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【微机及接口技术】- 第七章可编程定时/计数器

news 来源：原创 2025/8/22 11:20:57

文章目录

第一节定时/计数器的概述
- 一、定时与计数
- 二、定时方法
第二节可编程定时/计数器8254
- 一、8254-2的基本功能
- 二、8254的内部结构和外部引脚
- 三、8254 的工作方式
- - 1. 方式0：计数到零产生中断方式
  - 2. 方式1：硬件可重触发单稳方式
  - 3. 方式2：速率波发生器/n分频方式
  - 4. 方式3：方波发生器
  - 5. 方式4：软件触发选通
  - 6. 方式5：硬件触发选通
- 四、8254的控制字
- - 1. 方式控制字
  - 2. 读出控制字
  - 3. 状态字
- 五、8254的编程
- - 1. 初始化编程
  - 2. 工作编程
第三节 8254的应用
- 一、8254在微机中的应用

本章考试重点

8253/8254的工作方式
8253/8254的初始化
8253/8254的应用

第一节定时/计数器的概述

一、定时与计数

在微机系统中，定时/计数的功能主要包括：
以均匀分布的时间间隔中断分时操作系统以切换程序；
向I/O设备输出精确的定时信号，如都键盘时延去抖；
检测外部事件发生的频率或周期，如CPU风扇转速测量；
统计外部某过程中某一事件发生的次数，如高速公路上车流量的统计等。

二、定时方法

3种：软件定时、不可编程硬件定时、可编程硬件定时。

1）软件定时
执行一段固定的循环程序实现延时；
缺点：占用CPU事件，降低CPU利用率；
2）不可变成硬件定时
采用中小规模IC构成定时电路，如555定时器；
电路简单、不占用CPU事件，定时值固定；
3）可编程硬件定时
在 2）电路基础上改进，定时值和可由软件改变。

可编程定时/计数器电路的典型结构框图
在这里插入图片描述
需要它计数时，需要给一个计数初值，这个值放到计数初值寄存器中。同时这个数进入计数器工作单元，对这个计数初值进行检验计数，计数器的当前计数会同时输入到输出锁存器当中。

计数器工作单元计数计到0时，会对OUT有一个输出值变化

第二节可编程定时/计数器8254

一、8254-2的基本功能

有 3 个独立的16位计数器；
每个计数器可按二进制或十进制计数；
每个计数器可编程工作于6种不同工作方式；
8254-2每个计数器的最高频率10MHz (8253:2MH，8253-5和8254-5:5MHz, 8254:8MH）；
8254有读回命令（8253没有），除了可以读出当前计数单元内容外，还可以读出状态寄存器内容。

二、8254的内部结构和外部引脚

8254内部结构框图
在这里插入图片描述
数据总线缓冲器 8位双向三态，CPU 读取内部状态值/写入控制字通过此缓冲器
读/写控制逻辑寻址
控制字寄存器寄存器工作方式
3个16位计数器相互独立，结构和功能完全相同。

计数器内部结构
在这里插入图片描述
写入计数初值写入 CR , 也会同时进入减1计数器，减至0会有OUT信号变化，CE减到什么值，OL都会实时保存变化。

8254外部引脚图
在这里插入图片描述
D0-D7 数据线和 CPU数据线连接，双向三态，CPU读取写入都是通过这8条数据线
A0,A1 用来选择内部寄存器地址，4个寄存器
CLK0 OUT0 GATE0 为计数器0，CLK时钟输入，GATE 门控信号，OUT输出信号
计数器1，2同理

三、8254 的工作方式

6 种工作方式区别在于：输出波形不同，启动计数器的触发方式不同、门控信号对计数操作影响不同。

工作过程：

先写控制字至控制字寄存器，以选择工作方式；
再向CR写入计数初值（二：0000H-FFFFH，十：0000H-9999）；二进制最大值65536和十进制最大计数值10000
最后在GATE信号控制下，对CLK脉冲计数。

CR计数初值寄存器

1. 方式0：计数到零产生中断方式

典型的事件计数法，当CE计数至零时，OUT信号由低变高，可作为中断请求信号。

特点：
1）计数由软件启动，每次写入计数初值，只启动一次计数。计数到零后，不重新计数，OUT保持高电平。再次写入计数初值，OUT变低重新计数。
2）CPU写计数初值的/WR信号上升沿，把初值写入CR，在下一个CLK脉冲下降沿才将CR内容装入CE，开始计数。
3）计数中，若GATE=0则暂停技术，至GATE变1后接着计数。
4）计数过程中可写入新的计数初值。从写入后的下一个时钟脉冲开始以新值计数。
8位计数，写入低字节即按新值计数；
16位计数，写入第一个字节，停止计数，写入第二字节后按新值计数。

