初始化。

步骤：

①写入控制字；②写入计数器初值。

注意：

①三个计数器应该分别初始化

②计数器一旦初始化之后，就在设置的模式下进行减1计数

2、控制字的格式

①SC1、SC0：

这两位决定这个控制字是哪一个计数器的控制字

②RL1、RL0：

设置数据读/写格式。

在读取计数值时，可令RL1、RL0=00，先将写控制字时的计数值锁存，然后再读取。

③M2、M1、M0：

设置每个计数器的工作方式。

④BCD：

用于选择每个计数器的计数制。

在二进制计数时，计数初值的范围是0000H～FFFFH，其中0000H是最大值，代表65536。

在BCD码计数时，计数初值的范围中0000～9999，其中，0000是最大值，代表10000。

注意：

最大计数为0000，不是FFFFH或9999。

除方式3外，最小值都为1。

四、8253的工作模式

8253的基本规则：

①控制字写入时，进入初始状态

②初值写入后，要经过上升沿和一个下降沿，才开始计数

③在CLK的上升沿被采样

④在CLK下降沿，计数器作减1计数

Intel8253有6种工作方式：

方式0—计数结束后输出由低变高

方式1—可编程序的单拍脉冲

方式2——频率发生器（分频器）

方式3—方波发生器

方式4——软件触发选通

方式5——硬件触发选通

6种工作方式的主要区别是：

1.输出的波形不同（时序图），

2.计数过程中GATE信号对计数操作的影响不同，

3.启动计数器的触发方式不同。

1、模式0——计数结束产生中断（计数结束后输出由低变高）

特点：

当计数到达0时，输出端OUT为高电平

模式0的时序图如下：

注：

CW＝10H

①写入控制字后，OUT输出端变为低电平。

当写入计数初值后，计数器开始减1计数。

在计数过程中OUT一直保持为低电平，直到计数到0时，OUT输出变为高电平。

此信号可用于向CPU发出中断请求。

②计数器只计数一遍。

当计数到0时，不恢复计数初值，且输出一直保持为高电平。

只有在写入新的计数值时，OUT才变低，并开始新的计数。

③GATE是门控信号，GATE=1时允许计数，GATE=0时，禁止计数。

在计数过程中，如果GATE=0则计数暂停，当GATE=1后接着计数。

④在计数过程中可改变计数值。

若是8位计数，在写入新的计数值后，计数器将按新的计数值重新开始计数。

如果是16位计数，在写入第一个字节后，计数器停止计数，在写入第二个字节后，计数器按照新的计数值开始计数。

如图所示。

2、模式1——可重复触发的单稳态触发器

特点：

门控上升沿作为触发信号

是单稳态方式

宽度主要决定于计数值

模式1的时序图如下：

注：

CW＝12H

①写入控制字后，输出OUT将保持为高电平，计数由GATE启动。

GATE启动之后，OUT变为低电平，当计数到0时，OUT输出高电平，从而在OUT端输出一个负脉冲，负脉冲的宽度为n个（计数初值）CLK的脉冲宽度。

②当计数到0后，不用送计数值，可再次由GATE脉冲启动,输出同样宽度的单拍脉冲。

③在计数过程中，可改变计数初值，此时计数过程不受影响。

如果再次触发启动，则计数器将按新输入的计数值计数。

④在计数未到0时，如果GATE再次启动，则计数初值将重新装入计数器，并重新开始计数。

3、模式2——分频器（频率发生器）

特点：

是N分频的计数器

正脉冲为N-1个时钟脉冲宽度

负脉冲为1个时钟脉冲宽度

模式2的时序图：

CW＝14H

①写入控制字后，输出将变为高电平。

写入计数值后，计数立即开始。

在计数过程中输出始终为高电平，直至计数器减到1时，输出将变为低电平。

经过一个CLK周期，输出恢复为高，且计数器开始重新计数。

因此，它能够连续工作，输出固定频率的脉冲。

②如果计数值为N，则每输入N个CLK脉冲，输出一个脉冲。

因此，相当于对输入脉冲的N分频。

通过对N赋不同的初值，即可在输出端得到所需的频率，起到频率发生器的作用。

③计数过程可由门控脉冲控制。

当GATE=0时，暂停计数；当GATE变高自动恢复计数初值，重新开始计数。

④在计数过程中可以改变计数值，这对正在进行的计数过程没有影响。

但在计数到1时输出变低，经过一个CLK周期后输出又变高，计数器将按新的计数值计数。

4、模式3——方波发生器

特点：

和模式2类似，但输出为方波或基本对称的矩形波

模式3的时序图：

CW＝16H

①输出为周期性的方波。

若计数值为N，则输出方波的周期是N个CLK脉冲的宽度。

②写入控制字后，输出将变为高电平.当写入计数初值后，就开始计数,输出仍为高电平；当计数到初值一半时,输出变为低电平，直至计数到0,输出又变为高电平，重新开始计数。

