七章定时器计数器电路.ppt

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1、第七章 定时器/计数器电路,概述可编程定时器/计数器芯片82548254在PC系列机定时系统中的应用,2,7.1 概 述,在各种计算机系统中，经常要用到定时/延时和计数控制。,实现定时/延时的基本方法：,软件定时：执行循环程序。CPU利用率低。,不可编程硬件定时：采用中小规模集成电路器 件实现。,单稳/555定时器-外加阻容器件加/减计数器-通过改变初值可改变定时长短,电路连接好后，定时值不便控制和改变。,可编程硬件定时：用可编程计数器实现。通过编程 改变其计数初值和计数脉冲频率即可改变定时长短。,3,7.1 概述,可编程定时器/计数器典型结构：,4,可编程定时器/计数器的主要用途：,以均匀分

2、布的时间间隔中断分时操作系统，以便切换 程序；,向I/O设备输出周期可控的定时信号；,用作可编程波特率发生器；,检测外部事件发生的频率或周期；,统计外部某过程中某一事件发生的次数；,作为向CPU的定时或定次数中断源；,PC系列微机中普遍采用的可编程定时器/计数器是i8253/8254芯片。,7.1 概述,5,7.2 可编程定时器/计数器芯片i8254/8253,i8254是i8253的改进型，两者的功能基本相同，硬件组成、外部引脚和编程特性完全兼容。差别只在三点：,7.1 概述,6,7.2.1 8254的基本功能,有3个独立的16位计数器通道；,每个计数器可按二进制或十进制（BCD）计数；,每

3、个计数器可工作于6种不同工作方式；,每个计数器允许的最高计数频率为10MHz（8253为2MHz）,有读回命令（8253没有），可以读出当前计数单元的内 容和状态寄存器内容。,每个计数器通道的逻辑功能完全相同，既可作定时器用，又可作计数器用。无论用作定时器还是计数器，计数初值寄存器内容都可由CPU预置或修改。,7,7.2.2 8254内部结构与引脚信号,结构图,引脚图,8,7.2.2 8254内部结构与引脚信号,8254各主要组成部分：,数据总线缓冲器,控制字寄存器,8位只写寄存器，用于存放CPU写入芯片的方式选择控制字或命令字，由它来控制各计数器通道的工作方式。,控制字寄存器为3个计数器通道

4、所共用。,写入控制字时，将同时清除计数初值寄存器内容。,9,计数器通道（3个）:彼此独立，但结构和内容 完全相同。,任一通道作计数器或定时器用时，其内部操作完全相同，区别仅在于：,7.2.2 8254内部结构与引脚信号,10,（1）计数工作单元（CE）不能直接读/写。只能 通过写计数初值寄存器（CR）实现对CE初 值的修改，通过读输出锁存器（OL）实现 对CE内容的读取（先写读回命令，再读OL）。,（2）状态寄存器（SR）也不能直接读，只能通 过读状态锁存器（SL）实现（先写读回命 令，再读SL）。,（3）CE、CR和OL都是16位，对CR写入和对OL读出 必须分两次进行。若初始化时只写CR一

5、个字 节，则另一字节保持为0。,7.2.2 8254内部结构与引脚信号,注意：,11,读/写控制逻辑：接收系统总线来的地址和读写 信号，并变换为内部控制信号。,8254各端口读/写控制作用,7.2.2 8254内部结构与引脚信号,12,7.2.3 8254的工作方式,各计数器通道均有6种工作方式可供选择：,方式0计数结束中断方式,方式1硬件可重触发单稳方式,方式2速率波发生器方式,方式3方波方式,方式4软件触发选通方式,方式5硬件触发选通方式,13,7.2.3 8254的工作方式,1.方式0：计数结束中断方式,基本功能：,写入控制字后，OUT信号变为低电平，并维持低电平至CE的内容到达零时，此

6、后OUT信号变为高电平，并维持高电平至再次写入新的计数值或重新写入控制字。GATE用于开放（“1”)或禁止（“0”)计数。OUT输出的计数结束信号可作为中断请求信号。,14,工作特点：,计数由软件启动，每次写入计数初值，只启 动一次计数。,CPU写计数初值到CR后，CR内容并不立即装入 CE，而是在其后的下一个CLK脉冲下降沿才CR 内容装入CE，对该CLK脉冲不计数。所以，若 计数初值为n，则必须在出现n+1个CLK脉冲后，OUT才变高。,计数过程中，如果GATE=0则暂停计数，直到 GATE=1后再接着计数。,计数过程中写入新的计数初值，从写入后下一 个时钟脉冲开始，以新的初值计数。,15