工作方式0波形图
在这里插入图片描述

2. 方式1：硬件可重触发单稳方式

由外部门控脉冲（硬件）启动计数。
特点：

1）写入控制字后，OUT输出高，写入计数初值后OUT仍为高，GATE启动后，OUT变低，每来一个CLK，计数减1，减至0则OUT变高。
2）允许多次触发。计数器未减到0时，GATE又来一个正脉冲，计数初值将重装计数器，从初值重新减1计数。
3）计数过程中可装入新的计数初值，当GATE再次出现0-1跃变后，计数器才按新的计数值减1计数。
在这里插入图片描述

3. 方式2：速率波发生器/n分频方式

计数器“初值自动重装”，输出固定频率脉冲
特点：
1）写入控制字后，OUT输出高，写入计数初值n后，如果GATE为高，则计数器减1计数；计数值减到1时，OUT变低，维持一个CLK周期又变高，且n重装。OUT端脉冲为CLK的n分频信号。
2）计数中若GATE变低则停止计数，GATE上升沿使计数器恢复初值，从初值减1计数。
3）计数中若GATE为高，则写入新的计数值，不影响当前计数，计数器减到1后才装入新计数值。

在这里插入图片描述

4. 方式3：方波发生器

作为波特率发生器，有初值重装功能。
特点：
1）写入控制字后，OUT输出高，写入计数初值n，若GATE为高，则在下一个CLK脉冲下降沿，开始计数。
2）计数初值为偶数，则每来一个CLK脉冲计数值减2；减到0时，输出端改变极性，初值重装继续计数；输出端为1：1方波，正脉冲和负脉冲为n/2的CLK周期。
3）计数初值为奇数，在OUT变高的瞬间将CR内的初值减1后装入CE，开始减2计数。
4）GATE变低停止计数，同方式2。
5）写入新的计数值，同方式2。

在这里插入图片描述

5. 方式4：软件触发选通

与方式0很像
特点：
1）写入控制字，OUT输出高，若当前GATE为高，写入计数初值后减1计数，减到0时OUT变低，OUT端输出一个宽度等于一个CLK脉冲周期的负脉冲。
2）计数中GATE变低则停止计数，GATE上升沿使计数值恢复初值，并从初值减1计数。
3）计数中若改变计数值，则按新值开始计数。
在这里插入图片描述

6. 方式5：硬件触发选通

与方式1相似
1）写入控制字后，OUT输出高。写入计数初值后，只有GATE端出现0-1跃变，初值才能装入计数器，减1计数，减为0时，OUT输出一个CLK周期负脉冲。
2）计数中，若GATE再次出现0-1，则计数初值重新装入计数器，减1计数。
3）计数中，如果改变初值，若没有GATE上升沿则不影响计数，若有，按新的初值重新计数。

在这里插入图片描述

四、8254的控制字

方式控制字：设置计数器的工作方式。
读回控制字：设置读回命令。
两个控制字共用一个地址，由标识位区分。

1. 方式控制字

8254 控制字格式
在这里插入图片描述
（1）计数器选择D7D6
00，0号计数器；01，1号；10，2号
11，读出控制字标志之一（8253无）
（2）读/写格式选择D5D4
00，锁存计数器的当前计数值，以便读出
01，写入时只写低8位计数初值LSB，高8位置零。读出时，只能读出低8位的当前计数值。
10，写入时致谢高8位计数初值MSB，低8位置0。读出时，只能读出高8位当前计数值。
11，先读/写低8位计数值，后读写高8位计数值。
（3）工作方式选择D3D2D1
000，方式0；001，方式1；X10，方式2；X11，方式3；100，方式4；101，方式5
（4）计数数制选择D0
0，二进制，0000-FFFFH, 0H代表65536
1，二-十进制，0000-9999H，0H代表十进制数10000

2. 读出控制字

读出控制字格式
在这里插入图片描述
D7,D6 固定为1
D5：0，锁存计数值，以便CPU读取
D4：0，状态信息锁存入状态寄存器
CPU读取某一计数器的计数值/状态信息，该计数器解锁其他计数器不受影响。
后三位 000 计数器0
010 计数器1
100 计数器2

