7.1 定时、计数技术7.1 定时、计数技术 7.1 定时、计数技术一、概述 二、可编程计数器/定时器8253/8254 三、Intel 8253/8254的应用7.1 定时、计数技术 一、概 述1、定时与计数控制系统与计算机中，常常需要有定时信号，以实现定时或 延时控制。如定时中断，动态存储器的定时刷新等。此外， 还需要有计数功能，以实现对外部事件的计数，当外部事件 发生的次数达到规定值后，向计算机发出中断请求，进而实 现相应的控制或处理。定时的本质就是计数，当计数信号是周期信号时，计数就可 以用于定时。如以秒为单位计数，则计数60次就是1分，计满 60分就是1小时，计满24小时就是1天7.1 定时、计数技术2、实现定时和计数的三种方法 软件方法：采用软件定时，让计算机执行一个专门的指 令序列，由执行指令序列中每条指令所花费的时间构成 一个固定的时间间隔，从而达到定时或延时的目的。 不可编程的硬件定时：采用电子器件构成定时或延时电 路，通过调整电路中定时元件的数值，可实现调整定时 或延时的数值和范围。 可编程的硬件定时：在微机系统中采用软硬件结合的方 法，即采用可编程定时的电路器件实现定时。如： Intel 8253/8254，Zilog CTC，MC6840等。8253-5（ 5MHz）和8254-2（10MHz）的引脚和功能都是兼容的。7.1 定时、计数技术二、可编程计数器/定时器8253-PIT1、8253-PIT的主要功能Intel 8253-PIT是具有3个16位计数器通道的可编程 计数器/定时器芯片，主要功能如下： (1) 具有3个独立的16位计数通道； (2) 每个计数通道都可按2进制或BCD进制计数； (3) 8253-PIT每个计数通道的计数速率最高可达2MHz，8253-5（5MHz）， 8254-2（10MHz）； (4) 每个通道有6种工作方式，可由程序设置改变； (5) 全部输入输出都与TTL电平兼容。7.1 定时、计数技术2、8253的结构框图如图7.1所示 8253由与CPU 接口、内部控 制电路以及三 个计数器通道 组成。图7.1 Intel 8253结构框图7.1 定时、计数技术1)数据总线缓冲器：CPU用输入输出指令对8253进行读写 操作时的所有信息都通过该缓冲器传送。 2)读/写逻辑：这是8253内部操作的控制电路，它 从 系统控制总线上接收输入信号，然后转换成8253内部 操作的各种控制信号。 3)控制字寄存器：通过该寄存器CPU可以设置三个 计 数器通道的工作方式。 4)计数器0，1，2：这是3个独立的计数/定时通道，是16 位的可设置计数初值的减法计数器。如图7.2所示，是 每个计数通道的结构。内有计数初值寄存器CR，计数 执行部件CE和输出锁存器OL及控制字寄存器。其中CE 作减法计数。7.1 定时、计数技术计数器1计数器2计数器07.1 定时、计数技术3、8253的引脚8253与CPU接口 的引脚，除了没有 复位信号RESET引 脚外，其他与8255 相同。如图7.3所 示，(a)是引脚图， (b)是8253的功能 结构。7.1 定时、计数技术1)CLKCLK为时钟输入引脚，用以输入计数执行部件CE（减法 计数器）的计数脉冲信号。 2)OUT它是通道输出信号引脚，从功能上来说也可称为“计 数到零/定时时间到”输出引脚。8253的基本功能就是 对外部输入到CLK引脚的脉冲进行减法计数。 3)GATE它是门控输入信号引脚，当GATE为低电平时禁止计数 器工作，通常GATE为高电平或有上升沿跳变时计数器才 能工作。7.1 定时、计数技术 4、8253的工作方式 8253有6种工作方式，每个通道均可以通过编程选择工作方式。 计数启动方式：软件启动：GATE端为高电平，置入计数初值后的第2个CLK脉冲的下降沿就开始计数硬件启动：GATE端要求有一个上升沿跳变，对应CLK脉冲的下降沿开始计数 工作方式： 方式0：计数到零产生中断请求。