【微机原理与接口技术】定时控制接口

文章目录

  • 8253的引脚和工作方式
    • 内部结构和引脚
    • 工作方式
      • 方式0：计数结束中断
      • 方式1：可编程单稳脉冲
      • 方式2：周期性负脉冲输出
      • 方式3：方波发生器
      • 方式4：软件触发的单次负脉冲输出
      • 方式5：硬件触发的单次负脉冲输出
      • 各种工作方式的输出波形
  • 8253的编程
    • 8253的方式控制字
    • 写入计数值
    • 读取计数值
  • 8253的应用
    • 8253作为系统时钟
    • 8253作分频器
    • 8253实现定时中断
    • 8253的综合应用

8253的引脚和工作方式

定时功能的实现方法：

  • 软件延时——利用微处理器执行一个延时程序段实现
  • 不可编程的硬件定时——采用分频器、单稳电路或简易定时电路控制定时时间
  • 可编程的硬件定时——软件硬件相结合、用可编程定时器芯片构成一个方便灵活的定时电路

内部结构和引脚

在这里插入图片描述

8253 有 3个相互独立的16位计数器通道，称为计数器0、计数器1和计数器2，每个计数器通道的结构完全相同
每个计数器有6种工作方式
按二进制（最大计数值可达65535）或十进制（BCD码）计数（最大计数值可达9999）

（8254是8253的改进型，主要区别在于接入的最高频率，8254最高为10MHz，而8253为2M）

计数器结构：

在这里插入图片描述

计数初值存于预置寄存器；
在计数过程中，减法计数器的值不断递减（因此，当初值为0时，则计数值最大），而预置寄存器中的预置不变。
**输出锁存器（当前计数输出寄存器）**用于写入锁存命令时，锁定当前计数值

计数器的三个引脚：

  • CLK时钟输入信号

    在计数过程中，此引脚上每输入一个时钟信号（下降沿），计数器的计数值减1

  • GATE门控输入信号

    控制计数器的启动或停止，可分成电平控制和上升沿控制两种类型。一般而言，当其为高电平时计数器开始工作；为低电平时计数器暂停计数；

  • OUT计数器输出信号

    当一次计数过程结束（计数值减为0），OUT引脚上将产生一个输出信号

8253/8254与处理器的接口：

  • D0 ~ D7数据线
  • A0 ~ A1地址线
  • R D ‾ \overline{RD} RD 读信号
  • W R ‾ \overline{WR} WR 写信号
  • C S ‾ \overline{CS} CS 片选信号

在这里插入图片描述

工作方式

8253有6种工作方式，由方式控制字确定

每种工作方式的过程类似：

  1. 设定工作方式

  2. 设定计数初值

  3. 硬件启动（方式1和方式5需要）

    【启动方式由GATE端信号的形式决定】

    • 软件启动 ➡️ GATE端为高电平
    • 硬件启动 ➡️ GATE端有一个上升沿

  4. 计数初值进入减1计数器

  5. 每输入一个时钟计数器减1的计数过程

  6. 计数过程结束

六种工作方式：

  1. 方式0：计数结束中断

    工作过程：在这种方式下，当CPU写入控制字CW后，OUT立即变低电平（即使没写入初值），当写入初值后计数器开始计数，计数结束后OUT变为高电平

    在这里插入图片描述

    ① 设定工作方式
    ② 设定计数初值
    ③ 方式0 无需硬件启动，不需要这个过程
    ④ 计数值送入计数器
    ⑤ 每输入一个时钟计数器减1的计数过程
    ⑥ 计数过程结束

    方式0的特点：

    • 计数器只计一遍数；
    • 计数是在写入计数值后的CLK的下降沿开始的；
    • 计数过程中，当GATE=0时，计数暂停；GATE=1时，接着计数；
    • 在计数过程中，若改变初值，计数器将重新开始计数；

    在这里插入图片描述

  2. 方式1：可编程单稳脉冲

    工作过程：当CPU写入控制字后(WR上升沿)，OUT保持高电平，写入初值后并不开始计数，直到门控脉冲GATE启动后的下一个CLK的下降沿才开始计数

    在这里插入图片描述

    ① 设定工作方式
    ② 设定计数初值
    ③ 硬件启动（GATE端有一个上升沿）
    ④ 计数值送入计数器
    ⑤ 每输入一个时钟计数器减1的计数过程
    ⑥ 计数过程结束

