微机原理与接口技术 第9章 计时/计数接口

第9章 计时/计数接口 教学提示：在计算机系统中，经常要用到定时信号。例如，个人计算机中动态存储器的刷新定时、喇叭的声源和系统日历时钟的计时等都是用定时信号产生的。在控制系统中，常常要求用定时时钟实现定时，如定时中断、定时检测和定时扫描等，也往往要求有计数器能对外部事件计数。要实现定时，常有3种方法。 (1) 软件定时。 (2) 不可编程的硬件定时。 (3) 可编程的硬件定时器。 教学要求：通过本章学习，使读者了解可编程的硬件定时器——Intel系列的定时器/计数器。该系列是可编程间断定时器PIT(programmable interval timer)，型号为8253，其改进型为8254。

本章内容 9.1 概 述 9.1.1 8253 PIT的外部特点 9.1.2 8253 PIT的主要功能 9.1 概 述 9.1.1 8253 PIT的外部特点 9.1.2 8253 PIT的主要功能 9.1.3 8253 PIT的工作原理 9.1.4 8253 PIT的内部结构 9.1.5 8253 PIT的引脚 9.2 8253 PIT计时/计数器接口 9.2.1 8253 PIT的控制字 9.2.2 8253 PIT的工作方式 9.3 应用举例

9.1 概 述 Intel 8253是可编程间断定时器PIT，同时也可以用作事件计数器。每个8253芯片有3个独立的16位计数器通道，每个计数器有6种工作方式，都可以按二进制或十进制(BCD)计数。 Intel 8254是8253的改进型，内部工作方式和外部引脚与8253完全相同，只是增加了一个读回命令和状态字，时钟输入频率8253支持2MHz，8254支持10MHz。所以，本章所论述的8253同样适用于8254。 9.1.1 8253 PIT的外部特点 8253是一个双列直插式器件，具有24个引脚，使用单一+5V电源。具有3个独立的16位计数器。 9.1.2 8253 PIT的主要功能 (1) 每个计数器均可以按照BCD码或二进制进行计数。 (2) 每个计数器的计数速率可高达2MHz。 (3) 每个计数器有6种工作方式都可由程序设置。 (4) 所有输入/输出电平均与TTL电平兼容。

9.1 概 述 9.1.3 8253 PIT的工作原理 8253在工作时体现在两个方面：一方面按照计数器方式工作，即设置好计数初值后便开始减1计数，计到“0”时输出一个信号，计数器停止计数；另一方面作为定时器方式工作，定时常数设定后便进行减1计数，按定时常数不断地输出为时钟周期整数倍(即定时常数)的定时间隔。本质上讲都是基于计数器的减“1”工作。 当它作为定时器使用时，用系统时钟脉冲对减计数器进行减计数。当它作为计数器使用时，用外部事件的脉冲对计数器进行减计数。 8253具体用途如下。 (1) 在多任务分时系统中用作程序切换的中断信号。 (2) 可以向I/O设备输出精确的定时信号。 (3) 实现时间延迟。 (4) 作为一个可编程的时钟。 (5) 可以作为某种外部事件的计数器

9.1 概 述 图9.1 定时器/计数器的基本原理图

9.1 概 述 图9.1中有4个寄存器，分别是： （1） 控制寄存器：从数据总线缓冲器接收控制字，从而确定8253的操作方式，此寄存器中的数据不可读取； （2）初始值寄存器：存放初始数据，此值由程序写入，若不复位或没有向该寄存器写入新数据则一直保持原值； （3）状态寄存器：随时提供定时器/计数器的当前状态，根据这些状态可了解定时器/计数器某一时间的内部情况； （4）计数输出寄存器：数据可随时被CPU读出，它可以 反映出计数值的变化情况。

9.1 概 述 9.1.4 8253 PIT的内部结构 8253内部结构下图9.2所示。

9.1 概 述 (1)数据总线缓冲器。这是8253同CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器。CPU用I/O指令对8253读写的所有数据都是通过数据总线缓冲器传送的。 (2)读/写(R/W)逻辑电路。8253内部操作的控制部分，它决定3个计数器和控制寄存器中哪一个能工作，并控制内部总线上数据传送方向。 (3)控制寄存器。在8253初始化编程时，由CPU写入控制字，从而决定计数器的工作方式。此寄存器内容只能写入不能读出。 (4)计数器0、计数器1和计数器2。3个计数器功能完全相同，都有一个16位的可预置值的减法计数器。3个计数器的操作完全独立，各自均有6种工作方式。计数器的输入与输出以及门控信号之间的关系取决于工作方式。