软件启动。 方式1：硬件可重复触发的单稳态触发器。硬件启动。(3)方式2：分频器。软、硬件启动。(4)方式3：方波发生器（用得最多的方式）。软、硬件启动。(5)方式4：软件触发选通。软件启动。(6)方式5：硬件触发选通。硬件启动。7.1 定时、计数技术（1)方式0 计数到零产生中断请求如图7.4所示，CPU写入控制字CW，在WR的上升沿，OUT 输出变低或保持低。初值由CR到CE7.1 定时、计数技术 CPU将计数初值N写入计数初值寄存器CR（图中初值为4），在 WR上升沿之后的第一个CLK脉冲的下降沿将CR的内容送入计数执 行部件CE。 当GATE=1时，在CR内容送入CE后的每一个CLK脉冲下降沿使CE减 1计数，在计数过程中OUT一直保持低直到计数为零。 计数器减到0时，OUT由低跳到高电平，此输出信号可作为中断 请求。 在方式0中，当GATA=0时，技术暂停，当GATA变高后就接着计数 。如图7.5所示。 在计数过程中也可改变计数初值。在写入新的计数初值后，计数 器将立即按新的计数值重新开始计数，即改变计数初值是立即 有效的，参见图7.67.1 定时、计数技术7.1 定时、计数技术（2)方式1 硬件可重复触发的单稳态触发器 若设置初值为N，则输出为N个CLK周期宽度的负脉冲。 计数到零时，可再次由GATE上升沿触发，输出同样宽度的 负脉冲，而不必重新写入初值，即可重复触发如图7.7所示。7.1 定时、计数技术 在计数过程中（输出负脉冲期间），可由GATE上升沿再触发 ，如图7.8所示。 在计数过程中，CPU可改变初值，这时计数过程不受影响， 计数到0后输出变高。当再次触发时，计数器才开始按新的 计数初值计数。即改变计数初值是下次有效的。7.1 定时、计数技术（3）方式2 分频器 不用重新设置计数初值，通道能连续工作。如果初 值为N，则每输入N个CLK脉冲，输出一个负脉冲，负脉 冲的宽度为1个CLK周期，重复周期为N倍的CLK周期。 计数过程中可由GATE信号控制，当GATE信号变低时 ，立即暂停现行计数；当GATE信号变高后，从计数初值 开始重新计数，如图7.9所示。 如果在计数过程中，CPU重新写入计数初值，则对于 正在进行的计数无影响，而是从下一个计数操作周期开 始按新的计数值改变输出脉冲的频率，如图7.10。7.1 定时、计数技术图7.9 方式2中门控信号GATA的作用图7.10 方式2计数过程中改变初值7.1 定时、计数技术 （4）方式3 方波发生器 注意初值N为偶数或奇数时，输出信号的差别。N为偶数时，输 出对称方波，周期为N个CLK宽度；N为奇数时，输出有N+1/2个 CLK周期的高电平和N-1/2个CLK周期的低电平。图7.11 方式3时序图7.1 定时、计数技术 在计数过程中，GATE信号变低则暂停现行计数过程， 直到GATE变高，将从计数初值开始重新计数。 如果要求改变输出方波的频率，则CPU可在任何时候 重新写入初值，并从下一个计数操作周期开始改变输 出方波频率7.1 定时、计数技术（5）方式4 软件触发选通 若初值为N ，则写入初值后的N+1个CLK脉冲才输出一个负 脉冲，负脉冲的宽度为一个CLK周期，如图7.12。 当GATE=1时，允许计数；GATE=0时，禁止计数。 在计数过程中改变初值，则按新的初值重新计数，即改变 初值是立即有效的。图7.12 方式4时序图7.1 定时、计数技术(6)方式5 硬件触发选通方式 初值为N，则在门控GATE上升沿触发后。经过N+1个CLK 脉冲，才输出一个CLK周期的负脉冲，如图7.13。图7.13 方式5时序图7.1 定时、计数技术 若在计数过程中再次出现门控GATE触发信号。则将从初 值开始重新计数，但OUT输出的高电平不受影响，如图 7.14。 