定时/计数器结构和工作原理解析

定时器/计数器是MCS-51系列单片机中的重要功能模块之一，在检测、控制和智能仪器等设备中经常用它来定时。另外，它还可以通过T0和T1引脚对外部事件计数。

MCS-51系列单片机中51系列有两个16位的可编程定时器/计数器：定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；52系列比51系列多了一个定时器/计数器T2。

每个定时器/计数器既可以对系统时钟计数实现定时，也可以对外部信号计数，实现计数器功能，有时甚至可以多个定时器/计数器进行配合使用，达到更好的定时、计数功能。

每个定时器/计数器都有多种工作方式：T0有4种工作方式；T1有3种工作方式；T2有3种工作方式。通过设置模式控制寄存器TMOD可以对每个定时器/计数器进行模式设定。

每一个定时器/计数器计数时间到时会产生溢出事件，使相应的溢出位置位，溢出事件可通过查询或中断方式处理。

1.定时器/计数器的内部结构

定时器/计数器T0、T1的结构如图5-1所示，它由两个加法计数器、方式寄存器TMOD、控制寄存器TCON等组成。

从上面定时器/计数器的结构框图中我们可以看出，16位的定时器/计数器分别由两个8位专用寄存器构成，即T0由TH0和TL0构成、T1由TH1和TL1构成。其访问地址依次为8AH～8DH，每个寄存器均可单独访问。这些寄存器是用于存放定时或计数初值的。此外，其内部还有一个8位的定时器方式寄存器TMOD和一个8位的定时控制寄存器TCON。这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。TMOD主要用于选定定时器的工作方式；TCON主要用于控制定时器的启动、停止，此外TCON还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。当定时器工作在计数方式时，外部事件通过引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）输入。

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图5-1 定时器/计数器T0、T1的结构框图

2.定时器/计数器的工作原理

16位的定时器/计数器实质上就是一个加1计数器，其控制电路受软件控制、切换。当定时器/计数器为定时工作方式时，计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生，即每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出为止。显然，定时器的定时时间与系统的振荡频率有关。因一个机器周期等于12个振荡周期，所以计数频率f_count=1/12f_osc。如果晶振频率为12MHz，则计数周期为

T=1/（12×10⁶）Hz×1/12=1μs

这是最短的定时周期。若要延长定时时间，则需要改变定时器的初值，并要适当选择定时器的长度（如8位、13位、16位等）。

当定时器/计数器为计数工作方式时，通过引脚T0和T1对外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平。若一个机器周期采样值为1，下一个机器周期采样值为0，则计数器加1。此后的机器周期S3P1期间，新的计数值装入计数器。所以检测一个由1至0的跳变需要两个机器周期，故外部事件的最高计数频率为振荡频率的1/24。例如，如果选用12MHz的晶振，则最高计数频率为0.5MHz。虽然对外部输入信号的占空比无特殊要求，但为了确保某给定电平在变化前至少被采样一次，外部计数脉冲的高电平与低电平保持时间均需在一个机器周期以上。

当CPU用软件给定时器设置了某种工作方式之后，定时器就会按设定的工作方式独立运行，不再占用CPU的操作时间，除非定时器计满溢出，才可能中断CPU当前操作。CPU也可以重新设置定时器工作方式，以改变定时器的操作。由此可见，定时器是单片机中效率高而且工作灵活的部件。

综上所述，我们已知定时器/计数器是一种可编程部件，所以在定时器/计数器开始工作之前，CPU必须将一些命令（称为控制字）写入定时器/计数器。将控制字写入定时器/计数器的过程叫定时器/计数器初始化。在初始化过程中，要将工作方式控制字写入方式寄存器，工作状态字（或相关位）写入控制寄存器，赋定时/计数初值。