可编程定时器8253

第八章 可编程定时器/计数器8253及其应用

第八章 可编程定时器/计数器8253及其应用

【回顾】 可编程芯片的概念，端口的概念。

【本讲重点】 定时与计数的基本概念及其意义，定时/计数器芯片Intel8253的性能概述，内、外部结构及其与CPU的连接。

8.1 定时与计数

1．定时与计数

在微机系统或智能化仪器仪表的工作过程中，经常需要使系统处于定时工作状态，或者对外部过程进行计数。定时或计数的工作实质均体现为对脉冲信号的计数，如果计数的对象是标准的内部时钟信号，由于其周期恒定，故计数值就恒定地对应于一定的时间，这一过程即为定时，如果计数的对象是与外部过程相对应的脉冲信号（周期可以不相等），则此时即为计数。

2．定时与计数的实现方法 (1) 硬件法

专门设计一套电路用以实现定时与计数，特点是需要花费一定硬设备，而且当电路制成之后，定时值及计数范围不能改变。 (2) 软件法

利用一段延时子程序来实现定时操作，特点，无需太多的硬设备，控制比较方便，但在定时期间，CPU不能从事其它工作，降低了机器的利用率。 (3) 软、硬件结合法

即设计一种专门的具有可编程特性的芯片，来控制定时和计数的操作，而这些芯片，具有中断控制能力，定时、计数到时能产生中断请求信号，因而定时期间不影响CPU的正常工作。

8.2 定时/计数器芯片Intel8253

Intel8253是8086微机系统常用的定时/计数器芯片，它具有定时与计数两大功能。

一、8253的一般性能概述

1．每个8253芯片有3个独立的16位计数器通道；

2．每个计数器通道都可以按照二进制或二—十进制(BCD码)计数； 3．每个计数器的计数速率可以高达2MHz；

4．每个通道有6种工作方式，可以由程序设定和改变； 5．所有的输入、输出电平都与TTL兼容。

二、8253内部结构

8253的内部结构如图8-1所示，它主要包括以下几个主要部分：

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图8-1 8253的内部结构

1．数据总线缓冲器

实现8253与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器，用以传送CPU向8253的控制信息、数据信息以及CPU从8253读取的状态信息，包括某时刻的实时计数值。 2．读/写控制逻辑

控制8253的片选及对内部相关寄存器的读/写操作，它接收CPU发来的地址信号以实现片选、内部通道选择以及对读/写操作进行控制。 3．控制字寄存器

在8253的初始化编程时，由CPU写入控制字，以决定通道的工作方式，此寄存器只能写入，不能读出。 4．计数通道0#、1#、2#：

这是三个独立的，结构相同的计数器/定时器通道，每一个通道包含一个16位的计数寄存器，用以存放计数初始值，一个16位的减法计数器和一个16位的锁存器，锁存器在计数器工作的过程中，跟随计数值的变化，在接收到CPU发来的读计数值命令时，用以锁存计数值，供CPU读取，读取完毕之后，输出锁存器又跟随减1计数器变化。

三、8253的外部引脚

8253芯片是具有24个引脚的双列直插式集成电路芯片，其引脚分布如图8－2所示。8253芯片的24个引脚分为两组，一组面向CPU，另一组面向外部设备，各个引脚及其所传送信号的情况，介绍如下：

1．D7~D0：双向、三态数据线引脚，与系统的数据线连接，传送控制、数据及状态信息。 2．RD：来自于CPU的读控制信号输入引脚，低电平有效。 3．WR：来自于CPU的写控制信号输入引脚，低电平有效。 4．CS：芯片选择信号输入引脚，低电平有效。

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图8-2 8253的引脚

5．A1、A0：地址信号输入引脚，用以选择8253芯片的通道及控制字寄存器。A0、A1的状态与8253端口地址的对应关系如下表所示。

A1 0 0 1 1 A0 0 1 0 1 0＃通道 1＃通道 2＃通道 控制端口 6．VCC及GND：+5V电源及接地引脚

7．CLKi：i=0,1,2,第i个通道的计数脉冲输入引脚，8253规定，加在CLK引脚的输入时钟信号的频率不得高于2.6MHZ，即时钟周期不能小于380ns。

8．GATEi：i=0,1,2,第i个通道的门控信号输入引脚，门控信号的作用与通道的工作方式有关。

9．OUTi：i=0,1,2,第i个通道的定时/计数到信号输出引脚，输出信号的形式由通道的工作方式确定，此输出信号可用于触发其它电路工作，或作为向CPU发出的中断请求信号。

