微机原理论文设计报告.docx
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微机原理论文设计报告
微机原理论文设计报告
题目：
可编程定时/计数器8253的工作原理、使用方法及应用实例
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时间：
2010年6月15日
一、可编程定时/计数器8253的工作原理
8253可编程的计数器/定时器,其内部有三个独立的16位计数器/定时器通道,分别称为：
计数器0通道、计数器1通道、计数器2通道。
每个计数器通道均可按6种不同的方式工作,并且都可以按二进制或十进制计数。
（一）、8253的主要功能
1．每个8253芯片有3个独立的16位计数器通道；
2．每个计数器通道都可以按照二进制或二—十进制（BCD码）计数；
3．每个计数器的计数速率可以高达2MHz；
4．每个通道有6种工作方式，可以由程序设定和改变；
5．所有的输入、输出电平都与TTL兼容。
（二）、8253的内部结构
8253的内部结构如下图所示，它主要包括以下几个主要部分：
CLK0～CLK2是计数器0～2的时钟脉冲输入端,GATE0～GATE2是门控脉冲输入端,OUT0～OUT2是输出端。
1．数据总线缓冲器
实现8253与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器，用以传送CPU向8253的控制信息、数据信息以及CPU从8253读取的状态信息，包括某时刻的实时计数值。
2．读/写控制逻辑
控制8253的片选及对内部相关寄存器的读/写操作，它接收CPU发来的地址信号以实现片选、内部通道选择以及对读/写操作进行控制。
3．控制字寄存器
在8253的初始化编程时，由CPU写入控制字，以决定通道的工作方式，此寄存器只能写入，不能读出。
4．计数通道0#、1#、2#：
这是三个独立的，结构相同的计数器/定时器通道，每一个通道包含一个16位的计数寄存器，用以存放计数初始值，一个16位的减法计数器和一个16位的锁存器，锁存器在计数器工作的过程中，跟随计数值的变化，在接收到CPU发来的读计数值命令时，用以锁存计数值，供CPU读取，读取完毕之后，输出锁存器又跟随减1计数器变化。
（三）、8253的外部引脚
8253芯片是具有24个引脚的双列直插式集成电路芯片，其引脚分布如图8－2所示。
8253芯片的24个引脚分为两组，一组面向CPU，另一组面向外部设备，各个引脚及其所传送信号的情况，介绍如下：
1．D7~D0：
双向、三态数据线引脚，与系统的数据线连接，传送控制、数据及状态信息。
2．
：
来自于CPU的读控制信号输入引脚，低电平有效。
3．
：
来自于CPU的写控制信号输入引脚，低电平有效。
4．
：
芯片选择信号输入引脚，低电平有效。
5．A1、A0：
地址信号输入引脚，用以选择8253芯片的通道及控制字寄存器。
、
的状态与8253端口地址的对应关系如下表所示。
A1
A0
0
0
0＃通道
0
1
1＃通道
1
0
2＃通道
1
1
控制端口
6．VCC及GND：
+5V电源及接地引脚
7．CLKi：
i=0,1,2,第i个通道的计数脉冲输入引脚，8253规定，加在CLK引脚的输入时钟信号的频率不得高于2.6MHZ，即时钟周期不能小于380ns。
8．GATEi：
i=0,1,2,第i个通道的门控信号输入引脚，门控信号的作用与通道的工作方式有关。
9．OUTi：
i=0,1,2,第i个通道的定时/计数到信号输出引脚，输出信号的形式由通道的工作方式确定，此输出信号可用于触发其它电路工作，或作为向CPU发出的中断请求信号。
二、可编程定时/计数器8253的使用方法
（一）、8253初始化编程
要使用8253，必须首先进行初始化编程，初始化编程包括设置通道控制字和送通道计数初值两个方面，控制字写入8253的控制字寄存器，而初始值则写入相应通道的计数寄存器中。
初始化编程包括如下步骤：
（1）写入通道控制字，规定通道的工作方式
（2）写入计数值，若规定只写低8位，则高8位自动置0，若规定只写高8位，
则低8位自动置0。
