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1、本章内容提要: 8253定时/计数器 定时计数器在微机系统中的应用,在微机系统中，常常需要为CPU和外部设备提供时间基准以实现定时或延时控制，如定时中断、定时检测、定时扫描等，或对外部事件进行计数并将计数结果提供给CPU。显然，定时/计数器在计算机系统中是个关键部件。 实现定时或延时控制的方法一般有以下3种： 1) 软件定时。编制一段程序，用软件来实现计数和定时要求。这种方法通用性和灵活性都好，但要占用CPU的时间。 2) 设计数字逻辑电路来实现定时和计数要求。即由硬件电路实现的定时器/计数器，这种电路，若要改变定时/计数的要求，必须改变电路参数。通用性和灵活性都差。 3) 采用可编程的定时/
2、计数器，其定时与计数功能可由程序灵活地设定，设定后与CPU并行工作，不占用CPU的时间。本章介绍的8253就是可编程的定时/计数器芯片。,7.1 8253定时/计数器,8253是Intel公司生产的可编程的定时/计数器芯片。8253的操作对所在系统没有特殊要求，其通用性强，适用于各种微处理器组成的系统。它有3个独立的16位减1计数器，每个计数器有6种工作方式，能进行二进制或二十进制计数或定时操作，8253最大时钟频率为2.6MHz，所有的输入/输出都与TTL电平兼容。,7.1.1 8253的内部结构,8253结构图如图所示。它由数据总线缓冲器、读/写逻辑、控制字寄存器以及3个计数器（0、1、2
3、）组成。各部分功能如下。,1.数据总线缓冲器 数据总线缓冲器是8253与CPU之间的数据接口，采用8位、双向、三态的缓冲器。CPU用输入/输出指令对8253进行读写操作的所有信息都是通过这8位总线传送的。传送的信息包括以下3个方面： 1）CPU在初始化编程时写入8253的控制字。 2）CPU向8253计数器写入的计数初值。 3）CPU从8253计数器读取的计数值。 2.读/写逻辑 读/写逻辑电路从系统总线接收输入信号，经过译码，产生对8253各部分的控制。当片选信号（CS）有效时，读/写逻辑才能工作。该控制逻辑根据读/写命令及送来的地址信息，决定3个计数器和控制字寄存器中哪一个能够工作，并控制
4、内部总线上数据传送的方向。 3.控制字寄存器 控制字寄存器接收CPU送来的控制字，决定每个计数器的工作方式和所执行的操作。当A1A0=11时，用来接收CPU输出的控制字。此寄存器只能写入而不能读出。,4.计数器0、计数器1和计数器2 计数器0、计数器1和计数器2是3个16位减1计数器，它们互相独立，内部结构和功能相同。每个计数器有3根信号线：时钟输入CLK、门控信号输入GATE和输出OUT。每个计数器有4个寄存器：控制寄存器初始化时，将控制字寄存器中的内容写入该寄存器；计数初值寄存器初始化时写入该计数器初始值；减法计数寄存器计数初值由计数初值寄存器送入减法计数寄存器，当计数输入端输入一个计数脉
5、冲时，减法计数寄存器内容减1，当减到0时，输出端输出相应信号表示计数结束；当前计数值锁存器用于锁存减1计数器的内容，以供读出和查询。由于减法计数寄存器的内容随输入时钟脉冲在不断变化，为了读取当前计数值，只有先把它送到当前计数值锁存器，并加以锁存才能读出。计数通道内部逻辑框图如图所示。,7.1.2 8253的引脚,8253采用24引脚双列直插式封装，如图所示,下面分别说明其功能。,D0D7为双向三态的数据总线，用于传送数据（计数器的计数值）和控制字。 CS为片选信号（输入），当CS为低电平时，该芯片被选中。 RD为读信号（输入），用于对8253寄存器进行读操作。 WR为写信号（输入），用于对82
