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第 8 章 计数器 / 定时器

第 8 章 计数器 / 定时器. 计数 器 与定时 器概述 可编程计数器 / 定时器 8253 定时器 / 计数器 8253 内部结构 8253 的 引脚功能 8253 的控制字 8253 的工作方式 8253 编程举例 8253 应用举例. 8.1 计数 器 与定时 器概述. 1. 计数功能 对事件的个数进行计数。 正计数：关心记录事件的次数。 倒计数：关心预先设定事件次数发生完的时刻。 可由硬件计数器实现，事件作为计数器的时钟，此时事件的出现频率不一定一成不变。. 2. 定时功能. 取得给定的时间间隔。

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第 8 章 计数器 / 定时器

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  1. 第8章 计数器/定时器 • 计数器与定时器概述 • 可编程计数器/定时器8253 • 定时器/计数器8253内部结构 • 8253的引脚功能 • 8253的控制字 • 8253的工作方式 • 8253编程举例 • 8253应用举例

  2. 8.1 计数器与定时器概述 • 1. 计数功能 • 对事件的个数进行计数。 • 正计数：关心记录事件的次数。 • 倒计数：关心预先设定事件次数发生完的时刻。 • 可由硬件计数器实现，事件作为计数器的时钟，此时事件的出现频率不一定一成不变。

  3. 2.定时功能 • 取得给定的时间间隔。 • 延时：某事件发生后间隔一定时间的时刻。 • 时标：给定时间间隔的连续脉冲。 • 可由硬件计数器来实现，一定频率的信号作为计数器的时钟，如果只计数到就终止，即为延时。如果连续不断的计数即可输出时标。

  4. 3. 计数器/定时器的用途 • 计数功能 • 作为计数个数到中断信号。 • 记录外部特定事件发生的个数。 • 定时功能 • 作为周期性定时中断信号。 • 用于分时性操作系统。 • 用作系统时钟基准。 • 作为一个可编程波特率发生器。用于异步串行通讯。 • 作为I/O设备输出定时信号。实现外设与CPU的同步。 • 节约CPU的时间延时。 • 作为音源。

  5. 8.2 可编程计数器/定时器8253 • 8.2.1　可编程计数器/定时器工作原理 • 1、计数功能 • 设置计数初值，按减1或加1计数，减到0或加到溢出时输出一个信号，标志预置的计数值到。此时输入的计数脉冲的间隔不一定是固定的。 • 计数功能关心的是计数脉冲的个数，而非脉冲的时间间隔。 • 2、定时功能 • 设定时常数（计数初值），对输入的周期性脉冲进行减1或加1计数，计数为0时输出定时到脉冲，若连续计数便可按定时常数输出时钟周期整数倍的定时间隔信号。 • 定时功能关心的是计数初值的写入时间与脉冲输出的时间间隔，要求输入的脉冲具有固定的频率。

  6. 8.2.2定时器/计数器8253内部结构 • Intel 8253是具有三个通道的16位定时器/计数器，可由软件设定6种工作方式。 • 8253内部有三个独立的计数器通道：计数器0、1、2，结构完全相同。 • 每个通道有6种工作方式，由控制寄存器选择。 • 控制寄存器为8位，计数初值计数器CR—16位，计数执行部件CE—16位，计数输出锁存器OL—16位。 • 计数执行部件为16位的减法计数器，但16位寄存器都可用于8位，便于与8位数据总线相连。 • 每个通道可对外部输入CLK进行二进制或十进制减1计数。计数由引脚GATE控制。 • 计数器归0时由OUT引脚输出信号。

  7. CLK0 数据 D7～D0 计数器0 GATE0 缓冲器 OUT0 RD 读写 WR CLK1 控制 计数器1 A0 GATE1 A1 逻辑 OUT1 CS CLK2 控制 计数器2 GATE2 寄存器 OUT2 8253内部结构 8253的内部结构

  8. D7~D0 CLK0 GATE0 OUT0 8位控制寄存器 计数初值 寄存器 高8位 低8位 计数器0 (CR) RD WR CS 计数执行 部件(CE) 高8位 低8位 高8位 低8位 计数输出锁存器 (OL) A1 A0 计数器1 计数器2 8253内部每个计数器通道的结构图