9.1 概 述 9.1.5 8253 PIT的引脚 8253的引脚如图9.3所示。

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 9.2.1 8253 PIT的控制字 在8253的初始化编程中，控制寄存器中的控制字由CPU写入，控制字规定了8253的工作方式。格式如图9.4所示。 (1) 计数器选择(D7D6)控制字的最高两位，决定这个控制字属于 哪一个计数器。 (2) 数据读/写格式(D5D4)。CPU向计数器写入初值和读取其当前状态时有几种不同格式。 (3) 工作方式选择(D3D2D1)。8253的每个计数器的6种不同的工作方式由此3位决定。 (4) 数制选择(D0)。8253的每个计数器有两种计数制：二进制计数和BCD码计数，由D0决定。 (5) 计时常数的计算： 计时常数=定时时间/8253的时钟周期

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 图9.4 8253的控制字

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 9.2.2 8253 PIT的工作方式 1．方式0——计数结束产生中断工作过程如图9.5所示。 ①写入控制字(CW)后，OUT变为低电平。 ②写入初值(n=4)后，再经一个CLK信号，初值进入计数执行部件。 ③GATE-1允许对CLK计数，GATE-0计数停止。 ④计数值到0时计数结束，OUT变为高电平。 ⑤计数结束后，计数值保持FF不变，直到重新送放计数初值。

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 方式0的工作特点如下。 (1) 计数器只计数一次。 (2) 8253内部是在CPU写计数值的信号上升沿将计数初值写入计数器的计数初值寄存器。但是，计数初值在信号上升沿后的下一个CLK脉冲由计数初值寄存器送到计数器，计数开始。 (3) 门控信号可以暂停计数过程。在计数过程中，当GATE＝0时，计数暂停，直到GATE＝1后继续计数。工作波形如图9.6所示。 (4) 在计数过程中可以改变计数值。 (5) 8253可产生中断请求信号。

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 2．方式1——可编程序的单拍脉冲 其工作过程如图9.7所示 。 ① 写入控制字(CW)后，OUT变为低电平。 ② 写入初值(n=3)后，初值进入初值寄存器CR。 ③ GATE上升沿使边沿触发器受到触发，再经一个CLK信号，初值进入计数执行部件CE，OUT信号变低。此后允许对CLK 计 数。 ④ 计数值到0时计数结束，OUT变为高电平。 ⑤ 计数结束后，计数值保持FF不变 ⑥ GATE上升沿使计数初值自动进入计数执行部件，OUT信号重新为低，并开始新一轮计数。

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 方式1的工作特点如下。 (1) 若设置的计数值为n，则输出的单脉冲宽度为n个CLK脉冲输入间隔。 (2) 计数结束后外部门控脉冲再次触发，重新产生等宽单拍脉冲。 (3) 计数过程中外部门控脉冲再次触发，单拍脉冲宽度展宽。在门控脉冲上升沿过后的一个CLK脉冲下降沿，计数器重新计数。如图9.8所示。 图9.8 方式1时GATE信号的作用

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 (4) 计数值重置，重新触发时生效。在计数过程中，可以重新写入计数值，计数过程不受影响，计数到0，OUT引脚输出高电平。外部门控脉冲再次触发，计数器按照新的计数值计数。如图9.9所示。 图9.9 方式1在计数过程中改变计数值

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 3．方式2——分频器 其工作过程如图9.10所示。 ① 写入控制字(CW)后，OUT变为高电平。 ② 写入初值(n=4)后，再经一个CLK信号，初值进入计数执行部件，开始计数。 ③ GATE=1允许对CLK计数，GATE=0计数停止。 ④ 计数值到1时计数结束，OUT变为低电平，经一个CLK后，OUT变高，计数执行部件自动从初值寄存器获得原初值，并自动重新开始新一轮计数，如此反复进行，直到重新对8253初始化或使GATE变低。

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 方式2的工作特点如下。 (1) 不用重新设置计数值，能够连续工作，输出固定n分频的脉冲。 (2) 计数过程门控脉冲可控。计数过程中，当GATE＝0时，计数器暂停计数。计数器在GATE＝1后的下一个时钟恢复计数初值并重新开始计数。如图9.11所示。 图9.11 方式2时GATE信号的作用

