可编程定时器计数器8253及其应用.docx

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1、 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用【回顾】 可编程芯片的概念，端口的概念。【本讲重点】 定时与计数的基本概念及其意义，定时/计数器芯片 Intel8253 的性能概述，内、外部结构及其与 CPU 的连接。8.1 定时与计数1定时与计数在微机系统或智能化仪器仪表的工作过程中，经常需要使系统处于定时工作状态，或者对外部过程进行计数。定时或计数的工作实质均体现为对脉冲信号的计数，如果计数的对象是标准的内部时钟信号，由于其周期恒定，故计数值就恒定地对应于一定的时间，这一过程即为定时，如果计数的对象是与外部过程相对应的脉冲信号（周期可以不相

2、等），则此时即为计数。2定时与计数的实现方法(1) 硬件法专门设计一套电路用以实现定时与计数，特点是需要花费一定硬设备，而且当电路制成之后，定时值及计数范围不能改变。(2) 软件法利用一段延时子程序来实现定时操作，特点，无需太多的硬设备，控制比较方便，但在定时期间，CPU 不能从事其它工作，降低了机器的利用率。(3) 软、硬件结合法即设计一种专门的具有可编程特性的芯片，来控制定时和计数的操作，而这些芯片，具有中断控制能力，定时、计数到时能产生中断请求信号，因而定时期间不影响 CPU 的正常工作。8.2 定时/计数器芯片 Intel8253第 1 页, 共 19 页1 第八章 可编程定时器/计数

3、器 8253 及其应用Intel8253 是 8086 微机系统常用的定时/计数器芯片，它具有定时与计数两大功能。一、8253 的一般性能概述1每个 8253 芯片有 3 个独立的 16 位计数器通道；2每个计数器通道都可以按照二进制或二十进制(BCD 码)计数；3每个计数器的计数速率可以高达 2MHz；4每个通道有 6 种工作方式，可以由程序设定和改变；5所有的输入、输出电平都与 TTL 兼容。二、8253 内部结构8253 的内部结构如图 8-1 所示，它主要包括以下几个主要部分：图 8-1 8253 的内部结构1数据总线缓冲器实现 8253 与 CPU 数据总线连接的 8 位双向三态缓冲

4、器，用以传送 CPU 向 8253 的控制信息、数据信息以及 CPU 从 8253 读取的状态信息，包括某时刻的实时计数值。2读/写控制逻辑控制 8253 的片选及对内部相关寄存器的读/写操作，它接收 CPU 发来的地址信号以实现片选、内部通道选择以及对读/写操作进行控制。第 2 页, 共 19 页2 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用3控制字寄存器在 8253 的初始化编程时，由 CPU 写入控制字，以决定通道的工作方式，此寄存器只能写入，不能读出。4计数通道 0#、1#、2#：这是三个独立的，结构相同的计数器/定时器通道，每一个通道包含一个 16 位的计数寄存器，用以存放计数

5、初始值，一个 16 位的减法计数器和一个 16 位的锁存器，锁存器在计数器工作的过程中，跟随计数值的变化，在接收到 CPU 发来的读计数值命令时，用以锁存计数值，供 CPU 读取，读取完毕之后，输出锁存器又跟随减 1 计数器变化。三、8253 的外部引脚8253 芯片是具有 24 个引脚的双列直插式集成电路芯片，其引脚分布如图 82 所示。8253 芯片的 24 个引脚分为两组，一组面向 CPU，另一组面向外部设备，各个引脚及其所传送信号的情况，介绍如下：双向、三态数据线引脚，与系统的数据线连接，传送控制、数据及状态信息。1D D072 RD ：来自于 CPU 的读控制信号输入引脚，低电平有效