若在计数过程中改变初值，只要在计数到0之前不出现新 的门控触发信号，则原计数过程不受影响；等计数到0并 出现新的门控触发信号后，再按新的计数初值计数。若在 写入了新的计数初值后，在未计数到0之前有门控触发信 号出现，则立即按新的计数初值重新开始计数。图7.14 方式5中门控信号GATA的作用7.1 定时、计数技术(7) 六种工作方式总结 时钟周期和输出周期的区别 输出波形在时钟下降沿产生电平变化方式N与输出波形关系改变计数值0写入计数值N后，经N1个CLK脉冲，输出变高下一个CLK周期立即 有效 1单稳脉冲的宽度为N个CLK外部触发以后有效2每N个CLK脉冲输出一个CLK周期的脉冲计数到1以后有效3前一半为高电平、后一半为低电平的方波外部触发有效 / 计 数到1有效 4写入N后经过N1个CLK，输出宽度为1个CLK的 脉冲计数到0有效5门控触发后过N1个CLK，输出宽度为1个CLK的 脉冲外部触发有效计数值N与输出波形的关系 7.1 定时、计数技术门控信号GATE的作用方式GATE低电平或变低电平 上升沿高电平0禁止计数允许计数 1启动计数，下一个CLK脉冲 使输出为低2禁止计数，立即使 输出为高重新装入计数值，启动计 数允许计数3禁止计数，立即使 输出为高重新装入计数值，启动计 数允许计数4禁止计数允许计数 5启动计数7.1 定时、计数技术 方式2（分频器）、方式4（软件触发选通）和方式5（ 硬 件触发选通），它们的输出波形相同，都是宽度为 1个CLK 周期的负脉冲。区别是：方式2是自动重复工作的，而方式 4需要由软件（设置计数初值）触发启动，方式5需要由硬 件（门控GATE信号）触发启动。 方式5（硬件触发选通）与方式1（硬件触发单稳），触发 信号相同，但输出波形不同：方式1输出为宽度是N个CLK周 期的负脉冲（计数过程中输出为低） ，而方式5输出为宽 度是1个CLK周期的负脉冲（计数过程中输出为高）。7.1 定时、计数技术 6种工作方式中，只有方式0，写入控制字后输出为低 ；其余5种方式，都是写入控制字后输出为高。 6种工作方式中的任何一种方式，只有在写入计数值 后才能开始计数。方式0、2、3、4都是写入计数初值 后，计数过程就开始了。而方式1和方式5在写入计数 初值后，需由外部GATE信号的触发启动，才能开始计 数过程。 6种工作方式中，只有方式2（分频器）和方式3（方 波发生器）为自动重复工作方式，其他4种方式都是 一次 性计数，要继续工作需要重新启动。图7.15是8253六种工作方式下的输出波形图。7.1 定时、计数技术图7.15 8253六种工作方式下的输出波形图7.1 定时、计数技术5、8253的初始化编程(1)内部寄存器寻址一片8253占用四个连续的端口地址，分别对应于三 个计数初值寄存器端口和一个控制寄存器端口。3个 通道共用一个控制端口，用控制字的D7和D6两位来表 示作用于哪个通道。8253内部寄存器的寻址如下表所 示：7.1 定时、计数技术表7-1：8253内部寄存器的寻址CSRDWRA1 A0寄存器选择和操作01000写通道0计数初值寄存器 CR0 01001写通道1计数初值寄存器 CR1 01010写通道2计数初值寄存器 CR2 01011写控制字寄存器 00100读通道0输出锁存器OL0 00101读通道1输出锁存器OL1 00110读通道2输出锁存器OL27.1 定时、计数技术(2)8253的控制字：如图7.16所示计数器选择： 00计数器0 01计数器1 10计数器2 11无意义D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0工作方式选择： 000方式0 001方式1 10方式2 11方式3 100方式4 101方式5读写格式： 00计数值进行锁存 01只读/写低8位 10只读/写高8位 11先读/写低8位，后高8位数制选择： 0二进制格式 1BCD格式（十进 制）图7.