第七章：可编程定时 / 计时器

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主讲教师：范新民

第七章：可编程定时 / 计时器第七章：可编程定时 / 计时器

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7.1 可编程定时 / 计时器的典型结构和基本原理

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7.2 可编程定时 / 计数器 82532

主要内容：

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微机系统中的定时外部定时方法

软件定时硬件定时

可编程计数器 / 定时器的工作原理

7.1 可编程定时 / 计数器的典型结构和基本工作原理

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一、微机系统中的定时

微机系统常常需要为处理器和外设提供时间标记，或对外部事件进行计数。

内部定时是计算机本身运行的时间基准或时序关系，计算机每个操作都是按照严格的时间节拍执行的。

外部定时是外部设备实现某种功能时，本身所需要的一种时序关系

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二、外部定时方法软件定时它是利用 CPU 内部定时机构，运用软件编程，循环执行一段程序而产生的等待延时。硬件定时采用可编程通用的定时 / 计数器或单稳延时电路产生定时或延时。

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三、可编程计数器 / 定时器的工作原理

计数器，即在设置好计数初值后，便开始对外部触发脉冲作减 1 计数，减为 0 时，输出一个信号

定时器，即在设置好定时常数后，便对外部时钟信号作减 1 计数，并按定时常数不断地产生时钟周期整数倍的定时间隔。

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控制寄存器

CRH CRL┆

CRH CRL┆

CRH CRL┆

控制逻辑

计数初值寄存器 CR

计数执行单元CE

CLK

GATE

OUTRD

WR

CS

A0

D7 ～ D0

计数输出锁存器OL

CLK: 输入脉冲信号 , 当 CLK 为周期性时钟信号时，计数器为定时器。当CLK 为非周期性时钟信号时，为计数器。GATE: 门控输入端，当门脉冲到来时，时钟 CLK 有效，进行计数操作，当门脉冲结束时，时钟无效，计数停止。

OUT: 当计数执行单元为 0时，输出一个信号，同时重新装入计数初值到计数执行单元。

工作原理：

可编程计数器 / 定时器的工作原理

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7.2 可编程定时器 / 计数器 8253-5

8253 内部结构及引脚功能 8253 的工作方式及特点 8253 的编程 8253 的应用举例

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具有三个独立的16 位计数器，它可用程序设置成多种工作方式，按十进制或二进制计数，最高计数速率可达 2.6MHz 。

7.2.1 8253-5 内部结构和引脚

可编程定时器 / 计数器 8253

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1 、内部结构（ 1 ）数据总线缓冲器：三态、双向（ 2 ）读 / 写控制逻辑电路：产生控制芯片工作的控制信号（ 3 ）控制寄存器：控制计数器的工作方式，只能接受写入的控制字。（ 4 ）计数器通道 0-2 ：每个通道有一个可预置的 16 位减法计数器。


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三个计数器是独立的。每个通道有三条信号线：计数输入 CLK— 用于输入定时基准脉冲或计数脉冲；输出信号 OUT— 以相应的电平指示计数的完成，或

输出脉冲波形；选通输入（门控输入） GATE— 用于启动或禁止计

数器的操作，以使计数器和计测对象同步；

每个通道有 6 种工作方式，由控制寄存器选择。计数器归 0 时由 OUT 引脚输出信号


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2 、基本工作原理

① 控制寄存器—初始化时，将控制字寄存器中的内容写入该寄存器；

② 计数初值寄存器— 16 位计数初值寄存器 CR 用来存放计数初值，可通过程序来设定；

③ 减法计数寄存器—计数执行单元 CE 是一个 16 位减法计数器，它的初值便是计数初值寄存器的内容，它只对CLK 脉冲计数，一旦计数器被启动后，每出现一个CLK 脉冲，计数执行单元中的计数值减 1 ，当减为零时，通过 OUT 输出指示信号，表明计数执行单元已为零。


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当 CLK 是一个周期性时钟信号时，计数器为定时器功能；当 CLK 是一个非周期性事件计数信号时，此时呈计数器功能。