6、53寄存器进行写操作。 A1、A0为地址线 （输入）， 用于选择8253内部寄存器，以便对它们进行读写操作。 CS、RD、WR、A1和A0组合起来所产生的选择与操作功能如表所示。 CLK02是各计数器的时钟输入端。计数器就是对该引脚的输入脉冲进行计数。8253规定CLK的输入脉冲周期不能小于380ns。 GATE02为门控信号，是计数器的输入控制信号，用来控制计数器的工作。当GATE为低电平时，禁止计数器工作。只有当GATE为高电平时，才允许计数器工作。GATE信号不仅在计数开始而且在计数过程中起作用。 OUT02为计数器输出信号，用来产生不同工作方式时的输出波形。当计数器计数到零时，在OUT
7、引脚上输出一个信号，该信号的波形取决于工作方式。 GND为接地线。,7.1.3 8253的控制字和工作方式,1.8253的控制字 通过对8253内部的控制寄存器编程实现对3个计数器工作方式的控制，控制字格式如图所示。,SC1、SC0计数器选择位，这两位表示这个控制字对哪一个计数器设置的，其说明如图所示。 RW1、RW0数据读/写格式选择位。CPU对计数器写入初值和读取它们的当前值时，有几种不同的格式，由这两位来决定，其说明如图所示。 M2、M1、M0计数器工作方式选择位。8253的每个计数通道有6种不同的工作方式，由这3位决定，其说明如图所示。 BCD数制选择位。8253的每个计数器有两种进制
8、：二进制和二十进制，由这一位决定选择哪一种。 BCD0表示采用二进制计数，写入的初值范围为0000HFFFFH，其中0000H是最大值，代表65536。 BCD1表示采用二十进制计数，写入的初值范围为00009999，其中0000是最大值，代表10000。由于计数器为减1操作，故当初始值为0的计数值最大。,2.8253的工作方式 可编程定时/计数器8253有两个基本功能，即定时和计数。除此之外，还可以作为频率发生器、分频器、实时时钟、单脉冲发生器等。这些功能是通过对8253编程，写入方式控制字来完成的，8253为每个计数通道提供6种工作方式。下面对其工作方式进行说明。 （1）方式0计数结束时产
9、生中断当写入方式0控制字CW后，计数器输出端OUT立即变成低电平。当写入计数器初值N后，若GATE为高电平，计数器开始计数。在计数过程中，OUT端一直维持低电平，直到计数到0（结束）时，OUT端变高电平，向CPU发出中断请求。8253工作方式0的时序图如图所示。,8253用作计数时，一般都工作在方式0。方式0有如下特点： 1) 计数器只计一遍数。当计数到0时，并不恢复计数初值，不开始重新计数，输出端OUT由低变高且一直保持为高。只有当写入一个新的计数初值后，OUT才变低，开始新的计数。 2) 在计数过程中可改变计数值。如果计数器为8位（RW1RW001），在写入新的8位计数值后，计数器将按新的
10、计数值重新开始计数。如果计数器为16位（RW1RW011），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，计数器按照新的数值开始计数。 3) 在计数过程中，可由门控信号GATE控制暂停。当GATE为0时，计数器暂停计数；当GATE变为1后，就接着计数。 4) 方式0的OUT信号在计数到0时由低变高，可作为中断请求信号。,（2）方式1可程控的单脉冲 在设定工作方式1和写入计数初值后，OUT输出高电平，此时并不开始计数。当门控信号GATE变为高电平时，启动计数，OUT输出变低电平。在整个计数过程中，OUT都维持为低电平，直到计数到0时，输出变为高电平。因此，输出为一单脉冲，其低电平的维持
11、时间由装入的计数初值来决定。图所示为8253工作方式1的时序图。,方式1有如下特点： 1) 当计数到0后，计数器可再次由外部启动，按原计数初值重新开始计数，输出单脉冲，而不需要再次送一个计数初值。 2) 在计数过程中，外部可发出门控脉冲，进行再触发。这时不管原来计数到何值，计数器将重新开始计数，输出端仍保持低电平。 3) 在计数过程中改变计数初值不影响本次计数过程。若门控信号再次被触发，则计数才按新的计数值计数。,（3）方式2分频器 在这种方式下，CPU输出控制后，计数器输出端为高电平。当写入计数初值后，计数器立即对CLK端的输入脉冲计数。在计数过程中输出端始终保持为高电平，直到计数器减为1时
