第九章可编程接口与应用 —— 可编程定时 / 计数器 8253

第九章 可编程接口与应用——可编程定时/计数器8253 主讲：刘英

回顾：主要接口芯片 • 简单的输入/输出接口芯片 • 如锁存器74LS373、单向缓冲器74LS244、双向缓冲器（数据收发器）74LS245等。 • 可编程接口芯片：其功能可以由软件来选用控制。 • 如并行输入输出接口8255、串行输入输出接口8250/8251 、定时器/计数器8253、中断控制器8259、DMA控制器8237等。

9.2 可编程定时/计数器8253 9.2 可编程定时/计数器8253 • 基本概念 • 定时/计数器芯片Intel8253

9.2.1 基本概念 1. 定时与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，故计数值也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（周期可以不相等）则此时即为计数。

9.2.1 基本概念 2. 定时与计数的实现方法 • 硬件方法：定时/计数器电路 • 利用脉冲计数在设定的时间输出定时信号 • 软件方法：用一段程序实现延时 • 利用程序循环延迟指定的时间 • 缺点：CPU占用率？延时精度？兼容？ • 软、硬件结合法 • 即设计一种专门的具有可编程特性的芯片

9.2.1 基本概念 3. 定时/计数器的用途 • 可以实现定时与计数两个功能，可用于 • 系统时钟 • DRAM刷新定时 • 定时采样 • 在规定的时间对温度、压力、流量等参数进行采样 • 实时控制 • 对外部事件进行计数，按计数结果进行控制 • 脉冲的计数 • 。。。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 1. 8253的一般性能 • 每个8253芯片有3个独立的16位计数器通道； • 每个计数器通道都可以按照二进制或二－十进制（BCD码）计数； • 每个计数器的计数速度可以高达2MHz； • 每个通道有6种工作方式，可以由程序设定和改变； • 所有的输入、输出电平都与TTL兼容。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 编址部件0 编址部件1 编址部件3 编址部件2 2. 8253的内部结构

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 • 数据总线缓冲器 • 实现8253与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器 • 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 • 控制字寄存器 • 8位，在8253的初始化编程时，由CPU写入控制字 • 计数通道（3个） • 每一个通道包含一个16位的计数寄存器，用以存放计数初始值，一个16位的减法计数器和一个16位的锁存器。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 CLK0 GATE0 OUT0 DB D7-D0 通道0 A1 A0 A1 CLK1 GATE1 OUT1 A0 通道1 WR IOW IOR 片选信号 RD CLK1 GATE1 OUT1 CS 通道2 8253 3. 8253的外部引脚

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 A1 A0 选择 0 0 计数通道0 0 1 计数通道1 1 0 计数通道2 1 1 控制寄存器（1）与CPU连接的引脚 • D7～D0：双向、三态数据线引脚，与系统的数据总线连接。 • RD#：来自于CPU的读控制信号输入引脚，低电平有效。 • WR#：来自于CPU的写控制信号输入引脚，低电平有效。 • CS#：芯片选择信号输入引脚，低电平有效。 • A1、A0：地址信号输入引脚，由8253片内译码，用以选择芯片的计数通道及控制字寄存器。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （2）与外设连接的引脚 • CLKn：计数脉冲输入引脚，用来输入定时基准脉冲或计数脉冲。 • GATEn：门控信号输入引脚，用来控制计数器的启动或停止。 • OUTn：计数通道的定时/计数到信号输出引脚，不同工作方式下产生不同波形。（n = 0～2）

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （3）定时/计数的工作过程 • 设置8253的工作方式 • 设置计数初值到初值寄存器 • 第一个CLK信号使初值寄存器的内容置入计数寄存器 • 以后每来一个CLK信号，计数寄存器减1 • 减到0时，OUT端输出一特殊波形的信号注：以上计数过程中还受到GATE信号的控制

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 计数器读/写格式工作方式数制 4. 8253的控制字 1--计数值为BCD码格式 0--计数值为二进制格式 D3 D2 D1 模式选择 0 0 0 模式0 0 0 1 模式1 / 1 0 模式2 / 1 1 模式3 1 0 0 模式4 1 0 1 模式5 0 0----对计数器进行锁存 0 1----只读/写低8位字节 1 0----只读/写高8位字节 1 1----先读/写低8位字节, 再读/写高8位字节. 0 0----选计数器0 0 1----选计数器1 1 0----选计数器2 1 1----无意义

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （1）8253的初始化编程 • 初始化编程包括如下步骤： • 写入通道控制字，规定通道的工作方式。 • 写入计数值。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。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 【例1】设8253的端口地址为：04H～07H，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，50H OUT 07H，AL ；将控制字写入控制字寄存器 MOV AL，80H OUT 05H，AL ；将计数值写入计数器1低8位

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 【例2】设8253的端口地址为：F8H～FBH，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，33H OUT 0FBH，AL ；写控制字 MOV AL，80H OUT 0F8H，AL ；先写低8位 MOV AL，50H OUT 0F8H，AL ；再写高8位