计数输出锁存器 OL 通常跟随计数执行单元的内容而变化，当接收到 CPU 发来的锁存命令时，就锁存当前的计数值而不跟随计数执行单元变化，直到 CPU从中读取锁存值后，才恢复到跟随计数执行单元变化的状态。GATE 是控制输入端，它有多种控制作用，如允许 / 禁止计数、启动 / 停止计数。


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3 、 8253 的引脚及功能


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D0—D7: 数据线，双向三态 A1 、 A0 ：端口选择信号， 8253 有 4 个口地址：

CS : 片选信号WR : 读信号RD ：写信号CLK0 ～ CLK2 OUT0 ～ OUT2GATE0 ～ GATE2

A1 A0 口地址 A1 A0 口地址0 0 计数器 0 1 0 计数器 2

0 1 计数器 1 1 1 控制寄存器


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CS RD WR A1 A0 端口操作1 * * * * 未选中禁止0 1 1 * * 选中无操作0 1 0 0 0 计数器 0 置计数初值0 1 0 0 1 计数器 1 置计数初值0 1 0 1 0 计数器 2 置计数初值0 1 0 1 1 控制寄存器设置命令控制字0 0 1 0 0 计数器 0 读出计数值0 0 1 0 1 计数器 1 读出计数值0 0 1 1 0 计数器 2 读出计数值0 0 1 1 1 无操作

4 、 8253 端口操作：


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工作方式控制字格式

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

SC1 SC0 RL1 RL0 M2 M1 M0 BCD

5 、 8253 的控制字和工作方式 8255 有 3 个计数通道，但只有 1 个通道控制器。 CPU 通过对控制寄存器写控制字，可以分别对 3 个计数通道的工作方式进行设置。

8253 控制字共分为 4 部分：通道选择、计数器读 / 写方式、工作方式和计数码的选择。


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工作方式控制字


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二进制计数时： 1 个计数器最多可计 216=65536 个脉冲，计数初值为 0000H ；最少可计 1 个脉冲，计数初值为 0001H 。BCD码计数时： 1 个计数器最多可计 104=10000 个脉冲，计数初值为 0000H ；最少可计 1 个脉冲，计数初值为 0001H

8253 初始化：对一个通道先写入控制字再写入时间常数（计数初值）


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7.2.2 8253-5 的工作方式

1 、方式 0— 计数结束中断方式方式 0 是典型的事件计数用法， CLK 端作为事件计数输入信号，当计数执行单元 CE 为零时， OUT 端变为高电平，它可作为中断请求信号。当计数初值再次写入通道后计数器方可工作。

8253 有 6 种工作方式，在不同的工作方式下，计数器的启动方式、 GATE 端的输入信号的作用以及OUT 端的输出波形都有所不同。


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① 控制字（ CW ）写入后 OUT 即变为低电平，当计数器为 0 时，输出 OUT变为高电平。

② 计数初值写入后在下一个 CLK下降沿才送入计数器，因此计数值为 N+1 。

方式 0的时序波形

8253-5 的工作方式

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③ 当 GATE 变为低电平时计数停止，再变为高电平时计数继续进行。

④若计数过程中重新送入初值，则按新值重新计数。

⑤ 计数到零后，不能自动恢复计数初值， OUT 端保持高电平。


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（ 2 ）方式 1 — 硬件可重触发单稳态方式计数器相当于一个可编程的单稳态电路，触发输入为GATE 信号，由 GATE 的上升沿触发计数器工作。方式 1 的特点和应用：计数器的启动只能由门控脉冲的上升沿产生，即只能用硬件启动。OUT 输出为一个单稳态负脉冲，其脉宽为计数初值个CLK 时钟脉冲的周期之和。在形成单稳态脉冲过程中，可以重触发。在微机实时控制系统中常用作监视时钟。


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方式 1 的时序波形 :