7、,方式0定时波形：,7.2.3 8254的工作方式,0,16,2.方式1：硬件可重触发单稳方式,基本功能：,计数器相当于一个可编程的单稳态触发电路，触发输入为GATE信号（上升沿），单脉冲输出为OUT信号。,7.2.3 8254的工作方式,17,工作特点：,从GATE上升沿起下一个CLK脉冲使OUT由高变低,直到CE计为0，OUT才恢复为高，形成一个宽度 为n倍CLK周期的输出负脉冲。,此方式允许多次触发（即具有可重触发性），一旦控制字设置为方式1，并向CR置了初值，在 没有新的初值置入前，此初值在CR中保持不变。,在OUT未恢复高电平前，若GATE端又出现新的触 发信号上升沿，则CE又从初值

8、开始重新计数，其结果将延长OUT输出的负脉冲宽度。,18,方式1定时波形：,7.2.3 8254的工作方式,19,3.方式2：速率波发生器方式（n分频方式）,基本功能：,OUT端输出一周期性负脉冲序列，其负脉冲宽度为一个CLK脉冲周期，负脉冲频率为CLK信号频率的1/n（n为CR初值）。,7.2.3 8254的工作方式,20,工作特点：,写入控制字使计数器进入工作方式后,OUT 输出高电平，这时若装入计数初值n，则从其 后的下个CLK下降沿起立即开始计数，OUT保 持高电平不变；待计数值减到1时,OUT输出宽 度为一个CLK周期的负脉冲,至计数值为0时,自动重新装入计数初值n,实现循环计数。,

9、可由软件通过写计数初值启动(GATE恒为高电平),也可由GATE上升沿启动(已装入计数初值)。,GATE变低电平时停止计数;而当GATE由低重新变 高时,重新由初值开始计数。,21,方式2定时波形：,7.2.3 8254的工作方式,22,.方式:方波方式,基本功能：,OUT输出的是方波(计数初值为偶数时)或近似方波(计数初值为奇数时)信号。其典型用法是作波特率发生器。,7.2.3 8254的工作方式,23,工作特点：,当写入控制字使之进入该方式后，OUT输出低 电平；在装入计数初值后的下个CLK下降沿，OUT由低变 高，开始减法计数。,若计数初值n为偶数，作减2计数，计至0时OUT 变低；然后

10、再自动从初值开始作减2计数，计 至0时OUT又变高。如此周而复始，OUT输出的 是占空比为1/2、周期为n个CLK周期的方波。,24,若n为奇数，在OUT变高时，初值减1成为偶数，再对CLK作减2计数，减至0时延迟一个CLK脉冲 后OUT变低；此时初值再次减1后作减2计数，至0时OUT变高。如此周而复始，OUT端得到的 是占空比为,周期为n个CLK周期的近似方波。,7.2.3 8254的工作方式,工作特点（续）：,25,计数过程中出现GATE变低时，CE暂停对CLK计 数，直到GATE再次由低变高时，重新启动计数 过程，从初值n开始计数。,要改变输出方波的速率，可在任何时候向CR重 新写入新的

11、计数初值n，并从下一个CLK脉冲开 始起作用。,工作特点（续）：,26,方式3定时波形：,7.2.3 8254的工作方式,27,5.方式4:软件触发选通方式,基本功能：,由软件通过写计数初值触发(启动)，在OUT端产生一个宽度为1个CLK周期的负选通脉冲。,7.2.3 8254的工作方式,28,工作特点：,当写入控制字使之进入方式4后，OUT变高；此 后从装入计数初值的下个CLK下降沿开始作减 1计数，计至0时，OUT端输出一个宽度为1个 CLK周期的负脉冲。,计数过程中若GATE变低，则停止计数，直到GATE 恢复到高时，重新从初值开始减1计数。,计数过程中若改变(重写)计数初值，将从改变

12、之后的下个CLK脉冲起，按新初值重新开始计数。,软件装入的计数初值只一次有效。,29,方式4定时波形：,7.2.3 8254的工作方式,30,6.方式5：硬件触发选通方式,基本功能：,通过由GATE端引入的硬件触发信号，在OUT端产生一个宽度为1个CLK周期的负选通脉冲。,7.2.3 8254的工作方式,31,工作特点：,当写入控制字使之进入方式5后，OUT输出高电平；装入计数初值后，待GATE端出现触发信号(上升沿)，才开始减1计数，计至0时，OUT端输出一个宽 度为1个CLK周期的负脉冲。,当计数值计到0后，自动重新装入初值n，但并不开 始计数，而是待GATE端出现新的上升沿后才重新 作减