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （2）读取8253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器中，然后分两次读入，先读低字节，后读高字节。 • 当控制字中，D5、D4=00时，控制字的作用是将相应通道的计数值锁存的命令，锁存计数值在读取完成之后，自动解锁。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 【例3】如要读通道1的16位计数器，编程如下：地址F8H～FBH。控制字为：01000000B=40H 读计数值程序： MOV AL，40H OUT 0FBH，AL ；锁存计数值 IN AL，0F9H MOV CL，AL ；读低8位 IN AL，0F9H MOV CH，AL ；读高8位

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 5. 8253在系统中的典型连接 8253 8253占用4个接口地址： 计数器0 计数器1 计数器2 控制寄存器 DB D0~D7 IOW WR CLK 共三组 GATE IOR RD OUT A1 A1 A0 A0 高位地址 A15-A2 译码器 CS (决定8253的基地址)

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 6. 8253的工作方式 • 8253有6种工作方式，各种方式下的工作状态不同，输出波形也不同。 • 几条基本原则 • 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。 • 计数初始值写入之后，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。 • 在每个时钟脉冲CLK的上升沿，采样门控信号GATE。 • 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216（65536），用BCD码计数时，相当于104（10000）。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （1）方式0——计数结束产生中断 • 结果特点：计数器减1为0时，OUT升高，向CPU发中断请求 • 过程特点 • 控制字写入：OUT=0。当控制字写入控制字寄存器后，输出端OUT变成低电平，并且在计数值减到0之前一直保持低电平 • 计数值写入：OUT不变，仍然为低电平（OUT=0）。 • 计数期间：OUT为低电平（OUT=0） • 计数为0时：OUT升高（OUT=1），向CPU发中断请求（如果使用中断的话）。直到CPU写入新的控制字或计数值时，才能使OUT=0 • 计数期间写入新的计数值：立即有效。如果计数值是一个字节，则在写入后的下一个时钟脉冲，新的计数值由CR送入CE，开始新的计数。如果计数值是两个字节，则写入第一个字节时，计数不受影响，写入第二个字节后的下一个时钟脉冲时，新的计数值由CR送CE，启动计数器按新的计数值开始计数。 • GATE作用：GATE=0时，禁止计数，计数器停止；GATE=1时，允许计数，此时计数器从刚才断的地方开始连续计数。 • 计数值有效期限：计数值一次有效

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （2）方式1 ——单脉冲触发器 • 结果特点：输出单拍负脉冲，脉冲宽度可编程设定。 • 过程特点 • 控制字写入：OUT=1 • 计数值写入：OUT=1（不变） • 启动方式：GATE上跳沿。启动后的下一个CLK脉冲使OUT变低电平（OUT=0），即延迟一个时钟周期 • 计数期间：OUT为低电平（OUT=0） • 计数为0时，OUT变为高电平（OUT=1） • 计数期间写入新的计数值：不影响原计数，只有当下一个GATE上跳沿到来时，才使用新的计数值。 • GATE作用：GATE=0或GATE=1时，不影响计数，但若出现上跳沿则重新启动计数器，按最新计数初值开始计数。若在计数尚未结束时，就出现了上跳沿，则重新计数，因此，使输出负脉冲的宽度延长。这种方式常用于工业控制系统中的干扰自动复位电位。 • 计数值有效期限：计数值多次有效。计数初值写入CR后，在没有新的计数值写入CR之前，原计数初值在CR中保持不变，以后每触发一次，CR中保存的这个计数初值就装入CE一次。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （3）方式2 ——脉冲频率发生器（分频器） • 结果特点：产生连续的负脉冲信号，负脉冲宽度等于一个时钟周期。脉冲周期可由软件设定，脉冲周期=计数值×时钟周期 • 过程特点 • 控制字写入：OUT=1 • 计数值写入：OUT=1（不变） • 启动方式：两种。一是硬件启动：GATE上跳沿启动；二是软件启动：写入计数值启动（此时GATE=1） • 计数期间：OUT为高电平（OUT=1），但CE由1到0的计数中，OUT输出一个负脉冲，宽度为一个时钟周期 • 计数为0时，OUT为高电平（OUT=1），开始下一个周期的计数 • 计数期间写入新的计数值：影响随后的脉冲周期 • GATE作用：GATE=0时，OUT=1，停止计数； GATE=1时，不影响计数器工作； GATE上跳沿时，启动计数器，重新开始 • 计数值有效期限：计数值重复有效。在这种方式下，当计数器的值减到0时，CR的计数初值自动重新装入CE，实现循环计数

