微機(jī)原理講義（9）定時(shí)計(jì)數(shù)

1、PAGE 第九章 計(jì)數(shù)器和定時(shí)器概述在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常要用到定時(shí)信號，可用硬件和軟件兩種方法來獲得。延時(shí)子程序是常用的軟件方法，當(dāng)延長數(shù)比較大時(shí)，常常將延時(shí)子程序設(shè)計(jì)為循環(huán)程序。軟件延時(shí)優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件，缺點(diǎn)是CPU一直被占用降低效率。如用硬件延時(shí)可用555等定時(shí)器芯片，可編程則用定時(shí)器計(jì)數(shù)器82538254等。方法是根據(jù)需要的定時(shí)時(shí)間，用指令對定時(shí)器設(shè)定定時(shí)常數(shù),并用指令啟動定時(shí)器,于是開始計(jì)數(shù),定時(shí)到產(chǎn)生輸出,突出的優(yōu)點(diǎn)是不占用CPU的時(shí)間.9.1可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器的工作原理計(jì)數(shù)器與定時(shí)器的主要差別:作為計(jì)數(shù)器,減”1”到0后,輸出一個(gè)信號便結(jié)束;作為定時(shí)器時(shí),則不斷產(chǎn)生信號.具體說,C/T

2、有如下用處:多任務(wù)分時(shí)系統(tǒng)中用來作為中斷信號實(shí)現(xiàn)程序的切換.可以往IO設(shè)備輸出精確的定時(shí)信號.作為一個(gè)可編程的波特率發(fā)生器.實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲.圖9.0是典型的計(jì)數(shù)器定時(shí)器原理圖大方框中有:4個(gè)寄存器(初始值寄存器,計(jì)數(shù)輸出寄存器,控制寄存器和狀態(tài)寄存器),它們都可被CPU訪問.輸入信號中有一個(gè)時(shí)鐘(CLK),它決定了計(jì)數(shù)速率.還有一個(gè)門脈沖(GATE),它是由設(shè)備送來的,作為對時(shí)鐘的控制信號.計(jì)數(shù)到達(dá)”0”時(shí),輸出端OUT有信號,可作中斷請求信號,也有用來啟動一個(gè)外設(shè)的輸入輸出操作.任何時(shí)候都可將計(jì)數(shù)器的值傳輸?shù)接?jì)數(shù)輸出寄存器中而被讀出,讀出過程不會干擾計(jì)數(shù),因而計(jì)數(shù)輸出寄存器起到了一個(gè)緩沖作用.

3、計(jì)數(shù)到達(dá)”0”時(shí),一方面會在輸出引腿OUT上輸出一個(gè)信號,另一方面還會在狀態(tài)寄存器的對應(yīng)位上反映出來.既可請求中斷,也可供軟件查詢.控制寄存器可用來控制工作模式,即門脈沖和時(shí)鐘脈沖怎樣配合產(chǎn)生輸出模式:門脈沖控制時(shí)鐘輸入,門脈沖到來時(shí),時(shí)鐘有效.門脈沖結(jié)束時(shí),時(shí)鐘無效.用門脈沖來重新啟動計(jì)數(shù).用門脈沖停止計(jì)數(shù),原來在計(jì)數(shù),門脈沖一來,停止計(jì)數(shù),OUT為高電平.單一計(jì)數(shù),與門脈沖沒有關(guān)系(但須有效電平),計(jì)數(shù)到0,輸出停止.循環(huán)計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)到0,輸出信號,又從初值寄存器獲得初值,開始新的計(jì)數(shù)過程. 計(jì)數(shù)初值時(shí)鐘頻率TT為時(shí)間片的長度.9.2可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器82538253的結(jié)構(gòu)和工作原理編程結(jié)構(gòu)