① 写入 CW 后 OUT 变为高电平， GATE 上升沿触发后， OUT变为低并开始计数，归零时 OUT变为高电平。

② GATE再来一次上升沿使 OUT 为低，计数器以初值重新计数。


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③ 计数过程中，再次给通道写入时间常数，不影响现行操作过程， GATE再次触发后才按新的时间常数操作


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④ 计数过程中， GATE 触发沿提前到来，在下一个 CLK的下降沿，计数器开始重新计数，这将使输出单稳脉冲比原先设定的计数值加宽。


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（ 3 ）方式 2— 速率发生器（ Rate Genenator ）方式 2 能产生周期性的定时信号，称为速率发生器，又称为 N 分频方式和周期性定时器方式。

方式 2 的特点和应用： CR 内容能自动地、重复地装入到 CE 中， OUT 端上就能连续地输出周期性分频信号。

即可软件启动，又可硬件启动。改变计数初值，即可获得不同速率的 OUT 输出信号。负脉冲宽度均为一个 CLK 脉冲的周期。主要应用作为分频器和时基信号。


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① 写入 CW 后 OUT 为高电平，写入时间常数后，下一CLK 开始计数，减到 1 时 OUT变低，经过一个 CLK 后OUT变高，计数重新开始。若初值为 N ， OUT 端输出信号为 CLK 端的 1/N


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②GATE=1 计数进行， GATE=0 计数停止，且下一个CLK 计数器重新赋初值， GATE变为高电平，计数重新开始。


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③ 计数期间送入新值，本周期继续进行，下一个周期按新值计数操作。

不用重复置数。计数器能够连续工作，输出 OUT 是输入 CLK 的 n( 初值）分频。


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（ 4 ）方式 3— 方波方式（ Square Ware Mode ）

方式 3 的操作方式除OUT 输出方波之外，和方式 2相似。方波的重复周期是计数初值个 CLK 脉冲周期之和。

方式 3 的特点和应用：

方式 3 的计数过程是 CE 内容减 2 。软件启动和硬件启动两种。改变计数初值， OUT 端将输出不同频率。主要应用作为方波发生器和波特率发生器。


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① 写入 CW 后 OUT变为高电平，输入时间常数后，下一个时钟开始计数，计到一半时输出变为低电平，计到终值时重新变为高电平，并开始下一次计数过程。


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② 若 N 为偶数，高低电平持续时间相等；若为奇数，则高电平持续时间为（ N+1 ） /2 ，低电平持续时间为（ N-1 ） /2 。


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③ GATE=1 计数进行。在计数过程中若 GATE=0 ，计数停止且 OUT 为高，计数器重新赋初值， GATE回到高电平时计数重新开始。

④计数期间送入新值，本周期继续进行，下一个周期按新值计数。


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方式 4 的特点和应用：输出类似于方式 2 的波形OUT 输出为一个负脉冲，负脉冲宽度均为一个 CLK 脉冲的周期。软件触发启动

计数过程由软件将计数初值装入通道来触发。当写入方式控制字 CW 后， OUT 端输出高电平。在写入计数初值后的一个CLK 脉冲开始减 1 计数，直到 CE 为零时，使 OUT 输出变为低电平，当持续一个 CLK 脉冲周期后又恢复到高电平。在 OUT 端产生一个 CLK 脉冲周期宽度的选通负脉冲输出。

(5) 方式 4— 软件触发选通方式


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① 写入 CW 后 OUT 为高电平，输入时间常数后，下一个 CLK 开始计数，计数器为 0 时，输出一个周期负脉冲，并停止操作。


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②GATE=1允许计数， GATE=0 禁止计数。


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③ 计数期间送入新的时间常数，则下一个时钟按新值重新计数。


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（ 6 ）方式 5 — 硬件触发选通方式与方式 5 和方式 1 有些相似。 CE 到零时 OUT 端产生宽度为 1 个 CLK 脉冲周期的负脉冲选通输出信号。