13、1计数。,32,CPU可在任何时候用输出指令装入新的计数 初值n，但并不影响正在进行的操作过程，要到下一个计数操作周期才按新的初值操 作。不过写入新初值后，若计数值到达0之 前GATE端加了触发信号(上升沿)，则下一个 CLK脉冲将使新初值装入CE，并从它开始新 的计数。,工作特点(续）：,33,方式5定时波形：,7.2.3 8254的工作方式,34,综上所述，对于不同的工作方式，门控信号GATE端所起的作用各不相同，8254/8253应用中必须正确使用它，才能保证计数通道的正常工作。,GATE在各种工作方式中的功能,7.2.3 8254的工作方式,35,7.2.4 8254的编程,下列情况需

14、要对8254编程：,工作之前写入控制字，以确定每个计数器通 道的工作方式（写端口3）,工作之前写入每个计数器通道计数初值（写 端口0，1，2）,工作过程中改变某通道的计数初值,写入命令字（包括计数器锁存命令字和读 回命令字，即写端口3），为读某计数通道 的当前CE内容和状态寄存器内容做准备,读状态字（读端口0，1，2）,读当前CE内容（读端口0，1，2）,36,7.2.4 8254的编程,1.控制字,8254/8253工作前，必须由CPU向它的控制寄存器（端口3）写入方式选择控制字。,8254控制字格式,37,2.命令字和状态字,8254有两种命令字：计数器锁存命令字和读回命令字。8253只有

15、锁存命令字。,锁存命令字：用来将当前的CE内容锁存到输 出锁存器OL，以供CPU读出。,其格式为：,7.2.4 8254的编程,38,读回命令字：用于将计数器通道的CE当前内容锁 存入OL或/和将状态寄存器内容锁存入状态锁存器。,和锁存命令不同，读回命令能同时锁存几个计数器通道的当前CE内容和状态寄存器内容。,7.2.4 8254的编程,39,状态字,每个计数器通道对应有一个状态寄存器和一个状态锁存器。各通道的状态字格式完全相同。,7.2.4 8254的编程,40,读当前计数值/状态字的方法和原则：,（1）要读当前计数值或/和当前状态，必须先写读 回命令，再读OL或/和SL。,（2）对同一通道

16、的计数器或状态寄存器发多次读 回命令，但每次未立即读取CE或SR，则只有 第一次读回命令引起的锁存操作是有效的，以后读出的值或状态仅是第一次读回命令锁 存的结果。,（3）若读回命令同时或先后锁存了同一通道的计数 值和状态，则对该通道第一次读出的结果一定 是状态字（8位），随后的一次或两次读出的 才是计数值（一次还是两次，取决于初始化时 控制字确定的计数值字节数）。,7.2.4 8254的编程,41,读回命令举例：,7.2.4 8254的编程,42,2.编程方法及举例,（1）编程方法,包括初始化编程和工作编程。,7.2.4 8254的编程,43,（2）编程举例,以8086系统中用8254构成的定

17、时、计数与脉冲发生器系统为例。,7.2.4 8254的编程,44,系统的硬件连接：,7.2.4 8254的编程,1s,45,CPU接口侧应注意两个特点：,（1）8254的数据线（D7D0）固定与系统总线的低8 位数据线（D7D0）相连。,（2）8254端口地址线A1、A0与系统地址线A2、A1相 连，系统地址线A0固定为“0”，参加高位地址 译码，以形成对8254的片选信号CS。（目的 是保证4个端口地址均为偶数地址。为什么？）,这两点对初始化编程和工作编程有直接影响。,7.2.4 8254的编程,46,初始化程序：,先应根据硬件连接和系统要求，确定各计数通道的工作方式和计数初值。,STT：M

18、OV DX，port3；定义通道0工作于方式0 MOV AL，10H OUT DX，AL MOV DX，port0；给通道0送计数初值 MOV AL，64H OUT DX，AL MOV DX，port3；定义通道1为方式3 MOV AL，76H OUT DX，AL MOV DX，port1；给通道1送计数初值 MOV AX，09C4H OUT DX，AL；先送低字节（C4H）MOV AL，AH,7.2.4 8254的编程,47,初始化程序：(续）,OUT DX，AL；再送高字节（09H）MOV DX，port3；定义通道2为方式3 MOV AL，B7H OUT DX，AL MOV DX，por

