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1、,第8章 可编程接口芯片及应用,8.1 可编程定时器/计数器芯片8253/8254 8.2 可编程并行接口芯片8255A 8.3 串行通信及可编程串行接口芯片 8.4 模/数(A/D)与数/模(D/A)转换技术及其接口,8.1 可编程定时器/计数器芯片8253/8254,实现定时的方法有三种：软件定时、不可编程的硬件定时和可编程的硬件定时。软件定时是通过让机器执行一段没有具体操作目的的程序来实现的。由于CPU执行每条指令都需要一个确定的时间，因此，只要选择适当的指令和安排适当的循环次数就很容易实现软件定时，但软件定时占用CPU资源，降低了CPU的利用率；不可编程的硬件定时尽管定时电路并不很复杂
2、，但这种定时电路在硬件连接好以后，定时值和定时范围不能由程序来控制和改变，使用不灵活；可编程定时器/计数器是为方便计算机系统的设计和应用而研制的，定时值及其范围可以很容易地由软件来控制和改变，能够满足各种不同的定时和计数要求，因此得到了广泛的应用。,8.1.1 8253的结构与功能 1. 8253的引脚 8253是24脚双列直插式芯片，用+5V电源供电。芯片内有三个相互独立的16位定时/计数器。8253的引脚和功能框图如图8.1所示。,图8.1 8253引脚及功能结构,(7) 门控脉冲信号GATE0GATE2：计数器0、计数器1和计数器2的门控制脉冲输入端，是由外部送入的门控脉冲，该信号的作用
3、是控制启动定时器/计数器工作。 (8) 输出信号OUT0OUT2：计数器0、计数器1和计数器2的输出端。当计数器计数到0时，该端输出一标志信号，从而产生不同工作方式时的输出波形。,28253的内部结构 8253内部结构框图如图8.2所示。它由数据总线缓冲器、读/写逻辑、控制字寄存器以及3个独立的16位计数器组成。,图8.2 8253内部结构框图,1) 3个独立的16位计数器 每个计数器具有相同的内部结构，其逻辑框图如图8.3所示。它包括一个8位的控制寄存器、一个16位的计数初值寄存器CR、一个16位的减1计数器CE和一个16位的输出锁存寄存器OL。16位的计数初值寄存器CR和16位的输出锁存寄
4、存器OL共同占用一个I/O端口地址，CPU用输出指令向CR预置计数初值，用输入指令读回OL中的数值，这两个寄存器都没有计数功能，只起锁存作用。16位的减1计数器CE执行计数操作，其操作方式受控制寄存器控制，最基本的操作是：接受计数初值寄存器的初值，对CLK信号进行减1计数，把计数结果送输出锁存寄存器中锁存。,图8.3 计数器内部结构框图,2) 控制寄存器 控制寄存器用来保存来自CPU的控制字。每个计数器都有一个控制命令寄存器，用来保存该计数器的控制信息。控制字将决定计数器的工作方式、计数形式及输出方式，亦决定如何装入计数初值。8253的3个控制寄存器只占用一个地址号，而靠控制字的最高两位来确定
5、将控制信息送入哪个计数器的控制寄存器中保存。控制寄存器只能写入，不能读出。,3) 数据缓冲器 数据缓冲器是三态、双向8位缓冲器。它用于8253和系统数据总线的连接。CPU通过数据缓冲器将控制命令字和计数值写入8253计数器，或者从8253计数器中读取当前的计数值。,表8.1 8253端口地址及内部操作,8253计数器在工作之前。用户必须对其进行初始化编程：首先CPU用输出指令向控制寄存器送控制字，然后再用输出指令向计数初值寄存器CR预置计数/定时的初值。启动工作后，CR中的初值就送入减1计数器CE对CLK输入的计数/定时脉冲信号进行减1计数。当CE中的内容减为0，表示计数/定时到，则OUT端输
