8.2 计数器 / 定时器接口芯片 8253

1. 8.2 计数器/定时器接口芯片8253 微机系统中经常会要求有一些实时时钟以实现定时或延时控制，也要求有计数器对外部事件计数 实现上述要求可采用3种方法： 1．硬件定时 用数字逻辑电路来构成，通用性、灵活性较差 2．软件定时 利用程序段实现，通过正确挑选指令和安排循环次数很容易改变定时时间，但软件定时占用了CPU，降低了CPU的利用率。 3．采用可编程定时器／计数器 定时时间与计数值可由软件来确定和改变，设定后与CPU并行工作，不占用CPU的时间。

2. 8.2.1 8253的内部结构

3. 1. 三个独立的计数/定时通道——计数器0，计数器1，计数器2。每个计数器的结构为： （1）16位计数初值寄存器（CR）——存放计数的初值（预置）； （2）16位的计数执行部件（CE）——16位减1计数器； （3）16位输出锁存器（OL）——跟随CE变化，但可以锁存，便于CPU读取。 2. 控制寄存器——存放CPU送来的控制字，控制8253的工作方式。有3个，只占用一个地址，不能读。

4. 2. 读写控制信号RD，WR • 3. 片选及地址线CS，A1，A0——用于芯片及内部寄存器、计数器的寻址。 • 在IBM-PC机中，A9A8A7A6A5=00010选中（CS=0），A4A3A2未用，A1A0接8253的A1A0。 8.2.2 8253的引脚功能 1. 数据线D7～D0——8位，双向、三态，用于8253与CPU之间的数据传送。包括：向8253写控制字，送计数初值及读计数器的现行值。

5. A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0功能 基本地址 • 0 0 0 1 0 × ×× 0 0 选中计数器0 40H • 0 0 0 1 0 × ×× 0 1 选中计数器1 41H • 0 0 0 1 0 × ×× 1 0 选中计数器2 42H • 0 0 0 1 0 × ×× 1 1 选中控制寄存器 43H • （其他） × ×× ×× 芯片禁止 • （说明：8253有32个地址，除基本地址外，其余为影像地址）

6. 4. 计数器时钟输入CLK0～CLK2——计数/定时的基值信号 • 8253：0～2MHz • 8254-2：0～10MHz 5. 计数器门控输入信号GATE0～GATE2——启动或控制计数/定时信号； 6. 计数器输出信号OUT0～OUT2——计数结束、定时到输出信号或分频输出信号。

7. 8.2.2 8253的编程 1. 控制字格式

8. 2. 计数初始值 计数初始值写入对应计数器的计数初值寄存器CR； • 计数初值为8位，则控制字中的RL1、RL0应取01，初值只写入CR的低8位，高8位会自动置0； • 若是16位初值，而低8位是0，则RL1RL0应取10，初值高8位写入CR的高8位，CR的低8位会自动置0； • 若是一般16位初值，则RL1，RL0应取11，应分两次写入初值，先写低8位、再写入高8位（此顺序不能反）

9. 单个计数器初始化 多个计数器初始化 写方式控制字（计数器0） 写方式控制字 写方式控制字（计数器1） 写计数低字节 写方式控制字（计数器2） 写计数低字节（计数器0） 写计数高字节 写计数高字节（计数器0） 写计数低字节（计数器1） 写计数高字节（计数器1） 写计数低字节（计数器2） 写计数高字节（计数器2） 3. 初始化流程 先写入工作方式控制字，接着写入计数初始值 • 计数器的顺序是任意的，不必一定按照计数器0、l、2的顺序初始化； • 可先写所有计数器的工作方式控制字，再装入各计数器的计数值（但先控制字再计数值的顺序不能错）； • 计数值先写低再写高的顺序不能错； • 其他顺序无关紧要

10. 例：选择计数器0工作于方式3，计数初值为1234，十进制计数方式；计数器2工作于方式2，计数初值为61H，采用二进制计数方式，设8253的端口地址为40～43H。其初始化编程如下：例：选择计数器0工作于方式3，计数初值为1234，十进制计数方式；计数器2工作于方式2，计数初值为61H，采用二进制计数方式，设8253的端口地址为40～43H。其初始化编程如下： MOV AL，00110111B ；对计数器0送工作方式字 OUT 43H，AL MOV AX，1234H ；送计数初值 OUT 40H，AL MOV AL，AH OUT 40H AL MOV AL，10010100B ；对计数器2送工作方式字 OUT 43H，AL MOV AL，61H ；送计数初值 OUT 42H，AL

