第九章可编程接口与应用 —— 可编程定时 / 计数器 8253

第九章可编程接口与应用——可编程定时 / 计数器 8253

主讲：刘英

简单的输入 / 输出接口芯片如锁存器 74LS373 、单向缓冲器 74LS244 、

双向缓冲器（数据收发器） 74LS245 等。可编程接口芯片：其功能可以由软件来选用控制。如并行输入输出接口 8255 、串行输入输出接

口 8250/8251 、定时器 / 计数器 8253 、中断控制器 8259 、 DMA 控制器 8237 等。

回顾：主要接口芯片

9.2 可编程定时 / 计数器 8253

基本概念定时 / 计数器芯片 Intel8253

9.2 可编程定时 / 计数器 8253

1. 定时与计数9.2.1 基本概念

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，故计数值也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

硬件方法：定时 / 计数器电路利用脉冲计数在设定的时间输出定时信号

软件方法：用一段程序实现延时利用程序循环延迟指定的时间缺点： CPU 占用率？延时精度？兼容？

软、硬件结合法即设计一种专门的具有可编程特性的芯片

9.2.1 基本概念

3. 定时 / 计数器的用途

可以实现定时与计数两个功能，可用于系统时钟DRAM 刷新定时定时采样

在规定的时间对温度、压力、流量等参数进行采样实时控制

对外部事件进行计数，按计数结果进行控制脉冲的计数。。。

9.2.1 基本概念

1. 8253 的一般性能

每个 8253 芯片有 3 个独立的 16 位计数器通道；每个计数器通道都可以按照二进制或二－十进制（ BCD 码）计数；每个计数器的计数速度可以高达 2MHz ；每个通道有 6 种工作方式，可以由程序设定和改变；所有的输入、输出电平都与 TTL 兼容。

9.2.2 定时 / 计数器芯片 Intel8253

2. 8253 的内部结构

WRA0A1

CS

数据

总线缓

冲器

/读写

逻辑

控制

寄存器

计数器

0

计数器

1

计数器

2

GATE1

D0

D7

~

RDCLK1

OUT1

CLK2

GATE2

OUT2

CLK0

GATE0

OUT0

片

内

总

线

编址部件 0

编址部件 1

编址部件 2编址部件3


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

控制字寄存器8 位，在 8253 的初始化编程时，由 CPU 写入控制字

计数通道（ 3 个）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。


3. 8253 的外部引脚

DB D7-D0

8253

A1

A0

WR

RD

CS 通道 2

通道 1

通道 0

CLK0

GATE0

OUT0

CLK1

GATE1

OUT1

CLK1

GATE1

OUT1

A1

A0

IOW

IOR

片选信号


（ 1 ）与 CPU 连接的引脚

D7 ～ D0 ：双向、三态数据线引脚，与系统的数据总线连接。RD# ：来自于 CPU 的读控制信号输入引脚，低电平有效。WR# ：来自于 CPU 的写控制信号输入引脚，低电平有效。CS# ：芯片选择信号输入引脚，低电平有效。A1 、 A0 ：地址信号输入引脚，由 8253 片内译码，用以选择芯片的计数通道及控制字寄存器。

A1 A0 选择

0 0 计数通道 0

0 1 计数通道 1

1 0 计数通道 2

1 1 控制寄存器


（ 2 ）与外设连接的引脚

CLKn ：计数脉冲输入引脚，用来输入定时基准脉冲或计数脉冲。 GATEn ：门控信号输入引脚，用来控制计数器的启动或停止。OUTn ：计数通道的定时 / 计数到信号输出引脚，不同工作方式下产生不同波形。

（ n = 0 ～ 2 ）


（ 3 ）定时 / 计数的工作过程

设置 8253 的工作方式设置计数初值到初值寄存器第一个 CLK 信号使初值寄存器的内容置入计数寄存器以后每来一个 CLK 信号，计数寄存器减 1 减到 0 时， OUT 端输出一特殊波形的信号