③若计数值为偶数，则输出对称方波。

如果计数值为奇数，则前（N+1）/2个CLK脉冲期间输出为高电平，后（N—1）/2个CLK脉冲期间输出为低电平。

④GATE信号能使计数过程重新开始。

GATE=1允许计数，GATE=0禁止计数。

停止后OUT将立即变高开，当GATE再次变高以后，计数器将重新装入计数初值，重新开始计数。

5、模式4——软件触发的选通信号发生器

特点：

当计数到0时，输出变为低电平，并持续一个时钟周期变为高电平。

模式4的时序图：

CW＝18H

①写入控制字后，输出为高电平。

写入计数值后立即开始计数（相当于软件触发启动），当计数到0后，输出一个时钟周期的负脉冲，计数器停止计数。

只有在输入新的计数值后，才能开始新的计数。

②当GATE=1时，允许计数，而GATE=0，禁止计数。

GATE信号不影响输出。

③在计数过程中，如果改变计数值，则按新计数值重新开始计数。

如果计数值是16位，则在设置第一字节时停止计数，在设置第二字节后，按新计数值中开始计数。

6、模式5——硬件触发的选通信号发生器

特点：

用门控上升沿触发即硬件触发

计数到0时，输出端一个宽度为1个时钟周期的负脉冲，然后又自动变为高电平。

模式5的时序图：

CW＝1AH

①写入控制字后，输出为高电平。

在设置了计数值后，计数器并不立即开始计数，而是由门控脉冲的上升沿触发启动。

当计数到0时，输出一个CLK周期的负脉冲，并停止计数。

当门控脉冲再次触发时才能再计数。

②在计数过程中如果再次用门控脉冲触发，则使计数器重新开始计数，此时输出还保持为高电平，直到计数为0，才输出负脉冲。

③如果在计数过程中改变计数值，只要没有门控信号的触发，不影响计数过程。

当有新的门控脉冲的触发时，不管是否计数到0，都按新的计数值计数。

两个注意点：

①时钟周期和输出周期的区别

②输出波形在时钟下降沿产生电平变化

例：

假设一个8253在某系统中的端口地址40H～43H，如果要将计数器0设置为设置为工作方式3，计数初值为3060H,采用二进制计数法，则初始化方法如下：

控制字：

计数器0，写两个字节，方式3，二进制计数

则控制字为：

00110110

MOVAL，36H；设置控制字00110110

OUT43H，AL；写入控制寄存器

MOVAX,3060H；设置计数值

OUT40H,AL；写低8位至计数器0

MOVAL,AH

OUT40H,AL；写高8位至计数器0

例：

已知8254各通道时钟接8MHz信号，端口地址为700H、702H、704H和706H，要求在OUT0产生周期为10us的方波，OUT1产生2KHz的连续脉冲信号，OUT3产生一个最大的负脉冲。

分析：

OUT0：

初值=10us*8MHz=80方式3

OUT1：

初值=8MHz/2KHz=4000方式2

OUT2：

初值=0,二进制计数方式1

；CTC0

MOVDX，706H；控制端口地址

MOVAL，00010110B；CTC0控制字

OUTDX，AL

MOVDX，700H；CTC0口地址

MOVAL，80；CTC0初值

OUTDX，AL

；CTC1

MOVDX，706H；控制端口地址

MOVAL，01110100B；CTC1控制字

OUTDX，AL

MOVDX，702H；CTC1口地址

MOVAX，4000；CTC1初值

OUTDX，AL；先写低字节

MOVAL，AH；取高字节

OUTDX，AL；后写高字节

；CTC2

MOVDX，706H；控制端口地址

MOVAL，10110010B；CTC2控制字

OUTDX，AL

MOVDX，704H；CTC2口地址

MOVAL，0；CTC2初值

OUTDX，AL；先写低字节

OUTDX，AL；后写高字节

五、8253与PC总线的连接

六、在IBMPC/XT机中的应用

在IBMPC/XT机中，8253主要提供系统时钟中断、动态RAM的刷新定时及喇叭发声控制等功能。

8253的初始化是在计算机启动时由BIOS完成的。

下图是8253在IBMPC/XT机的应用的示意图

从时钟发生器来的频率2.386364MHZ经二分频后作为8253三个计数器的时钟输入，8253三个计数器的端口地址为40H—43H。

（1）计数器0用于定时中断（约55ms）

MOVAL,36H；计数器0，方式3，写两个字节，二进制计数

OUT43H,AL；控制字送控制字寄存器

MOVAL,0；计数值为最大值

OUT40H,AL；写低8位

OUT40H,AL；写高8位

（2）计数器1用于定时（15μs）DMA请求

MOVAL,54H；计数器1，方式2，只写低8位，二进制计数

OUT43,AL

MOVAL,12H；初值为18

OUT41H,AL

（3）计数器3用于产生约900HZ的方波送至扬声器

MOVAL,B6H；计数器3，方式3，写两字节，二进制

OUT43H,AL

MOVAX,533H；计数初值为533H

OUT42H,AL；写低8位

MOVAL,AH

OUT42H,AL；写高8位

七、Intel8254简介

Intel8254是Intel8253的改进型，它们在操作方式及引脚排列上完全相同。

相比8253，8254主要改进的内容是：

1.计数频率高

8254的计数频率可由直流至6MHz，8254-2可高达10MHz。

而8253最高只能达到2.6MHz。

2.有读回命令（写入至控制字寄存器）

如果控制字寄存器D7=1，D6=1，D0=0，即为8254的读回命令，其格式如图9.12所示。

这个命令可以使三个计数器的计数值一次锁存，而在8253则需要写入三个命令。

图9.128254的读回命令

另外，在8254中每个计数器都有一个状态字，当要读取时，也可由读回命令进行锁存。

其状态状态字的格式如图9.13所示。

图9138254的状态字格式

其中，D0～D5与方式控制字对应位的意义相同。

即为写入此计数器的控制字的相应部分。

D7表示OUT引脚的输出状态。

D6表示计数初值是否已装入减1计数器，D6=0表示已经装入，可以读取计数器。