11. 8253初始化规则 （1）对计数器设置初值前必须先写入控制字，此时，全部控制逻辑电路复位，输出OUT为初始状态（高电平或低电平）； （2）初值写入后，要经过1个时钟CLK的上升沿和1个下降沿后，计数执行部件才开始计数； （3）在CLK的上升沿时，计数器对门控信号GATE进行采样，来决定工作状态（计数、触发、停止、重新置初值）； （4）在CLK的下降沿时，计数器执行部件从初值开始作减1计数；其中0是最大初值，1是最小初值； 若以二进制数制计数，则0相当于216=65536 若以BCD（十进制）数制计数，则0相当于104=10000

12. 读计数值——将某计数器的计数值读到CPU中 读到的是执行输入指令瞬间计数器的现行值。16位计数值要分两次读至CPU，故必须将数据锁存。 有两种办法： • 利用外加控制信号 GATE使计数器暂停计数，然后按照工作方式控制字中RL1RL0的规定读取规定字节 • CPU向8253发出锁存命令字（SC1SC000XXXX）锁存计数器的当前计数值（当前计数值锁存在输出锁存器OL，而减1计数器可以继续计数），再读取输出锁存器的计数值。当CPU读取了规定的字节数后，OL自动解除锁存状态，其值又跟随计数器而变化。

13. 8.2.4 8253的工作方式 8253有6种工作方式：不同方式下，启动方式、GATE信号的作用、OUT输出波形都有所不同，但以下几条基本规则是相同的： • 工作方式控制字写入计数器时，输出端OUT进入初始状态（高电平或低电平）； • 计数初值写入CR后，在下一个 CLK脉冲才装入减 1计数器 CE，因此该 CLK脉冲并不影响计数； • CE的减1计数操作发生在CLK的下降沿； • 计数器对门控信号GATE的采样是在CLK上升沿

14. WR CLK GATE OUT 1. 方式0——计数结束产生中断 CW N=4 N N 4 3 2 1 0 FF 计数结束 装控制字 计数开始 装初值 说明：①初值装入后，要经过1个CLK的周期（1个上升沿和1个下降沿）后，计数器才开始计数，所以，输出OUT要经过N+1个时钟周期后才有输出； ②输出OUT的有效电平为高电平，并可同时触发中断请求； ③门控GATE的作用：高电平时计数，低电平或下降沿时停止计数； ④CW为写入控制字，N=4表示写入初值。

15. WR CLK GATE OUT 2. 方式1——可重触发的单稳态触发器 CW N=3 N N 3 2 1 0 FF 3 2 1 0 FF 计数结束 装控制字 计数开始 装初值 说明：①方式字和初值装入后，在门控GATE的上升沿触发下，经过1个CLK的上升沿和1个下降沿后，计数器开始从初值减1计数，同时使OUT=0；当计数结束（归0）时，OUT=1，使输出产生1个宽度为TW=N×TCLK的负脉冲——单稳态触发器。 ②在GATE的上升沿触发下，输出可再次产生1个宽度为TW负脉冲——可重触发。

16. WR CLK GATE OUT 3. 方式2——分频器 CW N=3 N N 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 说明：①方式字装入后，OUT=1为初始状态。 ②初值装入后，经过1个CLK的周期，计数器开始从初值减1计数，计到1（不是0）时，使输出OUT=0并保持1个CLK周期，然后OUT=1，开始下一个新的计数周期，使输出为CLK的时钟1/N分频信号，占空比q=（N-1）/N。 ③门控GATE的作用：高电平时计数，低电平停止计数；用GATE的上升沿可以触发分频重新开始——称为硬同步；而在GATE=1时，用装初值的方法启动分频开始——称为软同步

17. WR CLK GATE OUT 4. 方式3——方波发生器 CW N=4 N N 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 • 说明：特点与方式2类似，主要区别：输出方波，其占空比q为 • ①当N为偶数时，q=0.5； • ②当N为奇数时，q=（N+1）/2N。

18. WR CLK GATE OUT 5. 方式4——软件触发的选通信号发生器 N=3 CW N=3 N N 3 2 1 0 FF FE 3 2 1 0 FF 说明：①初值装入后，经过1个CLK的周期，计数器开始从初值减1计数，计数结束（归0）时，使输出OUT产生一个宽度为1个CLK周期的负脉冲——选通信号。 ②（用指令）重新装入初值后，经过N+1个CLK周期，又可使OUT产生一个选通信号——（用软件）可重触发。 ③门控GATE的作用：高电平时计数，低电平时停止计数；