6、出信号。输出信号的波形形式由工作方式决定。,8.1.2 8253的编程 8253在工作之前，用户首先要为某一计数器(计数器02)写入控制字以确定其工作方式；写入定时/计数初值；在定时/计数工作过程中，有时还需要读取某计数器当前的计数值。本节首先介绍8253的控制字格式，然后对8253的读写操作进行介绍，并给出8253编程实例。 1. 8253的控制字格式 8253的控制字格式如图8.4所示。,图8.4 8253控制字格式,D7D6位是控制字的计数器编号。由于8253有3个独立的控制寄存器，但它们共用一个端口地址(A1A0=11时，见表8.1)，因此，控制字中使用最高两位表明将控制字写入哪个计数
7、器的控制寄存器中。 D5D4位用来设定计数器的数据读/写方式。在给计数器写入计数初值时，可以赋16位的初值，也可以只赋8位(另8位被自动置0)，8位初值可以是高字节，也可以是低字节。在读取计数器当前的计数值时，计数器并未停止计数，有可能在先后读高低字节时，计数器的值发生变化，因此有必要先锁存当前的计数值，然后再分字节读出，先读出低8位数据，后读出高8位数据。,当D5D4=00时，计数器的当前计数值被锁存在OL中，此时计数器照常计数，但OL中的值不变，待CPU将OL中的两字节数据读走后，OL中的内容又随减1计数器CE变化。当D5D4=01，只读/写低8位，高8位自动置0(写计数初值时)；D5D4
8、=10时，只读/写高8位，低8位自动置0(写计数初值时)；D5D4=11时，先读/写低8位，再读/写高8位。 D3D2D1位决定了计数器的工作方式。8253共有六种工作方式，后面将一一介绍。 D0位决定计数器的数制。D0=0，选择二进制计数；D0=1，选择十进制计数。,28253的读/写操作 1) 写操作 所谓写操作是指CPU对8253写入控制字或写入计数初值。8253在开始工作之前，CPU要对其进行初始化编程(写入控制字和计数初值)，具体应注意以下两点： 对每个计数器，必须先写控制字，后写计数初值。因为后者的格式是由前者决定的。 写入的计数初值必须符合控制字(D5D4两位)决定的格式。16位
9、数据应先写低8位，再写高8位。 当给8253中的多个计数器进行初始化编程时，其顺序可以任意，但对每个计数器进行初始化时必须遵循上述原则。,2) 读操作 所谓读操作是指读出某计数器的当前计数值到CPU中。有两种读取当前计数值的方法： 先使计数器停止计数(在GATE端加低电平或关闭CLK脉冲)：根据送入的控制字中的D5D4位的状态，用一条或两条输入指令读CE的内容。实际上，CPU是通过输出锁存器OL读出当前计数值的，因为在计数过程中，OL的内容是跟随CE内容变化的。此时由于CE不再计数，故可稳定地读出OL(即CE)的内容。, 在计数的过程中不影响CE的计数而读取计数值：为达此目的，应先对8253写
10、入一个具有锁存功能的控制字，即D5D4位应为00，这样就可以将当前的CE内容锁存入OL中，然后再用输入指令将OL的内容读到CPU中。当CPU读取了计数值后，或对计数器重新进行初始化编程后，8253会自动解除锁存状态，OL中的值又随减1计数器CE值变化。,例8.1 设8253芯片的端口地址为388H38BH。现要求计数器0工作在方式3，计数初值为2354，十进制计数；计数器1工作在方式2，计数初值为18H，二进制计数。试根据上述要求编写初始化程序及读取计数器0当前计数值的程序。,；计数器0的初始化程序 MOVDX，38BH；给计数器0送控制字 MOVAL，00110111B OUTDX，AL M
11、OVDX，388H；送计数初值的低8位 MOVAL，54H OUTDX，AL MOVAL，23H；送计数初值的高8位 OUTDX，AL,；计数器1的初始化程序 MOVDX，38BH；给计数器1送控制字 MOVAL，01010100B OUTDX，AL MOVDX，389H；计数初值送低8位 MOVAL，18H OUTDX，AL,；计数器0当前计数值读出程序 MOVDX，38BH；送计数器0当前计数值锁存命令 MOVAL，00H OUTDX，AL MOVDX，388H；读出当前计数值的低8位 INAL，DX MOVCL，AL INAL，DX；读出当前计数值的高8位 MOVCH，AL,8.1.3