  9. 8.2.38253的引脚功能 • 8253具有24个引脚，各引脚功能如下： • D7~D0数据总线，双向三态，可直接与计算机系统数据总线相连。 • RD读信号，输入，低电平有效，若有效则CPU从8253内部读取数据. • WR写信号，输入，低电平有效，若有效则CPU将数据写入8253内部寄存器。 • CS片选信号，输入，低电平有效，与计算机连接时分配有效地址。 • A1A0内部计数器选择信号。 8253内部有三个计数通道，使用4个端口地址。

  10. A0 CS A1 RD WR 功 能 0 1 0 0 0 对计数器0设置计数初值 0 1 0 0 1 对计数器1设置计数初值 0 1 0 1 0 对计数器2设置计数初值 0 1 0 1 1 设置控制字 0 0 1 0 0 从计数器0读出计数值 0 0 1 0 1 从计数器1读出计数值 0 0 1 1 0 从计数器2读出计数值 8253引脚功能 CLK0、CLK1、CLK2通道0、通道1和通道2的计数时钟输入端，下降沿使通道减1。 GATE0、GATE1、GATE2门控制，输入，高电平有效或上升沿有效，有效时才允许计数器对输入时钟进行计数。 OUT0、OUT1、OUT2通道输出信号，当计数器计数到“0”时由此引脚输出一信号。

  11. D7 D0 SC1 SC0 RW1 M2 M1 M0 BCD RW0 8.2.4 8253的控制字及工作方式 1. 8253控制字 控制字必须写入控制口，说明如下： • SC1 SC0 计数器通道选择 0 0 通道0 0 1 通道1 1 0 通道2 1 1 非法

  12. 8253控制字 • RW1 RW0 计数器读写选择 0 0 计数器锁存 0 1 只读写低8位 1 0 只读写高8位 1 1 先低8位，再高8位 • M2M1M0计数器工作方式选择 0 0 0 方式0 0 0 1 方式1 x 1 0 方式2 x 1 1 方式3 1 0 0 方式4 1 0 1 方式5 ④ BCD 计数器计数模式选择 0 二进制计数器 1 BCD码计数器

  13. 2. 8253 编程命令 • 因各计数器有自己的端口地址，所以没有太多顺序要求，但必须遵守两条规定： • 设置计数初值前必须先写控制字 • 设置计数初值时要与控制字中的D5 D4位规定的读写指示一致。 • 命令字共4个： • 写控制字命令 • 设置计数初值（时间常数）命令 • 读出命令，读出当前计数值 • 锁存命令，配合读出命令，先锁住，再读出。

  14. N=4 CW WR CLK OUT FF 0 1 3 2 4 方式0时序图 3. 8253工作方式 • 模式0 — 计数结束产生中断 • 控制字写入后OUT即变为低电平，当计数器为0时，输出OUT变为高电平，并停止现行操作。 • 计数初值写入后在下一个CLK下降沿才送入计数器，因此OUT要在CPU写入计数初值后经N+1个CLK之后才变高。 • 当GATE变为低电平时计数停止，再变为高电平时计数继续进行。 • 若计数过程中重新送入初值，则按新值重新计数。

  15. N=3 CW WR CLK GATE OUT 0 3 2 1 3 2 FF FE 方式1时序图 模式1 — 可重新触发单稳态触发器 • 写入控制字后OUT变为高电平，GATE上升沿后，下一个CLK的下降沿使得OUT为低电平并开始计数，回零时OUT变为高电平。 • GATE再来一次上升沿后会再次使OUT变为低电平，计数器以初值重新计数。 • 再次给通道写入时间常数，不影响现行操作过程，GATE再次触发后才按新的时间常数操作。

  16. CW N=3 WR CLK GATE OUT 1 1 1 2 3 3 2 3 2 方式2时序图 模式2 — 分频器 • 写入控制字后OUT为高电平，输入时间常数后，下一时钟开始计数，减到1时输出变为低电平，经过一个CLK输出变为高电平，计数重新开始。 • GATE=1计数进行，GATE=0计数停止，且下一个CLK下降沿计数器重新赋初值，GATE变为高电平，计数重新开始。 • 计数期间送入新值，GATE若维持高电平，本周期继续进行，下一个周期按新值计数操作。 • 在计数计到1之前，若写入新值，而GATE又出现上升沿，则在下一个CLK下降沿，以新值重新计数。

