8253与8254:编程定时器/计数器(微型计算机原理)

在PC系统中经常要用到不同频率的定时/计数功能，为此Intel提供了8253和8254芯片用于早期PC中的定时和计数。随着PC的不断演变，8253和8254的功能逐渐被集成到了南桥芯片之中，但是其操作方式依然保持与分立的8253/8254相同的操作方式，以保证软件的兼容性。

8253和8254芯片的功能、结构和引脚排列基本相同，其主要差别在于8254的最高计数频率为10MHz，而8253只有2MHz。结构上，8253和8254都由数据总线缓冲、读写逻辑、控制字寄存器和三个计数器组成（见图8-22）。

图8-22 8253/8254的内部结构

其中，数据总线缓冲器和读写控制电路负责8253/8254与处理器之间的连接，RD和WR分别负责接收来自CPU的I/O读写命令，为片选信号，一般由高位地址解码产生。在为0的情况下，A₁A₀用于选择对不同的计数器或控制字寄存器进行操作，当A₁A₀=00时，选中0号计数器，A₁A₀=01时，选中1号计数器，A₁A₀=10时，选中操作2号计数器，A₁ A₀=11时，选中控制字寄存器。控制字寄存器负责寄存初始化时CPU写入的命令字，再通过内部译码确定各计数器的工作方式和计数方式等。8253/8254的三个计数器互相独立地工作，其内部结构如图8-23所示。

图8-23 8253/8254的内部结构

每个计数器有一个输入时钟CLKi、一个控制门脉冲GATEi和一个输出信号OUTi。初始化后，计数初值写入计数初值寄存器，并随后写入计数部件，在接收到合适的GATEi信号后，计数器开始在每个CLKi信号的下降沿将计数器减一。当计数达到规定值时，OUTi端出现输出信号。由于在每个计数周期（即计数器从计数初值减小到0的时间）中OUTi信号出现一次，所以输出信号的频率与输入信号频率、计数初值之间存在如下关系：

N=f_CLKi/f_OUTi

8253/8254提供6种不同的工作方式，其三个计数器可以互相独立地工作于不同的工作方式。这6种不同的工作方式在启动方式、自动重装等方面各不相同，从而输出不同的波形。在启动方式（或称触发方式）上，8253/8254支持软件启动和硬件启动两种不同的启动方式。其中软件启动方式下计数器初值被写入后，当GATE信号为高电平时计数器即开始工作。而硬件启动则是在计数初值被写入后，只有当GATE信号出现从0到1的跳变后计数器才开始工作。

在8253/8254提供的6种工作方式中，只有方式2和方式3具有初值自动重装的能力，即在这两种工作方式中计数结束的时候，存放在初值寄存器中的技术初值会被自动重装到计数执行部件中，从而使其输出成为一个周期性变化的连续波形。

下面是对这6种工作方式的简要介绍：

1.方式0——事件计数器

方式0的特点是计数到终点输出变为高电平。当将某计数器设置成方式0后，其输出OUT变低电平，装入初值后，仍保持低电平。门控为高电平开始计数。每来一个计数脉冲CLK，计数器的值减1，当计数到达终点即计数器的值变成0时，OUT变为高电平。在计数期间可用门控信号暂停计数（即门控为低电平时，计数暂停）。

图8-24是方式0的波形示意图。其中/WR是表示初始化时执行输出指令所发的写信号，CW表示写控制字，LSB表示写计数初值（一般情况下，写初值应有两个负脉冲，第一个送低8位，第二个送高8位。这里是为了波形简洁，只画了一个，见图8-24）。

图8-24 方式0波形图

输出端OUT由低变高可以用来作为中断请求信号（正是由于这种作用，许多书中称方式0为完成计数时中断），也可作为查询信号，也可直接去控制某个操作。

2.方式1——硬件启动的单脉冲发生器

方式1通常被用作模拟单稳电路，所以又被称作可编程单稳。所谓单稳，是指这样的电路，它有两种状态，但只能稳定在一种状态。在一定的外界作用下，它能从这一种状态进入到另一种状态，但经过一定时间后，又自动恢复到原来的状态。这个时间参数一般是由外加电阻、电容的值决定的。8253的方式1就是模拟单稳电路，其处于非稳定状态的时间可通过程序进行设置。

一旦8253的某计数器被设置成方式1后，其OUT变高电平，装入初值后，仍保持高电平，等待门控上升沿到来。门控为高电平后的第一个CLK下降沿时OUT变低电平，初值又被重新装入一次，并开始计数，每来一个计数脉冲，计数器的值减1。当减到0时OUT变高电平。此后门控的上升沿可再次启动此过程。方式1的波形如图8-25所示。

图8-25 方式1波形图

从图8-25可看出，门控上升沿的到来使得OUT开始输出负脉冲（称作触发），其宽度为CLK的周期乘以预置值。如果在负脉冲期间，即计数未到达终点，GATE再来一个上升沿，则再次赋初值，重新开始计数。这样做可加宽负脉冲的宽度，如图8-26所示。这种现象叫单稳的再触发。

