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1、定时与计数技术及应用,定时/计数器 8253,了解定时/计数技术的应用情况,掌握8253的连接与编程,熟悉8253的工作方式,10.1 定时与计数,定时器和计数器都由数字电路中的计数电路构成。前者记录高精度晶振脉冲信号，因此可以输出准确的时间间隔，称为定时器，而当记录外设提供的具有一定随机性的脉冲信号时，它主要反映脉冲的个数，称为计数器。,定时的方法有3种：（1）软件定时（2）不可编程的硬件定时（3）可编程的定时。,1.软件定时,根据CPU执行每条指令需要一定的时间，重复执行一些指令就会占用一段固定的时间，通过适当地选取指令和循环次数便很容易实现定时功能，这种方法不需要增加硬件，可通过编程来控
2、制和改变定时时间，灵活方便，节省费用。缺点是CPU重复执行的这段程序的本身并没有什么具体目的，仅为延时，从而降低了CPU利用率。,2.不可编程的硬件定时,3.可编程的定时,10.2 Intel 8253可编程定时器/计数器,一、8253的基本功能和内部结构,（1）3个独立的16位计数器，最大计数范围为065535；（2）每个计数器均可以按二进制或BCD码计数；（3）计数器速率可达2MHz；（4）可编程6种不同的工作方式；（5）所有输入和输出都与TTL兼容。8253具有较好的通用性和使用灵活性，几乎适合于任何一种微处理器组成的系统。,1.8253 的基本功能,2.8253的内部结构,8253的内
3、部结构如图10.1所示，由数据总线缓冲器、控制寄存器、读/写控制逻辑和计数器等部分组成。,图10.1 8253的内部结构示意图,图10.2 计数器内部逻辑图,（1）数据总线缓冲器,该缓冲器为8位双向三态的缓冲器，可直接挂在数据总线上。CPU通过8位数据总线D0D7传送如下信息：,（2）读/写控制逻辑,决定三个计数器和控制字寄存器中哪一个能进行工作，并控制内部总线上数据传送的方向。,（3）控制寄存器,接收从CPU来的控制字，并由控制字的D7、D6位的编码决定该控制字写入哪个计数器的控制寄存器，控制寄存器只能写入，不能读出。,（4）计数器,当8253用作计数器时，加在CLK引脚上脉冲的间隔可以是不
4、相等的；当它用作定时器时，则在CLK引脚应输入精确的时钟脉冲，8253所能实现的定时时间，取决于计数脉冲的频率和计数器的初值，即：定时时间=时钟脉冲周期Tc预置的计数初值n。对8253来讲，外部输入到CLK引脚上的时钟脉冲频率不能大于2MHZ，否则需分频后才能送到CLK端。,二、8253的引脚信号,8253是一片具有3个独立通道的16位计数器/定时器芯片，使用单一+5V电源，24引脚双列直插式封装，如图10.3所示,1.与CPU的接口信号,表10.1 8253读/写操作逻辑表,2.与外部设备的接口信号,（1）CLK0（CLK1，CLK2）时钟脉冲输入端，用于输入定时脉冲或计数脉冲信号。CLK可
5、以是系统时钟脉冲，也可以是由其他脉冲源提供。8253规定加在CLK引脚的输入时钟周期不得小于380ns；（2）GATE0（GATE1，GATE2）门控输入端，用于外部控制计数器的启动或停止计数的操作。当GATE为高电平时，允许计数器工作，当GATE为低电平时，禁止计数器工作；（3）OUT0（OUT1，OUT2）计数输出端。在不同工作方式中，当计数器计数到0时，OUT引脚上必输出相应的信号。,三、8253的工作方式,8253是一种面向微机系统的专用接口芯片，它的每一个计数器都可以按照控制字的规定有6种不同的工作方式，每种工作方式中都有以下三种情况：*正常计数的波形图；*正在计数过程中改变门控信号
6、GATE后对整个计 数工作的影响；*正计数的过程中改变计数初值对整个计数工作的影响。,方式0计数结束中断方式(Interrupt on Terminal Count),图10.4(a)方式0 正常计数,图10.4(b)方式0时GATE 信号的作用,GATE为低电平，暂停计数；当GATE重新为高电平时又恢复计数。,图10.4(c)方式0时计数过程中改变计数值,新的初值立即有效,2.方式1 可编程的单稳态触发器(Programmable One Short),图10.5(a)方式1 正常计数,这种方式由外部门控信号GATE上升沿触发，使输出端变为低电平，产生一单拍负脉冲信号，脉冲宽度由计数值决定。
7、,图10.5(b)方式1时GATE 信号的作用,终止原来的计数过程，开始新一轮计数,图10.5(c)方式1时计数过程中改变计数值,新的初值下轮计数有效,3.方式2 比率发生器、分频器(Rate Generator),方式2用门控信号达到同步计数的目的，波形图如图10.6(a)、(b)、(c)、(d)所示。,图10.6(a)方式2 正常计数,减到1时，输出端OUT变为低电平，减到0时，输出OUT又变成高电平，从初值开始新的计数过程,图10.6(b)方式2时GATE信号的作用,GATE信号为低电平终止计数，而恢复为高电平后的第一个时钟下降沿重新从初值计数。由此可见，GATE一直维持高电平时，计数器
8、方能作为一个N分频器。,图10.6(c)方式2时计数过程中改变计数值,新的初值下次有效,4.方式3 方波发生器(Square Wave Generator),方式3的工作过程同方式2，只是输出的脉宽不同，波形如图10.7(a)、(b)、(c)、(d)所示。,图10.7(a)方式3 计数值为偶数时的波形,计数器减到N/2时，输出端OUT变为低电平；减到0时，OUT又变成高电平，并重新从初值开始新的计数过程。此时,OUT输出完全对称的方波,图10.7(b)方式3 计数值为奇数时的波形,计数减到（N+1）/2以后，输出端OUT变为低电平 近似方波,图10.7(c)方式3 GATE信号的作用,计数器重
