第九章 计数器和定时电路

§9.1 概述§9.2 8253 的控制字§9.3 可编程定时 / 计数器的工作方式

定时举例： ① 一天 24 小时的计时，称为日时钟。 ② 在监测系统中，对被测点的定时取样。 ③ 在读键盘时，为去抖，一般延迟一段时间，再读。 ④ 在微机控制系统中，控制某工序定时启动。

一、概述1 、定时与计数器的概念 定时器：在时钟信号作用下，进行定时的减“ 1” 计数，定时时间到（减“ 1” 计数回零），从输出端输出周期均匀、 频率恒定的脉冲信号。 由上述可知，定时器强调的是精确的时间。

计数器：

在时钟信号作用下，进行减“ 1” 计数，计数次数到（减 "1" 计数回零），从输出端输出一个脉冲信号。

计数举例：•① 对零件和产品的计数；•② 对大桥和高速公路上车流量的统计等等。

Intel8253 在微机系统中可用作定时器和计数器。定时时间与计数次数是由用户事 先设定。

9.1 可编程计数 / 定时器 8253/8254

定时 / 计数器的作用生产线上统计产品的数目 ---- 计数器系统的动态存储器刷新 ---- 定时器系统时钟计时 ---- 定时器扬声器的频率源 ---- 定时器

如何定时软件定时，优点是节省硬件；缺点是执行程序期间 CPU一直被占用，降低了 CPU 效率硬件定时，要用额外的硬件—计数 / 定时器，但可提高CPU 的利用率

8253 基本功能

具有三个相互独立的 16 位计数器通道每个通道都可设定以 6 种工作方式之一进行计数 /定时每个计数器都可设为按二进制或 BCD 码计数 具有计数和定时功能，基于减 1 计数工作定时器减为 0 后，可自动装入定时常数初值，并产生输出信号在减 1 操作中，任何时刻计数器的值都可由 CPU经计数输出寄存器读取

8253 引脚

数据线

控制线

电源线

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

RD WR A0 A1

CS VCC

GND

8 7 6 5 4 3 2 1

22 23 19 20 21 24 12

Intel 8253

9 11 10

15 14 13

18 16 17

CLK0 GATE0 OUT0

CLK1 GATE1 OUT1

CLK2 GATE2 OUT2

计数器 0

计数器 1

计数器 2

8253 引脚

8253 与 CPU 的接口 8 位数据线： D0 ~ D7

寻址控制线： A0 、 A0 、 /CS

读写控制线： /RD 、 /WR

8253 与外设的接口 注 : 三个独立的计数器 / 定时器

时钟输入： CLK

输入门控： GATE

波形输出： OUT

8253 寄存器选择表

8253 内部结构

数据总线缓冲器8D0~D7

内部总线

CLK0计数器 0 GATE0

OUT0

计数器 1CLK1GATE1OUT1

计数器 2CLK2GATE2OUT2

读 / 写逻辑A0A1

WR

RD

CS

控制字寄存器

内部的各计数器的结构

&CLK

GATE

16 位当前计数值锁存器

16 位减一计数器

16 位计数初值寄存器

OUT（减 1至 0时）

MSBLSB装入初值

LSB MSB锁存后读出当前值

9.2 8253 的控制字

例将计数器 2 初始化为工作方式 3 ，计数初值为 533H ，为二进制计数方式，设寄存器地址为 40H ~ 43H

控制字 1 0 1 1 0 1 1 0 B6HB6H

MOVMOV AL AL ，， 0B6H0B6H ；计数器；计数器 22 ，先低后高字节，先低后高字节OUTOUT 43H 43H ，， ALAL ；写命令字；写命令字MOVMOV AX AX ，， 533H533H ；计数初值；计数初值OUTOUT 42H 42H ，， ALAL ；写计数值低位；写计数值低位MOVMOV AL AL ，， AHAHOUTOUT 42H 42H ，， ALAL ；写计数值高位；写计数值高位

例8253 工作为计数器 1 ，方式 3 ，初值为 4020D

0 1 1 1 0 1 1 177H77H

编程编程 MOV ALMOV AL ，， 77H77H

OUT 43HOUT 43H ，， AL AL ；写计数器 ；写计数器 1 1 的控制字的控制字 MOV ALMOV AL ，， 20H20H

OUT 41HOUT 41H ，， AL AL ；写计数器 ；写计数器 1 1 的低 的低 8 8 位初值 位初值 MOV ALMOV AL ，， 40H40H

OUT 41HOUT 41H ，， AL AL ；写计数器 ；写计数器 1 1 的高 的高 8 8 位初值位初值

例 2 ：计数器 0 ，工作在模式 2 ，计数初值和输出锁存器仅使用低 8 位，初值为 100 ，计数值为二进制格式。　 MOV AL ， 00010100B ；控制字 　　　 OUT 73H ， AL