3. 状态字

在这里插入图片描述
D7：OUT的输出状态，0 低电平，1 高电平
D6：0，计数初值已存入，可读取计数器。
D5-D0：与方式控制字的对应位意义相同。

五、8254的编程

8254复位后3计数器OUT引脚均为低，寄存器状态未知。初始化编程，工作编程。

1. 初始化编程

包括两方面：
一、向控制字寄存器写入方式控制字；
二、向所使用的计数器写入计数初值；

【例题】试使用8254-2的计数器0做频率4khz的方波发生器，8254的端口地址为40H-43H，fclk0 = 12MHz。

方式控制字计数器0，方波方式3 CR = 12MHz/4KHz = 3000

MOV AL,00110111B
OUT 43H,AL ; 写控制字，定义计数器0工作于方式3，使用16位BCD计数
MOV AX,3000H
OUT 40H,AL ; 为计数器0送初值，先送低8位。
MOV AL,AH ; 交换一下 
OUT 40H,AL; 为计数器0送初值，后送高8位

2. 工作编程

（1）改变计数器初值
（2）读取当前计数值和当前状态

1）向控制字寄存器写入方式控制字D7D6=计数器编号、D5D4=00锁存当前计数值，再对读相应的计数器端口。
2）向控制字寄存器写入读回命令-读出控制字：
如果读回命令仅锁存相应计数器的状态信息，则相应计数器端口进行一次读操作即可读出状态信息。
如果读回命令仅锁存相应计数器的当前计数值，则对相应计数器端口进行读操作。若初值16位，则先读计数值的低8位，再读高8位。
如果读回命令同时锁存当前计数值和状态信息，则对相应计数器端口执行两次读操作，第一次读出状态信息，第二次读出当前计数值（初值为8位的情况，16位则读3次）

【例题】设8254端口地址为40H-43H，试读出计数器2的当前计数值。

使用锁存命令程序

MOV AL,10000000B ; D3-D0为任意
OUT 43H, AL ;锁存计数器2的当前计数值
IN AL,42H ; 读计数器2的当前计数值低8位
MOV AH,AL
IN AL,42H ; 读计数器2的当前计数值高8位
XCHG AH,AL ; AX中位计数器2当前计数值

第三节 8254的应用

一、8254在微机中的应用

PC系列机的定时系统结构框图
在这里插入图片描述

计数器0-系统计时器
系统利用计数器0完成日时钟计数。
计数器1-动态存储器定时刷新控制字
计数器1专门用作动态存储器刷新的定时控制
计数器2-扬声器音频发生器
计数器2为系统机箱内的扬声器发声提供音频信号，进行故障报警等。

【例】8254的CLK0的时钟频率时8Khz，问：
1）T/C0最大定时时间是多少？
2）如果8254端口地址为90H、92H、94H、96H，现要求使用该8254产生周期为9s、占空比为4：9的方波，请完成电路，编写初始化程序。

【答案】
1）TCLK0 = 1/fclk0 =1/8KHz = 0.125ms
最大定时时间=65536x0.125ms=8.192s

2）要求输出4：9的方波，低电平4s，高电平5s。可利用方式3计数初值为奇数，其特点是高电平比低电平多一个时钟周期。因此，可利用计数器0产生1hz的方波，作为计数器1的CLK，让计数器1的初值为9，这样就得到占空比为5：9的方波，再通过一个反相器，即得到周期为9s占空比为4：9的方波，初始化程序如下：

MOV AL,00110111; 0号计数器、方式3、二-十进制计数
OUT 96H,AL
MOV AX,8000H
OUT 90H,AL ; 向计数器0送计数初值，产生1hz的方波
MOV AL,AH
OUT 90H,AL
MOV AL,01010111B; 计数器1、只写低8位初值、方式3、二-十进制
OUT 96H, AL
MOV AL,9H
OUT 92H,AL

电路示意图
在这里插入图片描述

OUT0 输出作为CLK1的脉冲
OUT1 加上反相器

文章目录

第一节 定时/计数器的概述

一、定时与计数

二、定时方法

第二节 可编程定时/计数器8254

一、8254-2的基本功能

二、8254的内部结构和外部引脚

三、8254 的工作方式

1. 方式0：计数到零产生中断方式

2. 方式1：硬件可重触发单稳方式

3. 方式2：速率波发生器/n分频方式

4. 方式3：方波发生器

5. 方式4：软件触发选通

6. 方式5：硬件触发选通

四、8254的控制字

1. 方式控制字

2. 读出控制字

3. 状态字

五、8254的编程

1. 初始化编程

2. 工作编程

第三节 8254的应用

一、8254在微机中的应用

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