4、Intel8253是NMOS工藝制成的可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器,最高計(jì)數(shù)速率為2.6MHz， 圖9.1是8253的編程結(jié)構(gòu)圖8253內(nèi)部有3個(gè)計(jì)數(shù)器，分別為計(jì)數(shù)器0，1，2，相互獨(dú)立工作。每個(gè)計(jì)數(shù)器內(nèi)有一個(gè)計(jì)數(shù)初值寄存器CR、計(jì)數(shù)執(zhí)行部件CE、輸出鎖存OL它們都是16位寄存器，但也可作為8位寄存器用。CPU可以通過輸入輸出指令訪問8253內(nèi)部寄存器。8253的工作原理圖9.3是8253的工作原理圖圖9.4給出了8253的引腿圖計(jì)數(shù)器0，計(jì)數(shù)器1，計(jì)數(shù)器2每個(gè)計(jì)數(shù)器包含一個(gè)16位的初值寄存器，計(jì)數(shù)執(zhí)行部件和一個(gè)鎖存器。各計(jì)數(shù)器的外部輸入輸出信號如下：計(jì)數(shù)器0：CLK0計(jì)數(shù)器0的時(shí)鐘輸入。 GATE0計(jì)

5、數(shù)器0的門脈沖控制輸入。 OUT0計(jì)數(shù)器0的輸出。計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2（略）總線數(shù)據(jù)緩沖器（3方面功能）。（通過它）往計(jì)數(shù)器設(shè)置計(jì)數(shù)初值。從計(jì)數(shù)器讀取計(jì)數(shù)值。往控制寄存器設(shè)置控制字讀寫邏輯電路A1、A0用來對3個(gè)計(jì)數(shù)器以及控制寄存器進(jìn)行尋址RD、WR、CS含義明了?？刂萍拇嫫鰽1A011時(shí)，選中控制寄存器，可寫入控制字。表9.5 8253輸入信號與各功能的對應(yīng)關(guān)系上表兩點(diǎn)說明：除了表中7種信號組合外，其它組合下，數(shù)據(jù)總線為高阻狀態(tài)。A1A0=11時(shí)，第一次寫入的一定是控制字，此后寫入的作為鎖存命令。2. 8253控制寄存器的格式圖 8253的控制寄存器的格式BCD位：1計(jì)數(shù)值為BCD碼格式，0為

6、二進(jìn)制格式M2、M1、M0為模式選擇，共6中模式（05）RW1、RW0：讀寫指示位00對計(jì)數(shù)器進(jìn)行鎖存操作，以便讀出。01只讀寫低8位字節(jié)10只讀寫高8位字節(jié)11先讀寫低8位字節(jié)，再讀寫高8位字節(jié)SC1、SC0：用來選擇計(jì)數(shù)器00計(jì)數(shù)器0 01計(jì)數(shù)器1 10計(jì)數(shù)器2 11無意義3. 8253的編程命令因?yàn)?253的控制寄存器和3個(gè)計(jì)數(shù)器分別具有獨(dú)立的編程地址，并且控制器本身的內(nèi)容又確定了所控制的寄存器序號，所以編程沒有太多嚴(yán)格的順序規(guī)定。遵守下列兩條即可：對計(jì)數(shù)器設(shè)置初值前必須先寫控制字初值設(shè)置時(shí)，要符合控制字中的格式規(guī)定(即只寫高位還是只寫低位等)。編程命令有兩類，讀出命令和寫入命令：讀出命

7、令讀出命令用來讀取計(jì)數(shù)器當(dāng)前的值。寫入命令（有3個(gè)）設(shè)置控制命令字:用來選擇計(jì)數(shù)器設(shè)定工作模式和計(jì)數(shù)格式.設(shè)置初始值:用來給出計(jì)數(shù)初值(8位或16位),16位要用兩條輸出指令.鎖存命令: 配合讀出命令,讀計(jì)數(shù)值時(shí),先要將計(jì)數(shù)值在輸出鎖存器中鎖住.4. 8253的工作模式(共6種),共同原則如下:控制字寫入計(jì)數(shù)器時(shí),所有控制邏輯電路立即復(fù)位,輸出端OUT進(jìn)入初始態(tài)初始值寫入后，要經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘上升沿和一個(gè)下降沿，執(zhí)行部件開始計(jì)數(shù)通常門控信號在時(shí)鐘CLK的上升沿被采樣，門控信號觸發(fā)方式有邊沿和電平觸發(fā)兩種。模式0、4電平觸發(fā)；模式1、5上升沿觸發(fā)，2、3均可。 表7.2是經(jīng)過歸納的各工作模式下受門控