6、。3WR ：来自于 CPU 的写控制信号输入引脚，低电平有效。4CS ：芯片选择信号输入引脚，低电平有效。图 8-2 8253 的引脚、A ：地址信号输入引脚，用以选择 8253 芯片的通道及控制字寄存器。5A1A 、 A 的状001第 3 页, 共 19 页3 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用态与 8253 端口地址的对应关系如下表所示。A1 A0000通道1通道2通道控制端口011101及 GND：+5V 电源及接地引脚6VCC7CLKi：i=0,1,2,第 i 个通道的计数脉冲输入引脚，8253 规定，加在 CLK 引脚的输入时钟信号的频率不得高于 2.6MHZ，即时钟周

7、期不能小于 380ns。：i=0,1,2,第 i 个通道的门控信号输入引脚，门控信号的作用与通道的工作方式有8GATEi关。9OUTi：i=0,1,2,第 i 个通道的定时/计数到信号输出引脚，输出信号的形式由通道的工作方式确定，此输出信号可用于触发其它电路工作，或作为向 CPU 发出的中断请求信号。四、8253 的控制字8253 有一个 8 位的控制字寄存器，其格式如下：图 8-3 8253 的控制字其中：第 4 页, 共 19 页4 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用D0：数制选择控制。为 1 时，表明采用 BCD 码进行定时/计数；否则，采用二进制进行定时/计数。：工作方式

8、选择控制。000，0；001，1；X10，2；X11，3；100，4；101，5；D D13、D ：读写格式。00，计数锁存命令；01，读/写高 8 位命令；10，读/写低 8 位命令；11，D54先读/写低 8 位，再读写高 8 位命令。、D ：通道选择控制。00 0 通道；01，1 通道；10，2 通道；11，非法D7618253 的初始化编程要使用 8253，必须首先进行初始化编程，初始化编程包括设置通道控制字和送通道计数初值两个方面，控制字写入 8253 的控制字寄存器，而初始值则写入相应通道的计数寄存器中。初始化编程包括如下步骤：(1) 写入通道控制字，规定通道的工作方式(2) 写入

9、计数值，若规定只写低 8 位，则高 8 位自动置 0，若规定只写高 8 位，则低 8 位自动置 0。若为 16 位计数值则分两次写入，先写低 8 位，后写高 8 位。D ：用于0确定计数数制，0，二进制；1，BCD 码【例 1】 设 8253 的端口地址为：04H0AH，要使计数器 1 工作在方式 0，仅用 8 位二进制计数，计数值为 128，进行初始化编程。控制字为：01010000B=50H初始化程序：MOV AL，50HOUT 0AH，ALMOV AL，80HOUT 06H，AL第 5 页, 共 19 页5 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用【例 2】 设 8253 的端口

10、地址为：F8HFEH，若用通道 0 工作在方式 1，按二十进制计数，计数值为 5080H，进行初始化编程。控制字为：00110011B=33H初始化程序：MOV AL，33HOUT 0FEH，ALMOV AL，80HOUT 0F8H，ALMOV AL，50HOUT 0F8H，AL【例 3】 设 8253 的端口地址为：04H0AH，若用通道 2 工作在方式 2，按二进制计数，计数值为 02F0H，进行初始化编程。控制字为：10110100B=0B4H初始化程序：MOV AL，0B4HOUT 0AH，ALMOV AL，0F0HOUT 08H，ALMOV AL，02HOUT 08H，AL2读取 8

11、253 通道中的计数值8253 可用控制命令来读取相应通道的计数值，由于计数值是 16 位的，而读取的瞬时值，要分两次读取，所以在读取计数值之前，要用锁存命令，将相应通道的计数值锁存在锁存第 6 页, 共 19 页6 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用器中，然后分两次读入，先读低字节，后读高字节。当控制字中，D 、D4=00 时，控制字的作用是将相应通道的计数值锁存的命令，锁存5计数值在读取完成之后，自动解锁。如要读通道 1 的 16 位计数器，编程如下：地址 F8HFEH。MOV AL，40H；OUT 0FEH，AL ；锁存计数值IN AL，0FAHMOV CL，AL；低八位I

