第九章 可编程计数器8253.docx
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第九章可编程计数器8253
第九章可编程定时计数器8253
一概述
⒈定时器和计数器
定时控制在微机系统中极为重要
①定时器由数字电路中的计数电路构成，通过记录高精度晶振脉冲信号的个数，输出准确的时间间隔；
②计数电路如果记录外设提供的具有一定随机性的脉冲信号时，它主要反映脉冲的个数（进而获知外设的某种状态），常又称为计数器。
⒉定时功能的实现方法
①软件延时——利用微处理器执行一个延时程序段实现；
②不可编程的硬件定时——采用分频器、单稳电路或简易定时电路控制定时时间；
③可编程的硬件定时——软件硬件相结合、用可编程定时器芯片构成一个方便灵活的定时电路。
二8253定时计数器的内部结构和外部特性
⒈概述
①3个独立的16位计数器通道；
②每个计数器有6种工作方式；
③按二进制或十进制（BCD码）计数。
⒉内部结构
内部结构图
①数据总线缓冲器
是8253与CPUDB连接的8位双向三态缓冲器，CPU通过它向8253写方式控制字到控制字寄存器中，写计数初值到计数通道，读取计数通道的当前计数值。
②读/写控制逻辑
控制8253内部操作。
当
无效，8253的DB处于高阻状态，当
有效，
和A1、A0、
、
组合，对3个计数通道、控制字寄存器进行读/写操作，见下表。
8253读写操作及端口选择表
注意：
CPU对控制字寄存器只能写，不能读；
CPU对计数通道写的是计数初值，读的是当前计数值。
③控制字寄存器
8253初始化编程时，CPU写控制字到控制字寄存器，以选择计数通道及相应的工作方式。
④数通道0～2
8253内部包括3个功能完全相同和操作完全独立的计数通道，每个计数通道由16位减法计数器、16位计数初值寄存器和16位计数值锁存器组成。
初始化时，向计数通道装入的计数初值，先送到计数初值寄存器中保存，然后送到减法计数器。
计数器启动后，减法计数器对CLK的下降沿进行减1计数，在未锁定时把结果送入16位计数值锁存器中。
当计数值减到0时，输出OUT信号，一次计数结束。
计数初值寄存器的内容，在计数过程中保持不变。
计数初值寄存器和计数值锁存器占用一个端口地址（即该计数通道口地址），CPU读取计数通道的当前计数值来自计数值锁存器。
各通道可工作在计数器方式，此时被计数的事件以脉冲方式从CLK输入；
各通道可工作在定时器方式，此时确定频率的时钟脉冲从CLK输入。
计数初值=定时时间÷CLK周期
各通道的启动、禁止、允许计数与门控信号GATE有关，GATE的作用OUT的输出波形随各通道工作方式不同而不同。
④计数器结构示意图
计数初值存于预置寄存器；
在计数过程中，减法计数器的值不断递减，而预置寄存器中的预置不变；
输出锁存器用于写入锁存命令时，锁定当前计数值。
⒊8253的引脚功能
①与CPU相连的引脚
D7～D0：
双向三态DB；
：
读，
：
写，低电平有效；
：
片选；
A1A0：
片内端口选择。
②计数通道引脚
CLK2～CLK0：
计数脉冲输入；
OUT2～OUT0：
当计数值减到0时，OUT有输出，输出波形取决于通道工作方式；
GATE2～GATE0：
门控信号输入，是控制计数器工作的一个外部信号，它的作用是用来禁止、允许或启动计数过程的。
每个计数通道均有6种不同工作方式，GATE信号的控制作用不同。
GATE信号总是在CLK的上升沿被采样。
三8253的工作方式
Intel8253的每个计数通道都有6种工作方式可供选用。
这6种工作方式主要有5点不同。
一是启动计数器的触发方式和时刻不同；二是计数过程中门控信号GATE对计数操作的影响不同；三是OUT输出波形不同；四是在计数过程中重新写入计数初值对计数过程的影响不同；五是计数过程结束，减法计数器是否恢复计数初值并自动重复计数过程不同。
上述五点不同，有相互关联，学习时应灵活运用。
⒈方式0—计数结束时中断
当写入控制字后，OUT立即变为低电平；启动计数方式：
软启动。
即仅当GATE为高电平时，在写入计数初值后的第一个CLK下降沿到来时，计数初值寄存器的内容装入到减法计数器中，此后减法计数器对每一个CLK下降沿作减法计数，直到计数结束。
在计数过程中，OUT一直维持低电平，直至减法计数器减到0时，OUT变高。
见图9.1～9.3。
图9.1方式0波形图
图9.2方式0时GATE信号的作用
图9.3方式0计数过程中改变计数值
具有以下特点：
