第8章 可编程接口芯片及应用

第8章可编程接口芯片及应用主要内容:可编程定时器／计数器芯片8253／8254可编程并行接口芯片8255A串行通信及可编程串行接口芯片8251A模／数与数／模转换技术及接口8.1可编程定时器/计数器芯片8253/8254定时信号的产生1.软件定时方法：根据所需时间常数设计一个延迟子程序。优点：节省硬件缺点：执行延时程序期间CPU一直被占用，降低了CPU效率，不易提供多作业环境。适用：延时时间较短、重复次数有限的情况。2.硬件定时方法：利用专门的定时/计数器作为主要硬件，在简单软件控制下，产生准确时间延迟。优点：定时/计数器与CPU并行工作，不占CPU时间，利用定时/计数器产生中断信号，可以建立多作业环境，大大提高了CPU利用率。适用：广泛应用。8253／8254是Intel公司生产的一种通用的计数／定时器CTC，也称为可编程序间隔定时器PIT，它是采用NMOS工艺由单一+5V电源供电的双列直插式封装24引脚芯片。8253／8254芯片两者的外形引脚及功能都是兼容的，仅是工作的最高频率有所不同，以满足不同的接口要求。例如：8253(2MHz)、8253-5(5MHz)，8254(8MHz)、8254-5(5MHz)、8254-2(10MHz)。8.1.18253的结构及功能1.8253的引脚图8.18253引脚及功能结构8253124223322421520619718817916101511141213D7CLK0OUT0GATE0GNDOUT1VCCA1CLK2OUT2GATE2CLK1GATE1D6D5D4D3D2D1D0WRRDCSA00#8253D7～D0A0CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2WRRDA1CS1#2#2.8253内部结构(1)数据总线缓冲器是8253用于和CPU数据总线连接的8位、双向、三态缓冲器，CPU读写8253的所有数据都经过该缓冲器。◎CPU用输出指令向8253写入方式控制字至控制寄存器、写入计数值至某个计数器，都是经数据总线缓冲器和8253内部总线传送的。◎CPU用输入指令读某个计数器值时，该计数器的现行计数值经8253内部总线和数据总线缓冲器传送到系统数据总线上，读入CPU。(2)读/写逻辑是8253内部操作的控制部件◎接收系统总线输入信号，转换成8253内部操作的各种控制信号◎选择读写操作的对象（某计数器或控制寄存器－由A0、A1决定）◎决定内部总线上数据的传送方向（输入还是输出—由WR、RD决定）8253端口地址及内部操作(3)控制寄存器◎8253初始化时接收CPU写入的控制字◎控制字指定计数器的工作方式，选择以二进制或二—十进制计数等◎该寄存器为只写寄存器(4)计数器0、计数器1、计数器2◎三个计数器结构完全相同、操作完全独立◎每个计数器内部包含：一个16位计数初值寄存器（CR）、计数执行部件（CE）、一个16位输出锁存器（OL）和一个控制寄存器◎每个计数器外部有两个输入端（CLK、GATE）和一个输出端（OUT）3.计数器的内部结构计数器0控制寄存器计数初值寄存器(CR)减1计数器(CE)输出锁存寄存器(OL)CRHCEHOLHCRLCELOLL4.8253的工作过程(1)由CPU向控制寄存器写入控制字，以确定工作方式；(2)由CPU向计数器寄存器写入计数初值或定时常数；(3)计数单元从计数器寄存器中获得初值，在CLK端输入的计数脉冲控制下进行减1计数（CLK决定计数速率）；(4)减到0时，该状态由OUT输出或由状态寄存器的某一位表示，以作为中断请求信号或供查询方式使用，也可将OUT连到一个I/O设备上，去启动一个I/O操作；(5)任何时候都可以将计数单元的当前值送到输出锁存器被CPU读取而不干扰计数器继续计数；(6)门脉冲GATE是由设备送来的，作为对时钟脉冲的控制信号，门脉冲对时钟的控制方法有多种，以形成多种工作方式。8.1.28253的编程8253在工作之前，用户首先要为某一计数器(计数器02)写入控制字以确定其工作方式；写入定时/计数初值；在定时/计数工作过程中，有时还需要读取某计数器当前的计数值。1.8253的控制字格式8253的控制字格式如下图所示。0—二进制计数1—十进制计数00—将减1计数器CE中的数据锁存到OL中(锁存功能)000—方式0D7D6计数器选择读写格式工作方式数制00—选择计数器001—选择计数器110—选择计数器211—非法01—对计数器的低8位读或写10—对计数器的高8位读或写11—计数器16位操作(先低8位，后高8位读或写)001—方式1×10—方式2×11—方式3100—方式4101—方式5D5D4D3D1D2D0D7D6D5D4D3D2D1D0SC1RL1M1M0M2BCDSC0RL02.8253的读/写操作对8253的读/写操作不仅要用到RD和WR控制信号，还要根据计数/定时工作的要求利用门控信号GATE和锁存功能来控制8253的读/写操作。⑴读操作。