注：以上计数过程中还受到 GATE 信号的控制


4. 8253 的控制字

1-- 计数值为 BCD 码格式

0-- 计数值为二进制格式D3 D2 D1 模式选择

0 0 0 模式 0

0 0 1 模式 1

/ 1 0 模式 2

/ 1 1 模式 3

1 0 0 模式 4

1 0 1 模式 5

0 0---- 对计数器进行锁存

0 1---- 只读 / 写低 8 位字节

1 0---- 只读 / 写高 8 位字节

1 1---- 先读 / 写低 8 位字节 ,

再读 / 写高 8 位字节 .

0 0---- 选计数器0

0 1---- 选计数器1

1 0---- 选计数器2

1 1---- 无意义

计数器读 / 写格式工作方式数制

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0


（ 1 ） 8253 的初始化编程

初始化编程包括如下步骤：写入通道控制字，规定通道的工作方式。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。


【例 1 】设 8253 的端口地址为： 04H ～ 07H ，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 07H ， AL ；将控制字写入控制字寄存器 MOV AL ， 80H OUT 05H ， AL ；将计数值写入计数器 1 低 8

位


【例 2 】设 8253 的端口地址为： F8H ～ FBH ，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 0FBH ， AL ；写控制字 MOV AL ， 80H OUT 0F8H ， AL ；先写低 8 位 MOV AL ， 50H OUT 0F8H ， AL ；再写高 8 位


（ 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。


【例 3 】如要读通道 1 的 16 位计数器，编程如下：地址 F8H ～ FBH 。

控制字为： 01000000B=40H读计数值程序： MOV AL ， 40H OUT 0FBH ， AL ；锁存计数值 IN AL ， 0F9H MOV CL ， AL ；读低 8 位 IN AL ， 0F9H MOV CH ， AL ；读高 8 位


5. 8253 在系统中的典型连接 9.2.2 定时 / 计数器芯片 Intel8253

CLK

GATE

OUT

D0~D7

WR

RD

A1

A0

CS

DB

IOW

IOR

A1

A0

译码器高位地址A15-A2

8253

共三组

8253占用 4个接口地址：计数器 0 计数器 1 计数器 2 控制寄存器

(决定 8253 的基地址 )

6. 8253 的工作方式 8253 有 6 种工作方式，各种方式下的工作状态不同，输出波形也不同。几条基本原则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。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。在每个时钟脉冲 CLK 的上升沿，采样门控信号 GATE 。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 （ 65536 ），用 BCD 码计数时，相当于 104 （ 10000 ）。


（ 1 ）方式 0—— 计数结束产生中断结果特点：计数器减 1 为 0 时， OUT升高，向 CPU 发中断请求过程特点控制字写入： OUT=0 。当控制字写入控制字寄存器后，输出端 OUT

变成低电平，并且在计数值减到 0之前一直保持低电平计数值写入： OUT 不变，仍然为低电平（ OUT=0 ）。计数期间： OUT 为低电平（ OUT=0 ）计数为 0 时： OUT升高（ OUT=1 ），向 CPU 发中断请求（如果使用

中断的话）。直到 CPU 写入新的控制字或计数值时，才能使 OUT=0 计数期间写入新的计数值：立即有效。如果计数值是一个字节，则在写

入后的下一个时钟脉冲，新的计数值由 CR送入 CE ，开始新的计数。如果计数值是两个字节，则写入第一个字节时，计数不受影响，写入第二个字节后的下一个时钟脉冲时，新的计数值由 CR送 CE ，启动计数器按新的计数值开始计数。

GATE 作用： GATE=0 时，禁止计数，计数器停止； GATE=1 时，允许计数，此时计数器从刚才断的地方开始连续计数。

计数值有效期限：计数值一次有效


（ 2 ）方式 1 —— 单脉冲触发器结果特点：输出单拍负脉冲，脉冲宽度可编程设定。过程特点控制字写入： OUT=1 计数值写入： OUT=1 （不变）启动方式： GATE 上跳沿。启动后的下一个 CLK 脉冲使 OUT 变低

