第9章 8253芯片介绍

三、8253的工作方式
8253 是一种面向微机系统的专用接口芯片，它的 每一个计数器都可以按照控制字的规定有 6 种不同的工 作方式， 每种工作方式中都有以下三种情况：
* 正常计数的波形图；
* 正在计数过程中改变门控信号GATE后对整个计
数工作的影响；
* 正在计数的过程中改变计数值对整个计数工作的
调度。
定时器和计数器都由数字电路中的计数电路构成。 前者记录高精度晶振脉冲信号，因此可以输出准确的时 间间隔，称为定时器，而当记录外设提供的具有一定随 机性的脉冲信号时，它主要反映脉冲的个数，称为计数 器。
定时的方法有3种：软件定时、不可编程的硬件定 时和可编程的定时。
1. 软件定时
根据CPU执行每条指令需要一定的时间， 重复执行一些指令就会占用一段固定的时间， 通过适当地选取指令和循环次数便很容易实现
定时功能，这种方法不需要增加硬件，可通过
编程来控制和改变定时时间，灵活方便，节省 费用。缺点是CPU重复执行的这段程序的本身 并没有什么具体目的，仅为延时，从而降低了 CPU利用率。
2.不可编程的硬件定时 这种方法采用数字电路中的分频器将 系统时钟进行适当的分频产生需要的定时 信号；也可以采用单稳电路或简易定时电 路（如常用的555定时器）由外接RC电路 控制定时时间。但是，这种定时电路在硬 件接好后，定时范围不易由程序来改变和 控制，使用不甚方便，而且定时精度也不 高。
表9.1 8253读/写操作逻辑表 CS RD WR A1 A0
寄存器选择和操作
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
1 1 1 1 0 0 0 0 × 1
0 0 0 0 1 1 1 1 × 1
0 0 1 1 0 0 1 1 × ×
0 1 0 1 0 1 0 1 × ×
写入计数器0 写入计数器1 写入计数器2 写入控制字寄存器 读计数器0 读计数器1 读计数器2 无操作 禁止使用 无操作
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 8 7 6 5 4 3 2 1 9 11 10 CLK0 GATE0 OUT0 CLK1 GATE1 OUT1
数 据 线
计 数 器 0
计 数 器 1 计 数 器 2
15 14
RD
控 制 线
WR A1 A0
CS
22 23 20 19 21
13
18 16 17
OUT
3 2 1 0 FF 3 2
图9.5(a) 方式1 正常计数
CW = 12 LSB = 3 WR CLK GATE OUT 3 2 1 3 2 1 0
图9.5(b) 方式1时GATE 信号的作用
CW = 12 WR CLK GATE
LSB = 2
LSB=4
OUT
2 1 0 FF FE 4 3
本章内容
· 定时与计数技术及应用 定时/计数器 —— 8253
学习目的
了解定时/计数技术的应用情况
掌握8253的连接与编程
熟习8253的工作方式
9.1 定时与计数
定时计数技术在计算机中具有极为重要的
作用。微机控制系统中，常要按一定的采样周
期对处理对象进行采样或定时检测某些参数等， 用计数器对外部事件计数，即记录外设提供的 脉冲个数。在实时操作系统和多任务操作系统 中，可以利用定时器产生的定时中断进行进程
CLK2 GATE2 OUT2
电 源 线
VCC
GND
24 12
图9.3 8253PIT管脚图 图8-3 8253 的引脚信号
1. 与CPU的接口信号
（1）D0~D7——三态双向数据线。与CPU数据总线相连， 用于传递CPU与8253之间的数据信息、控 制信息和状态信息； （2）CS——片选信号（Chip Select），输入，低电平有效；
CW = 14 WR CLK GATE OUT
LSB = 3
3
2
1
3
2
1
3
a. 方式2 正常计数
图9.6(a) 方式2 正常计数
CW = 14 WR CLK GATE OUT
LSB = 3
3
2
2
3
2
1
3
图9.6(b) 方式2时GATE信号的作用
b. 方式2 GATE信号的作用
CW = 14
LSB = 4