8、信號影響的情況CLK的下降沿計(jì)數(shù)器作減1計(jì)數(shù)。0是計(jì)數(shù)器能容納的最大初始值。6種模式逐一介紹如下：模式0計(jì)數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷8253作計(jì)數(shù)器用時(shí)一般工作在模式0，特點(diǎn)如下：控制字寫入后OUT起始電平為低電平,保持到計(jì)數(shù)達(dá)0,轉(zhuǎn)高電平直到寫入新計(jì)數(shù)值控制字和計(jì)數(shù)初值寫入后必須等下一個(gè)CLK,初值才送執(zhí)行部件門控GATE=1并獲計(jì)數(shù)初值開始計(jì)數(shù),此時(shí)GATE0則停止計(jì)數(shù),但門控不影響OUT電平,所以計(jì)數(shù)時(shí)如有一段時(shí)間GATE=0, OUT低電平相應(yīng)延長.計(jì)數(shù)過程中又有新計(jì)數(shù)值輸入,下一個(gè)CLK起按新計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù).2字節(jié)初值如在GATE=0時(shí)寫入初值,當(dāng)GATE=1時(shí)計(jì)數(shù)開始,N個(gè)CLK后轉(zhuǎn)高電平圖9.4

9、模式0的時(shí)序圖模式1可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器寫入控制字后OUT起始低電平，GATE上升沿到來時(shí)下一CLK起OUT變低，直到計(jì)數(shù)到0計(jì)數(shù)到0，OUT轉(zhuǎn)高，直到下一次觸發(fā)后第1個(gè)CLK來前。如果計(jì)數(shù)初值為N，輸出OUT產(chǎn)生持續(xù)N個(gè)CLK的負(fù)脈沖。模式1可以重復(fù)觸發(fā),一個(gè)負(fù)脈沖結(jié)束后,又來一個(gè)門控上升沿,重復(fù)上述過程如在輸出脈沖期間又來一個(gè)門控上升沿,則從下一CLK起又從初值減1延長如在輸出脈沖期間又寫入新計(jì)數(shù)值,當(dāng)前輸出不受影響,除非又來一個(gè)門控信號,觸發(fā)后按新計(jì)數(shù)初值減1計(jì)數(shù).圖9.5模式1的時(shí)序圖模式2分頻器控制寫入OUT高起始,計(jì)數(shù)值入下一CLK減1計(jì)數(shù),減到”1”,OUT變低電平完成一次計(jì)

10、數(shù)后輸出OUT又為高電平,開始一個(gè)新的計(jì)數(shù)過程,周而復(fù)始對于初值N,輸出周期為N的信號,N-1高電平,1低電平門控GATE=1 時(shí)計(jì)數(shù)進(jìn)行,=0停止計(jì)數(shù).如在輸出脈沖期間GATE0,OUT仍將高電平,但下一CLK重新計(jì)數(shù)用門控信號來硬件同步.在計(jì)數(shù)器寫入控制字和初值后,如果GATE一直高電平下一CLK開始計(jì)數(shù)經(jīng)過N-1個(gè)CLK,OUT變低,這種通過寫入初值同步為軟件同步.如計(jì)數(shù)期間寫入新計(jì)數(shù)值,GATE一直處于高電平,OUT不受影響,但下一輸出周期中按新計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)在計(jì)數(shù)到1之前,如寫入新計(jì)數(shù)值,GATE又出現(xiàn)上升沿,下一CLK按新計(jì)數(shù)圖9.6模式2分頻器的時(shí)序圖模式3方波發(fā)生器模式3和模式2類