12、8253的工作方式 8253有六种不同的工作方式。在不同的工作方式下，计数过程的启动方式不同，OUT端的输出波形不同，自动重复功能、GATE的控制作用以及更新计数初值对计数过程的影响也不完全相同。同一芯片中的三个计数器，可以分别编程选择不同的工作方式。,图8.5 方式0的波形,图8.6 方式0时GATE信号的作用,在计数过程中，随时可以写入新的计数值初值，计数器使用新的初值重新开始计数(若新初值是16位，则在送完第一字节后中止现行计数，送完第二个字节后才重新开始计数)。 由上述可知，方式0主要用于单次计数，计数到时，利用OUT信号作为查询信号或中断请求信号。由于8253内部没有中断控制管理电路
13、，故用OUT作为中断请求信号时，需要通过中断优先级控制电路(如8259)向CPU申请中断。,2方式1可编程单次脉冲 这是一种硬件启动、不能自动重复但通过GATE的正跳变可使计数过程重新开始的计数方式。在写入方式1的控制字后OUT成为高电平，在写入计数初值后，要等GATE信号出现正跳变时才能开始计数。在下一个CLK脉冲到来后，OUT变低，将计数初值送入CE并开始减1计数，直到计数器减到0后OUT变为高电平。 如图8.7所示，计数过程一旦启动，GATE即使变成低电平也不会使计数中止。计数完成后若GATE再来一个正跳变，计数过程又重复一次。也就是说对应GATE的每一个正跳变，计数器都输出一个宽度为N
14、*TCLK(其中N为计数初值，TCLK为CLK信号的周期)的负脉冲，因此称这种方式为可编程单次脉冲方式。,图8.7 方式1的波形,在计数过程启动之后计数完成之前，若GATE又发生正跳变，则计数器又从初值开始重新计数，OUT端仍为低电平，两次的计数过程合在一起使OUT输出的负脉冲加宽了。 在方式1计数过程中，若写入新的计数初值，也只是写入到计数初值寄存器中，并不马上影响当前计数过程，同样要等到下一个GATE正跳变启动信号，计数器才接收新初值重新计数。,3方式2分频工作方式 方式2既可以用软件启动 (GATE=1时写入计数初值后启动)，也可以用硬件启动(GATE=0时写入计数初值后并不立即开始计数
15、，等GATE由低变高时启动计数)。方式2一旦启动，计数器就可以自动重复地工作。 如图8.8所示，写入控制字后，OUT信号变为高电平，若计数初值N=3，启动计数后，以CLK信号的频率进行减1计数。当减到1时，OUT输出一个宽度为一个CLK时钟周期的负脉冲，OUT恢复成高电平后，计数器又重新开始计数。可以看出，OUT输出信号的频率为CLK信号频率的1/N，即N次分频，故称这种工作方式为分频工作方式。,图8.8 方式2的波形,方式2需要GATE信号保持高电平。当GATE变为低电平时，停止计数。GATE由低变高后，CR中的计数初值又重新装入减1计数器CE中开始计数。 方式2在计数过程中若写入新的计数初
16、值，并不影响当前的计数过程。在本次计数结束后，才以新的计数初值开始新的分频工作方式。,4方式3方波发生器 工作于方式3时，在计数过程中其输出前一半时间为高电平，后一半时间为低电平。其输出是可以自动重复的周期性方波，输出的方波周期为N*TCLK，如图8.9所示。,图8.9 方式3的波形,在写入方式3控制字后，计数器OUT端立即变高。若GATE信号为高，在写完计数初值N后，开始对CLK信号进行计数。计数到N/2时，OUT端变低，计完余下的N/2，OUT又变高，如此自动重复，OUT端产生周期为N*TCLK的方波。实际上，电路中对半周期N/2的控制方法是每来一个CLK信号，便让计数器减2。因此来N/2个CLK信号后，计数器就已经减到0，OUT端发生一次高低电位的变化，且又将初值置入计数器重新开始计数。若计数初值为奇数，则计数的前半周期为(N+1)/2，计数的后半周期为(N1)/2。,在写入计数初值时，如果GATE信号为低电平，计数器并不开始计数。待GATE变为高电平时，才启动计数过程。在计数过程中，应始终使G