12、N AL，0FAH；MOV CH，AL；高八位五、8253 在系统中的典型连接8253 在系统中的连接如图 8-4 所示。图 8-4 Intel8253 在系统中的连接六、8253 的工作方式8253 共有 6 种工作方式，各方式下的工作状态是不同的，输出的波形也不同，其中比较灵活的是门控信号的作用。由此组成了 8253 丰富的工作方式、波形，下面我们逐个介绍：第 7 页, 共 19 页7 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用1几条基本原则(1) 控制字写入计数器时，所有的控制逻辑电路立即复位，输出端 OUT 进入初始状态。初始状态对不同的模式来说不一定相同。(2) 计数初始值写入

13、之后，要经过一个时钟周期上升沿和一个下降沿，计数执行部件才可以开始进行计数操作，因为第一个下降沿将计数寄存器的内容送减 1 计数器。(3) 通常，在每个时钟脉冲 CLK 的上升沿，采样门控信号 GATE。不同的工作方式下，门控信号的触发方式是有具体规定的，即或者是电平触发，或者是边沿触发，在有的模式中，两种触发方式都是允许的。其中 0、2、3、4 是电平触发方式，1、2、3、5 是上升沿触发。(4) 在时钟脉冲的下降沿，计数器作减 1 计数，0 是计数器所能容纳的最大初始值。二进制相当于 2 ，用 BCD 码计数时，相当于 104162方式 0计数结束产生中断方式 0 的波形如图 8-5 所示

14、，当控制字写入控制字寄存器后，输出 OUT 就变低，当计数值写入计数器后开始计数，在整个计数过程中，OUT 保持为低，当计数到 0 后，OUT 变高；GATE的高低电平控制计数过程是否进行。图 8-5 方式 0 波形从波形图中不难看出，工作方式 0 有如下特点： 计数器只计一遍，当计数到 0 时，不重新开始计数保持为高，直到输入一新的计数值，OUT 才变低，开始新的计数； 计数值是在写计数值命令后经过一个输入脉冲，才装入计数器的，下一个脉冲开始计数，第 8 页, 共 19 页8 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用因此，如果设置计数器初值为 N，则输出 OUT 在 N1 个脉冲后才

15、能变高； 在计数过程中，可由 GATE信号控制暂停。当 GATE0 时，暂停计数；当 GATE1 时，继续计数； 在计数过程中可以改变计数值，且这种改变是立即有效的，分成两种情况：若是8 位计数，则写入新值后的下一个脉冲按新值计数；若是 16 位计数，则在写入第一个字节后，停止计数，写入第二个字节后的下一个脉冲按新值计数。3方式 1可编程的硬件触发单拍脉冲方式 1 的波形如图 8-6 所示，CPU 向 8253 写入控制字后 OUT 变高，并保持，写入计数值后并不立即计数，只有当外界 GATE 信号启动后（一个正脉冲）的下一个脉冲才开始计数，OUT 变低，计数到 0 后，OUT 才变高，此时再

16、来一个 GATE正脉冲，计数器又开始重新计数，输出 OUT 再次变低，因此输出为一单拍负脉冲。图 8-6 方式 1 波形从波形图不难看出：方式 1 有下列特点： 输出 OUT 的宽度为计数初值的单脉冲； 输出受门控信号 GATE的控制，分三种情况： 计数到 0 后，再来 GATE脉冲，则重新开始计数，OUT 变低； 在计数过程中来 GATE脉冲，则从下一 CLK 脉冲开始重新计数，OUT 保持为低； 改变计数值后，只有当 GATE脉冲启动后，才按新值计数，否则原计数过程不受影第 9 页, 共 19 页9 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用响，仍继续进行，即新值的改变是从下一个 G

17、ATE开始的。 计数值是多次有效的，每来一个 GATE脉冲，就自动装入计数值开始从头计数，因此在初始化时，计数值写入一次即可。4、方式 2速率发生器方式 2 的波形如图 8-7 所示，在这种方式下，CPU 输出控制字后，输出 OUT 就变高，写入计数值后的下一个 CLK 脉冲开始计数，计数到 1 后，输出 OUT 变低，经过一个 CLK以后，OUT 恢复为高，计数器重新开始计数，因此在这种方式下，只需写入一次计数值，就能连续工作，输出连续相同间隔的负脉冲（前提：GATE 保持为高），即周期性地输出，方式 2 下，8253 有下列使用特点： 通道可以连续工作； GATE可以控制计数过程，当 GA