①计数器只计一遍。
当计到0时，减法计数器不恢复计数初值，不开始重新计数，且OUT保持高电平。
只有重新写入计数初值后，OUT才变低，开始新的计数；
②启动计数方式：
软启动。
③GATE为低电平时，计数暂停，当GATE变高后就接着计数。
在计数过程中，GATE的变化不影响OUT的状态。
④计数过程中可重新写入计数初值。
如果是8位计数初值，在写入新的计数初值后，计数器将按新的计数初值重新开始计数；如果是16位计数初值，在写入第一个字节后，计数器停止计数，在写入第二个字节后，计数器按照新的计数初值开始计数。
⑤8253没有中断控制电路，也没有专用中断请求线。
若要中断，则可用OUT的正跳变作为中断请求信号。
⒉方式1—可重复触发的单稳态触发器
图9.4方式1波形图
当写入控制字后，OUT立即变高，计数初值写入后，计数器并不开始计数，启动计数方式是硬启动。
即要有GATE上升沿触发，在GATE信号上升沿之后的第一个CLK下降沿到来时将计数初值装入减法计数器，OUT立即变低，然后开始减1计数过程。
在整个计数过程中，OUT维持低电平，直至计到0，OUT变高。
因此OUT输出一个单拍负脉冲。
若想再输出一个单拍负脉冲，必须再次用GATE上升沿触发，否则OUT维持高电平。
见图9.4～9.6。
图9.5方式1时GATE信号的作用
图9.6方式1在计数过程中改变计数值
具有以下特点：
①启动计数方式是硬启动。
②若初值为N，则OUT输出的单拍负脉冲低电平宽度为N个CLK周期；
③当计到0后，可再次用GATE触动启动计数器计数，输出一个同样宽度的单负脉冲，而不必再次送计数初值；
④在计数过程中，若计数器没有减到0，又有GATE上升沿触发，则OUT仍为低，计数器重新计数，直至计到0，OUT变高，其作用使OUT输出的单负脉冲宽度加宽。
⑤在计数过程中，若写入一个新的计数初值，这时计数过程不受影响，要等GATE再次触发后，才按新的计数初值重新开始计数。
⒊方式2—频率发生器
当写入控制字后，OUT立即变高，写入计数初值后，如果GATE为高，则计数器立即开始计数。
在计数过程中，OUT维持高电平，对每个计数脉冲作减1计数直至计到1时，OUT由高变低，经过一个CLK周期，OUT恢复为高，若GATE仍为高，计数器又开始重新计数。
见图9.7。
图9.7方式2波形图
具有以下特点：
①启动计数方式是硬启动或软启动。
②能够连续工作。
若CLK为一定频率的时钟脉冲，计数初值为N，只要保持GATE为高电平，则OUT输出波形的周期为N个CLK周期，其中高电平宽度为N-1个CLK周期，低电平宽度为1个CLK周期，见图9.7。
③若在计数过程中，GATE变为低电平，则计数器立即停止计数。
在GATE变为高后的下一个CLK使减1计数器恢复计数初值，重新开始计数。
④在计数期间，如果向计数器写入新的计数初值，这对正在进行的计数过程没有影响，但在计到1输出一个CLK宽度的负脉冲后，计数器将按新的计数初值开始计数。
⒋方式3—方波发生器
与方式2基本相同，也具有自动装入计数初值的能力，OUT输出波形也是周期性的，唯一不同的是OUT输出波形占空比不同。
若初值N为偶数，在装入计数初值后，每一个CLK使减法计数器减2，当减到0，一方面OUT输出改变状态，另一方面又重新装入计数初值开始新的计数，OUT输出波形为方波，其重复周期为N个CLK周期；若初值N为奇数，则在装入计数初值后，第一个CLK使减法计数器减1，以后每个CLK使计数器减2，当计到0，OUT输出改变状态，同时重新装入计数初值，这以后第一个CLK使计数器减3，以后每一个CLK使计数器仍减2，直至计到0，OUT恢复高电平，重复上述过程。
OUT输出波形重复周期为N个CLK周期，其中高电平宽度为（N+1）/2个CLK周期，低电平宽度为（N-1）/2个CLK周期。
见图9.8、9.9。
图9.8方式3计数值为偶数时的波形图
图9.9方式3计数值为奇数时的波形图
具有以下特点：
和方式2类似，唯一不同的是OUT输出重复波形占空比不同。
⒌方式4—软件触发
当写入控制字后，OUT立即变为高电平，启动计数方式是软启动，启动计数后则计数器开始减1计数，当计到0时，OUT变低，经过一个CLK周期，OUT输出一个宽度为一个CLK周期的负脉冲，见图9.10。
图9.10方式4波形图
具有如下特点：
①启动计数为软启动；
②计数初值一次有效，只有再次输入计数初值，才开始新的计数；
③在计数过程中，若GATE变低，则停止计数，待GATE变高后，不是继续计数，而是恢复计数初值重新计数，GATE不影响OUT；