　　　 MOV AL ， 100 　；计数初值 　　　 OUT 70H ， AL

例 3. 计数器 1 ，工作在模式 1 ， CR 和 OL 使用 16 位，初值为 1234 ，先写入低 8 位，再写高 8 位，计数值为 BCD 。

MOV AL ， 01110011B 　　；控制字 　　　 OUT 73H ， AL

　　　 MOV AX ， 1234H 　 BCD 1234

　　　 OUT 71H ， AL 　；计数初值低 8位　　　 MOV AL ， AH

　　　 OUT 71H ， AL 　；计数初值高 8位

因 8253 是减计数器，故计数初值越大，则计数减至 0 所用时间（即定时时间）就越长，但由于 8253 是先减 1 ，再判是否到 0 ，故最长的定时时间是设置计数初值为 0 ，代表65536 。十进制计数时范围是 0001 ～ 10000 ，其中当计数初值寄存器为 0000H 代表十进制数 10000 。 计数取值范围在二进制计数时是 0001H ～ 10000H ，其中10000H 代表 65536 ，在计数初值寄存器中的值是 0000H 。 可以从 8253 中读出当前计数值，但其读出过程是：先将当前计数初值写入到输出锁存器，然后再从输出锁存器中读出，在这同时， 8253还在不停地进行减计数，虽然输出锁存器中的值不变，但减计数单元却在不断地减计数，因此，从输出锁存器中读出的值并不一定是真正的当前计数值。

9.3 工作方式与功能

方式 0 ：计数结束产生中断输出（软件控制）方式 1 ：重复触发的单稳输出（硬件控制）方式 2 ：分频器（软件控制）方式 3 ：方波发生器（软件控制）方式 4 ：选通信号发生器（软件触发）方式 5 ：选通信号发生器（硬件触发）

8253 各工作方式的共同点

控制字写入计数器时，所有控制逻辑立即复位，输出端 OUT 进入初始态写入初值后，要经过一个时钟周期后计数执行部件 CE才开始工作时钟脉冲 CLK 的上升沿，门控信号 GATE 被采样

方式 0— 计数结束产生中断

预置初值之后， OUT仍保持低电平。只有当计数器中计数值减为 0 时， OUT才会输出高电平并维持计数初值寄存器 CR 在延迟一个 CLK脉冲后传到 CE 中，因此 N＋ 1 个 CLK 脉冲后计数值才变为 0

GATE=0 ，计数停止； 1 ，继续计数计数过程中可重写或改变计数值

方式 0 特点：（ 1 ）计数器只计数一遍（ 2 ）输出信号 OUT 会在 N+1 个 CLK 脉冲后变高 （ 3 ） GATE 变低电平可以停止计数过程 （ 4 ）改变计数立即有效

n=4

4 3 2 2 2 2 2 1 0

CWCLK

OUT

GATE

WR

n=3

4 3 2 1 3 2 1 0

CW n=4CLK

OUT

GATE=1

WR

方式 0 初始化

设计数器 0 工作于方式 0 ， 8 位二进制计数，初值为 9 。端口地址为 0E0H ～ 0E3H

初始化程序MOV AL ， 10H ；设计数器 0 ，工作方

式 0

OUT 0E3H ， AL ；写入控制寄存器MOV AL ， 9 ；设计数初值OUT 0E0H ， AL ；写初值入计数器 0 的

CR

方式 1— 可重触发的单稳触发器

门控信号 GATE正脉冲启动定时 / 计数允许当前计数未完时的多次重触发， GATE再触发后， OUT 输出会保持 N 个 CLK 脉宽的低电平下个 GATE正脉冲触发信号到来时，会将新初值装入 CE 中，使计数单元从新初值开始计数