① 写入 CW 后 OUT 为高电平，输入时间常数后由 GATE上升沿启动计数。计数为 0 时输出一个时钟的负脉冲，并停止操作。

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② 计数过程中，若GATE又来一个上升沿，则下一个时钟计数器重新赋值计数。


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③ 计数过程中写入时间常数，当前周期不受影响，在下一个 GATE上升沿启动新值计数。


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三、 8253-5 的初始化1 、写入方式控制字三个通道用的控制字端口地址是相同的，三个控制字写入后存入通道对应的寄存器中。

2 、写入计数初始值 ① 初值计算计算公式 T = TCLK * N = N / fCLK

T为定时时间， TCLK 为计数脉冲的， FCLK 为计数频率， N 为计数初值。


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例 8253 通道 0 的 CLK0 外接频率 fCLK为 1MHZ 的时

钟信号，若按二进制计数方式工作，可定时的时间范围为多少？写入计数器 0 的计数初值是多少？若要定时 10ms则设置的计数初值为多少？解： TCLK=1/1MHz=1/106=10-6 秒

=10-3毫秒

计数初值为 :10001

T = N / fCLK =TCLK * NN=T/TCLK=10/10-

3=10000

1 个计数器最多可计 216=65536 个脉冲可定时的时间 0.000001 ～ 0.065536秒。计数初值为0000H


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D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

0 0 1 1 0 0 1 0

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

0 1 1 1 0 1 0 1

例： 8253 计数器 0 工作于方式 1 ，按二进制计数，计数初值为 5080H ，计数器 1 工作于方式 2 ，按BCD码计数，计数初值为 2500 ，若 8253口地址为2A0H-2A3H, 写出控制字。

计数器 0 ：

计数器 1 ：

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例 7-1 ：计数器 0 工作在方式 3 下，输出方波的重复频率为 2KHz ，计数脉冲的输入为 2.5MHz ，采用 BCD 计数，写出初始化程序段 .计算计数初值：

T=2.5MHz/2KHz=1250

方式控制字：00110111B=37H

初始化程序：MOVAL ， 37HOUT 83H ， ALMOVAL ， 50H

OUT 80H ， ALMOV AL ， 12HOUT 80H ， AL

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3 、读计数值在动态读计数值时可以有两种方法：（ 1 ）以普通对计数器端口读的方法取得当前计数值。按工作方式控制字中 RL1RL0 位的规定，可以读出指定字节的计数值，因计数在进行，可用 GATE阻止计数。

（ 2 ）锁存计数器的当前计数值。使用方式控制字， SL1SL0 位指定要读的计数器通道号， RL1RL0=00 ，使方式字成为一个软件命令，当前计数值锁存到锁存寄存器，而计数器可继续工作。

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7.2.4 8253-5 的应用举例例 7-2: 监视生产流水线当计满50 个工件后，扬声器响5 分钟。采用 8253-5 的通道 0 对工

件计数，通道 1 产生方波驱动喇叭，持续5 分钟。（ 1 ）硬件接口电路

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（ 1 ） 8253 控制字通道 0 工作于方式 2 计数方式，采用 BCD 计数，计数初值50 ，方式控制字为 :00010101(15H)

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

SC1

0

SC00

RL10

RL01

M20

M11

M00

BCD1

通道 1 工作于方式 3 定时方式，采用 BCD 计数 ,外接 2.5MHZ, 产生 2000HZ 方波。

01110111方式控制字为 :

计数初值为 :2.5 X 106/2000=1250

8253-5 的应用举例

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设 8253 地址 :40H ～ 43H,8255 地址 :80H ～ 83H主程序为：

MOV AL ， 15H OUT 43H ， AL

MOV AL ， 50H OUT 40H ， AL STI

LOP ： JMP $


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中断服务程序为： MOV AL ， 01H ；置 8255A