若为16位计数值则分两次写入，先写低8位，后写高8位。
D0：
用于确定计数数制，0，二进制；1，BCD码
编程时,可选择计数器1工作在方式0。
在8253的方式0工作方式中,从将计数初值写入计数器到开始减1计数之间,有一个时钟脉冲的延迟。
若计数初值为n=999,那么经过n+1个即1000个脉冲时计数值减为0,并在OUT1端输出一正跳变,这可以作为中断请求。
在中断服务子程序中CPU可以做其他处理,如送下一个包装箱等。
设计数初值为1999（要求一个包装箱内装工件2000）,按十进制计数,先送低8位,再送高8位,控制字为01110001B。
初始化程序为:
MOVAL,01110001B
AL,01110001B
MOVDX,0356H
OUTDX,AL;送方式控制字
MOVAL,99H
MOVDX,0352H
OUTDX,AL;向通道1送计数初值低8位
MOVAL,19H
OUTDX,AL;向通道1送计数初值高8位
图-8253控制字格式
其中：
D0：
数制选择控制。
为1时，表明采用BCD码进行定时/计数；否则，采用二进制进行定时/计数。
D3~D1：
工作方式选择控制。
000，0；001，1；X10，2；X11，3；100，4；101，5；
D5、D4：
读写格式。
00，计数锁存命令；01，读/写高8位命令；10，读/写低8位命令；11，先读/写低8位，再读写高8位命令。
D7、D6：
通道选择控制。
00，0通道；01，1通道；10，2通道；11，非法。
（二）、8253的工作方式
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，其中比较灵活的是门控信号的作用。
由此组成了8253丰富的工作方式、波形，下面我们逐个介绍：
1．几条基本原则
（1）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。
初始状态对不同的模式来说不一定相同。
（2）计数初始值写入之后，要经过一个时钟周期上升沿和一个下降沿，计数执行部件才可以开始进行计数操作，因为第一个下降沿将计数寄存器的内容送减1计数器。
（3）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，即或者是电平触发，或者是边沿触发，在有的模式中，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。
（4）在时钟脉冲的下降沿，计数器作减1计数，0是计数器所能容纳的最大初始值。
二进制相当于216，用BCD码计数时，相当于104
2．方式0—计数结束产生中断
方式0的波形如图2-1所示，当控制字写入控制字寄存器后，输出OUT就变低，当计数值写入计数器后开始计数，在整个计数过程中，OUT保持为低，当计数到0后，OUT变高；GATE的高低电平控制计数过程是否进行。
图2-1方式0波形
从波形图中不难看出，工作方式0有如下特点：
计数器只计一遍，当计数到0时，不重新开始计数保持为高，直到输入一新的计数值，OUT才变低，开始新的计数；
计数值是在写计数值命令后经过一个输入脉冲，才装入计数器的，下一个脉冲开始计数，因此，如果设置计数器初值为N，则输出OUT在N＋1个脉冲后才能变高；
在计数过程中，可由GATE信号控制暂停。
当GATE＝0时，暂停计数；当GATE＝1时，继续计数；
在计数过程中可以改变计数值，且这种改变是立即有效的，分成两种情况：
若是8位计数，则写入新值后的下一个脉冲按新值计数；若是16位计数，则在写入第一个字节后，停止计数，写入第二个字节后的下一个脉冲按新值计数。
3．方式1—可编程的硬件触发单拍脉冲
方式1的波形如图2-2所示，CPU向8253写入控制字后OUT变高，并保持，写入计数值后并不立即计数，只有当外界GATE信号启动后（一个正脉冲）的下一个脉冲才开始计数，OUT变低，计数到0后，OUT才变高，此时再来一个GATE正脉冲，计数器又开始重新计数，输出OUT再次变低，…，因此输出为一单拍负脉冲。
图2-2方式1波形
从波形图不难看出：
方式1有下列特点：
①输出OUT的宽度为计数初值的单脉冲；
②输出受门控信号GATE的控制，分三种情况：