18、TE为低时暂停计数，恢复为高后重新从初值；（注意：该方式与方式 0 不同，方式 0 是继续计数） 重新设置新的计数值即在计数过程中改变计数值，则新的计数值是下次有效的，同方式1。图 8-7 方式 2 波形5方式 3方波速率发生器方式 3 的波形如图 8-8 所示，这种方式下的输出与方式 2 都是周期性的，不同的是周期不同，CPU 写入控制字后，输出 OUT 变高，写入计数值后开始计数，不同的是减 2 计数，第 10 页, 共 19 页10 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用当计数到一半计数值时，输出变低，重新装入计数值进行减 2 计数，当计数到 0 时，输出变高，装入计数值进行减

19、 2 计数，循环不止。在方式 3 下，8253 有下列使用特点：计数值为偶数计数值为奇数图 8-8 方式 3 时计数器的工作波形 通道可以连续工作； 关于计数值的奇偶，若为偶数，则输出标准方波，高低电平各为 N/2 个；若为奇数，则在装入计数值后的下一个 CLK 使其装入，然后减 1 计数，（N1）/2，OUT 改变状态，再减至 0，OUT 又改变状态，重新装入计数值循环此过程，因此，在这种情况下，输出有（N1）/2 个 CLK 个高电平，（N1）/2 个 CLK 个低电平； GATE 信号能使计数过程重新开始，当 GATE0 时，停止计数，当 GATE 变高后，计数器重新装入初值开始计数，尤

20、其是当 GATE0 时，若 OUT 此时为低，则立即变高，其它动作同上；第 11 页, 共 19 页11 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用 在计数期间改变计数值不影响现行的计数过程，一般情况下，新的计数值是在现行半周结束后才装入计数器。但若中间遇到有 GATE脉冲，则在此脉冲后即装入新值开始计数。6方式 4软件触发的选通信号发生器方式 4 的波形如图 8-9 所示，在这种方式下，也是当CPU 写入控制字后，OUT 立即变高，写入计数值开始计数，当计数到 0 后，OUT 变低，经过一个 CLK 脉冲后，OUT 变高，这种计数是一次性的（与方式 0 有相似之处），只有当写入新的计数

21、值后才开始下一次计数。图 8-9 方式 4 波形方式 4 下，8253 有下列使用特点：当计数值为 N 时，则间隔 N1 个 CLK 脉冲输出一个负脉冲（计数一次有效）；GATE0 时，禁止计数，GATE1 时，恢复继续计数；在计数过程中重新装入新的计数值，则该值是立即有效的（若为 16 位计数值，则装入第一个字节时停止计数，装入第二个字节后开始按新值计数）。7方式 5硬件触发的选通信号发生器方式 5 的波形如图 8-10 所示，在这种方式下，当控制字写入后，OUT 立刻变高，写入计数值后并不立即开始计数，而是由 GATE 的上升沿触发启动计数的，当计数到 0 时，输出变低，经过一个 CLK

22、之后，输出恢复为高，计数停止，若再有GATE脉冲来，则重新装入计数值开始计数，上述过程重复。方式 5 下，8253 有下列使用特点：第 12 页, 共 19 页12 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用 在这种方式下，若设置的计数值是 N，则在 GATE 脉冲后，经过（N1）个 CLK 才一个负脉冲； 若在计数过程中又来一个 GATE脉冲，则重新装入初值开始计数，输出不变，即计数值多次有效； 若在计数过程中修改计数值，则该计数值在下一个 GATE脉冲后装入开始按此值计数。图 8-10 方式 5 波形尽管 8253 有 6 种工作模式，但是从输出端来看，仍不外乎为计数和定时两种工作方