PA0 （ GATE1 ）为 1 OUT 80H ， AL MOV AL ， 77H ；设置通道 1

OUT 43H ， ALMOV AL ， 50 ；送 1250 计数初值

OUT 41H ， ALMOV AL ， 12OUT 41H ， ALCALL DL5S ；延时 5SMOV AL ， 00H ；置 8255A

PA0 （ GATE1 ）为 0 OUT 80H ， ALIRET


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例 7-38253 在 IBM-PC 机中的应用


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工作原理分析：⑴计数器 0 用来产生实时日时钟信号，工作于方式 3 ，计数初值

为 0 ，采用二进制计数方式，输出端 OUT0 作为中断请求信号IRQ0 ，输出 1193181.6/65536=18.2Hz 的方波脉冲。

⑵计数器 1 用来产生动态存储器刷新操作的定时控制信号。它工作于方式 2 ，计数初值为 18 ， OUT1 端输出一个负脉冲序列，其脉冲周期约为 18÷1.1931816MHz ＝ 15.08 （ μs ）。

⑶计数器 2 用于为系统中的扬声器发声时提供一个约为 900Hz的方波信号。它也工作于方式 3 ，计数初值为0533H （ 1331 ）， GATE2 接入一个来自系统板上 8255A

的 PB0 ，作为扬声器发声时间的控制信号。


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2. 8253 的初始化程序段 ⑴对计数器 0 的初始化程序：

MOV AL ， 00110110BOUT 43H ， ALMOV AL ， 0OUT 40H ， ALOUT 40H ， AL

⑵对计数器 1 的初始化程序：MOV AL, 01010100BOUT 43H ， ALMOV AL ， 18OUT 41H ， AL


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MOV AL ， 10110110BOUT 43H ， ALMOV AX ， 0533HOUT 42H ， ALMOV AL ， AHOUT 42H ， ALIN AL ， 61HMOV AH ， ALOR AL ， 03HOUT 61H ， AL

⑶对计数器 2 的初始化程序：


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例 7-5 8253 在实时控制系统中的应用将 8253 的两个计数器串联起来，使其中的一个计数器作为定时器，当分频器使用，将其OUT 输出信号作为另一个计数器的 CLK 脉冲信号；而另一计数器只起计数作用，其OUT 输出端作为中断请求信号。

设 8253 端口地址为： 230H ～ 233H ， 8259 中的IR2 将作为采样周期中断源的输入端，中断类型码为0AH 存放在 0028H ～ 002BH 单元中，中断服务程序为 RTIME 。


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计数器 0 工作在方式 2 下，初值为 0 ，仅写低八位字节，采用二进制计数，计数器 1 工作在方式 2 下，计数初值来自采样周期变量 TIME ，按先低后高的次序将 16 位计数值写入 CR 并采用二进制计数方式。

8253 初始化和设置中断处理首地址到中断向量表的程序段：

MOV DX ， 233H ；写入计数器 0 的控制字

MOV AL ， 00010100B

OUT DX ， AL


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MOV DX ， 230H ；计数器 0 的计数初值写入 CRL

MOV AL ， 00H

OUT DX ， AL

MOV DX ， 233H ；写入计数器 1 的控制字MOV AL ， 01110100B

OUT DX ， AL

MOV DX ， 231H ；计数器 1 的计数初值写入 CR

MOV AL ， BYTE PTR TIME

OUT DX ， AL

MOV AL ， BYTE PTR TIME+1

OUT DX ， AL


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MOV DI ， 28H

MOV AX ， OFFSET RTIME ；中断服务程序入口地址存入向量表CLD

STOSW

MOV AX ， SEG RTIME

STOSW

…


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例 7-4 三个计数通道组合应用


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初始化程序： MOV AL ， 00110101B

OUT 83H ， AL

MOV AL ， 00H

OUT 80H ， AL

MOV AL ， 10H

OUT 80H ， AL

MOV AL ， 01110011B

OUT 83H ， AL

MOV AL ， 00H

OUT 81H ， AL


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MOV AL ， 05H

OUT 81H ， AL

MOV AL ， 10110111B

OUT 83H ， AL

MOV AL ， 00H

OUT 82H, AL

MOV AL ， 20H

OUT 82H ， AL


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第七章：可编程定时 / 计时器

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