高电平

方式 1特点：（ 1 ）计数到 0 后，如果有外部触发，就可以按原来的计数

初值工作 （ 2 ）计数过程中 GATE信号可以用作重新触发，计数器重

新计数 （ 3 ）改变计数初值并不是立即有效，只有等到下一个 GA

TE 上升沿，才将新初值装入计数单元并按新初值启动计数。

4 3 2 1 0

CW n=4 n=5CLK

OUT

GATE

WR

方式 1 初始化

设计数器 1 工作于方式 1 ， BCD 码计数，计数值为十进制 4000 。设端口地址为 0E0H ～ 0E3H

16 位计数初值，但由于计数值低 8 位为 0 ，所以可以设定读 / 写操作控制段只写高 8 位， CR 低 8位自动清 0 。控制字为 01100011B ，初始值 40H

MOV AL ， 63H ；设控制字OUT 0E3H ， AL

MOV AL ， 40H ；设初值 40H （高 8 位）OUT 0E1H ， AL

方式 2—分频器

计数器减到 1 时， OUT 仅输出一个 CLK 脉宽的低电平，然后自动装入重新计数GATE 由低变高会重新装入初值新初值在下次计数才起作用

方式 2特点：（ 1 ）不用重新设置计数值，通道可以连续工作 （ 2 ）以 GATE信号停止计数。在 GATE 变成高电平后的下一个 CLK脉冲，计数器恢复原来的初值，重新计数

（ 3 ）改变计数值不是立即有效，只有当计数值减至 0 时，下一轮计数过程按新初值进行。

方式 2 初始化

设计数器工作于方式 2 ，二进制计数，计数初值 0304H 。端口地址 0E0H ～0E3H

MOV AL ， 0B4H ；控制字OUT 0E3H ， ALMOV AL ， 04H ；计数器低字节OUT 0E2H ， ALMOV AL ， 03H ；计数器高字节OUT 0E2H ， AL

方式 3— 方波发生器

与方式 2类似，但其输出方波或准方波计数值完成一半时，使 OUT变低，直到计数任务全部完成为止， OUT恢复为高初值为偶数时，每次减 1 ，直至 n/2 时 OUT 输出变为低电平，然后又从初值开始，每次减 1 ，直至 n/2 时 OUT 输出变为高电平初值为奇数时，每次减 1 ，减 (n+1)/2 次时， OUT 输出变为低电平，然后从 (N-1)/2开始，每次减一，直至为 0 ，所以有 (N+1)/2 个脉宽的高电平 ,(N-1)/2 个脉宽的低电平。GATE 由低变高时，重新开始计数