计数到0后，再来GATE脉冲，则重新开始计数，OUT变低；
在计数过程中来GATE脉冲，则从下一CLK脉冲开始重新计数，OUT保持为低；
改变计数值后，只有当GATE脉冲启动后，才按新值计数，否则原计数过程不受影响，仍继续进行，即新值的改变是从下一个GATE开始的。
③计数值是多次有效的，每来一个GATE脉冲，就自动装入计数值开始从头计数，因此在初始化时，计数值写入一次即可。
4、方式2—速率发生器
方式2的波形如图2-3所示，在这种方式下，CPU输出控制字后，输出OUT就变高，写入计数值后的下一个CLK脉冲开始计数，计数到1后，输出OUT变低，经过一个CLK以后，OUT恢复为高，计数器重新开始计数，…，因此在这种方式下，只需写入一次计数值，就能连续工作，输出连续相同间隔的负脉冲（前提：
GATE保持为高），即周期性地输出，方式2下，8253有下列使用特点：
①通道可以连续工作；
②GATE可以控制计数过程，当GATE为低时暂停计数，恢复为高后重新从初值；（注意：
该方式与方式0不同，方式0是继续计数）
③重新设置新的计数值即在计数过程中改变计数值，则新的计数值是下次有效的，同方式1。
图2-3方式2波形
5．方式3—方波速率发生器
方式3的波形如图2-4所示，这种方式下的输出与方式2都是周期性的，不同的是周期不同，CPU写入控制字后，输出OUT变高，写入计数值后开始计数，不同的是减2计数，当计数到一半计数值时，输出变低，重新装入计数值进行减2计数，当计数到0时，输出变高，装入计数值进行减2计数，循环不止。
在方式3下，8253有下列使用特点：
计数值为偶数
计数值为奇数
图2-4方式3时计数器的工作波形
①通道可以连续工作；
②关于计数值的奇偶，若为偶数，则输出标准方波，高低电平各为N/2个；若为奇数，则在装入计数值后的下一个CLK使其装入，然后减1计数，（N＋1）/2，OUT改变状态，再减至0，OUT又改变状态，重新装入计数值循环此过程，因此，在这种情况下，输出有（N＋1）/2个CLK个高电平，（N－1）/2个CLK个低电平；
③GATE信号能使计数过程重新开始，当GATE＝0时，停止计数，当GATE变高后，计数器重新装入初值开始计数，尤其是当GATE＝0时，若OUT此时为低，则立即变高，其它动作同上；
在计数期间改变计数值不影响现行的计数过程，一般情况下，新的计数值是在现行半周结束后才装入计数器。
但若中间遇到有GATE脉冲，则在此脉冲后即装入新值开始计数。
6．方式4—软件触发的选通信号发生器
方式4的波形如图2-5所示，在这种方式下，也是当CPU写入控制字后，OUT立即变高，写入计数值开始计数，当计数到0后，OUT变低，经过一个CLK脉冲后，OUT变高，这种计数是一次性的（与方式0有相似之处），只有当写入新的计数值后才开始下一次计数。
图2-5方式4波形
方式4下，8253有下列使用特点：
①当计数值为N时，则间隔N＋1个CLK脉冲输出一个负脉冲（计数一次有效）；
②GATE＝0时，禁止计数，GATE＝1时，恢复继续计数；
③在计数过程中重新装入新的计数值，则该值是立即有效的（若为16位计数值，则装入第一个字节时停止计数，装入第二个字节后开始按新值计数）。
7．方式5—硬件触发的选通信号发生器
方式5的波形如图2-6所示，在这种方式下，当控制字写入后，OUT立刻变高，写入计数值后并不立即开始计数，而是由GATE的上升沿触发启动计数的，当计数到0时，输出变低，经过一个CLK之后，输出恢复为高，计数停止，若再有GATE脉冲来，则重新装入计数值开始计数，上述过程重复。
方式5下，8253有下列使用特点：
①在这种方式下，若设置的计数值是N，则在GATE脉冲后，经过（N＋1）个CLK才一个负脉冲；
②若在计数过程中又来一个GATE脉冲，则重新装入初值开始计数，输出不变，即计数值多次有效；
③若在计数过程中修改计数值，则该计数值在下一个GATE脉冲后装入开始按此值计数。
图2-6方式5波形
尽管8253有6种工作模式，但是从输出端来看，仍不外乎为计数和定时两种工作方式。
作为计数器时，8253在GATE的控制下，进行减1计数，减到终值时，输出一个信号。
作为定时器工作时，8253在门控信号GATE控制下，进行减1计数。