四、8253的控制字

8253有一个8位的控制字寄存器，其格式如下：

图8-3 8253的控制字

其中：

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D0：数制选择控制。为1时，表明采用BCD码进行定时/计数；否则，采用二进制进行定时/计数。

D3~D1：工作方式选择控制。000，0；001，1；X10，2；X11，3；100，4；101，5；

D5、D4：读写格式。00，计数锁存命令；01，读/写高8位命令；10，读/写低8位命令；11，先读/写低8位，再读写高8位命令。

D7、D6：通道选择控制。00 0通道；01，1通道；10，2通道；11，非法 1．8253的初始化编程

要使用8253，必须首先进行初始化编程，初始化编程包括设置通道控制字和送通道计数初值两个方面，控制字写入8253的控制字寄存器，而初始值则写入相应通道的计数寄存器中。

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。D0：用于确定计数数制，0，二进制；1，BCD码

【例1】 设8253的端口地址为：04H～0AH，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： MOV AL，50H OUT 0AH，AL MOV AL，80H OUT 06H，AL

【例2】 设8253的端口地址为：F8H～FEH，若用通道0工作在方式1，按二——十进制计数，计数值为5080H，进行初始化编程。

控制字为：00110011B=33H 初始化程序： MOV AL，33H OUT 0FEH，AL MOV AL，80H OUT 0F8H，AL MOV AL，50H OUT 0F8H，AL

【例3】 设8253的端口地址为：04H～0AH，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：

MOV AL，0B4H OUT 0AH，AL MOV AL，0F0H OUT 08H，AL

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MOV AL，02H OUT 08H，AL

2．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F8H～FEH。 MOV AL，40H；

OUT 0FEH，AL ；锁存计数值 IN AL，0FAH

MOV CL，AL；低八位 IN AL，0FAH；

MOV CH，AL；高八位

五、8253在系统中的典型连接

8253在系统中的连接如图8-4所示。

Intel 8086

图8-4 Intel8253在系统中的连接

六、8253的工作方式

8253共有6种工作方式，各方式下的工作状态是不同的，输出的波形也不同，其中比较灵活的是门控信号的作用。由此组成了8253丰富的工作方式、波形，下面我们逐个介绍： 1．几条基本原则

(1) 控制字写入计数器时，所有的控制逻辑电路立即复位，输出端OUT进入初始状态。初始状态对不同的模式来说不一定相同。

(2) 计数初始值写入之后，要经过一个时钟周期上升沿和一个下降沿，计数执行部件才可以开始进行计数操作，因为第一个下降沿将计数寄存器的内容送减1计数器。

(3) 通常，在每个时钟脉冲CLK的上升沿，采样门控信号GATE。不同的工作方式下，门

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控信号的触发方式是有具体规定的，即或者是电平触发，或者是边沿触发，在有的模式中，两种触发方式都是允许的。其中0、2、3、4是电平触发方式，1、2、3、5是上升沿触发。 (4) 在时钟脉冲的下降沿，计数器作减1计数，0是计数器所能容纳的最大初始值。二进制相当于216，用BCD码计数时，相当于104 2．方式0—计数结束产生中断

方式0的波形如图8-5所示，当控制字写入控制字寄存器后，输出OUT就变低，当计数值写入计数器后开始计数，在整个计数过程中，OUT保持为低，当计数到0后，OUT变高；GATE的高低电平控制计数过程是否进行。

图8-5 方式0波形

从波形图中不难看出，工作方式0有如下特点：

① 计数器只计一遍，当计数到0时，不重新开始计数保持为高，直到输入一新的计数值，

OUT才变低，开始新的计数；

② 计数值是在写计数值命令后经过一个输入脉冲，才装入计数器的，下一个脉冲开始计数，因此，如果设置计数器初值为N，则输出OUT在N＋1个脉冲后才能变高； ③ 在计数过程中，可由GATE信号控制暂停。当GATE＝0时，暂停计数；当GATE＝1时，继续计数；

