第 8 章 8253 定时器 计数器

1. 可编程定时器/计数器 8253

1.1. 问题的提出

1.1.1. 定时器的本质——计数

定时可以看作对时间基准的计数，将任意一个固定周期作为时间标准进行累积就能获得一定时间

1.1.2. 定时器/计数器

• 定时器本质上是通过对周期性信号的计数实现的
• 计数器只是对输入信号累计，通过加 1 或减 1 实现
• 定时/计数电路的输入信号是脉冲信号
  • 计数器
    • 计数器接口的输入信号：非周期的脉冲信号
    • 计数器接口的输出信号：脉冲计数值
  • 定时器
    • 定时器接口的输入信号：周期性时钟
    • 定时器接口的输出信号：按输入周期产生一个定时输出

1.2. 8253 的主要功能

• 有 3 个独立的 16 位计数器。
• 每个计数器都可以按照二进制或 BCD 码进行计数。
• 每个计数器的计数速率可高达 2 MHz。
• 每个计数器有 6 种工作方式，可由程序设置和改变。
• 所有的输入输出引脚电平都与 TTL 电平兼容（单电源+5V）。

1.3. 8253 的内部结构

1.3.1. 数据总线缓冲器

CPU 用输入输出指令对 8253 进行读写的所有信息：

• CPU 初始化编程时写入 8253 的控制字；
• CPU 向某一计数器写入的计数值；
• CPU 从某一计数器读取的计数值。

1.3.2. 读/写逻辑

8253内部操作的控制部分：

• $\overline{CS}$ 片选控制
• $\overline{RD}$ 和 $\overline{WR}$ 读写控制
• $\displaystyle{ A _{ 0 } }$ 和 $\displaystyle{ A _{ 1 } }$ 端口选择

1.3.3. 控制字寄存器

控制字寄存器，在初始化时由 CPU 写入控制字决定计数器的工作方式。 控制字寄存器只能写入不能读出。

1.3.4. 计数器

• 3 个计数器中都包括 4 个寄存器：
  • 计数初值寄存器 CR；
  • 减法计数寄存器 CE，一个有效脉冲，CE 值减一
  • 计数输出寄存器 OL，随 CE 变化；CPU 发出所存命令时，锁存当前计数值
  • 控制寄存器(6位)
• 每个计数器都 3 条信号线：
  • 计数输入 CLK；
  • 输出信号 OUT；
  • 选通输入（门控输入）GATE；

1.4. 引线

• 与CPU的连接线：
  • $D_0\sim D_7$ 双向三态与数据总线连接；
  • $\displaystyle{ A _{ 0 } }$ 与 $\displaystyle{ A _{ 1 } }$ 地址线，片内寻址；
  • $\overline{CS}$ 片选信号线；
• $\overline{RD}$ 与 $\overline{RD}$ ,读写控制
  • 与外部设备的连线：
  • CLK 引脚可输入周期或随机的脉冲信号；
  • GATE 启动或禁止计数；
  • OUT 引脚，输出信号端，可以是方波，脉冲电平等

1.5. 8253 控制字

• SC
  • 00 计数器 0
  • 01 计数器 1
  • 10 计数器 1
  • 11 非法
• RL
  • 00 锁存
  • 01 低八位
  • 10 高八位
  • 11 十六位
• M
  • 000 方式 0
  • 001 方式 1
  • x10 方式 2
  • x11 方式 3
  • 100 方式 4
  • 101 方式 5
• BCD
  • 0 二进制
  • 1 BCD 计数

1.6. 计数方式

方式 0：计数结束中断方式

计数器只计一遍。当计数到 0 时，并不恢复计数值，不开始重新计数，且输出保持为高。只有在写入另一个计数值时，OUT 变低，开始新的计数。

8253在 $\overline{WR}$ 信号的上升沿将计数值写入 CR，并在下一个 CLK 脉冲开始计数，即如果计数初值为N，在 N+1 个 CLK 脉冲之后输出信号 OUT 变为高电平；

计数过程由 GATE 控制暂停，当 GATE=0 时，计数暂停，当 GATE 变高之后继续计数；

8253 在计数过程可以改变计数值，如果是 8 位计数，在写入新的计数值之后开始重新计数；如果是 16 位，则写第一个字节后计数暂停，第二个字节后按新的计数值计数；

8253 内部没有中断控制电路，可以用 OUT 信号作为中断请求信号。

MOV AL, 50H   ; 控制字 01 01 000 0
OUT 07H, AL   ; 输至控制字寄存器
MOV AL, 80H   ; 计数值 128
OUT 05H, AL   ; 输至计数器 1

MOV AL, 50H   ; 控制字 01 01 000 0
OUT 07H, AL   ; 输至控制字寄存器
MOV AL, 80H   ; 计数值 128
OUT 05H, AL   ; 输至计数器 1

方式 1：可编程单稳态触发方式

• 由门控信号 GATE 上升沿触发计数；
• 开始计数之后 OUT 变为低电平；
• 计数执行单元 CE 为零时，OUT 端变为高电平。

写入控制字后，OUT 输出为高电平。写入计数初值 N 后，计数器并不开始计数，而要等到 GATE 上升沿后的下一个 CLK 输入脉冲的下降沿，计数初值装入减 1 计数寄存器，同时 OUT 端变为低电平，计数才开始。计数结束时，OUT 输出变高，从而产生一个宽度为 N 个 CLK 周期的负脉冲