电平（ OUT=0 ），即延迟一个时钟周期计数期间： OUT 为低电平（ OUT=0 ）计数为 0 时， OUT 变为高电平（ OUT=1 ）计数期间写入新的计数值：不影响原计数，只有当下一个 GATE 上跳沿到来时，才使用新的计数值。

GATE 作用： GATE=0 或 GATE=1 时，不影响计数，但若出现上跳沿则重新启动计数器，按最新计数初值开始计数。若在计数尚未结束时，就出现了上跳沿，则重新计数，因此，使输出负脉冲的宽度延长。这种方式常用于工业控制系统中的干扰自动复位电位。

计数值有效期限：计数值多次有效。计数初值写入 CR 后，在没有新的计数值写入 CR之前，原计数初值在 CR 中保持不变，以后每触发一次， CR 中保存的这个计数初值就装入 CE 一次。


（ 3 ）方式 2 —— 脉冲频率发生器（分频器）

结果特点：产生连续的负脉冲信号，负脉冲宽度等于一个时钟周期。脉冲周期可由软件设定，脉冲周期 = 计数值 × 时钟周期过程特点控制字写入： OUT=1 计数值写入： OUT=1 （不变）启动方式：两种。一是硬件启动： GATE 上跳沿启动；二是软件启动：

写入计数值启动（此时 GATE=1 ）计数期间： OUT 为高电平（ OUT=1 ），但 CE 由 1 到 0 的计数中，

OUT 输出一个负脉冲，宽度为一个时钟周期计数为 0 时， OUT 为高电平（ OUT=1 ），开始下一个周期的计数计数期间写入新的计数值：影响随后的脉冲周期 GATE 作用： GATE=0 时， OUT=1 ，停止计数； GATE=1 时，不影响计数器工作； GATE 上跳沿时，启动计数器，重新开始

计数值有效期限：计数值重复有效。在这种方式下，当计数器的值减到 0 时， CR 的计数初值自动重新装入 CE ，实现循环计数


（ 4 ）方式 3 —— 方波发生器结果特点：产生连续的方波。方波的重复周期 = 计数值 × 时钟周期过程特点控制字写入： OUT 为高电平（ OUT=1 ）计数值写入： OUT 为高电平（ OUT=1 ）启动方式：两种。一是硬件启动： GATE 上跳沿启动；二是软件启动：

写入计数值启动（此时 GATE=1 ）计数期间：若计数值 N 为偶数，则在前 N/2 计数期间， OUT 输出高电

平（ OUT=1 ），后 N/2 计数期间， OUT 输出低电平（ OUT=0 ）；若计数值 N 为奇数，则在前（ N+1 ） /2 计数期间， OUT 输出高电平（ OUT=1 ），后（ N-1 ） /2 计数期间， OUT 输出低电平（ OUT=0 ）；

计数为 0 时， OUT 输出高电平（ OUT=1 ），从而完成一个周期。然后，CR 值自动装入 CE ，开始下一个周期

计数期间写入新的计数值：不影响当前输出周期，影响下一个周期 GATE 作用： GATE=0 时， OUT=1 ，停止计数； GATE=1 时，不影响

计数器工作； GATE 上跳沿时，启动计数器，重新开始计数值有效期限：计数值重复有效。


（ 5 ）方式 4 —— 软件触发的选通信号发生器

结果特点：计数器减为 0 时，输出一个时钟周期的负脉冲过程特点控制字写入： OUT 为高电平（ OUT=1 ）计数值写入： OUT 为高电平（ OUT=1 ）启动方式：写入计数值。写入计数值后，再过一个 CLK 时钟周期，

减 1 计数器 CE获得计数初值，开始减 1 计数计数期间： OUT 为高电平（ OUT=1 ）计数为 0 时：计数器减到 0 后，输出一个负脉冲，宽度为 1 个时钟周