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （4）方式3 ——方波发生器 • 结果特点：产生连续的方波。方波的重复周期=计数值×时钟周期 • 过程特点 • 控制字写入：OUT为高电平（OUT=1） • 计数值写入： OUT为高电平（OUT=1） • 启动方式：两种。一是硬件启动：GATE上跳沿启动；二是软件启动：写入计数值启动（此时GATE=1） • 计数期间：若计数值N为偶数，则在前N/2计数期间，OUT输出高电平（OUT=1），后N/2计数期间， OUT输出低电平（OUT=0）；若计数值N为奇数，则在前（N+1）/2计数期间，OUT输出高电平（OUT=1），后（N-1）/2计数期间， OUT输出低电平（OUT=0）； • 计数为0时，OUT输出高电平（OUT=1），从而完成一个周期。然后，CR值自动装入CE，开始下一个周期 • 计数期间写入新的计数值：不影响当前输出周期，影响下一个周期 • GATE作用：GATE=0时，OUT=1，停止计数； GATE=1时，不影响计数器工作； GATE上跳沿时，启动计数器，重新开始 • 计数值有效期限：计数值重复有效。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （5）方式4 ——软件触发的选通信号发生器 • 结果特点：计数器减为0时，输出一个时钟周期的负脉冲 • 过程特点 • 控制字写入：OUT为高电平（OUT=1） • 计数值写入： OUT为高电平（OUT=1） • 启动方式：写入计数值。写入计数值后，再过一个CLK时钟周期，减1计数器CE获得计数初值，开始减1计数 • 计数期间： OUT为高电平（OUT=1） • 计数为0时：计数器减到0后，输出一个负脉冲，宽度为1个时钟周期。然后又自动变为高电平，并一直维持高电平。通常将此负脉冲作为选通信号 • 计数期间写入新的计数值：立即有效（同方式0） • GATE作用：GATE=0时禁止计数；OUT=1时允许计数，此时计数器从暂停的地方开始继续计数。GATE信号不影响OUT的状态 • 计数值有效期限：计数值一次有效。只有在输入新的计数值后，才能开始新的计数过程

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 （6）方式5 ——硬件触发的选通信号发生器 • 结果特点：计数器减为0时，输出一个时钟周期的负脉冲 • 过程特点 • 控制字写入：OUT为高电平（OUT=1） • 计数值写入： OUT为高电平（OUT=1） • 启动方式：GATE上跳沿。当GATE端有上跳沿信号后，下一个CLK脉冲使CR的计数初值装入CE，从而开始计数过程 • 计数期间： OUT为高电平（OUT=1） • 计数为0时：计数器减到0后，输出一个负脉冲，宽度为1个时钟周期。然后又自动变为高电平 • 计数期间写入新的计数值：不影响本次计数，但影响GATE上跳沿启动后的计数过程。一但GATE重新启动，将按新的计数初值开始计数 • GATE作用：无论GATE=0还是GATE=1均不影响计数过程，而当GATE有上跳沿时将重新启动计数过程，按最新计数值开始计数 • 计数值有效期限：计数值多次有效。当计数器的计数值减到0后，将自动重新装入计数值（由CR装入CE），但并不开始计数，而是在GATE信号的上跳沿才开始计数

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 8253的工作方式小结(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，输出均变为高。(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。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 8253的工作方式小结（续）(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。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 【例4】设定时器0、定时器1工作于方式2，外部提供一个时钟，频率f=2MHZ。要求定时器1每5ms产生一个脉冲，定时器0每5s产生一个脉冲。分析：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： 1) 一个定时器的最大定时时间： 65536/（2*106）=0.032768 s=32.768ms 提示：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。

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 2) 将定时器1的CLK1接2MHZ时钟，计数初值： 3) 将定时器1的OUT1端接到定时器0的CLK0端，定时器0的计数初值:

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 8253 D7~D0 CPU AB 地址译码线路连接图：两个定时器串连使用

9.2.2 定时/计数器芯片Intel8253 8253初始化程序： MOV AL, 00110100B ;0号定时器,方式2 OUT 43H, AL MOV AX, 1000 OUT 40H, AL MOV AL, AH OUT 40H, AL MOV AL, 01110100B ;1号定时器,方式2 OUT 43H, AL MOV AX, 10000 OUT 41H, AL MOV AL, AH OUT 41H, AL

习题（1）I/O接口的主要功能有哪些？有哪两种编址方式？在8086/8088系统中采用哪一种编址方式？（2）试比较4种基本输入输出方法的特点。（3）利用三态门芯片74LS244作为输入接口，接口地址为40FBH，试画出其与8086系统总线的连接图。（4）若8253芯片的接口地址为D0D0H~D0D3H，时钟信号频率为2MHz。现利用计数器0、1、2分别产生周期为10us的对称方波及每1ms和1s产生一个负脉冲，试画出其与系统的电路连接图，并编写包括初始化在内的程序。（5）某一计算机应用系统采用8253芯片的计数器0作频率发生器，输出频率为500Hz；用计数器1产生1000Hz的连续方波信号，输入8253的时钟频率为1.19MHz。试问：初始化时送到计数器0和计数器1的初值分别为多少？计数器1工作于什么方式下？

第九章可编程接口与应用 —— 可编程定时 / 计数器 8253