方式 1 中 GATE 信号有两个方面的作用：

• 在计数结束后，若再来一个 GATE 信号上升沿，则下一个时钟周期的下降沿又从初值开始计数，而不需要重新写入初值，即门控信号可重新触发计数
• 在计数过程中，若来一个 GATE 信号的上升沿，也在下一个时钟下降沿从初值起重新计数，即终止原来的计数过程，开始新的一轮计数

方式 2：频率发生器方式（分频器）

• 写入控制字 CW 之后，OUT 端变为高电平；
• 下一个 $\overline{WR}$ 信号的上升沿写入计数初值，若 GATE 为高电平则在之后的第一个时钟下降沿开始减一计数；
• 计数减至 1 之后 OUT 端变为低电平并维持 1 个时钟周期，计数器值变为 0 之后 OUT 端重新变为高电平开始下一轮的计数。

• CR 内容能自动地、重复地装入到 CE 中，OUT 端上就能连续地输出周期性分频信号 (1/N)；
• 改变计数初值，即可获得不同速率的 OUT 输出信号；
• 负脉冲宽度均为一个CLK脉冲的周期；
• 既可软件启动，又可硬件启动。

方式 3：方波发生器

• 写入控制字 CW 之后，OUT 端变为高电平；
• 下一个 $\overline{WR}$ 信号的上升沿写入计数初值，若 GATE 为高电平则在之后的第一个时钟下降沿开始减一计数；
• 若为偶数则计数减至 N/2 之后 OUT 端变为低电平继续计数；计数减至 0 时 OUT 端回复高电平，并重新载入初值计数（完全对称方波）；
• 若为奇数则计数减至 (N+1)/2 之后 OUT 端变为低电平继续计数；计数减至 0 时 OUT 端回复高电平，并重新载入初值计数（近似对称方波）。

GATE =0 终止计数，当计数过程中有新的 LSB 传入时不影响当前计数，在当前计数周期结束后使用新的计数值。

方式3的特点

• CR 内容能自动地、重复地装入到 CE 中；
• 改变计数初值，即可获得不同速率的 OUT 输出信号；
• 主要应用作为方波发生器和波特率发生器；
• 既可软件启动，又可硬件启动。

方式 4：软件触发选通方式

• 写入控制字 CW 之后，OUT 端变为高电平；
• 下一个 $\overline{WR}$ 信号的上升沿写入计数初值，若 GATE 为高电平则在之后的第一个时钟下降沿开始减一计数；
• 计数为 0 时，OUT 输出低电平，持续一个 CLK 脉冲周期之后恢复高电平；
• 重新输入计数初值之后再开始重新计数。

• 与方式0主要区别是OUT端输出的波形不同。其次是计数期间的输出极性相反，方式0是低电平输出，方式4是高电平输出。
• 计数值N仅一次有效，继续计数需要新的计数值。
• 软件触发，采用计数值装入计数寄存器来触发。
• 计数过程中如果有新的计数值写入，在下一个CLK下降沿采用新的计数值开始计数。

方式 5：硬件触发选通方式

• 写入控制字CW之后，OUT端变为高电平；
• 下一个 $\overline{WR}$ 信号的上升沿写入计数初值，此时不立即计数；
• GATE信号上升沿触发计数，开始减一计数；
• 计数为 0 时，OUT 输出低电平，持续一个 CLK 脉冲周期之后恢复高电平；
• 重新出现 GATE 上升沿脉冲再开始重新计数。

方式 5 的特点

• 硬件触发，采用 GATE 上升沿触发。
• GATE上升沿任何时候都会触发一个新的计数。
• 计数过程中如果有新的计数值写入，不影响当前计数，在下一个GATE上升沿采用新的计数值开始计数

1.7. 工作方式的异同

共同点

• 每一种工作方式不仅与计数初值有关, 而且受CLK信号和GATE信号控制。CLK信号确定计数减1速率, GATE信号允许/禁止计数，或者启动计数。
• 写计数初值之后, 并不马上开始计数, 只有检测到GATE信号有效, 经过一个CLK周期, 把计数初值送到减1计数器, 才开始做减1操作。
• OUT端随着工作方式的不同和当前计数状态的不同, 一定有电平输出变化。OUT的输出波形在写控制字之前为未定态, 在写了控制字之后到计数之前为计数初态, 再之后有计数态、暂停态、结束态等。
• 对于给定的工作方式, 门控信号GATE的触发条件是有具体规定的, 或电平触发, 或边沿触发, 或两者均可。

不同点

0 & 4

软件触发（写入计数初值）启动计数, 无自动重装计数值功能。

1 & 5

硬件触发（GATE上升沿）启动计数

2 & 3

具有自动重装计数值的能力, 是频率发生器(分频器)

1.8. 8253 编程

1.8.1. 流程

1.8.2. 端口地址

假设端口地址为 0F8H~0FBH，则计数器 0，计数器 1，计数器 2，控制端口分别为 0F8H, 0F9H, 0FAH, 0FBH