  17. CW N=4 WR CLK GATE OUT 4 3 2 1 3 2 4 1 方式3时序图 模式3 — 方波发生器 • 写入控制字后OUT为高电平, 输入时间常数后，下一时钟开始计数，计到一半时输出变为低电平，计到终值时变为高电平，并开始下一次计数过程。 • 若N为偶数，高低电平持续时间相等；若为奇数，则高电平持续时间为（N+1）/2，低电平持续时间为（N-1）/2。 • GATE=1计数进行，GATE=0计数停止，OUT立即为高，计数器重新赋初值，GATE变高，在下一个CLK下降沿计数重新开始。 • 计数期间送入新值，本周期继续进行，下一个周期按新值计数。

  18. CW N=3 WR CLK GATE OUT FC FF FE FD 2 1 0 3 方式4时序图 模式4 — 软件触发选通信号发生器 • 计数器主要是靠写入初始值这个软件操作来触发计数器工作的，每次通过写入新的初始值使计数器重新开始工作。 • OUT平时为高电平，计数到0时，输出OUT 变低，一个时钟周期后又变高。即只有在计数到0时，才输出负脉冲作为选通信号。 • GATE=1允许计数，GATE=0禁止计数，GATE不影响OUT电平输出。 • 计数期间送入新的时间常数，则下一个时钟按新值重新计数。

  19. CW N=3 WR CLK GATE OUT 2 1 3 FF 0 FE 1 0 3 2 方式5时序图 模式5——硬件触发选通信号发生器 • 写入控制字后OUT变为高电平，输入时间常数后由GATE上升沿启动计数。计数为0时输出一个时钟的负脉冲，并停止现行操作。 • 计数过程中，若GATE又来一个上升沿，则下一个时钟计数器重新赋值计数。 • 计数过程中写入时间常数，当前周期不受影响，只有下一个 GATE上升沿才启动新值计数。

  20. 8.2.5 8253编程举例 • 使用8253时，必须首先进行初始化编程，其步骤为： • 先向控制口写入控制字； • 再向每个通道端口地址写入计数初值：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；若规定写16位，则先写低8位，再写高8位。 • 最大计数初值0： • 二进制： 216 =65536 • BCD码： 104 =10000

  21. 例1： 8253计数器工作于模式3，计数器初值15，时钟脉冲频率为2MHz，确定OUT端输出方波的特性。 解：TCLK=1/2 s =500ns 计数器初值15为奇数，输出分频波高电平宽度： TCLK(N+1)/2=4s 输出分频波低电平宽度： TCLK(N-1)/2=3.5s

  22. 例2：设8253的口地址为40H ~ 43H，如要求8253的通道1工作于方式3，按BCD码计数，计数值为十进制6000；通道2工作于方式2，按二进制计数，计数初值为390，试编程初始化8253。 MOV  AL，67H ；控制字01,10,011,1 通道1，只装高8位，方式1，BCD码 OUT  43H，AL ；送通道1控制字 MOV  AL，60H ；计数初值为6000，只装高8位，低8位自动赋0        OUT  41H，AL MOV   AL，0B4H；10，11，010，0 通道2，16位，方式2，二进制 OUT   43H，AL；送通道2控制字 MOV   AX， 390； OUT   42H，AL；先写计数初值低8位 MOV   AL，AH； OUT   42H，AL；后写计数初值高8位 

  23. 8253的读操作方法及编程举例 • 为了对计数器的计数值进行显示或实时处理，常需要读取计数通道的当前计数值，它是由CPU访问每个通道的计数值锁存器OL实现的。读当前计数值的端口地址和写入计数初值的端口地址是相同的。读操作必须严格按控制字D5 D4位确定的格式进行：如果是8位计数，则 只 需 读一次；若是16位计数，则同一端口地址要读两次，第一次读入低8位计数值，第二次读入高8位计数值。 • 8253有以下两种读当前计数值的方法

