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第三章 定时／计数技术

第三章 定时／计数技术.  本章重点 ： （1）定时与计数的概念理解 （2）8254的外部特性及内部工作方式的理解 （3）8254方式命令字及计数初值的设置 （5）8254的应用 （4） 实时钟电路 MCl46818 及其应用. 3.1 8254/8253定时计数器. 1.定时与计数 2.微机系统中的定时 微机系统中常为 CPU 或外设提供时间标记、对外部事件计数。需要系统的定时问题。 微机系统中的定时可分为两种： 内部定时和外部定时。 内部定时 是计算机本身运行的时间基准或时序关系。 外部定时 是外设实现某种功能时，本身所需要的一种时序关系。

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第三章 定时／计数技术

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  1. 第三章 定时／计数技术 •  • 本章重点： • （1）定时与计数的概念理解 • （2）8254的外部特性及内部工作方式的理解 • （3）8254方式命令字及计数初值的设置 • （5）8254的应用 • （4）实时钟电路MCl46818及其应用

  2. 3.1 8254/8253定时计数器 • 1.定时与计数 • 2.微机系统中的定时 • 微机系统中常为CPU或外设提供时间标记、对外部事件计数。需要系统的定时问题。 • 微机系统中的定时可分为两种：内部定时和外部定时。 • 内部定时是计算机本身运行的时间基准或时序关系。 • 外部定时是外设实现某种功能时，本身所需要的一种时序关系。 • 本章重点讨论外部定时技术 • 3.定时方法 • （1）软件定时（软件编程，占用CPU，效率低等） • （2）硬件定时（定时/计数器或单稳延时电路，不占用CPU时间，准确、不受主频影响、定时时间长等）

  3. 3.1 8253/8254定时计数器 • 3个独立的16位计数器通道 • 每个计数器有6种工作方式 • 按二进制或十进制（BCD码）计数 8254是8253的改进型

  4. 计数器的3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——控制计数器工作，可分成电平控制和上升沿控制两种类型 • 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

  5. 2. 与处理器接口 • D0 ~ D7数据线 A0 ~ A1地址线 • RD*读信号 WR*写信号 • CS*片选信号

  6. 3.2 可编程定时计数器8253/8254 • 外部特性与内部逻辑 • 1.外部特性 • 8253是24引脚的DIP封装芯片，＋5V供电，内有三个独立的计数器，每个计数器有单独的时钟、计数输出、门控制。引脚定义如下图： • ①数据总线，D0～D7：为三态输出／输入线。用于将8254与系统数据总线相连 。 • ②片选线/CS：为输入信号，低电子有效。 • ③读信号/RD：为输入信号，低电平有效。它由CPU发出,用于对8253寄存器进行读操作。 • ④写信号/WR：为输入信号，低电子有效。它由

  7. 外部特性与内部逻辑 • CPU发出，用于对8253寄存器进行写操作。 • ⑤地址线A1A0与CPU系统地址总线A1A0相连，与/CS一起用于选通8253内部寄存器。 • ⑥计数器时钟信号CLK；为输入信号。是8253的计数时钟。 • ⑦计数器门控选通信号GATE：为输入信号。GATE信号的作用是用来禁止、允许或开始计数过程的。 • ⑧计数器输出信号OUT：为输出信号。 OUT信号的作用是，计数器工作时，每来1个时钟脉冲，计数器减1，当计数值减为0，就在输出线上输出一OUT信号，以示定时或计数已到。

  8. 外部特性与内部逻辑 • 2.内部逻辑结构 • ①数据总线缓冲器。它是一个三态、双向8位寄存器，用于将8253与系统数据总线Do—D7相连。功能：向8253写入确定8253工作方式的命令；向计数寄存器装入初值；读出计数器的初值或当前值。 • ②读／写逻辑。确定操作那一个寄存器。 • ③控制命令寄存器。它接受CPU送来的控制字。 用于选择计数器及其工作方式。 • ④计数器。3个独立的计数器内部结构完全相同，如图3．3所示。由16位计数初值寄存器、减1计数器和当前计数值锁存器组成。