图8-26 方式1下的单稳再触发

3.方式2——分频脉冲发生器（分频器）

方式2用来对输入脉冲（即计数脉冲CLK）N分频（N为预置的初值），在输出信号周期中低电平的时间为一个CLK周期。

设置此方式后，OUT变高电平，装入初值后便自动开始计数，减到1时OUT变低电平。经过一个CLK周期，OUT恢复高电平，且计数器又自动装入初值，重新开始计数，并如此循环下去。如图8-27所示是工作在方式2的示意图。在上述过程中GATE应一直保持高电平。若GATE变低电平将禁止计数，并使输出为高电平。在GATE再次变高电平时，计数器将重新装入预置的初值，并开始计数。(www.xing528.com)

图8-27 方式2波形图

4.方式3——方波发生器

方式3类似于方式2，输出是周期性的，不同的是方式3输出方波。如果预置的初值N为偶数，则输出周期中高电平和低电平的宽度相等。如果N为奇数，则输出周期中高电平比低电平多一个CLK周期的时间，当N相当大时，也可认为是方波。当然，一般采用方式3时，置初值为偶数。

设置成方式3后，OUT变高电平，装入初值后便自动开始计数。如初值为偶数，每个CLK使计数器减2，计数到终点改变电平。如初值为奇数，则输出为高电平时第一个CLK使计数器减1，随后每个CLK使计数器减2。输出为低电平时第一个CLK使计数器减3，随后每个CLK使计数器减2。每当计数到终点都会改变电平，初值又被重新装入，并开始计数。如此循环下去，如图8-28所示。和方式2一样，GATE变低可暂停计数。

图8-28 方式3波形图

5.方式4——软件触发的单脉冲发生器

设置成方式4后，OUT变高电平，写入计数值后自动开始计数（所以称为软件触发），计数到终点输出一个CLK周期的低电平脉冲。GATE变低可暂停计数，用GATE的上升沿可重新赋初值，并开始计数。

6.方式5——硬件触发的单脉冲发生器

设置成该方式后，OUT变高电平，写入计数值后需等待GATE上升沿的到来才开始计数（所以称为硬件触发）。计数到终点也输出一个CLK周期的低电平脉冲。计数过程中不受GATE电平的影响。此后，用GATE的上升沿可重新赋初值，并开始计数。

下面对8253/8254的6种工作方式做简单比较，找出它们的共性和个性。

1）在六种工作方式中，只有方式0在写入控制字后OUT变为低电平，其他5种方式都在写入控制字后OUT输出高电平。

2）预置值N与输出波形的关系见表8-3。表中几处“N+l”里的加1是考虑到预置的初值需要一个计数脉冲才能装入。当然，对其他方式初值的装入也都需要一个CLK脉冲，只是这一个CLK在输出中不必加以考虑，因为方式1要考虑的是单稳负脉冲的宽度，而方式2、3初值的装入只影响第一个周期。

3）方式2、4、5有相同之处，即计数到终点，都输出宽度为1个CLK周期的低电平脉冲。其主要不同点为：方式2是自动启动，重复进行计数及输出低电平脉冲的过程；方式4也是自动启动，但仅输出一个低电平脉冲；方式5需等待GATE上升沿的到来才开始计数，也只输出一个低电平脉冲。

表8-3 预置值N与输出波形的关系

4）方式2和方式3也有相同之处，即都输出周期性信号，每当计数到终点，初始化时预置的初值都会被自动重装。两者的不同之处在于输出的周期性信号具有不同的占空比。

8253/8254只有一个控制字，用于控制三个计数器的工作方式和计数方式，其格式和含义如图8-29所示。最高两位用来选择计数器，接着的两位用来规定读/写格式，其后的3位用来选择工作方式，最低位用来规定是二进制计数还是十进制计数（BCD数制）。

图8-29 8253/8254控制字

由于8253对外的数据线只有8根，对16位计数器进行写（预置）或读（读取当前计数值）需要分两次进行。当CPU需要读取某计数器的当前值时，一般是先读低8位，再读高8位。由于两次读之间存在时间间隔，这期间可能恰好有计数脉冲，所以读出的值带有随机性。为了使CPU能获得计数器某一时刻准确的值，8253/8254设置了锁存操作。当控制字的D5、D4位（RLl、RL0）为00时，表示锁存，即将指定计数器的当前值锁存到内部的16位存储寄存器中。此后，CPU可分两次取走。注意，锁存不影响计数，在锁存操作时计数器仍然继续计数，CPU读取的是被锁存在存储寄存器中的计数值。

使用8253，要先通过程序对其进行初始化。在初始化时主要掌握以下三点：

1）对各个计数器分别进行初始化，顺序无要求。

2）对某个计数器进行初始化，先写控制字，再送计数初值。如送16位初值，则需先送低8位，再送高8位。

3）预置的初值需经过一个输入脉冲（CLK）的上升沿和下降沿之后才可装入计数器。

4）根据需要选择计数数制，如果计数初值大于10000，则只能使用二进制计数（16 bit的BCD技术最大值只有9999）。