④ 在计数过程中可以改变计数值，且这种改变是立即有效的，分成两种情况：若是8位计数，则写入新值后的下一个脉冲按新值计数；若是16位计数，则在写入第一个字节后，停止计数，写入第二个字节后的下一个脉冲按新值计数。 3．方式1—可编程的硬件触发单拍脉冲

方式1的波形如图8-6所示，CPU向8253写入控制字后OUT变高，并保持，写入计数值后并不立即计数，只有当外界GATE信号启动后（一个正脉冲）的下一个脉冲才开始计数，OUT变低，计数到0后，OUT才变高，此时再来一个GATE正脉冲，计数器又开始重新计数，输出OUT再次变低，…，因此输出为一单拍负脉冲。

图8-6 方式1波形

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从波形图不难看出：方式1有下列特点： ① 输出OUT的宽度为计数初值的单脉冲；

② 输出受门控信号GATE的控制，分三种情况：

? 计数到0后，再来GATE脉冲，则重新开始计数，OUT变低；

? 在计数过程中来GATE脉冲，则从下一CLK脉冲开始重新计数，OUT保持为低； ? 改变计数值后，只有当GATE脉冲启动后，才按新值计数，否则原计数过程不受影

响，仍继续进行，即新值的改变是从下一个GATE开始的。

③ 计数值是多次有效的，每来一个GATE脉冲，就自动装入计数值开始从头计数，因此在初始化时，计数值写入一次即可。 4、方式2—速率发生器

方式2的波形如图8-7所示，在这种方式下，CPU输出控制字后，输出OUT就变高，写入计数值后的下一个CLK脉冲开始计数，计数到1后，输出OUT变低，经过一个CLK以后，OUT恢复为高，计数器重新开始计数，…，因此在这种方式下，只需写入一次计数值，就能连续工作，输出连续相同间隔的负脉冲（前提：GATE保持为高），即周期性地输出，方式2下，8253有下列使用特点： ① 通道可以连续工作；

② GATE可以控制计数过程，当GATE为低时暂停计数，恢复为高后重新从初值；（注意：该方式与方式0不同，方式0是继续计数）

③ 重新设置新的计数值即在计数过程中改变计数值，则新的计数值是下次有效的，同方式1。

图8-7 方式2波形

5．方式3—方波速率发生器

方式3的波形如图8-8所示，这种方式下的输出与方式2都是周期性的，不同的是周期不同，CPU写入控制字后，输出OUT变高，写入计数值后开始计数，不同的是减2计数，当计数到一半计数值时，输出变低，重新装入计数值进行减2计数，当计数到0时，输出变高，装入计数值进行减2计数，循环不止。

在方式3下，8253有下列使用特点：

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计数值为偶数

计数值为奇数

图8-8 方式3时计数器的工作波形

① 通道可以连续工作；

② 关于计数值的奇偶，若为偶数，则输出标准方波，高低电平各为N/2个；若为奇数，则在装入计数值后的下一个CLK使其装入，然后减1计数，（N＋1）/2，OUT改变状态，再减至0，OUT又改变状态，重新装入计数值循环此过程，因此，在这种情况下，输出有（N＋1）/2个CLK个高电平，（N－1）/2个CLK个低电平；

③ GATE信号能使计数过程重新开始，当GATE＝0时，停止计数，当GATE变高后，计数器重新装入初值开始计数，尤其是当GATE＝0时，若OUT此时为低，则立即变高，其它动作同上；

④ 在计数期间改变计数值不影响现行的计数过程，一般情况下，新的计数值是在现行半周结束后才装入计数器。但若中间遇到有GATE脉冲，则在此脉冲后即装入新值开始计数。 6．方式4—软件触发的选通信号发生器

方式4的波形如图8-9所示，在这种方式下，也是当CPU写入控制字后，OUT立即变高，写入计数值开始计数，当计数到0后，OUT变低，经过一个CLK脉冲后，OUT变高，这种计数是一次性的（与方式0有相似之处），只有当写入新的计数值后才开始下一次计数。