9、新装入初值并重新开始计数,图10.7(d)方式3 计数过程中改变计数值,若GATE一直维持高电平,在计数结束后的下一计数周期开始新的计数;若写入新的初值后，遇到门控信号的上升沿，则终止现行计数过程，从下一个时钟下降沿开始按新的初值进行计数。,5.方式4 软件触发选通方式(Software Triggered Strobe),用方式4工作时，GATE门控信号只是用来允许或不允许定时操作的，定时的执行由程序装入的初值决定，波形图如图10.8(a)、(b)、(c)所示。,图10.8(a)方式4 正常计数,图10.8(b)方式4 GATE 信号的作用,GATE=1，允许计数；GATE信号变低，禁止计数
10、，输出维持当时的电平，直到GATE变成高电平后继续计数，从OUT端输出一个负脉冲。,图10.8(c)方式4 计数过程中改变计数值,新值是立即有效的,6.方式5 硬件触发选通方式(Hardware Triggered Strobe),方式5为硬件触发选通方式，完全由GATE端引入的触发信号控制定时和计数，波形图如图10.9(a)、(b)、(c)所示。,图10.9(a)方式5 正常计数,图10.9(b)方式5时GATE 信号的作用,门控信号上升沿任何时候到来都会立即触发一个计数过程,图10.9(c)方式5时计数过程中改变计数值,新的计数初值在下一个门控信号上升沿触发后有效。,四、8253的控制字与
11、初始化编程,1.8253的控制字,8253的控制字有4个主要功能：*选择计数器；*确定计数器数据的读写格式；*确定计数器的工作方式；*确定计数器计数的数制。,控制字的格式如图10.10所示,图10.10 8253控制字格式,注：图中可以是0，也可以是1，一般取0,2.8253的初始化编程,刚接通电源时，8253芯片通道都处于未定义状态，在使用之前，必须用程序把它们初始化为所需的特定模式，这个过程称为初始化编程。,(1)写入控制字,用输出指令向控制字寄存器写入一个控制字，以选定计数器通道，规定该计数器的工作方式和计数格式。,(2)写入计数初值,用输出指令向选中的计数器端口地址中写入一个计数初值，
12、初值设置时要符合控制字中有关格式的规定。若是8位数，只要用一条输出指令就可完成初值的设置。如果是16位数，则必须用两条输出指令来完成，而且规定先送低8位数据，后送高8位数据。注意:计数初值为0时，也要分成两次写入，因为在二进制计数时它表示65536，在BCD计数时它表示10000。,8253工作过程中，CPU可用输入指令读取任一通道的计数值。CPU读到的是执行输入指令瞬间计数器的当前值。但8253的计数器是16位，所以要分2次读至CPU。因此，若不锁存的话，在前后两次执行输入指令的过程中，计数值可能已经变化了。锁存当前计数值有下面两种方法：,利用GATE信号使计数过程暂停。向8253写入一个方
13、式控制字，令8253通道的锁存器锁存。,例如，在某微机系统中，8253的3个计数器的端口地址分别为3F0H、3F2H和3F4H，控制字寄存器的端口地址为3F6H，要求8253的通道0工作于方式3，BCD计数，并已知对它写入的计数初值n=1234（十进制数），则初始化程序为：,五、应用举例,1.8253定时功能的应用,在计算机应用中，经常会遇到隔一定时间重复某一个动作的应用。,设某应用系统中，系统提供一个频率为10kHz的时钟信号，要求每隔100ms采集一次数据。在系统中，采用8253定时器的通道0来实现这一要求。将8253芯片的CLK0接到系统的10kHz时钟上，OUT0输出接到CPU的中断请
14、求线上，8253的端口地址为10H13H，如图10.11所示。,图10.11 8253用于定时中断,(1)选择工作方式(分频),(2)确定计数初值,已知 fCLK0=10kHz，则TCLK0=0.1ms，所以，计数初值 N=TOUT0/TCLK0=100ms/0.1ms=1000=03E8H,(3)初始化编程,根据以上要求，可确定8253通道0的方式控制字为00110100B，即34H。,初始化程序段如下：,2.8253计数功能的应用,通过PC机系统总线在外部扩展一个8253，利用其通道0记录外部事件的发生次数，每输入一个高脉冲表示事件发生1次。当事件发生100次后就向CPU提出中断请求（边沿
15、触发），假设8253片选信号的I/O地址范围为200H203H，如图10.12。,图10.12 8253用于外部事件的计数,根据要求，可以选择方式0来实现，计数初值N=100。8253初始化程序段如下：,3.8253计数通道的级联应用,已知某8253占用I/O空间地址为320H323H，如图10.13所示，输入其CKL1端的脉冲频率为1MHz，要求用8253连续产生10秒的定时信号。,分析：8253的一个通道的最大计数范围为65536，本例中要求输出10秒定时信号，则计数初值N=10/10-6=107，超过了8253一个通道的最大计数值，此时可以使用2个8253通道级连方式来实现。若级连前2个通道的初值为N1和N2，则级连后作为一个整体的计数值为N=N1N2。,图10.13 8253通道的级联,设计数器初值N1=500=1F4H，N2=20000=4E20H，使用方式2，二进制计数，则通道1、2的初始化程序如下：,