    方式1的特点：

    • 若计数初值为N，则单拍脉冲宽度为N个输入脉冲间隔
    • 当计数到0后，可再次由GATE触发启动下一次计数
    • 在计数过程中，可通过GATE脉冲再触发。在再触发脉冲上升沿后的CLK的下降沿，计数器重新开始计数
    • 在计数过程中，若改变初值，计数器不受影响。若再次由GATE触发，则以新的计数值开始计数（即计数值是下次有效）

  3. 方式2：周期性负脉冲输出

    工作过程：当CPU写入控制字后（WR上升沿），OUT变为高电平，写入初值后立即自动开始计数，在计数过程中OUT一直保持高电平，直到计数器减到 1 时OUT变为低，经过一个CLK后，OUT又变为高，且计数器重新开始工作

    在这里插入图片描述

    方式2的特点：

    • 不用重新设置计数初值，就能够连续计数，输出固定频率的脉冲
    • 在计数过程中，若GATE＝0计数暂停，当GATE恢复为高后的下一个CLK脉冲，计数器恢复初值重新计数
    • 在计数过程中，若改变初值，计数器不受影响。在下次计数时，则以新的计数值开始计数（即计数值是下次有效）

  4. 方式3：方波发生器

    工作过程：当CPU写入控制字后，OUT变为高电平，写入初值后立即自动开始计数，在计数过程中OUT保持高；当计数到一半值时OUT变低，直至计数器到0时OUT又变高，重新开始下次计数

    在这里插入图片描述

    方式3的特点：

    • 当N为偶数时占空比＝1/2，N为奇数时输出的高电平比低电平多一个CLK周期
    • 不用重新设置计数初值，就能够连续计数，输出固定频率的方波脉冲
    • 在计数过程中，若GATE=0计数暂停，当GATE恢复为高后的下—个CLK脉冲，计数器恢复初值重新计数
    • 在计数过程中，若改变初值，计数器不受影响。在下次计数时，则以新的计数值开始计数（即计数值是下次有效）

  5. 方式4：软件触发的单次负脉冲输出

    工作过程：当CPU写入控制字后，OUT变为高电平，写入初值后立即开始计数(相当于软件启动)，当计数到 0 时OUT变低，经过一个CLK后OUT又变高，停止计数，在下—次写入初值后才重新计数

    在这里插入图片描述

    方式4的特点：

    • 若设置初值为N，在门控脉冲触发经过N个CLK才输出一个负脉冲
    • 在计数过程中，若GATE＝0禁止计数，当GATE恢复为高后的下—个CLK脉冲，计数器重新开始计数
    • 在计数过程中，若改变初值则按新值重新开始计数

  6. 方式5：硬件触发的单次负脉冲输出

    工作过程：当CPU写入控制字后，OUT变为高电平，写入初值后计数器并不开始计数，当GATE门控信号的上升沿后才开始计数（硬件启动），计数到 0 时OUT变低，经过一个CLK后OUT又变高，停止计数

    在这里插入图片描述

    方式5的特点：

    • 若设置初值为N，在门控脉冲触发经过N个CLK才输出一个负脉冲
    • 在计数过程中使用GATE脉冲，使计数器重新开始计数，但对输出状态没有影响
    • 在计数过程中，若改变初值，只要没有GATE脉冲触发不影响计数过程。写入新的初值后，若有GATE脉冲触发，则立即按新值开始计数

各种工作方式的输出波形

在这里插入图片描述

8253的编程

8253加电后的工作方式不确定，必须经过初始化编程，才能正常工作

8253的编程基本顺序为：

  1. 写入控制字
  2. 写入计数初值
  3. 计数器开始工作
  4. （读取计数值）

在这里插入图片描述

8253的方式控制字

在对8253的初始化编程中，先向其控制字寄存器写入一个控制字，以规定8253的工作方式

控制字格式如下：

在这里插入图片描述

【例】某个8253的计数器0、1、2端口和控制端口地址依次是40H~43H，设置其中计数器0为方式0，采用二进制计数，先低后高写入计数值

MOV AL,30H
;方式控制字：30H＝00 11 000 0B
OUT 43H,AL
;写入控制端口：43H

写入计数值

8253确定工作方式后，接着应向所选择的计数器中写入相应的计数值，则8253开始在输入频率 CLK 的作用下，自动进行减1计数。一般减至0时计数停止，此时在out 引脚输出一个变化的电平