11、似,但輸出為方波或者基本對稱的矩形波控制字輸入后OUT高起始電平,寫入計(jì)數(shù)值下一CLK開始計(jì)數(shù),計(jì)到一半,OUT變低,直到計(jì)數(shù)終值又變高,產(chǎn)生周期N的輸出信號N為偶數(shù),對稱方波,N為奇數(shù)時(shí),高電平(N+1)/2,低電平(N1)/2GATE=1計(jì)數(shù)進(jìn)行，0計(jì)數(shù)停止.OUT低時(shí)GATE變低OUT立即變高計(jì)數(shù)停止.在GATE又變高后,下一CLK開始重新計(jì)數(shù).硬件同步.如果門控GATE一直高電平,寫入控制和計(jì)數(shù)值后下一CLK軟件同步正在計(jì)數(shù)時(shí)寫入新計(jì)數(shù)值不影響當(dāng)前周期,但若又受門控上升沿下一CLK按新值計(jì)數(shù).圖9.7是模式3的時(shí)序圖模式4軟件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器控制字寫入后OUT高起始,計(jì)數(shù)值寫入后一

12、個(gè)CLK開始計(jì)數(shù),減到0時(shí)OUT變低,維持1個(gè)CLK后,又變恒高,此負(fù)脈沖可作選通信號.計(jì)數(shù)初值到計(jì)數(shù)初值寄存器后,下一CLK開始計(jì)數(shù),N個(gè)CLK后出1個(gè)負(fù)脈沖GATE=1進(jìn)行計(jì)數(shù),=0停止計(jì)數(shù),輸出維持當(dāng)時(shí)電平,只有減為0時(shí)才有負(fù)脈沖如計(jì)數(shù)時(shí)又寫入新計(jì)數(shù)值,下一CLK(雙字節(jié)從第2字節(jié)后)軟件同步模式4時(shí)主要靠寫入初值,來觸發(fā)計(jì)數(shù)器,產(chǎn)生負(fù)脈沖軟件觸發(fā)選通信號圖9.8模式4軟件觸發(fā)選通脈沖發(fā)生器模式5硬件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器控制字寫入后OUT高起始,計(jì)數(shù)值寫入后必須有門控上升沿到來,才在下一CLK開始計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)到0時(shí),輸出寬度為1個(gè)CLK的負(fù)脈沖:硬件觸發(fā)選通脈沖如計(jì)數(shù)初值為N,遇到門控上升

13、沿再過1個(gè)CLK,計(jì)數(shù)到N后輸出負(fù)脈沖.如果計(jì)數(shù)過程中,GATE又來上升沿,再過1個(gè)CLK,重獲計(jì)數(shù)初值減到0止如在計(jì)數(shù)中寫入新值,但無觸發(fā)脈沖,當(dāng)前輸出周期不受影響,再受觸發(fā)時(shí),按新初值計(jì)數(shù).如在計(jì)數(shù)過程中寫入新值,本周期結(jié)束前又受觸發(fā),則下一CLK圖9.9是模式5的時(shí)序圖可見模式5和模式4很相似，4用軟件觸發(fā)，5用硬件觸發(fā)。各工況兩點(diǎn)注意：時(shí)鐘周期和輸出周期的區(qū)別,輸出周期是OUT的輸出波形.8253的輸出波形都是在時(shí)鐘周期下降沿時(shí)產(chǎn)生電平的變化盡管8253有6種工作模式,從輸出端看,仍不外乎計(jì)數(shù)器 定時(shí)器.8253應(yīng)用舉例例子,用8253級聯(lián)定時(shí)圖9.10 8253級聯(lián)定時(shí)應(yīng)用要求825