  9. CLK 数据总线 0 D7～D0 计数器0 GATE 缓冲器 0 OUT 内 0 RD 部 WR 读写控制 逻辑 CLK 1 A 数 计数器1 0 GATE A 1 1 据 OUT 1 CS 总 CLK 控制字 2 计数器2 线 GATE 寄存器 2 OUT 2 图3.2 8253/8254的内部结构和引脚

  10. 计数初值的设置与方式命令字 • 计数初值(定时常数)是决定8253的定时长短与计数多少的重要参数。计数初值与输入时钟(CLK)频率及输出波形(OUT)频率之间的关系为:Ci=CLK／OUT或Tc=CLK／OUT 1．方式命令的作用对8253进行初始化，或对当前计数值进行锁存。8253初始化: (1)向命令寄存器写入方式命令，选择计数器，确定工作方式，指定计数器计数初值的长度和装入顺序以及计数值的码制(BCD码或二进制码) .(2)向已选定的计数器按方式命令的要求写入计数初值。

  11. 计数初值的设置与方式命令字 • 2．方式命令的格式 • 方式命令的格式如下所示： • ①D7D6：用于选择计数器。 • =00 0号计数器 • =01 1号计数器 • =10 2号计数器 • =11 不用

  12. 计数初值设置 • ②D5D4：用来控制计数器读／写的字节数(1或2个字节)及读／写高低字节的顺序。 • =00 为锁存命令，把计数器的当前值锁 存在锁存寄存器中. • =01 仅读／写一个低字节 • =10 仅读／写一个高字节 • =11 读／写2个字节，先是低字节，后是高字节. • ③D3~D1：用来选择计数器的工作方式。 • =000 方式 0 =011 方式3 • =001 方式1 =100 方式4 • =010 方式 2 =101 方式5

  13. 计数初值的设置与方式命令字 • (110和111不用) • ④Do(BCD)：用来指定计数器的码制，是按二进制数还是按十进制数计数。 • BCD=0 二进制BCD=1 十进制 • 例1：选择2号计数器，工作在方式3，计数初值为533H(2个字节)，采用二进制计数。命令口地址307H,二号计数器数据口地址是306H。 • 初始化程序段为 MOV DX,307H ；命令口 MOV AL，10110110B；2号计数器的初始化命令字 OUT DX，AL ；写入命令寄存器

  14. 计数初值的设置与方式命令字 MOV DX,306H ；2号计数器数据口 MOV AX，533H ；计数初值 OUT DX，AL ；先送低字节到2号计数器 MOV AL，AH ；取高字节送AL OUT DX，AL ；后送低字节到2号计数器 • 3．读当前计数值 • 操作过程：先发一条锁存命令(即方式命令中的D5D4=00)，将减1计数器的计数值锁存到输出锁存器；然后，执行读操作，便可得到当前计数值。

  15. 计数初值的设置与方式命令字 例2：要求读出并检查1号计数器的当前计数值是否是全“1”(假定计数值只有低8位)， • 其程序段为 MOV DX,307H ;命令口 L：MOV AL,01000000B ;送1号计数器初始化命令字 OUT DX,AL ;写入命令寄存器 MOV DX,305H ;1号计数器数据口 IN AL,DX ;读1号计数器的当前计数值 CMP AL,,0FFH JNE L HLT

  16. 工作方式及特点 • 8253/8254有六种工作方式，主要区别在于： （1）输出波形不同；（2）启动计数器的触发方式不同；（3）计数过程中GATE对计数操作的控制不同。 • 1.方式0：低电平输出（GATE信号上升沿继续计数） • 特点： （1）向计数器写完计数值后，开始计数，OUT变为低电平，并在计数过程中保持低电平，计数值减为0时，OUT变为高电平。（2）GATE为高电平时，计数器开始工作，GATE为低电平时，停止计数，并保持数值不变，GATE再次变高电平时，从中止处继续计数。（3）计数器工作期间，如果重新写入初值，按新写入的初值重新计数。

  17. 2.方式1：低电平输出（GATE信号上升沿重新计数）2.方式1：低电平输出（GATE信号上升沿重新计数）

  18. 3.方式2：周期性负脉冲输出

  19. 4.方式3:周期性方波输出

  20. 5.方式4:单次负脉冲输出(软件触发)

  21. 6.方式5:单次负脉冲输出(硬件触发)