方式 3 特点：（ 1 ） GATE 信号由低变高可以使计数过程

重新开始 （ 2 ）改变计数初值并不影响现行的计数过

程

方式 3 初始化

计数器 0 工作于方式 3 ，二进制计数，初值为 4 。端口地址为 0E0H ～ 0E3H

MOV AL ， 16H ；控制字OUT 0E3H ， AL

MOV AL ， 4 ；初值OUT 0E0H ， AL

方式 4— 软触发的选通发生器

计数减到 0 时输出一个脉宽的低电平GATE 由低到高时，计数器恢复工作，而不重置初值计数过程中，新初值立即起作用

方式 4特点：（ 1 ）如果设置计数初值为 N，则输出信号

OUT 会在 N+1 个 CLK脉冲后输出一个负脉冲。

（ 2 ）改变计数值为立即有效

方式 4 初始化

设计数器 1 工作于方式 4 ，二进制计数，计数初值为 3 。端口地址为 0E0H ～ 0E3H

MOV AL ， 58H ；控制字OUT 0E3H ， AL

MOV AL ， 3 ；初值OUT 0E1H ， AL

方式 5— 硬触发的选通发生器

如方式 1 ，方式 5也是硬件触发计数器到 0 ，输出一个脉宽的负脉冲允许当前计数未完时的多次重触发GATE触发，按新初值计数

6 、方式 5

WR

CLK

CW=1A LSB=3

GATE

OUT

3 2 1 0 FF 3

方式 5特点：（ 1 ）若设置计数值为 N，则经过 N+1 个 C

LK脉冲后 OUT 引脚输出一个负脉冲（ 2 ） GATE信号重新触发，可以令计数器重新计数

（ 3 ）改变计数初值并不是立即有效

方式 5 初始化

设计数器 2 工作于方式 5 ，二进制计数，计数初值为 3 ，端口地址为 0E0H ～ 0E3H

MOV AL ， 9AH ；控制字OUT 0E3H ， AL

MOV AL ， 3 ；初始值OUT 0E2H ， AL

工作方式总结

初态

计数开始

计数结束

OUT

重新装入初值

GATE

工作方式 0 1 2 3 4 5

L

L

H

L

GATE

触发H允许L禁止

H H H H

HH2

3

自动

H允许L禁止

触发

G

自动

G

自动

G

初始化编程的原则：• 先写入控制字，后设置计数初值；

– 设置初值的过程必须符合控制字中规定的格式。• 计数 ----输入信号为外部计数脉冲。• 定时 ----输入信号为已知准确的、固定周期时钟。

– 定时时间 t=n×TCK ； n为计数初值， TCK 为时钟周期

• 编程命令读出命令 ---- 读输出锁存器内容

写入命令设置控制字（工作方式）

发锁存命令

设置计数初值

控制字

方式 0 与方式 4 的比较（软件控制）

相同点都是软触发，无自动重装入能力写入控制字及初值后，若GATE=H ， CE开始减计数

当 CE = 0 时， OUT改变电平状态

不同点 方式 0 在计数期间 OUT = L ，计数结束 OU

T = H

方式 4 在计数期间 OUT=H ，计数结束 OUT= 负脉冲

OUTOUT

OUTOUT

方式 1 与方式 5 的比较（硬件触发）

相同点写入控制字及初值后，若 GATE 输入上升沿脉冲触发， CE开始减计数 , 当 CE = 0 时 , OUT改变电平状态

不同点 方式 1 在计数期间 OUT = L ，计数结束 OUT =

H

方式 5 在计数期间 OUT=H ，计数结束 OUT= 负脉冲

计数期间计数期间

GATEGATE

OUTOUT

计数期间计数期间

GATEGATE

OUTOUT

方式 2 与方式 3 的比较（波形输出）

相同点均输出连续周期波形，预置初值可自动重装入

不同点方式 2 输出连续负脉冲周期波形方式 3 输出连续方波周期波形

方式 方式 33

方式方式 22

8253 读出命令

MOV AL ， 00000000B 　；锁存　　 OUT 73H ， AL

　　 IN AL ， 70H 　；当前计数值低 8 位　　 MOV BL ， AL

　　 IN AL ， 70H 　；当前计数值高 8 位 　　 MOV BH ， AL 　；读取后， OL 的值又随计数执行部件变化

8253应用举例

采用 8253 作定时 / 计数器，其接口地址为 0120

H~0123H 。输入 8253 的时钟频率为 2MHz 。计数器 0: 每 10ms 输出 1 个 CLK 脉冲宽的负脉冲计数器 1: 产生 10KHz 的连续方波信号 计数器 2: 启动计数 5ms 后 OUT 输出高电平。画线路连接图，并编写初始化程序。

8253应用举例（续）

确定计数初值： CNT0 ： 10ms/0.5us = 20000

CNT1 ： 2MHz/10KHz = 200

CNT2 ： 5ms/0.5us = 10000

确定控制字： CNT0 ：方式 2 ， 16 位计数值 00 11 010 0

CNT1 ：方式 3 ，低 8 位计数值 01 01 011 0

CNT2 ：方式 0 ， 16 位计数值 10 11 000 0

8253应用举例（续）

CLK0

GATE0

OUT1

D0~D7

WR

RD

A1

A0

CS

DB

IOW

IOR

A1

A0

译码器

8253

CLK2

GATE1

GATE2

+5V

CLK1

2MHz

OUT0

OUT2

？

线路连接图：

8253应用举例 初始化程序

CNT0 ：MOV DX, 0123H

MOV AL, 34H

OUT DX, AL

MOV DX, 0120H

MOV AX, 20000

OUT DX, AL

MOV AL, AH

OUT DX, AL

CNT1 ： ……

CNT2 ： ……

* 如何读出当前计数值

第 1 种方法——在计数过程中读计数值先锁存当前计数值，再用两条输入指令将 16位计数值读出。第 2 种方法——停止计数器再读

用 GATE 信号使计数器停止，再规定 RL1 和RL0 的读写格式，然后读出。

9.3.4 8254 与 8253 的比较

先读入的是计数状态信息，后是计数值

区别：计数频率不同；控制命令功能不同。区别：计数频率不同；控制命令功能不同。 82548254 还还具有读回命令具有读回命令

8253应用举例

在 IBM PC/XT 机中， 8253-5 是 CPU 外围支持电路之一，为系统电子钟提供时间基准，为动态 RAM 刷新提供定时信号以及作为扬声器的声源等功能。1. 硬件结构2. 计数器的预置程序