23、式。作为计数器时，8253 在 GATE的控制下，进行减 1 计数，减到终值时，输出一个信号。作为定时器工作时，8253 在门控信号 GATE控制下，进行减 1 计数。减到终值时，又自动装入初始值，重新作减 1 计数，于是输出端会不断地产生时钟周期整数倍的定时时间间隔。88253 的工作方式小结下面，我们对 8253 的 6 种工作模式的特点，作一番比较和总结。(1) 方式 2、4、5 的输出波形是相同的，都是宽度为一个 CLK 周期的负脉冲，但方式 2 连续工作，方式 4 由软件触发启动，方式 5 由硬件触发启动。(2) 方式 5 与方式 1 工作过程相同，但输出波形不同，方式 1 输出的是

24、宽度为 N 个 CLK 脉冲的低电平有效的脉冲（计数过程中输出为低），而方式 5 输出的为宽度为一个 CLK 脉冲的负脉冲（计数过程中输出为高）。(3) 输出端 OUT 的初始状态，方式 0 在写入方式字后输出为低，其余方式，写入控制字后，输出均变未能高。第 13 页, 共 19 页13 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用(4) 任一种方式，均是在写入计数初值之后，才能开始计数，方式 0、2、3、4 都是在写入计数初值之后，开始计数的，而方式 1 和方式 5 需要外部触发启动，才开始计数。(5) 6 种工作方式中，只有方式 2 和方式 3 是连续计数，其它方式都是一次计数，要继续

25、工作需要重新启动，方式 0、4 由软件启动，方式 1、5 由硬件启动。(6) 门控信号的作用；通过门控信号 GATE，可以干预 8253 某一通道的计数过程，在不同的工作方式下，门控信号起作用的方式也不一样，其中 0、2、3、4 是电平起作用，1、2、3、5 是上升沿起作用，方式 2、3 对电平上升沿都可以起作用。(7) 在计数过程中改变计数值，它们的作用有所不同。(8) 计数到 0 后计数器的状态，方式 0、1、4、5 继续倒计数，变为 FF、FE。， 而 方 式2、3、，则自动装入计数初值继续计数。七、8253 的编程应用【例 4】 在 IBM PC/XT 中，8253 作为定时计数器电路

26、，它的三个通道的作用分别为：计数器 0 编程为方式 3，GATE0 固定为高电平，OUT0 作为中断请求信号接至 8259A中断控制器的第 0 级 IRQ0。这个定时中断（约 55ms）用于报时时钟的时间基准。计数器 1 编程为方式 2，GATE1 固定为高电平，OUT1 的输出经过一个 D 触发器后作为 8237A5DMA 控制器通道 0 的 DMA 请求 DREQ0，用于定时（约 15us）启动刷新动态RAM，这样在 2ms 内可以有 132 次刷新，大于 128 次（128 次是系统的最低要求）。计数器 2 编程为方式 3，1KHZ 的方波输出，通过滤波，去除高频分量后送扬声器，GATE

27、2是 8255 的 PB0，OUT 输出经一与门控制，控制信号为 8255 的 PB1，这样利用 PB0、PB1同时为高的时间来控制发长音还是发短音。定时时间T N = 定时时间 N时钟频率 F 为 1.19MHZ，T=1/FT82535 的地址为 040H043H，ROMBIOS 对 82535 的编程如下：第 14 页, 共 19 页14 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用计数器 0 用于定时中断。MOV AL，00110110B；00110110二进制OUT 43H，ALMOV AL，0；计数初值为 0000，即为 216OUT 40H，ALOUT 40H，AL；定时为：8

28、40ns 2 = 55ms，即频率为18.2HZ 每秒产生18.2 次时16钟中断（CLK 周期为：1 / 1.19 ）M计数器 1 用于定时 DMA 请求。MOV AL，01010100B；01010100二进制OUT 43H，ALMOV AL，12H；计数初值为 18D，定时：840ns 18 =15 smOUT 41H，AL计数器 2用于产生1KHZ的方波送至扬声器发声，声响子程序为 BEEP，入口地址为 FFA08H。BEEP PROC NEARMOV AL，10110110B；10110110二进制OUT 43H，ALMOV AX，0533H；计数初值为 1331OUT 42H，AL