  24. ①读之前先停止计数：可以在读之前用GATE信号控制计数器暂停计数，或由外部逻辑禁止所要读入的计数通道的CLK脉冲输入。如果不先停止计数，那么，分先后两次读入的高低字节的值可能不属于同一个16位计数值，所以最好先从外部禁止计数，然后执行类似如下程序读入（设8253的端口地址为E0H ~ E3H）： IN   AL，0E0H；读入通道0的低8位 MOV  BL，AL         IN   AL，0E0H ；读入通道0的高8位 MOV  BH，AL ；读入的16位计数值存入BX中。

  25. ②读之前先送计数值锁存命令：计数值锁存命令是控制字的一种特殊形式，需写入控制寄存器的端口地址。锁存命令的D7 D6位的编码决定所要锁存的计数通道，锁存命令的D5 D4必须为“00”（锁存命令标志）。锁存命令的低4位可以是全“0”。因此，三个计数器的锁存命令分别为：通道0是00H，通道1是40H，通道2是80H。 例如，要读取通道2的计数值，程序如下： MOV   AL，80H； 10 00 0000B向通道2发锁存命令 OUT   0E3H，AL；锁存命令写入控制寄存器（锁住通道2的计数值）IN    AL，0E2H；读通道2的OL的低8位 MOV   BL，AL       IN    AL，0E2H；读通道2的OL的高8位 MOV   BH，AL

  26. 8253 +5V GATE0 D7 D7 GATE1 ～ ～ D0 PB0（8255） D0 GATE2 IRQ0（8259） OUT0 RD IOR 刷新电路 OUT1 IOW WR OUT2 A1 A1 驱动器 A0 A0 CLK0 PB1（8255） CLK1 CLK2 CS +5V 74LS175 PCLK C Q A15 74LS138 +5V D Q A14 74LS30 A13 G1 A12 G2A Y2 A11 A8 G2B A10 A7 C A9 A6 B A5 74LS04 A 8.2.6 IBM PC/XT中的8253应用举例 8253的接口电路

  27. 端口 地址 A4 A3 A2A1 A0 A15～A8 A7 A6 A5 通道0 0 0 040H 通道1 0 1 041H 0～ 0 0 1 0 X X X 1 0 通道2 042H 1 1 控制口 043H 8253与8088计算机连接说明 • 8253数据线D7~D0接系统数据总线的低8位。 • 8253的A1和A0分别接系统的A1和A0 • 由74LS138，74LS30和74LS04译码选中8253 • 8253三个通道的时钟由PCLK经D触发器二分频得到，频率为：2.38636/2=1.1931816MHz

  28. 通道0定时OUT0接8259A的IR0，通道1刷新动态存储器，通道2控制扬声器发声。通道0定时OUT0接8259A的IR0，通道1刷新动态存储器，通道2控制扬声器发声。 通道0：为系统电子钟提供基准时间和软驱马达定时。计数器0为模式3（方波发生器）GATE0固定高电平，OUT0作为中断请求接8259A中断控制器的IRQ0，OUT0输出时钟频率为1.19MHz/216 =18.2Hz，即每秒产生18.2次输出信号，输出一个定时脉冲，产生一个中断请求（周期约55ms），计时软件据此计时。控制字为36H。 通道1：作为DRAM刷新的定时信号。工作于模式2，计数值为12H=18（1.19MHZ/18分频 ），每隔15.12μS产生一次刷新请求，此信号送到DMA 8237A-5的通道0，作为DMA请求信号。由8237A-5执行DMA操作完成DRAM一行的刷新。 通道2：输出信号接扬声器，工作于模式3（方波发生器），初值为533H，方波频率为1.19MHz/1331=894Hz

  29. BIOS对8253的初始化程序 通道0： MOV   AL，36H ；控制字：00110110—通道0，16位，方式3，二进制 OUT   43H，AL ；写入控制寄存器 MOV   AL， 0；初值为0000H，计数65536次（最大） OUT 40H，AL；写入CR0的低8位计数值 OUT 40H，AL；写入CR0的高8位计数值  • 计数器0工作于方波发生器方式，对CLK（1.1931816MHz）进行65536分频。时钟周期Tc=1/1.19×103 ≈840ns • 计数器0的输出端OUT0接8259的IR0，每次归0产生一次中断请求，中断类型码由BIOS设置为8。 • OUT0端输出周期为T0=840ns×65536≈55ms，即每隔55ms定时时间发出一次中断请求。通道0的时间间隔是计算机系统时钟基础。 • OUT0端输出方波频率f0=1/T0 ≈ 18.2 ，即每秒钟来18.2次中断。