期。然后又自动变为高电平，并一直维持高电平。通常将此负脉冲作为选通信号

计数期间写入新的计数值：立即有效（同方式 0 ） GATE 作用： GATE=0 时禁止计数； OUT=1 时允许计数，此时计数

器从暂停的地方开始继续计数。 GATE 信号不影响 OUT 的状态计数值有效期限：计数值一次有效。只有在输入新的计数值后，才能开始新的计数过程


（ 6 ）方式 5 —— 硬件触发的选通信号发生器

结果特点：计数器减为 0 时，输出一个时钟周期的负脉冲过程特点控制字写入： OUT 为高电平（ OUT=1 ）计数值写入： OUT 为高电平（ OUT=1 ）启动方式： GATE 上跳沿。当 GATE 端有上跳沿信号后，下一个 CL

K 脉冲使 CR 的计数初值装入 CE ，从而开始计数过程计数期间： OUT 为高电平（ OUT=1 ）计数为 0 时：计数器减到 0 后，输出一个负脉冲，宽度为 1 个时钟周

期。然后又自动变为高电平计数期间写入新的计数值：不影响本次计数，但影响 GATE 上跳沿启

动后的计数过程。一但 GATE重新启动，将按新的计数初值开始计数 GATE 作用：无论 GATE=0 还是 GATE=1 均不影响计数过程，而当

GATE 有上跳沿时将重新启动计数过程，按最新计数值开始计数计数值有效期限：计数值多次有效。当计数器的计数值减到 0 后，将

自动重新装入计数值（由 CR装入 CE ），但并不开始计数，而是在GATE 信号的上跳沿才开始计数


8253 的工作方式小结(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，输出均变为高。(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。


8253 的工作方式小结（续）(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。(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。


【例 4 】设定时器 0 、定时器 1 工作于方式 2 ，外部提供一个时钟，频率 f=2MHZ 。要求定时器 1每 5ms 产生一个脉冲，定时器 0 每 5s 产生一个脉冲。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) 一个定时器的最大定时时间： 65536/ （ 2*106 ） =0.032768 s=32.768ms提示：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。

tF

N 1

FtN


2) 将定时器 1 的 CLK1 接 2MHZ 时钟，计数初值：

3) 将定时器 1 的 OUT1 端接到定时器 0 的 CLK0端，定时器 0 的计数初值 :

100052005

200105

1

00

30

sFN

HZms

F

100001025 6111 msFtN


地址译码

CPU

D7~D0

AB

8253

两个定时器串连使用

线路连接图：


8253 初始化程序：MOV AL, 00110100B ;0 号定时器 , 方式 2OUT 43H, ALMOV AX, 1000OUT 40H, ALMOV AL, AHOUT 40H, AL MOV AL, 01110100B ;1 号定时器 , 方式 2OUT 43H, ALMOV AX, 10000OUT 41H, ALMOV AL, AHOUT 41H, AL


习题（ 1 ） I/O 接口的主要功能有哪些？有哪两种编址方式？在8086/8088 系统中采用哪一种编址方式？（ 2 ）试比较 4 种基本输入输出方法的特点。（ 3 ）利用三态门芯片 74LS244 作为输入接口，接口地址为40FBH ，试画出其与 8086 系统总线的连接图。（ 4 ）若 8253 芯片的接口地址为 D0D0H~D0D3H ，时钟信号频率为 2MHz 。现利用计数器 0 、 1 、 2 分别产生周期为10us 的对称方波及每 1ms 和 1s 产生一个负脉冲，试画出其与系统的电路连接图，并编写包括初始化在内的程序。（ 5 ）某一计算机应用系统采用 8253 芯片的计数器 0 作频率发生器，输出频率为 500Hz ；用计数器 1 产生 1000Hz 的连续方波信号，输入 8253 的时钟频率为 1.19MHz 。试问：初始化时送到计数器 0 和计数器 1 的初值分别为多少？计数器1 工作于什么方式下？

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