29、MOV AL，AHOUT 42H，ALIN AL，61H；取 8255B 端口MOV AH，AL；存在 AHOR AL，03H；使 PB PB = 1110第 15 页, 共 19 页15 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用OUT 61H，AL；输出至 82255 的 B 端口，使扬声器发声SUB CX，CX；循环计数G7：LOOP G7MOV BH，0DEC BX；BL 的值为控制长短声，BL6（长），BL1（短）JNZ G7MOV AL，AH；恢复 8255B 端口值，停止发声OUT 61H，ALRETBEEP ENDP【例 5】CPU 为 8086，用 8253 的 CH0

30、（通道 0），每隔 2ms 输出一个负脉冲，设 CLK 为2MHZ，完成软件设计。时间常数的计算：已知时钟频率 F 及定时时间 t，求计数初值 N：分析：1N = t N = t FFN = 210-3 210= 41036设用方式 2，时间常数：控制字：00110100二进制端口地址：CH000H；控制端口06H初始化编程：MOV AL，34HOUT 06H，ALMOV AX，4000OUT 00H，ALMOV AL，AH；00110100B；先送低八位第 16 页, 共 19 页16 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用MOV AL，02HOUT 00H，AL；再送高八位思考：

31、若定时 20ms（即输出 50HZ的方波，设为工作方式 2），CLK4MHZ，CPU 为改为8086，软硬件设计又该如何？分析：N = 4MHZ 20ms = 80000（超过 65536，必须考虑用两个通道级连）即将第一级的OUT 输出作为第二级的 CLK 输入，取第二级的 OUT 输出为最后结果，超过二级，依次类推。此时只需将计算出的 N 分别为 N1、N2、作为各级的计数初值即可。如本例可分解成 4 20000 。程序从略。【习题与思考】18253 芯片共有几种工作方式？每种方式各有什么特点？2某系统中 8253 芯片的通道 02 和控制端口地址分别为 FFF0HFFF3H。定义通道 0

32、 工作在方式 2，CLK 2MHz，要求输出 OUT 为 1kHz 的速率波；定义通道 l 工作在方式 CLK00l输入外部计数事件，每计满 100 个向 CPU 发出中断请求。试写出 8253 通道 0 和通道 1 的初始化程序。3试编写一程序，使 IBM PC 机系统板上的发声电路发出 200Hz 至 900Hz 频率连续变化的报警声。4已 知：PC/XT 微机系统中用作定时及计数的 8253 芯片的通道为 40H，其主频率为 1.19MH ,z请参阅 P239240，对三个通道进行初始化设置。（CNT2 的输出方波频率设为 2kH ）.z引入，通道 2 每计 500 个脉冲向5设 825

33、3 的通道 2 工作在计数方式，外部事件从 CLK2CPU 发出中断请求，CPU 响应这一中断后继续写入计数值，重新开始计数，保持每 1第 17 页, 共 19 页17 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用秒钟向 CPU 发出中断请求。假设条件如下： 8253 的通道 2 工作在方式 4； 外部计数事件频率为 1kHz； 中断类型号为 54H； 8253 各端口地址如上题； 用 8212 芯片产生中断类型号；（注：8212 为带 8 位输入锁存器和 8 位输出缓冲器的总线接口电路）。试编写程序完成以上任务，并画出硬件连接图。6. 试说明定时和计数在实际系统中的应用？这两者之间有和联系和差别？7. 定时和计数有哪几种实现方法？各有什么特点？8. 试说明定时/计数器芯片 Intel8253 的内部结构。9. 定时/计数器芯片 Intel8253 占用几个端口地址？各个端口分别对应什么？第 18 页, 共 19 页18 第八章 可编程定时器/计数器 8253 及其应用第 19 页, 共 19 页19