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 3．方式2——分频器 其工作过程如图9.10所示。 ①写入控制字(CW)后，OUT变为高电平。 ②写入初值(n=4)后，再经一个CLK信号，初值进入计数执行部件，开始计数。 ③ GATE=1允许对CLK计数，GATE=0计数停止。 ④ 计数值到1时计数结束，OUT变为低电平，经一个CLK后，OUT变高，计数执行部件自动从初值寄存器获得原初值，并自动重新开始新一轮计数，如此反复进行，直到重新对8253初始化或使GATE变低。

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 图9.12 方式2在计数过程中改变计数值 (3) 重置计数值可改变输出脉冲的频率。重置新的计数值不影响当前计数过程，从下一次计数开始，计数器按照新的计数值工作并产生另一频率的脉冲序列。如图9.12所示。 图9.12 方式2在计数过程中改变计数值

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 4．方式3——可编程方波速率发生器 图9.13 方式3的波形 同方式2一样，方式3的输出也是周期性的。但方式3的输出中，波形为基本对称的矩形波或方波(即一半为高电平，另一半为低电平)。在方式3下，CPU写入控制字后，OUT引脚输出高电平，若GATE＝1，CPU写入计数值后立即开始计数，OUT引脚仍然保持高电平，直至计数器计数到一半时才输出低电平，计数器计到0后，OUT引脚再次输出高电平，同时，计数器又重新开始计数，重复前面的过程，如此周而复始，输出波形为基本对称的矩形波或方波。如图9.13所示。 图9.13 方式3的波形

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 方式3的工作特点如下。 (1) 若计数值为偶数，则CPU写入计数值n后，每个CLK脉冲到来时，计数器减2计数，当计到“0”时，OUT引脚输出状态改变，同时，计数器重新装入计数值并开始计数，重复前面的过程，如此周而复始地进行。输出方波的周期为n个CLK脉冲周期。图9.13 方式3的波形 (2) 若计数值为奇数，则CPU写入计数值n后，第一个CLK脉冲到来时，计数器减1。此后，每个脉冲到来时，计数器减2，计数器计到0后，OUT引脚输出状态改变，同时，计数器重新装入计数值并开始计数，第一个CLK脉冲到来时计数器减3。此后，每一个CLK脉冲到来时计数器减2，直至计数器计数到0，OUT引脚输出状态改变，计数器重新装入计数值并重复前面的过程，如此周而复始地进行。OUT引脚输出的一个周期的波形中，有(n＋1)/ 2个CLK脉冲周期为高电平；有(n－1)/ 2 个CLK脉冲周期为低电平。设n＝5，工作波形如图9.13所示。 (3) GATE信号的计数过程控制。GATE＝1，计数器允许计数；GATE＝0，计数器禁止计数。在计数过程的低电平期间，若GATE＝0 ，计数器停止计数，待GATE＝1后，计数器重新装入计数值并开始计数。工作过程如图9.14所示。

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 图9.14 方式3时GATE信号的作用 (4) 在计数期间，新计数值的写入不影响现行计数过程。新计数值将在现行半周期结束时被装入计数器。但是，若在方波半周期结束之前且在新计数值写入之后8253收到GATE脉冲，则计数器便在下一个CLK脉冲到来时装入此新计数值并按此重新开始计数。

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 5．方式4——软件触发选通 写入方式4的控制字后，OUT引脚输出高电平。在GATE＝1时，CPU写入计数值后计数器立刻开始计数，当计数器减到0时，OUT＝0，一个CLK脉冲周期后，OUT引脚恢复高电平输出，计数器停止计数。方式4工作过程如图 9.15所示。 图9.15 方式4的工作波形

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 方式4的工作特点如下。 (1) CPU写入计数初值相当于软件启动。CPU写入计数初值n后，在下一个CLK脉冲到来时，计数值被装入计数器并开始计数，n个CLK脉冲周期后，OUT引脚输出一个CLK脉冲周期的负脉冲。 (2) GATE的控制作用。当GATE＝1时，允许计数；当GATE＝0时，禁止计数。因此，要做到软启动，必须保证GATE持续为“1”。如图9.16所示。 图9.16 方式4时GATE信号的作用

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 (3) 若计数值在计数过程中改变，计数器则立刻按照新计数值重新计数。若为双字节计数，CPU写入第一字节时停止计数，第二字节写入后，计数器按照新的计数值计数。如图9.17所示。 图9.17 方式4在计数过程中改变计数值