减到终值时，又自动装入初始值，重新作减1计数，于是输出端会不断地产生时钟周期整数倍的定时时间间隔。
8．8253的工作方式小结
下面，我们对8253的6种工作模式的特点，作一番比较和总结。
（1）方式2、4、5的输出波形是相同的，都是宽度为一个CLK周期的负脉冲，但方式2连续工作，方式4由软件触发启动，方式5由硬件触发启动。
（2）方式5与方式1工作过程相同，但输出波形不同，方式1输出的是宽度为N个CLK脉冲的低电平有效的脉冲（计数过程中输出为低），而方式5输出的为宽度为一个CLK脉冲的负脉冲（计数过程中输出为高）。
（3）输出端OUT的初始状态，方式0在写入方式字后输出为低，其余方式，写入控制字后，输出均变未能高。
（4）任一种方式，均是在写入计数初值之后，才能开始计数，方式0、2、3、4都是在写入计数初值之后，开始计数的，而方式1和方式5需要外部触发启动，才开始计数。
（5）6种工作方式中，只有方式2和方式3是连续计数，其它方式都是一次计数，要继续工作需要重新启动，方式0、4由软件启动，方式1、5由硬件启动。
（6）门控信号的作用；通过门控信号GATE，可以干预8253某一通道的计数过程，在不同的工作方式下，门控信号起作用的方式也不一样，其中0、2、3、4是电平起作用，1、2、3、5是上升沿起作用，方式2、3对电平上升沿都可以起作用。
（7）在计数过程中改变计数值，它们的作用有所不同。
（8）计数到0后计数器的状态，方式0、1、4、5继续倒计数，变为FF、FE。
。
。
。
。
。
，而方式2、3、，则自动装入计数初值继续计数。
（三）、可编程定时/计数器8253的应用实例
可编程定时/计数器8253在扬声器中的应用扬声器驱动系统的硬件组成如图1所示。
利用8253驱动扬声器发声是由系统插件上8255的外围电路来发出驱动信号的。
如图1中的SPKDATA和TIMGATESPK就是接在8255的输出端口上。
其中TIMGATESPK控制8253定时器来驱动扬声器，SPKDATA来控制扬声器的门电路。
直接由门电路驱动发出的声音比较难听，通过滤波器滤掉杂波之后会更动听一些，所以最好如图1所示加一个滤波器。
图1-扬声器驱动系统
（1）首先以流程图的方式说明使用扬声器发声的过程，如图2所示：
图－２扬声器发声程序结构流程图
（2）可编程定时/计数器8253在扬声器中应用的编程。
一般情况下，8255的输出端口地址为61H，分配给8253的控制口地址为46H，3个计数器端口地址分别为40H，42H，44H，让计数器2工作在模式3下，可使8253作为定时器驱动扬声器发声。
则编写程序如下：
SOUND:
PUSHF;保存标志
CLI；关中断
ORDH,DH；DH中为发长音的个数
JZK3；如不发长音，则转K3
K1:
MOVBL,6；如发长音，则置发音计数器
CALLBEEL；调用发音程序
K2:
LOOPK2；延时，留发音间隙
DECDH；长音发完了吗？
长音次数为DH
JNZK1；没有，则继续
K3:
MOVBL,1；如发完长音，则置短音计数器
CALLBEEL；调用发音程序
K4:
LOOPK4；发音之间留间隙
DECDL；继续发短音吗？
JNZK3；是，则继续
K5:
LOOPK5；否，则留一个间隙
POPF；标志恢复
RET；返回
BEEL:
MOVAL,B6H；B6H为控制字
OUT46H,AL；将计数器控制字送控制口
MOVAX,0533H；将33H送低8位，05H送高8位
OUT44H,AL
MOVAL,AH
OUT44H,AL
INAL,61H
MOVAH,AL
OR,AH,03H；接通扬声器03H=00000011B
OUT61H,AL；扬声器驱动
SUB,CX,CX；一次发音时间定时
K6:
LOOPK6
DECBL；BL中为发音计数器
JNZK6；如未结束，则继续发音
MOVAL,AH；发音结束，则恢复B端口信息
OUT61H,AL；扬声器驱动
从程序中可以看到利用可编程定时／计数器8253可以发出各种频率的声音，只要在程序中稍微更改一下输入时钟频率或计数初值即可实现。
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