图8-9 方式4波形

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方式4下，8253有下列使用特点：

①当计数值为N时，则间隔N＋1个CLK脉冲输出一个负脉冲（计数一次有效）； ②GATE＝0时，禁止计数，GATE＝1时，恢复继续计数；

③在计数过程中重新装入新的计数值，则该值是立即有效的（若为16位计数值，则装入第一个字节时停止计数，装入第二个字节后开始按新值计数）。 7．方式5—硬件触发的选通信号发生器

方式5的波形如图8-10所示，在这种方式下，当控制字写入后，OUT立刻变高，写入计数值后并不立即开始计数，而是由GATE的上升沿触发启动计数的，当计数到0时，输出变低，经过一个CLK之后，输出恢复为高，计数停止，若再有GATE脉冲来，则重新装入计数值开始计数，上述过程重复。 方式5下，8253有下列使用特点：

① 在这种方式下，若设置的计数值是N，则在GATE脉冲后，经过（N＋1）个CLK才一个负脉冲；

② 若在计数过程中又来一个GATE脉冲，则重新装入初值开始计数，输出不变，即计数值多次有效；

③ 若在计数过程中修改计数值，则该计数值在下一个GATE脉冲后装入开始按此值计数。

图8-10 方式5波形

尽管8253有6种工作模式，但是从输出端来看，仍不外乎为计数和定时两种工作方式。作为计数器时，8253在GATE的控制下，进行减1计数，减到终值时，输出一个信号。作为定时器工作时，8253在门控信号GATE控制下，进行减1计数。减到终值时，又自动装入初始值，重新作减1计数，于是输出端会不断地产生时钟周期整数倍的定时时间间隔。 8．8253的工作方式小结

下面，我们对8253的6种工作模式的特点，作一番比较和总结。

(1) 方式2、4、5的输出波形是相同的，都是宽度为一个CLK周期的负脉冲，但方式2连续工作，方式4由软件触发启动，方式5由硬件触发启动。

(2) 方式5与方式1工作过程相同，但输出波形不同，方式1输出的是宽度为N个CLK脉冲的低电平有效的脉冲（计数过程中输出为低），而方式5输出的为宽度为一个CLK脉冲的负脉冲（计数过程中输出为高）。

(3) 输出端OUT的初始状态，方式0在写入方式字后输出为低，其余方式，写入控制字后，输出均变未能高。

(4) 任一种方式，均是在写入计数初值之后，才能开始计数，方式0、2、3、4都是在写入计数初值之后，开始计数的，而方式1和方式5需要外部触发启动，才开始计数。

(5) 6种工作方式中，只有方式2和方式3是连续计数，其它方式都是一次计数，要继续工作需要重新启动，方式0、4由软件启动，方式1、5由硬件启动。

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(6) 门控信号的作用；通过门控信号GATE，可以干预8253某一通道的计数过程，在不同的工作方式下，门控信号起作用的方式也不一样，其中0、2、3、4是电平起作用，1、2、3、5是上升沿起作用，方式2、3对电平上升沿都可以起作用。 (7) 在计数过程中改变计数值，它们的作用有所不同。

(8) 计数到0后计数器的状态，方式0、1、4、5继续倒计数，变为FF、FE。。。。。。，而方式2、3、，则自动装入计数初值继续计数。

七、8253的编程应用

【例4】 在IBM PC/XT中，8253作为定时计数器电路，它的三个通道的作用分别为： 计数器0编程为方式3，GATE0固定为高电平，OUT0作为中断请求信号接至8259A中断控制器的第0级IRQ0。这个定时中断（约55ms）用于报时时钟的时间基准。

计数器1编程为方式2，GATE1固定为高电平，OUT1的输出经过一个D触发器后作为8237A－5DMA控制器通道0的DMA请求DREQ0，用于定时（约15us）启动刷新动态RAM，这样在2ms内可以有132次刷新，大于128次（128次是系统的最低要求）。

计数器2编程为方式3，1KHZ的方波输出，通过滤波，去除高频分量后送扬声器，GATE2是8255的PB0，OUT输出经一与门控制，控制信号为8255的PB1，这样利用PB0、PB1同时为高的时间来控制发长音还是发短音。

T?N?定时时间?N＝定时时间 时钟频率F为1.19MHZ，T=1/F T8253－5的地址为040H～043H，ROM－BIOS对8253－5的编程如下： 计数器0用于定时中断。