所谓读操作是指读出计数器的计数值至CPU中。有两种读数方法：①直接读出(停读)。直接用输入指令读取所选择的端口计数器值。②锁存读出(飞读)。锁存计数值以供读取，是专为在计数过程中读数据而设计的。⑵写操作所谓写操作是指CPU对8253写入控制字或计数初值。3.初始化编程8253投入工作之前，CPU要对它进行初始化编程。初始化编程的步骤为：①写入计数器的控制字，规定其工作方式及相应功能；②写入计数初值。例如，若选择0＃计数器，工作在方式3，计数初值为2354H，十进制计数方式；或选择l＃计数器，工作在方式2，计数初值为18H，二进制计数方式。并设8253端口地址为4043H。则根据上述各计数器的功能，其初始化编程如下：0＃计数器的控制字为：37H1＃计数器的控制字为：54H00110111SC1RL1M1M0M2BCDSC0RL001010100对0＃计数器初始化编程MOVAL，37H；对0＃计数器送控制字。OUT43H，ALMOVAL，54H；送初值的低8位。OUT40H，ALMOVAL，23H；送初值的高8位。OUT40H，AL对1＃计数器初始化编程。MOVAL,01010100B；对1＃计数器送控制字。OUT43H，ALMOVAL，18H；计数初值送低8位。OUT41H，AL当采用“飞读”的方法读取1＃计数器的计数值时，可采用如下程序片段：MOVAL，01000100B；对1＃计数器送锁存控制字。OUT43H，ALINAL，41H；读低8位。MOVCL，AL；读取的计数值存于CL中。当计数值为16位时，则“飞读”时还应读取高8位锁存器中的计数值。即：INAL，41H；读低8位。MOVCL，ALINAL，41H；读高8位。MOVCH，AL8.1.38253的工作方式及时序图8253定时器／计数器的每个计数器都有六种可编程选择的工作方式。对于每一种工作方式，由时钟输入信号CLK确定计数器递减的速率。门控信号GATE用于允许或禁止CLK信号进入计数器，或者根据工作方式用作计数器的启动信号。计数结束时，在输出线OUT上产生一个标志信号，该信号可编程定义为脉冲、恒定电位或周期信号。区分六种工作方式的主要标志有三点：一是输出波形不同；二是启动的触发方式不同；三是计数过程中门控信号CATE对计数操作的影响不同。现在分别讨论不同工作方式的特点。1.方式0—计数结束产生中断方式CLKGATE543201OUTCWWRN＝5322201CLKGATEOUTWRCWN＝32．方式1——可编程单次脉冲12120CLKGATEOUTWRCWN＝2图8.7方式1的波形3．方式2——分频工作方式CLKGATEOUTWRCWN＝3TOUT＝N*TCLK1321233图8.8方式2的波形2143342CLKGATEOUTWRCWN＝4TOUT＝N*TCLK图8.9方式3的波形4．方式3——方波发生器5．方式4——软件触发选通21034CLKGATEOUTWRCWN＝46．方式5——硬件触发选通04312CLKGATEOUTWRCWN＝48.1.48254与8253的区别8254是8253的改进型，它们的引脚定义与排列、硬件组成等基本上是相同的。因此8254的编程方式与8253是兼容的，凡是使用8253的地方均可用8254代替。①允许最高计数脉冲(CLK)的频率不同。8253的最高频率为2MHz，而8254允许的最高计数脉冲频率可达10MHz(8254为8MHz，8254−2为10MHz)。②8254每个计数器内部都有一个状态寄存器和状态锁存器，而8253没有。③8254有一个读回命令字，用于读出当前减1计数器CE的内容和状态寄存器的内容，而8253没有此读回命令字。8.1.58253应用举例例8.2使用8253计数器2产生频率为40kHz的方波，设8253的端口地址为0040H0043H，已知时钟端CLK2输入信号的频率为2MHz。试设计8253与8088总线的接口电路，并编写产生方波的程序。8253与8088总线的接口电路如下图所示。&74LS138ABC8253D0A0…CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2D7D7～D0RDWRA1CS0Y1G2BG2AG≥1&A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A15WRRD…IO／M2MHz20kHz1.工作方式控制字2.计数初值计数初值=输入频率/输出频率=2000000Hz/40000Hz=50=0032HD7D6D5D4D3D2D1D0SC1RL1M1M0M2BCDSC0RL011110110根据上述要求2＃计数器应设置成方式3工作状态，按双字节传送的50分频计数值应为0032H。此时，2＃计数器的初始化程序如下：MOVAL，11110110B；对2＃计数器送控制字。OUT43H，ALMOVAL，32H；送低8位计数值32H。OUT42H，ALXORAL，AL；送高8位计数值00H。OUT42H，AL