计数初值 N 的计算公式为： N = f i n ÷ f o u t N=f_{in}÷f_{out} N=fin​÷fout​ 即 N＝输入频率÷输出频率

【例】某个8253的计数器0、1、2端口和控制端口地址依次是40H~43H；设置计数器0为方式1，采用二进制计数，写入计数初值：1024（＝400H）

MOV  AL,00110010B
OUT  43H,AL		;写入方式控制字
MOV  AX,1024	;计数初值：1024（＝400H）
;写入计数器0地址：40H,如下
OUT 40h,AL		;写入低字节计数初值
MOV AL,AH
OUT 40h,AL		;写入高字节计数初值

【例】设8253的通道1工作于方式5，按二进制计数，计数初值为4000H，则它的初始化程序段为？

MOV  AL,01101010B 	;通道1，只读写高字节，方式5，二进制计数
OUT  43H,AL			;写入方式控制字
MOV  AL,40H
OUT  41H,AL 		;送计数初值

读取计数值

8253任一通道的计数值，CPU可用输入指令读取
CPU读到的是执行输入指令瞬间计数器的当前值
但8253的计数器是16位的，所以要分两次读至CPU
因此，若不锁存的话，则在前后两次执行输入指令的过程中，计数值可能已经变化了

要锁存当前计数值有两种方法：

  • 利用GATE信号使计数过程暂停
  • 向8253写入一个方式控制字，令8253通道的锁存器锁存。之后，再从计数器I/O地址中读取锁存的计数值

读取计数值，要注意读写格式和计数数制

【例】对计数器1初始化，使其工作于方式3，采用二进制格式计数，计数初值为2000H。设8253的端口地址为 80H~83H
（1）编写初始化程序
（2）若要在计数过程中读出当前计数值，又如何编写程序？

【解(1)】

MOV AL,76H	;01110110B
OUT 83H,AL
MOV AX,2000H
OUT 81H,AL
MOV AL,AH
OUT 81H,AL

【解(2)】

MOV AL,40H(01000000B)	;向通道1写锁存命令
OUT 83H,AL
IN AL,81H	;先读低8位
XCHG AL,AH	;暂存AL
IN AL,81H	;再读高8位
XCHG AL,AH	;利用交换指令使计数值的低字节到AL，高字节到AH

8253的应用

8253作为系统时钟

【例】设某工业控制系统中通过8253的2#通道输出500Hz的连续方波作为系统时钟信号，已知8253的输入 CLK= 1MHz ，CS=320~323H，设计8253的控制程序

【分析】

  • 因为要产生连续的方波信号，因此选择8253的工作方式3；

  • 因为输出的方波频率为500Hz，所以写入的初值为：1000000/500=2000（7D0）；

    这里之所以这样除，是因为：在方式3中，我们输入的初值 N，相当于是对输入频率的N分频

  • 2000>256，因此必须写入16位计数值，写入顺序为先写低8位，后写高8位

【解】

MOV   DX,323H
MOV   AL,0B6H   
OUT   DX,AL   
MOV   DX,322H
MOV   AX,7D0H
OUT   DX,AL   
MOV   AL,AH
OUT   DX,AL

8253作分频器

【例】设8253的输入CLK1=1000Hz，CS=10~13H，要求OUT1输出为高电平和低电平均为20ms方波。设计8253的控制程序

【分析】

  • 因为要产生连续的方波信号，因此选择8253的工作方式3；
  • 因为输出的方波频率为1000/（20+20）=25Hz，所以写入的初值为 1000/25 = 40
  • 40<256，因此写入时选择一个字节写入
MOV   AL,56h  ;0101 0110
OUT   13H,AL
MOV   AL,40
OUT   11H,AL

8253实现定时中断

【例】设某应用系统中，系统提供一个10KHz的时钟信号接入8253的CLK0，即输入CLK0=10KHz， 8253的OUT0接入8259的IR1，要求每隔10ms完成一次扫描键盘的工作，已知CS=10~13H

【分析】

  • 因为每隔10ms 8253要产生一个中断脉冲，所以选择8253的工作方式2
  • 因为要每10ms完成一次动作，即动作频率为 1000/10=100Hz，所以写入的初值为10K/100=100
  • 100<256，因此写入时选择一个字节写入
MOV   AL,15h  ;0001 0100
OUT   13H,AL
MOV   AL,100
OUT   10H,AL

8253的综合应用

试按如下要求将8253的初始化程序补充完整，已知8253的计数器0～2和控制字I/O地址依次为204H～207H
① 使计数器1工作在方式0，仅用8位二进制计数，计数初值为128
② 使计数器0工作在方式1，按BCD码(十进制)计数，计数值为3000
③ 使计数器2工作在方式2，计数值为02F0H

在这里插入图片描述

【解】⬇️

在这里插入图片描述

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