MOV AL，00110110B；00110110――二进制 OUT 43H，AL

MOV AL，0；计数初值为0000，即为216 OUT 40H，AL

OUT 40H，AL；定时为：840ns?216?55ms，即频率为18.2HZ――每秒产生18.2次

时钟中断（CLK周期为：1/1.19M）

计数器1用于定时DMA请求。

MOV AL，01010100B；01010100――二进制 OUT 43H，AL

MOV AL，12H；计数初值为18D，定时：840ns?18?15?s OUT 41H，AL

计数器2用于产生1KHZ的方波送至扬声器发声，声响子程序为BEEP，入口地址为FFA08H。 BEEP PROC NEAR

MOV AL，10110110B；10110110——二进制 OUT 43H，AL

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MOV AX，0533H；计数初值为1331 OUT 42H，AL MOV AL，AH OUT 42H，AL

IN AL，61H；取8255B端口 MOV AH，AL；存在AH OR AL，03H；使PB1PB0?11

OUT 61H，AL；输出至82255的B端口，使扬声器发声 SUB CX，CX；循环计数 G7：LOOP G7

MOV BH，0

DEC BX；BL的值为控制长短声，BL＝6（长），BL＝1（短） JNZ G7

MOV AL，AH；恢复8255B端口值，停止发声 OUT 61H，AL RET

BEEP ENDP

【例5】CPU为8086，用8253的CH0（通道0），每隔2ms输出一个负脉冲，设CLK为2MHZ，完成软件设计。

分析：时间常数的计算：已知时钟频率F及定时时间t，求计数初值N：

1?N??t ?N?t?F

F设用方式2，时间常数：

N?2?10?3?2?106?4?103

控制字：00110100——二进制

端口地址：CH0――00H；控制端口——06H 初始化编程：

MOV AL，34H ；00110100B OUT 06H，AL MOV AX，4000

OUT 00H，AL ；先送低八位 MOV AL，AH MOV AL，02H

OUT 00H，AL ；再送高八位

思考：若定时20ms（即输出50HZ的方波，设为工作方式2），CLK改为4MHZ，CPU为

8086，软硬件设计又该如何？

分析：N?4MHZ?20ms?80000（超过65536，必须考虑用两个通道级连）即将第一级的

OUT输出作为第二级的CLK输入，取第二级的OUT输出为最后结果，超过二级，依次类推。此时只需将计算出的N分别为N1、N2、…作为各级的计数初值即可。如本例可分解成4?20000。

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程序从略。

【习题与思考】

1．8253芯片共有几种工作方式？每种方式各有什么特点？

2．某系统中8253芯片的通道0~2和控制端口地址分别为FFF0H~FFF3H。定义通道0工作在方式2，CLK0＝2MHz，要求输出OUT0为1kHz的速率波；定义通道l工作在方式CLKl输入外部计数事件，每计满100个向CPU发出中断请求。试写出8253通道0和通道1的初始化程序。

3．试编写一程序，使IBM PC机系统板上的发声电路发出200Hz至900Hz频率连续变化

的报警声。 4．已知：PC/XT微机系统中用作定时及计数的8253芯片的通道为40H，其主频率为1.19MHz,请参阅P239~240，对三个通道进行初始化设置。（CNT2的输出方波频率设为2kHz）. 5．设8253的通道2工作在计数方式，外部事件从CLK2引入，通道2每计500个脉冲向

CPU发出中断请求，CPU响应这一中断后继续写入计数值，重新开始计数，保持每1秒钟向CPU发出中断请求。假设条件如下： ① 8253的通道2工作在方式4； ② 外部计数事件频率为1kHz； ③ 中断类型号为54H；

④ 8253各端口地址如上题； ⑤ 用8212芯片产生中断类型号；（注：8212为带8位输入锁存器和8位输出缓冲器的总线接口电路）。

试编写程序完成以上任务，并画出硬件连接图。

6. 试说明定时和计数在实际系统中的应用？这两者之间有和联系和差别？ 7. 定时和计数有哪几种实现方法？各有什么特点？ 8. 试说明定时/计数器芯片Intel8253的内部结构。

9. 定时/计数器芯片Intel8253占用几个端口地址？各个端口分别对应什么？

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