④若在计数过程中，写入一个新的计数初值，对本次计数过程无影响，而是等到计数过程结束，新初值才装入到减法计数器，使下一次计数按新的初值进行。
⒍方式5—硬件触发
当写入控制字后，OUT立即变为高电平，启动计数为硬启动，启动计数后，作减1计数，当计到0时，OUT变低，经过一个CLK周期，OUT又变高，停止计数，待到下一次GATE触发，才能再次从初值开始计数。
见图9.11。
图9.11方式5波形图
具有以下特点：
①启动计数为硬启动；
②输出波形与方式4相同；
③在计数过程中，若有GATE触发，则计数器重新从初值开始计数，但不影响OUT；
④在计数过程中，若写入一个新的计数初值，只要没有GATE触发，不影响计数过程。
现行计数计到0后，若有GATE触发，则按新的计数初值开始计数。
但在计数过程中，若写入一个新的计数初值后，有GATE触发，则立即按新的计数初值重新开始计数。
⒍各种方式下的输出波形
四8253编程
⒈方式控制字
写到控制字寄存器。
①格式
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
SC1
SC0
RL1
RL0
M2
M1
M0
BCD
②说明
SC1SC0：
计数器选择，00：
计数通道0；01：
计数通道1；
10：
计数通道2；11：
非法。
RL1RL0：
规定CPU向计数通道写入的计数初值格式或规定CPU读取计数通道锁存器当前计数值格式。
计数器可写入8位数据，也可写入16位数据，而写入的8位数据又可分为两种格式：
仅写低8位，则高8位自动置0，或仅写高8位，则低8位自动置0。
写入16位数据时，应先写入低8位，后写入高8位。
若RL1RL0=00，锁存计数器当前值，使锁存器不随计数器值变化而变化；
RL1RL0=01，只读/写低8位数据；
RL1RL0=10，只读/写高8位数据；
RL1RL0=11，读/写16位数据，先读/写低8位，后读/写高8位。
M2M1M0：
工作方式选择
若M2M1M0=000，方式0；
M2M1M0=001，方式1；
M2M1M0=×10，方式2；
M2M1M0=×11，方式3；
M2M1M0=100，方式4；
M2M1M0=101，方式5。
BCD：
BCD=1，计数器按BCD计数，计数初值0000～9999；
BCD=0，计数器按二进制计数，计数初值0000～FFFFH。
计数初值为0000时最大，对于BCD计数，0000代表10000；
计数初值为0000时最大，对于二进制计数，0000代表10000H。
注意：
计数初值必须跟在控制字之后，即先写控制字，后写计数初值。
说明：
8088中的8253的通道0、1、2和控制字寄存器端口地址为40H、41H、42H、43H。
五8253的初始化编程
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。
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：
MOVAL，50H
OUT07H，AL
MOVAL，80H
OUT05H，AL
例2：
设8253的端口地址为：
F8H～FBH，若用通道0工作在方式1，按BCD码计数，计数值为5080H，进行初始化编程。
控制字为：
00110011B=33H
初始化程序：
MOVAL，33H
OUT0FBH，AL
MOVAL，80H
OUT0F8H，AL
MOVAL，50H
OUT0F8H，AL
例3：
设8253的端口地址为：
04H～07H，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：
MOVAL，0B4H
OUT07H，AL
MOVAL，0F0H
OUT06H，AL
MOVAL，02H
OUT06H，AL
六8253的应用举例
例9.1用8253监视一个生产流水线，每通过100个工件。
蜂鸣器响6s。
频率为1000HZ。
①硬件连接：
硬件接口示意图如图9.1所示，工件从光源与光敏电阻之间通过时，在晶体管的发射极上会产生一个脉冲，此脉冲作为8253计数通道0的计数脉冲，当通道0计数满100后，由OUT0输出负脉冲，经反相后作为8259A的一个中断请求信号，在中断服务程序中，启动8253计数通道1工作，由OUT1连续输出1000HZ的方波，持续6s后停止输出。
②控制字设置：