  30. 通道1： MOV  AL，54H ；控制字01010100 通道1，低8位，方式2，二进制 OUT  43H，AL ；写入控制寄存器 MOV  AL，12H ；初值为18 OUT  41H，AL ；写入计数值低8位，高8位自动为0， • 通道1给DMA控制器提供时钟，用于定时（约15μs）向DMA请求DRAM刷新，计数初值为12H。 • OUT1输出周期为：T1=840ns×18≈15.12μs，于是，2ms内可有132次刷新，大于IBM-PC/XT要求的DRAM刷新在2ms内应有128次的规定。 • OUT1输出频率为f1=1/T1=66.1KHz的连续负脉冲。

  31. 通道2： MOV   AL，0B6H；控制字10110110 通道2，16位，方式3，二进制计数 OUT   43H，AL ；写入控制寄存器 MOV   AX，533H ；初值为533H OUT   42H，AL ；写入计数值低8位 MOV   AL，AH ； OUT   42H，AL ；写入计数值高8位。 IN AL，62H ；读入8255的B口数据 MOV AH，AL ；保护B口原值 OR AL，03H ；置1 PB1和PB0 OUT 62H，AL ；输出 • 通道2：控制字为B6H，计数初值为533H=1331 。 • OUT2输出方波周期T2＝840ns×1331≈1.12ms，频率f2=1/T2=894Hz，894Hz的方波送至扬声器，驱动扬声器发声。 • 扬声器发声还受8255的PB0和PB1控制。

  32. 8253应用举例 例：由8253的计数器0定时55ms 控制扬声器变调发声，响5.5秒后停止。 • 说明 • 8253计数器0的OUT0接8259A的IR0，由BIOS初始化，中断类型码为08H，并在完全嵌套方式下工作。 • 8253计数器0由BIOS设置为模式3，定时时间为55ms。 • 扬声器由8253的计数器2控制发声频率，发声允许由8255的PB0和PB1控制。

  33. DOS功能调用25H号子功能为设置中断向量。 • 入口参数 AH=25H，AL=中断类型码 DS:DX 中断服务程序入口地址 • 返回参数：无 • DOS功能调用35H号子功能为取中断向量 • 入口参数 AH=35H，AL=中断类型码 • 返回参数 ES:BX 中断服务程序入口地址 • 中断服务程序为INT_08H • 保护现场和恢复现场； • 中断返回前要开中断并发EOI； • 中断返回IRET。 • 每次定时器0中断使扬声器的发声频率的分频常数增加100，并使计数变量count增1。 • 主程序查询count到100后停止扬声器发声，恢复中断向量，程序退出。

  34. 8253应用程序 • Int_08h proc far ;中断服务子程序 • push ax • push ds • mov ax, data • mov ds, ax • mov al, 0b6h • out 43h, al • mov ax, constant • add ax, 100 • mov constant, ax • out 42h, al • mov al, ah • out 42h, al • inc count • mov al, 20h ;发EOI • out 20h, al data segment old_int08h dd ? count dw 0 constant dw 60 state db ? data ends st_seg segment stack db 256 dup (?) st_seg ends code segment assume cs:code,ds:data

  35. mov dx, offset int_08h mov al, 08h int 21h mov ax, data mov ds, ax ;打开8255控制 in al, 61h mov state, al or al, 3 out 61h, al sti ;开中断 pop ds pop ax sti iret Int_08h endp ;主程序 main proc far mov ax, data mov ds, ax cli ;关中断 mov ah, 35h ;取中断向量 mov al, 08h int 21h mov word ptr old_int08h, bx mov word ptr old_int08h[2], es push cs ;设置新中断向量 pop ds mov ah, 25h

  36. ;判断5.5S是否到 main1: mov ax, count cmp ax, 100 jc main1 mov al, state ;恢复8255状态 out 61h, al mov ah, 25h ;恢复原中断向量 lds dx, old_int08h mov al, 08h int 21h mov ax, 4c00h ;返回操作系统 int 21h main endp code ends end main

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