  22. 3.3 8253-5／8254-2的应用举例 • 8253 的典型应用： • 1.计时器－时钟 • 2.实现稳定延时 • 3.和扬声器一起构成发生器 • 4.波特率时钟发生器 • 应用举例：1、一般性的应用： • （1）设计思想： 8253 的时钟为5MHZ，8253工作在方式3时，OUT引脚输出一系列方波，可作为定时单位，采用定时单位为10ms时，可以在OUT引脚上输出周期性的方波，且具有自动重载计数初值的功能。

  23. 计时器的应用 • 如果用OUT脚输出的方波做新的计时单位，为了编程方便，可以使方波的周期为10ms. • 硬件连接可以选择图3.10的设计。 • 8253的OUT引脚每经过10ms向CPU申请一次中断。在中断子程序中统计10ms的个数，到达100个则1秒时间到，秒计数器加1。并判断秒计数器的值是否为60，是，则分计数器加1。依次类推，实现时分秒计数器的更新。到达24小时后，所有计数器清零，新的一天的计时开始。下列代码是初始化程序。

  24. 计时器的应用 • 初始化程序段如下： • Count_10ms EQU 2000H • Count_scend EQU 2001H • Count_minut EQU 2002H • Count_hour EQU 2003H • ………. • MOV AL,0 MOV Count_10ms,AL；初期上电，RAM MOV Count_scend,AL；清零。 MOV Count_minut,AL MOV Count_hour,AL

  25. 计时器的应用 MOV DX,307H MOV AL,00110110 OUT DX,AL ;初始化8253 MOV DX,304 MOV AL,50H ；送计数初值低位 OUT DX,AL MOV AL,0C3 ；送计数初值高位 OUT DX,AL

  26. 计时器的应用 • 应用举例：2、系统中日时钟的应用： • 系统中的日时钟原理介绍： • （1）系统中8253的时钟为1.1931816MHZ。 • （2）8253工作在方式3，计数初值设为最大－65536。（设选用8253的计数器0） • （3）OUT0引脚输出的方波频率：1.1931816MHZ/65536=18.2HZ • 周期为1/18.2HZ×1000ms=54.945ms. • （3）计时单位： 54.945ms为一个基准单位，且准确。则：

  27. 计时器的应用 1天＝24×60×60×1000ms/54.954ms＝1573040（个计时单位）； 1小时＝ 60×60×1000ms/54.954ms＝65543（个计时单位）； 1分钟＝ 60×1000ms/54.954ms＝1092（个计时单位）； 1秒＝ 1000ms/54.954ms＝18.2（个计时单位） • （4）新的计时单位的计数机构： • 利用OUT0引脚向8259申请中断，在中断程序 中进行加1操作，实现对新的计时单位的累计，完成对一天计时的任务。

  28. 计时器的应用 • 实现方法：在BIOS数据区开辟两个双字的存储单元作为每次加1操作的RAM。则该双字RAM中存放的就是当前的时间。当低位字＝00B0H,高位字＝0018H时，则计满24小时，然后清零，重新加1操作，开始第二天的计时。 • 注：如果要得到当前时间要进行下列计算： • A、小时数＝RAM中的值除以65543； • B、分钟数＝ A的余数除以1092； • C、秒数＝ B的余数再除以18.2

  29. 计时器的应用 • 应用举例： 3.稳定延时 • （1）要求：利用系统硬件定时器延时5秒 • （2）分析： • A、利用定时器每秒中断18.2速率不变的特性，通过调用BIOS的软中断INT1AH的0号功能，读取时间计数器的当前值。 • B、将延时时间换算成计时单位（即多少个54.954ms）加上时间计数器的当前值，作为定时器的目标值。 • C、利用INT1AH的0号功能调用，不断读取时间计数器的值并与目标值比较。相等则定时时间到，不等则继续延时。

  30. 计时器的应用 • D、这样延时的好处在于：定时时间与CPU的主频无关，只与8253的时钟频率有关。延时较稳定。 • （3）设计 • A、利用系统资源，硬件不需改动。 • B、软件编程(延时5秒时，折合成计时单位＝91) MOV AH,0H INT1AH ;中断调用，读取日时钟 ADD DX,91H MOV BX,DX REP: MOV AH,0H INT1AH