通道0计数器工作于方式2，采用BCD计数，因计数初值为100，采用RL1RL0＝10（读/写计数器的高8位），则方式控制字为00100101B。
通道1计数器工作于方式3，CLK1接2MHZ时钟，要求产生1000HZ的方波，则计数初值应为2000000÷1000＝2000，采用RL1RL0=10（只读/写高8位），BCD计数，则方式控制字为01100111B。
例9.1图8253的应用
③程序编制：
假设8253通道0的地址为40H，通道1的地址为42H，控制口地址为46H。
8255A的A口地址为80H。
则主程序为：
┇
MOVAL,01H；置PC0为1
OUT86H,AL
MOVAL，25H；通道0初始化
OUT46H，AL
MOVAL，01H；计数初值高8位，低8位自动清零
OUT40H，AL
STI；开中断
LOP：
HLT；等待中断
JMPLOP
中断服务程序为：
┇
MOVAL,03H；置PC1为1,使通道1的GATE1置1，启动计数
OUT86H，AL
MOVAL，67H；通道1初始化
OUT46H，AL
MOVAL，20H；计数初值高8位，低8位自动清零
OUT42H，AL
CALLDL6s；延时6s
MOVAL，02H；通道1的GATE1置0，停止计数
OUT86H，AL
┇；向8259A发中断结束命令
IRET
例9.28253在IBMPC系列机上的应用
扬声器控制：
⏹计数器2的输出控制扬声器的发声音调
⏹计数器2只能工作在方式3，才能输出一定频率的方波，经滤波后得到近似的正弦波，进而推动扬声器发声
⏹扬声器还受控于并行接口（8255芯片）
⏹必须使PB0和PB1同时为高电平，扬声器才能发出预先设定频率的声音
8255A的PC口（62H）
7
6
5
4
3
2
1
0
8253计数器2
（43H）
放大器
AND
8255A的PB口（61H）
7
6
5
4
3
2
1
0
扬声器与系统的连接
说明：
各计数器的时钟频率均为1.19318MHz
模拟电话铃程序如下：
CSEGSEGMENTASSUMECS:
CSEG
RINGPROCFAR
PUSHDS
XORAX,AX
PUSHAX
MOVBP,8；循环计数值，响铃8次
AGAIN:
MOVCX,30；产生600和1500Hz的声音30次
NEXT:
MOVDX,600；频率=600Hz
MOVAX,30；时间=30ms
MOVBL,3；允许产生声音
CALLSOUND
MOVDX,1500；频率=1500Hz
MOVAX,30；时间=30ms
CALLSOUND
LOOPNEXT；循环
MOVDX,100；频率100Hz
MOVBL,1；不允许产生声音
MOVAX,2000；时间2S
MOVBL,1
CALLSOUND
DECBP
JNZAGAIN；循环8次
RET
RINGENDP
SOUNDPROC
PUSHCX
PUSHSI
MOVSI,DX；频率送SI
MULDX；频率×时间=周期数
MOVCX,1000
DIVCX
MOVCX,AX；周期数作为循环计数送CX
MOVAL,10110110B；将8253计数器2设置为方式3
OUT43H,AL
MOVDX,0012H；1193180的低位
MOVAX,34DCH；1193180的高位
DIVSI；1193180/频率=计数值
OUT42H,AL；送计数值的低位
MOVAL,AH；送计数值的高位
OUT42H,AL
INAL,61H读8255A的B口
ANDAL,11111100B；清掉最低2位
ORAL,BL；根据BL设置是否产生声音
OUT61H,AL
ZERO:
INAL,61H；读8255A的C口
TESTAL,00100000B；8253计数器2的输出变高？
JZZERO没有，等待
ONE:
INAL,61H；
TESTAL,00100000B；8253计数器2的输出变低？
JNZONE；没有，等待
LOOPZERO；周期数减1，不为0继续
POPSI
POPCX
RET
SOUNDENDP
CSEGENDS
ENDRING
例9.3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。
如要读通道1的16位计数器，编程如下：
地址40H～43H。
MOVAL，40H；
OUT43H，AL；锁存计数值
INAL，41H
MOVCL，AL；低八位
INAL，41H；
MOVCH，AL；高八位
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