19. WR CLK GATE OUT 6. 方式5——硬件触发的选通信号发生器 CW N=3 N N 3 2 1 0 FF FE 3 2 1 0 FF 说明：①初值装入后，在GATE的上升沿的触发下，经过1个CLK的周期，计数器开始从初值减1计数，计数结束（归0）时，使输出OUT产生一个宽度为1个CLK周期的负脉冲——选通信号。 ②用GATE的上升沿可重新触发，使OUT产生一个选通信号——（用硬件）可重触发。

20. 总结： • 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是连续工作， • 方式4由软件（设置奇数值）触发启动 • 方式5由门控脉冲触发启动 • 写入计数值后才能开始计数 • 方式0、2、3、4在写入计数值后，计数过程就开始了 • 方式1、5需要外部触发启动，才开始计数 • 6种方式中只有方式2、3是连续计数，其他4种方式都是一次计数，要继续工作需要重新启动，方式0、4由写入计数值（软件）启动，方式1、5要由外部信号（硬件）启动。

21. 8.2.5 8253应用举例

22. 分析： ①计数器0工作于方式2分频方式，每隔50个CLK0产生一个中断INT；方式控制字为：00010101B（15H），即方式2，只装低8位，BCD数制，初值为50（H）。 ②计数器1工作于方式3方波方式，产生2000Hz喇叭音调，方式控制字为：01110111B（77H），即方式3，先低后高，BCD数制； 初值（分频比）=（1.4×106）/2000=700(H)。

23. 主程序段： MOV AL，15H；置计数器0方式 • OUT 43H，AL； • MOV AL，50H；装初值 • OUT 40H，AL； • MOV AL，00H；关8255的PC0 • OUT 63H，AL； • MOV AL，77H；置计数器1方式 • OUT 43H，AL； • MOV AL，00H；装初值 • OUT 41H，AL； • MOV AL，07H； • OUT 41H，AL； • STI； • LOP： HLT； • JMP LOP；

24. 中断服务程序： • INTP： MOV AL，01H；开8255的PC0 • OUT 63H，AL； • CALL DLY5S；调5S延迟子程序 • MOV AL，00H；关8255的PC0 • OUT 63H，AL； • IRET； • （说明：在装入8253计数器的初值时，不管是二进制数制还是BCD数制，初值后均要加“H”。）

25. 8253在IBM-PC机中的应用 1. 计数器0——向系统提供定时中断：工作于方式3（方波），CLK0=1193181.6Hz，二进制数制，初值=0（即65536），OUT0输出频率为1193181.6/65536=18．2Hz（周期为55ms）的方波控制8259A的IRQ0（日时钟）的中断，即每隔55ms产生一次中断。 2. 计数器1——向DMAC系统提供定时中断，刷新动态RAM：工作于方式2（分频），CLK1=1193181.6Hz，BCD数制，初值=18，OUT1输出频率为1193181.6/18=66．287KHz（周期为15．0857s）的矩形波向DMAC提供定时中断。

26. 3. 计数器2——提供喇叭的音调：工作于方式3（方波），CLK2=1193181.6Hz，BCD数制，初值=533，OUT2输出频率为1193181.6/533=900Hz的方波作为喇叭的声源。 练习：按上述要求写出8253的初始化程序。

27. CLK0 GATE0 OUT0 CLK1 GATE1 OUT1 CLK2 GATE2 OUT2 2MHz 5ms 1s 送8259产生INT 练习：用8253设计洗衣机定时程序，设输入频率为2MHz，要求能产生3分、6分和12分的定时，定时到产生中断，试画出8253的连接示意图并编写相应的程序段。 分析：计数器0工作于方式3，初值N=0（10000）（H） 计数器1工作于方式3，N=200（H） 计数器2工作于方式0，初值由3分、6分、12分除1S（减1）得出

28. MOV AL，00110111B；计数器零 OUT 43H，AL； MOV AL，00H； OUT 40H，AL； OUT 40H，AL； MOV AL，01110111B； OUT 43H，AL； MOV AL，00H； OUT 41H，AL； MOV AL，02H； OUT 41H，AL；

29. 3分定时：N=180/1=180 MOV AL，10110001B； OUT 43H，AL； MOV AL，80H； OUT 42H，AL； MOV AL，01H； OUT 42H，AL； 6分定时：N=360/1=360 MOV AL，10110001B； OUT 43H，AL； MOV AL，60H； OUT 42H，AL； MOV AL，03H； OUT 42H，AL；