14、3的OUT1發(fā)光二極管，亮1秒，熄滅1秒； OUT2發(fā)光二極管，亮2秒，熄滅2秒8253各通道地址為：FFE9HFFEFH,試編程。計(jì)數(shù)器0的CLK0來自2MHz經(jīng)D觸發(fā)器轉(zhuǎn)化為T觸發(fā)器2分頻，OUT0作為計(jì)數(shù)器1、2的時(shí)鐘,CLK1、CLK2初始化程序段：通道0的控制字為：00 11 010 1B=35H通道1的控制字為：01 11 011 1B=77H通道2的控制字為：10 11 011 1B=0B7H地址分別為：0FFE9H0FFEFH各通道計(jì)數(shù)初值分別為：通道0計(jì)數(shù)初值(BCD碼)：2000通道1計(jì)數(shù)初值(BCD碼)：1000通道2計(jì)數(shù)初值(BCD碼)：2000 程序段如下：MOV D

15、X,0FFEFHMOV AL,35HOUT DX,AL ;寫通道0的控制字MOV AL,77HOUT DX,AL ;寫通道1的控制字MOV AL,0B7HOUT DX,AL ;寫通道2的控制字MOV DX,0FFE9HMOV AL,00OUT DX,AL ;寫通道0的計(jì)數(shù)初值低8位MOV AL,20HOUT DX,AL ;寫通道0的計(jì)數(shù)初值高8位MOV DX,0FFEBHMOV AL,00OUT DX,AL ;寫通道1的計(jì)數(shù)初值低8位MOV AL,10HOUT DX,AL ;寫通道1的計(jì)數(shù)初值高8位MOV DX,0FFEDHMOV AL,00OUT DX,AL ; 寫通道2的計(jì)數(shù)初值低8位MO

16、V AL,10HOUT DX,AL ;寫通道2的計(jì)數(shù)初值高8位1用8254測量外部頻率計(jì)數(shù)器0 方式0；計(jì)數(shù)器1 方式1；計(jì)數(shù)器2 方式0計(jì)數(shù)器2的GATE2恒為高電平，一旦寫入控制字OUT2即為初始低電平，寫入計(jì)數(shù)初值后開始計(jì)數(shù)，OUT2保持低電平直到計(jì)數(shù)到0，轉(zhuǎn)為高電平，不再變化。OUT2作為GATE1，計(jì)數(shù)器1被GATE1高電平觸發(fā)后，輸出單穩(wěn)態(tài)負(fù)脈沖，此脈沖經(jīng)過反相器變正脈沖后后作為GATE0。計(jì)數(shù)器0寫入計(jì)數(shù)初值后，等待GATE0成為高電平，GATE0高電平期間計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)，GATE0降為低電平后停止計(jì)數(shù)，停止計(jì)數(shù)后讀取計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)值，頻率可求。例2用8253進(jìn)行外部事件計(jì)數(shù)，要求

17、：用計(jì)數(shù)器0外部事件計(jì)數(shù)，計(jì)滿350向CPU發(fā)中斷請求利用計(jì)數(shù)器1產(chǎn)生頻率為1kHz的正弦波利用計(jì)數(shù)器2產(chǎn)生寬度為0.5ms的單穩(wěn)態(tài)脈沖從圖上看出，端口地址為18H1EH,外部事件CLK0輸入計(jì)數(shù)器0工作在方式0，計(jì)滿350從OUT0發(fā)中斷請求計(jì)數(shù)器1輸入時(shí)鐘2MHz，方式3，產(chǎn)生1kHz方波計(jì)數(shù)初值為：1ms/0.5s=2000，有源濾波后成正弦波計(jì)數(shù)器2方式1，初值為500s0.5s1000 BCD碼計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)初值為350，地址為18H計(jì)數(shù)器1地址為1AH；計(jì)數(shù)器2地址為1CH;控制口1EH;初始化程序如下：MOV AL,31HOUT 1EH,AL;寫計(jì)數(shù)器0控制字MOV AL,50HOUT 18H,AL;寫計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)初值低8位MOV AL,03HOUT 18H,AL;寫計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)初值高8位MOV AL,77HOUT 1EH,AL;寫計(jì)數(shù)器1控制字MOV AL,