CW = 18 WR CLK GATE OUT
LSB = 3
3
3
3
2
1
0
FF
b. 方式4 GTAE信号的作用
（3）WR——写信号，输入，低电平有效，用于控制CPU对 8253 的写操作，可与 A1，A0 信号配合以决定 是写入控制字还是计数初值；
（4）RD——读信号，输入，低电平有效。用于控制CPU 对8253的读操作，可与A1，A0信号配合读取 某个计数器的当前计数值； （5）A0，A1——地址输入线。用于8253内部寻址的4个 端口，即3个计数器和一个控制字寄存 器。一般与CPU低位的地址线相连 。
图9.5(c) 方式1时计数过程中改变计数值
3. 方式2 —— 比率发生器、分频器 (Rate Generator)
软、硬件启动，自动重复计数。装入初值后OUT端变高 电平，计数到最后一个CLK时OUT输出负脉冲，并连续 重复此过程。
方式 2用门控信号达到同步计数的 目的，波形图如图9.6(a)、(b)、(c) 所示。
（2）读/写控制逻辑
决定三个计数器和控制字寄存器中哪一个能进行工 作，并控制内部总线上数据传送的方向。
①CS片选信号,低电平有效(此时CPU才能对 8253进行读写操作)， 由地址总线经I/O端口译码电路产生。 ②RD读信号，低电平有效，此时表示CPU正在读取所选定的计 数器通道中的内容。 ③WR写信号，低电平有效，此时表示CPU正在将计数初值写入 所选中的计数通道中或将控制字写入控制寄存器中。 ④A1A0端口选择信号，8253内部有3个计数器通道和一个控制寄 存器端口。当A1A0=00,01,10时表示分别选中计数器通道0,1,2， 当A1A0=11时选中控制寄存器端口。
方式3的工作过程同方式2，只是 输出的脉宽不同，波形如图9.7(a)、 (b)、(c)、(d)所示。
CW = 16 WR
LSB = 4
CLK GATE OUT 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3
3 计数值为偶数时的波形 图9.7(a)a. 方式 方式 3 计数值为偶数时的波形
CW = 16 WR
2. 8253的内部结构
8253的内部结构如图9.1所示，由数据总线缓冲器、 控制寄存器、读/写控制逻辑和计数器等部分组成。
图9.1 8253的内部结构示意图
（1）数据总线缓冲器
该缓冲器为8位双向三态的缓冲器，可直接 挂在数据总线上。CPU通过8位数据总线D0~D7传
送如下信息：
①向控制寄存器写入控制字。 ②向某计数器写入计数初值。 ③CPU通过缓冲器读取计数器的当前计数值
LSB =5
WR
CLK
GATE OUT
4 3 2 1 5 4 3
图9.6(c) 方式2时计数过程中改变计数值
4. 方式3 —— 方波发生器 (Square Wave Generator)
软、硬件启动，自动重复计数。装入初值后OUT端变 高电平，然后OUT连续输出对称方波：
前 N/2或（N+1）/2 个CLK，OUT为高， 后N/2或（N-1）/2 个CLK， OUT为低。
用方式4工作时，GATE门控信号只是 用来允许或不允许定时操作的，定时的 执行过程由装入的初值决定，波形图如 图9.8(a)、(b)、(c)所示。
图9.8(a) 方式4 正常计数
CW = 18 WR CLK GATE OUT
LSB = 3
3
2
1
0
FF
a. 方式4 正常计数
图9.8(a) 方式4 正常计数
3.可编程的定时 在微机系统中，常采用软件、硬件相 结合的方法，用可编程定时计数器芯片构 成一个方便灵活的定时计数电路。这种电 路不仅定时值和定时范围可用程序确定和 改变，而且具有多种工作方式，可以输出 多种控制信号，它由微处理器的时钟信号 提供时间基准，故计时也精确稳定。如 Intel 8253。
2. 方式1 —— 可编程的单稳态触发器 (Programmable One Short)
硬件启动，不自动重复计数。装入初值后OUT端变高电平， 计数开始OUT端变为低电平，计数结束后又变高。
方式1的工作波形如图9.5(a)、 (b)、(c)所示。
CW = 12 WR
LSB = 3
CLK GATE