12、，输出变低电平。经过一个CLK周期，输出恢复为高电平，同时按照原计数初值重新开始计数。如果计数值为N，则在CLK端每输入N个脉冲后，就输出一个脉冲。因此，这种方式可以作为分频器或用于产生实时时钟中断。图所示为8253工作方式2的时序图。,方式2有如下特点： 1) 不用重新设置计数初值，计数器能够连续工作，输出固定频率的脉冲。 2) 计数过程可由门控信号GATE控制。当GATE为0时，暂停计数。当GATE变为1后，下一个CLK脉冲使计数器恢复初值，重新开始计数。 3) 在计数过程中可以改变计数初值，这对正在进行的计数过程没有影响。但当计数到1时输出变低，过一个CLK周期输出变高，计数器将按新的计
13、数值计数。所以对方式2改变计数初值时，在下一次计数有效。,（4）方式3方波发生器 在这种方式下，当CPU设置控制字后，输出为高电平。在写入计数初值后就开始计数，输出保持为高电平。当计数到一半计数初值时，输出变为低电平，直至计数到0，输出又变为高电平，重新开始计数。若计数值为N，则方式3的输出为周期（NCLK周期）的方波。图所示为8253工作方式3的时序图。,方式3有如下特点： 当计数初值N为偶数时，输出端的高低电平持续时间相等，各为N/2个CLK脉冲周期，当计数初值N为奇数时，输出端的高电平持续时间比低电平持续时间多一个脉冲周期，即高电平持续（N1）/2个脉冲周期，低电平持续（N1）/2个脉冲
14、周期。例如N5，则输出高电平持续3个脉冲周期，低电平持续2个脉冲周期。 2) GATE1，允许计数；GATE0，停止计数。如果在OUT为低期间GATE0，OUT将立即变高。当GATE变高以后，在下一个CLK脉冲来到时，计数器将重新装入初始值，开始计数。这种情况是通过门控信号使计数器实现同步，称为硬件同步。 3) 如果GATE信号一直为高电平，在写入控制字和计数初值后，将在下一个CLK脉冲到来时装入计数初值并开始计数，这种情况称为软件同步。 4) 在计数期间写入一个新的计数初值，如果在输出信号半周结束之前没有收到GATE脉冲，则要到现行输出半周结束后才按新的计数初值开始计数。如果在写入新计数初值
15、之后在现行输出半周结束之前收到GATE脉冲，计数器将在下一个CLK脉冲来到时立即装入新的计数初值并开始计数。,（5）方式4软件触发的选通信号发生器 在这种方式下，当写入控制字后，输出端OUT变为高电平，以此作为初始电平。当写入计数初值后开始计数，这称为软件触发。当计数到0后，输出变低电平，经过一个CLK周期，输出又变高电平，计数器停止计数。这种方式计数也是一次性的，只有在输入新的计数值后，才能开始新的计数过程。若设置的计数初值为N，则是在写入了计数初值后经过（N+1）个CLK脉冲，才输出一个负脉冲。一般将此负脉冲作为选通信号。图所示为8253工作方式4的时序图。,方式4有如下特点： 当GATE
16、1时，允许计数；当GATE0时，禁止计数。所以，要做到软件触发，GATE应保持为1。 2) 在计数过程中，若改变计数初值，则按新的计数初值开始计数。这称为软件再触发。,6）方式5硬件触发的选通信号发生器 在这种方式下，当写入控制字后，输出端出现高电平作为初始电平。在写入计数初值后，计数器并不立即开始计数，而是要由门控脉冲的上升沿来启动计数，这称为硬件触发。当计数到0时，输出变低电平，又经过一个CLK脉冲，输出恢复为高电平，这样在输出端得到一个负脉冲选通信号。计数器停止计数后要等到下次门控脉冲的触发，才能再进行计数。8253工作方式5的时序如图所示。,方式5的特点是： 1) 若设置计数初值为N，则在门控脉冲触发后，经过（N1）个CLK脉冲，才能输出一个脉冲。 2) 在计数过程中，若GATE端又出现一个脉冲进行触发，则使计数器重新开始计数，但对输出状态没有影响。 3)
