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1、第八章 可编程计数器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
2、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Intel8253Intel8253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1
3、6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
4、择以及对读/写操作进行控制。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
5、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：1D7D0：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。2RD：来自于CPU的读控制信号输入引脚，低电平有效。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5 5A1、A0：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。A0、A1的状态与8253端口地址的对应关系如下表所示。A1A0000通道011通道102通道11控制端口6 6VCC及GND：+5V电源及接地引脚7 7CLKi：i=0,1,2,第i个
6、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，即时钟周期不能小于380ns。8 8GATEi：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关。9 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：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。D3-D1：
7、工作方式选择控制。000，0；001，1；X10，2；X11，3；100，4；101，5；D5、D4：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，先读/写低8位，再读写高8位命令。D7、D6：通道选择控制。00 0通道；01，1通道；10，2通道；11，非法18253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)用输出指令向控制寄存器写入一个控制字，以选定
8、计数器通道，规定该计数器的工作方式和计数格式。(3)写入控制字还起复位作用，使输出变为规定的初始状态，并使计数器清0.(2)写入计数初值用输出指令向选中的计数器端口地址中写入一个计数初值，初值设置要要符合控制字中有关格式的规定。初值可以是8位数，也可是16位数据，若是8位数，可用一条输出指令就可完成初值的设置，规定只写低8位，则高8位自动置0。如果是16位数，要用两条指令来完成，先写低8位，后写高8位注意：计数初值为0时，也要分成两次写入，因为在二进制计数时，它表示65536，BCD计数时，它表示10000.由于3个计数器分别具有独立的编程地址，而控制字寄存器本身的内容又确定了所控制的寄存器的
9、序号，因此对3个计数器的编程没有先后顺序的规定，可选择对任意某个计数器进行编程。例 P309【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，二进制计数初始化程序：MOV AL，50HOUT 0AH，AL；0AH控制字端口地址MOV AL，80H；128的二进制OUT 06H，AL；06H为计数器1端口地址【例2】设8253的端口地址为：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 A
10、L，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
11、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。如要读通道1的16位计数器，编程如下：地址F8HFEH。MOV AL，40H；01000000OUT 0FEH，AL；锁存计数值IN AL，0FAHMOV AH，AL；低八位IN AL，0FAH；MOV AH，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
12、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：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。
13、(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216，用BCD码计数时，相当于1042方式0计数结束产生中断方式0的波形如图8-5所示，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，因
14、此，如果设置计数器初值为N，则输出OUT在N1个脉冲后才能变高；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可编程单稳态输出方式方式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
15、来一个GATE正脉冲，计数器又开始重新计数，输出OUT再次变低，因此输出为一负单脉冲。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响，仍继续进行，即新值的改变是从下一个GATE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
16、比率发生器方式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GATE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
17、2波形5方式3方波发生器方式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，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（n=4）计数值为奇数(n=5)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
18、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，尤其是当GATE0时，若OUT此时为低，则立即变高，其它动作同上；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软件触发选通方式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
19、，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）。发一个单脉冲，脉冲宽度不能调节。7方式5硬件触发选通方式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
20、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：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式。作为计数器时，8253在GATE的控制下，进
21、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
22、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。(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
23、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。例 P315七、8253的编程应用【例4】在IBM PC/XT中，8253作为定时计数器电路，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
24、器通道0的DMA请求DREQ0，用于定时（约15.09us）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，GATE2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。时钟频率F为1.19MHZ，T=1/F82535的地址为040H043H，ROMBIOS对82535的编程如下：计数器0用于定时中断。MOV AL，00110110B；00110110二进制OUT 43H，ALMOV AL，0
25、；计数初值为0000，即为216OUT 40H，AL；定时为：840nsX216=55ms，即频率为18.2HZ每秒产生18.2次时钟中断（CLK周期为：1/1.19M）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：840nsX18=15us OUT 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 NEAR MOV AL，10110110B；10110110二进制 OUT 43H，AL MOV AX，0533H；计数
26、初值为1331 OUT 42H，AL MOV AL，AH OUT 42H，AL IN AL，61H；取8255端口B MOV AH，AL；存在AH OR AL，03H；使；输出至82255的B端口，使扬声器发声 OUT 61H，AL SUB CX，CX；循环计数G7：LOOP G7 MOV BH，0 DEC BX；BL的值为控制长短声，BL6（00000110长），BL1（00000001短）JNZ G7 MOV AL，AH；恢复8255端口B值，停止发声 OUT 61H，AL RETBEEP ENDP【例5】CPU为8086，用8253的CH0（通道0），每隔2ms输出一个负脉冲，设CLK为
27、2MHZ，完成软件设计。分析：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：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，34H ；00110100BOUT 06H，ALMOV AX，4000OUT 00H，AL ；先送低八位MOV AL，AHMOV AL，02HOUT 00H，AL ；再送高八位思考思考：若定时20ms（即输出50HZ的方波，设为工作方式2），CLK改为4MHZ，CPU为8086，软硬件设计又该如何？分析 （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
28、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。程序从略程序从略。【习题与思考】8253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工作在方式2，CLK02MHz，要求输出OUT0为1kHz的速率波；定义通道l工作在方式CLKl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：
29、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1.19MHz,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2kHz）.设8253的通道2工作在计数方式，外部事件从CLK2引入，通道2每计500个脉冲向CPU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？