  31. 计时器的应用 CMP DX,BX ;与目标值比较 JNZ REP ;不等，继续延时，相等，延 ;时结束，程序向下执行 应用举例： 4、发生器 原理还是利用8253的工作方式3，不断输出一定频率的方波，将此方波接至扬声器，控制发声，方波的频率不同，则扬声器的声音频率就不同。 程序略。

  32. 计时器的应用 • 应用举例： 5. 波特率时钟发生器 • （1）要求： 设计一个波特率时钟发生器，其输入时钟CIK=1.19318MHz，波特率因子facbr=16，输出的波特率为8档，它们分别是110b／s，150b／s，300b／s，600b／s，1200b／s，2400b／s，4800b／s，9600b／s。要求利用人-机对话方式选择波特率。按Esc键，退出。 • （2）分析： • A、波特率的概念：每秒钟传输的二进制数的位数。 • B、波特率因子 的概念：每传输1位所需要的时钟脉冲个数，叫做波特率因子 。

  33. 计时器的应用 • C、传输原理：在实际传输中，发送1位或接收1位数据，是在时钟脉冲作用下，进行移位来实现的。发送时，用发送时钟，从发送器移出；接收时，用接收时钟，向接收器移入。（复习移位寄存器的应用） • D、8253定时常数的计算： 由波特率及波特率因子的概念可得： 串行传输的频率TxC＝波特率Baud×波特率因子Factor； 设计要求：串行传输的频率TxC＝OUT输出的频率，因此有：

  34. 计时器的应用 OUT＝CLK/Tc=Baud×Factor； 所以：定时常数Tc＝CLK/Baud×Factor 由此可计算出上述8种波特率下的定时常数分别为：678H、497H、249H、124H、62H、31H、16H、8H。 （3）设计 A、硬件设计：波特率时钟发生器的硬件包括定时／计数器8253、并行接口芯片8255A及I/O端口地址译码电路等，如图3．14所示。

  35. 计时器的应用 • B、软件编程：

  36. 3.4 实时钟电路MCl46818及其应用 • 什么是实时时钟：不仅支持每天时间(时、分、秒)的更新，而且支持日期(世纪、年、月、日和星期)的更新的一种永久性的时钟电路。 • MCl46818是PC机中的实时时钟芯片。 • MCl46818的外部特性及工作原理 • 1.引脚功能

  37. 实时钟电路MCl46818及其应用 • ①地址／数据线(ADo～AD1)：双向，双功能，既传送地址，又传送数据，是CPU对芯片内部64个字节实时钟信息访问的通道。 • ②读／写控制线：在引脚PS和CE同时有效的条件下，CPU通过 ADo～AD1、AS、DS 、R／W信号共同完成读写操作。 • PS为电源检测端。当该端为低电平时，表示实时钟已掉电(或电池耗尽)；当该端为高电平时，表示电源接通 。 • ③芯片复位线(RES)：当RES=0时，芯片复位，将内部状态寄存器B的允许中断位清零，并置引脚/IRQ为高阻，但并不影响内部时钟电路和CMOSRAM的操作。

  38. 实时钟电路MCl46818及其应用 • ④振荡频率输入(OSC1、OSC2) 。 • ⑤方波(SQW) 输出引脚。 • ⑥时钟输出线(CKOUT) 。 • 2. 实时钟工作原理

  39. 实时钟电路MCl46818及其应用 • 实时钟的定时信息在CMOS-RAM中的地址分配： • 芯片提供64个字节存放实时钟信息和系统配置信息，及控制实时钟电路的工作的状态寄存器 。

  40. 实时钟电路MCl46818及其应用 • 1．时间信息 • 2．日期信息 • 3．报警信息 • 实时钟的状态寄存器 • 1. 状态寄存器A • UIP=1表示实时钟更新信息，不能读写；UIP=0，可以读写。

  41. 实时钟电路MCl46818及其应用 • 2. 状态寄存器B • TE：计时允许位 ；PIE：周期中断允许位 ； AIE：报警中断允许位 ； UIE：计时更新结束中断允许位 ；SQWE：方波输出允许位； DM：实时钟信息格式选择位 ，当DM=1时，选择二进制格式；当DM=0时 ，选择BCD格式；DSE：允许夏令时为1，否则为0 • 3．状态寄存器C

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