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 6．方式5——硬件触发选通 设置了方式5的控制字后，OUT为高电平。计数值设置后，计数器并不立刻计数，必须由GATE信号的上升沿触发计数器才开始计数。即计数器开始计数必须由硬件触发。计数到0后，OUT输出低电平，一个CLK脉冲周期后，OUT恢复高电平，计数器停止计数。要重新计数，8253需要另一个GATE信号的上升沿。如图9.18所示。 图9.18 方式5的工作波形 图中所示② 初值写入初值寄存器；③ GATE上升沿使计数执行部件在一个CLK后获得初值，并启动计数；④ 计数结束时，OUT输出一个CLK宽度的负脉冲，该负脉冲可作选通信号；⑤ 计数停止；⑥ 新的GATE上升沿，启动新一次计数。

9.2 8253 PIT计时/计数器接口 方式5的工作特点如下。 (1) 若计数值是置为n，门控脉冲上升沿触发后n＋1个CLK脉冲周期由8253输出一个宽度为一个CLK脉冲周期的长度。 (2) 重新施加门控脉冲，计数器重新计数。在计数器计数过程中，若再施加门控脉冲，计数器重新计数，8253输出状态不受影响。如图9.19所示。 WR CW LSB＝3 CLK GATE OUT 3 2 3 2 1 0 FF 图9.19 方式5时GATE信号的作用

9.3 应用举例 下面举例说明8253的使用方法。 1．微机日时钟 9.3 应用举例 下面举例说明8253的使用方法。 1．微机日时钟 以2MHz输入8253，实现每5秒定时中断。(设8253端口地址40H~43H)。 分析：8253的最大初值=65536(写入初值0)。CLK=2MHz可实现的最大时间间隔为： 65536/(2×106)秒=32.769毫秒 可见，仅用一个定时器无法实现5秒定时中断，需要采用两个计数器串联：一个计数器的输出(OUT)作为另一个计数器输入(CLK)，如图9.21所示。

9.3 应用举例 图9.21 8253作为定时器的例子

9.3 应用举例 程序段如下： MOV AL，00110100B ；计数器0控制字 ，模式2，二进制初值，先低8位，后高8位 9.3 应用举例 程序段如下： MOV AL，00110100B　　　 ；计数器0控制字 ，模式2，二进制初值，先低8位，后高8位 OUT 43H，AL MOV AX，1000　　　　 ；计数器0计数初值 OUT 40H，AL MOV AL，AH MOV AL，01110100B 　 ；计数器1控制字，模式2，二进制初值，先低8位，后高8位 MOV AX，10000　　　　　　；计数器1计数初值 OUT 41H，AL OUT 41H，AL　

9.3 应用举例 2．提供可编程采样信号 用8253为A/D子系统提供可编程的采样信号。硬件电路如图9.23所示。 9.3 应用举例 2．提供可编程采样信号 用8253为A/D子系统提供可编程的采样信号。硬件电路如图9.23所示。 由图9.22可知，计数器1的时钟由计数器2的输出提供，故计数器1的时钟CLK1的频率为f /N2，计数器1工作在模式1——可重复触发的单稳态方式，则输出端OUT1的脉冲频率为f /(N2×N1)。计数器0工作在模式2——分频器，输出端OUT0的脉冲频率为f /N0，计数器0的GATE脉冲来自OUT1的控制。OUT0连接至A/D转换器的CONVERT端。当用软件对3个计数器设置好计数初值后，合上手动开关或继电器，A/D转换器便按照f /N0采样频率工作，每次采样的时间为N2×N1/f 。采样信号经A/D转换后送至8255A。 图9.22中，用PC5作为中断请求信号，从而引起中断，进入中断处理子程序。CPU在执行中断处理子程序的过程中，将接口8255A中的数据输入到累加器作处理。

9.3 应用举例 图9.22 8253硬件电路图

9.3 应用举例 具体程序段如下： MOV AL,14H ； OUT 76H,AL ；将计数器0设置为模式2 MOV AL,NOCNT ； 9.3 应用举例 具体程序段如下： MOV AL,14H ； OUT 76H,AL ；将计数器0设置为模式2 MOV AL,NOCNT ； OUT 70H,AL ；对计数器0设置计数初值N0 MOV AL,73H ； OUT 76H,AL ；将计数器1设置为模式1 MOV AX,N1CNT ； OUT 72H,AL ； MOV AL,AH ； OUT 72H,AL ；对计数器1设置计数初值N1 MOV AL,96H ； OUT 76H,AL ；将计数器2设置为模式3 MOV AL,N2CNT ； OUT 74H,AL ；对计数器2设置初值N2

第 9 章 结束 作业： 让各老师一定发表意见