硬件结构

从 8253-5 在 IBM PC/XT 机中的连线图中可知， 8253-5芯片的 3 个计数器使用相同的时钟脉冲。 CLK0 ～ CLK2

的频率是由 8284 时钟发生器输出的外部时钟 PCLK （ 2.38MHz ）的 1/2 ，即 1.19MHz ，这由 U22分频实现。 8253-5 的 3 个计数器端口地址为： 40H 、 41H 、 42H ；控制寄存器端口地址为 43H 。

计数器的预置程序

8253-5 的 3 个计数器的预置程序如下：

PR０： MOV AL ， 36H ；选择计数器 0 ，写双字节计数值，方式 3 ，二进制计数OUT 43H ， AL ；写控制字MOV AL ， 0 ；预置计数值 65536OUT 40H ， AL ；先送低字节计数值

OUT 40H ， AL ；后送高字节计数值

PR1 ： MOV AL ， 54H ；选择计数器 1 ，读 / 写低字节计数值，方式 2 ，二进制计数

OUT 43H ， AL MOV AL ， 12H ；预置计数器初值 18OUT 41H ， AL

PR2 ： MOV AL ， 0B6H ；选择计数器 2 ，读 / 写双字节计数值，方式 3 ，二进制计数

OUT 43H ， AL MOV AX ， 533H ；送分频数 1331OUT 42H ， AL ；先送低字节

MOV AL ， AH OUT 42H ， AL ；后送高字节

3 个计数器如下：

1. 计数器0

2. 计数器1

3. 计数器2

计数器 0

计数器 0 为系统电子钟提供时间基准，即向系统日历时钟提供定时中断，其输出端 OUT0 作为系统的中断源接中断控制器 8259A 的中断请求端 IRQ0 。它选用方式 3 工作，以产生周期性的方波信号。为此，对计数器 0 编程时应设置的控制字为 36H 。计数器初值预置为 0 （即最大值 65536 ）， GATE0接 +5V ，允许计数。因此， OUT0 输出方波的时钟频率为 1.19MHz/65536=18.21Hz。它直接接到中断控制器 8259A 的中断请求端 IR0 （即图中 IRQ0 ），即 0级中断，每秒出现 18.2 次。因此，每间隔 55ms产生一次 0级中断请求。并且，每一个输出脉冲均以其正跳变产生一次中断。 CPU根据这一中断可在中断服务程序中进行计时。

计数器 1

计数器 1 用作定时器，为动态 RAM 刷新提供定时信号，即向 DMA 控制器定时发动态存储器刷新请求。它选用方式 2 工作，相当于一个分频器。编程时，设置的控制字为 54H ，计数器初始值为 18 。 GATE1接 +5V ，允许计数。因此， OUT1 输出的分频脉冲频率为 1.19MHz/18=66.1KHz，相当于周期为 15.1μs。这样，计数器 1 每隔 15.1μs经由U21 产生一个动态 RAM 刷新的请求信号 DRQ0 。由 DRQ0请求一次 DMA ，由 DMA 控制器 8237A执行 DMA 操作，以完成对动态 RAM 的刷新。

计数器 2

计数器 2 是系统的扬声器的声源，其输出信号送往扬声器，并根据 OUT2 端输出信号的频率来控制扬声器的音调。而扬声器发声的长短取决于 OUT2 信号延续时间的多少，也即门控信号 GATE2 延续时间的长短。 GATE2

是接在并行接口芯片 8255A 的 PB0 的，所以 PB0 控制了计数器的计数时间长短。

在初始化编程时，计数器 2 用方式 3 工作，应设置的控制字为 B6H ，计数器的初值置 533H （即 1331 ）， OUT2 输出方波频率为 1.19MHz/1331＝ 894Hz。该计数器的工作由主机板上 8255A 的 PB0 端控制。当 PB0

输出的 TIME2GATESPK信号使 8253-5 的 GATE2 为高电平时，计数器 2 方能工作。

*扩展定时 / 计数范围

当定时长度不够时，可把 2 个或 3 个计数通道串联起来使用，甚至可把多个 8253串联起来使用。 例如： CLK 频率为 1MHz ，要求在 OUT1 端产生频率 1Hz 的脉冲。 这时可将计数器 0 、 1串联，工作方式都均为方式 3 ，计数初值均为 1000 。连接方法见下页。

扩展定时 / 计数范围

1MHz

1KHz

1Hz