对8253来讲，外部输入到CLK引脚上的时钟脉冲 频率不能大于2.6MHZ，否则需分频后才能送到CLK端。
内部总线 初值寄存器
控制单元
减1计数器
OUT CLK GATE
输出锁存器
图9.2 计数器内部逻辑图
二、8253的引脚信号
8253是 一片具有3 个独立通 道的16位 计数器/定 时器芯片， 使用单一 +5V电源， 24引脚双 列直插式 封装，如 图9.3所示
图9.4(c) 方式0时计数过程中改变计数值
注意
8253写计数值是由CPU的WR信号控 制的，在WR信号的上升沿，计数值被送 入对应计数器的计数值寄存器，在WR信 号上升沿之后的下一个CLK脉冲才开始计 数。如果设置计数初值N，输出OUT是在 写入命令执行后，第N+1个CLK脉冲之后， 才变为高电平的。后面的方式1、2、4、5 也有同样的特点。
影响。
1. 方式0——计数结束中断方式 (Interrupt on Terminal Count) 软件启动，不自动重复计数。装入初值后OUT 端变低电平，计数结束OUT输出高电平。
方式0的工作时序如图 9.4(a)(b)(c)所示。
CW = 10 WR CLK GATE OUT
LSB = 4
4
（3）控制寄存器
接收从CPU来的控制字，并由控制字的D7、D6位的 编码决定该控制字写入哪个计数器的控制寄存器，控制 寄存器只能写入，不能读出。
（4）计数器
当8253用作计数器时，加在CLK引脚上脉冲的间隔 可以是不相等的；当它用作定时器时，则在CLK引脚应 输入精确的时钟脉冲，8253所能实现的定时时间，取决 于计数脉冲的频率和计数器的初值，即：定时时间=时 钟脉冲周期Tc×预置的计数初值n。
9.2 Intel 8253可编程定时器/计数器
一、8253的基本功能和内部结构
1. 8253 PIT的基本功能
（1）3个独立的16位计数器，最大计数范围为0~65535； （2）每个计数器均可以按二进制或二—十进制计数； （3）计数器速率可达2.6MHz； （4）可编程6种不同的工作方式； （5）所有输入和输出都与TTL兼容。 8253具有较好的通用性和使用灵活性，几乎适合于任 何一种微处理器组成的系统。
2. 与外部设备的接口信号
（1）CLK0（CLK1，CLK2）——时钟脉冲输入端，用于输 入定时脉冲或计数脉冲信号。CLK可以是系统时钟脉冲，也 可以是由其他脉冲源提供。8253规定加在CLK引脚的输入时 钟周期不得小于380ns； （2）GATE0（GATE1，GATE2）——门控输入端，用于外 部控制计数器的启动或停止计数的操作。当GATE为高电平 时，允许计数器工作，当GATE为低电平时，禁止计数器工 作； （ 3 ） OUT0（OUT1，OUT2）—— 计数输出端。在不同工 作方式中，当计数器计数到 0 时， OUT 引脚上必输出相应的 信号。
LSB = 5
CLK GATE OUT 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1
b. 方式3 计数值为奇数时的波形
图9.7(b) 方式3 计数值为奇数时的波形
CW = 16 WR
LSB = 4
CLK GATE
OUT 4 3 2 1 4 4 4 3 2 1
c. 方式3 GATE信号的作用
图9.7(c) 方式3 GATE信号的作用
3
2
1
0
FF
a. 方式0 正常计数
图9.4(a) 方式0 正常计数
CW = 10 WR CLK GATE OUT
LSB = 3
3
2
2
2ห้องสมุดไป่ตู้
1
0
FF
图9.4(b) 方式0时GATE 信号的作用
CW = 10 WR CLK GATE OUT
LSB = 3
LSB = 2
3
2
1
2
1
0
FF
C. 方式0 计数过程中改变计数值
CW = 16 WR CLK GATE OUT
LSB = 5
LSB = 4
5
4
3
2
1
4
3
d. 方式3 计数过程中改变计数值
图9.7(d) 方式3 计数过程中改变计数值
5. 方式4 —— 软件触发选通方式 (Software Triggered Strobe)
软件启动，不自动重复计数。装入初值后输出端变 高电平，计数结束输出一个CLK宽度的负脉冲