19、t2；给通道2送计数初值 MOV AX，03E8H OUT DX，AL；先送低字节（E8H）MOV AL，AH OUT DX，AL；再送高字节（03H）MOV DX，8259A偶地址端口；对8259A初始化，先写入ICW1、ICW2;ICW4和OCW1。定义8254通道0和通道2的；中断类型代码分别为50H和52H。MOV AL，13H；写ICW1 OUT DX，AL MOV DX，8259A奇地址端口 MOV AL，50H；写ICW2,7.2.4 8254的编程,48,初始化程序：(续）,7.2.4 8254的编程,OUT DX，AL MOV AL，03H；写ICW4 OUT DX，AL M

20、OV AL，0FAH；写OCW1 OUT DX，AL STI,49,7.3 8254在PC系列机定时系统中的应用,PC系列机定时系统包括两部分：,CPU内部控制时序产生电路：主要用于内部 指令执行过程。,I/O接口芯片的定时产生电路：由8254负责。以PC/AT机为例则：,日历时钟由通道0完成,DRAM刷新由通道1完成,音频信号产生（驱动扬声器)由通道2完成,50,7.3 8254在PC系列机定时系统中的应用,8254各通道在AT定时系统中的作用及信号规定：,51,PC/AT机定时系统结构框图,7.3 8254在PC系列机定时系统中的应用,52,8254三个通道在PC/AT机中的使用原理,通道

21、0：工作于方式3，计数初值（即65536）。用作实时时钟信号发生器，每输出一 个方波，产生一次0级中断，调用 INT 8H一次。,INT 8H中断服务程序的功能：,完成日时钟计时；,实现软驱马达开启时间管理,使其开启一段 时间完成数据存取操作后，自动延时关停；,进行INT 1CH软中断调用，为用户提供 可用的定时操作服务程序入口。,7.3 8254在PC系列机定时系统中的应用,53,通道1：工作于方式2，计数初值为18（即 0012H）。每隔15.08s产生一负脉 冲，用作DRAM刷新时的定时控制。,通道 2：工作于方式3，计数初值为0533H输出频 率约为900HZ的方波，为扬声器发声提 供

22、音频信号。,利用通道2的配置，可实现软件控制发声，也可实现硬件控制发声。,软件控制发声：CPU控制8255A的PB1（即端口61H的D1 位）的电平变化使扬声器发声。这时需要将8254的 OUT2置于高电平，以允许来自PB1的音频信号通过与门。,硬件控制发声：利用8254通道2工作于方式3输出音频 信号来使扬声器发声。这是AT机定时系统提供的一项 基本功能。改变其计数初值，可改变发音声调。,7.3 8254在PC系列机定时系统中的应用,54,IN AL，61H AND AL，0FCH；使PB1、PB0为0，关闭扬声器 OUT 61H，AL MOV AL，0B6H；设置通道2方式控制字，使之工作

23、于方式3 OUT 43H，AL MOV AX，1352；按A调设置计数初值 OUT 42H，AL；写初值低字节 MOV AL，AH；写初值高字节 OUT 42H，AL IN AL，61H；使PB1、PB0为1，启动扬声器工作 OR AL，03H OUT 61H，AL,实现硬件控制发声例程：,7.3 8254在PC系列机定时系统中的应用,55,BIOS对8254的初始化编程,MOV AL，36H；设置通道0方式控制字，选择双字节写，方式3 OUT 43H，AL；二进制计数 MOV AL，0；计数初值设定位65 536 OUT 40H，AL；写入低字节 OUT 40H，AL；写入高字节 MOV A

24、L，01010100B；设置通道1方式控制字，定义只写低位字节 OUT 43H，AL；方式2，二进制计数 MOV AL，18；预置计数初值 OUT 41H，AL,7.3 8254在PC系列机定时系统中的应用,56,7.3 8254在PC系列机定时系统中的应用,MOV AL，10110110B；设置通道2方式控制字，定义双字节写 OUT 43H，AL；方式3，二进制计数 MOV AX，533H；写计数初值 OUT 42H，AL；先写低字节 MOV AL，AH；再写高字节 OUT DX，AL IN AL，61H；以下使8255的PB0、PB1为1，控制 扬声器发声 MOV AH，AL；将8255B口的内容保存于AH OR AL，03H OUT 61H，AL,BIOS对8254的初始化编程(续）,