1、1,第8章 计数器/定时器与DMA控制器,8.1 计数器/定时器的工作原理 8.2 可编程计数器/定时器8253 *8.3 DMA传送的基本原理 *8.4 DMA控制器8237A,8.1 计数器/定时器的工作原理,8.1.1 微机系统中的定时,上课45分钟/节、RTC,时钟、节拍、操作系统时间片,3,8.1.1 微机系统中的定时,微机系统常常需要为处理器和外设提供时间标记，或对外部事件进行计数。 内部定时是计算机本身运行的时间基准或时序关系，计算机每个操作都是按照严格的时间节拍执行的。外部定时是外部设备实现某种功能时，本身所需要的一种时序关系,8.1.2 定时方法软件定时 它是利用CPU内部定
2、时机构，运用软件编程，循环执行一段程序而产生的等待延时。 硬件定时 单稳延时电路产生定时或延时；,采用可编程通用的定时/计数器。,8.1.3 可编程计数器/定时器的工作原理,计数器：即在设置好计数初值后，便开始对外部触发脉冲作减1计数，减为0时，输出一个信号 。,定时器：即在设置好定时常数后，便对外部时钟信号作减1计数，并按定时常数不断地产生时钟周期整数倍的定时间隔 。,计数器,计数输出寄存器,计数脉冲输入CLK,门控脉冲输入GATE,输出OUT,图8-1 可编程计数器/定时器的基本结构以及与系统总线的连接,7,8.2 可编程计数器/定时器8253,8.2.1 8253内部结构及引脚功能8.2
3、.2 8253的工作方式及特点8.2.3 8253的编程8.2.4 8253的应用举例,8.2.1 8253内部结构及引脚功能 8253的内部结构,3个计数器、各有6种工作模式,16位初值，如何通过8位总线传送？,9,8253的引脚功能,8253的引脚功能,表8-1 8253计数器的选择与操作,8.2.2 8253的工作方式及特点,6种工作方式可供选用 区分这6种工作方式的主要标志： 一是输出波形不同； 二是启动计数器的触发方式不同； 三是计数过程中门控信号GATE对计数操作的控制不同。,计数结束OUT输出由低到高翻转 8253用作计数器时一般工作在方式0。计数结束后输出端产生的输出信号可作为
4、中断申请信号。,方式0计数结束产生中断（要求）,低电平则暂停计数,高电平则接着计数,8253方式0工作时序图,设 定 工 作 方 式,设 定 计 数 初 值,计 数 值 送 入 计 数 器,计 数 过 程,计 数 结 束,如CW=10H,15,15,方式0特点,OUT从写入控制字时变低，写入初值开始计数，计数到变高，可作中断申请信号。 初值有效一次 重写入初值后立即有效，重新计数。 计数过程中，GATE为低电平时，暂停计数。 设定计数值为N，则实际计数N1个CLK脉冲。 CPU第一个CLK脉冲到来，将初值送入初值寄存器，而第二个CLK脉冲送入计数器开始计数。,方式1：可重复触发的单稳态触发器
5、负脉冲宽度N CLK,计数没有结束再触发，则重新开始计数,8253方式1工作时序图,设 定 工 作 方 式,设 定 计 数 初 值,硬 件 启 动,计 数 值 送 入 计 数 器,计 数 过 程,计 数 结 束,18,18,方式1 特点,由GATE触发，OUT产生单稳负脉冲。 初值有效多次 重写初值，不影响当前计数过程；若GATE重新触发则按新值开始计数。,方式2可对输入时钟频率进行分频，分频因子为计数初值N，即输出频率=时钟频率/计数初值N。输出频率的占空比为( )%,即一个输出周期中，高电平所占比例为N-1个时钟脉宽，负脉冲占一个时钟脉宽 。,方式2：分频器(要求）,8253方式2工作时序
6、图,低电平则暂停计数,高电平则重新计数，相当于复位,21,21,方式2 特点,能够连续工作，每输入N个CLK信号，OUT输出一负脉冲。即对CLK脉冲N分频。 在计数过程中，重写初值，不影响本次计数，但，从下一个周期按新的计数值计数。 GATE变低，停止计数。,方式3：方波发生器,方波指占空比为50%的脉冲，即一个周期，正脉宽和负脉宽各占一半时间 。若是单数，则正脉宽多一个时钟周期。其余同方式2。,23,8253方式3工作时序图,24,24,方式3 特点,与方式2一样, 周期性工作.只是输出为方波. 计数值为奇数时,前面的高电平比后面的低电平多一个CLK脉冲. GATE变低，停止计数。,方式4：
7、软件触发的选通信号发生器,方式4中，当计数器减到0时输出电平翻转，再经过一个时钟周期，输出电平又翻回原来状态，计数结束。计数初值不会自动装入，要使计数器继续计数，就必须通过软件重新装入计数初值 。,8253方式4工作时序图,低电平则暂停计数,高电平则重新计数，相当于复位,27,27,方式4 特点,由写入初值来触发计数器开始工作。 初值有效一次,方式5与方式4相类似，只是写入计数初值之后要靠GATE的上升沿触发启动，才能将计数初值寄存器的内容送到计数执行部件进行减1操作 。输出负脉冲宽度1 CLK,方式5：硬件触发的选通信号发生器,8253方式5工作时序图,30,30,方式5 特点,写入计数初值
8、，计数器并不开始计数，而由GATE信号的上升沿触发启动初值有效一次,8253六种工作方式的比较,32,各种工作方式的输出波形,8.2.3 8253编程 设定方式控制字,34,00 计数器0 01 计数器1 10 计数器2 11 非法（8254为读回命令） （P276-277）,00 计数器锁存命令 01 只读写低字节 10 只读写高字节 11 先读写低字节后读写高字节,000 方式0 001 方式1 010 方式2 011 方式3 100 方式4 101 方式5,0 二进制1 十进制（BCD）,控制字写入控制字I/O地址（A1A011）,8.2.3 8253编程 设定方式控制字,35,35,8
9、253初始化,两个内容： （1）写方式字到控制口 （2）向选定的计数器按方式的要求写入计数初值。,设定计数初值,例8-1 设8253计数器0工作于方式3下，计数初值为6000（十进制格式），试写出其初始化程序。（设8253计数器0，计数器1，计数器2及控制端口地址分别为40H43H。） 根据题目要求，8253方式控制字应为00110111，具体程序如下：,37,设定计数初值,MOV DX，43H ；设定控制端口MOV AL，37H ；写入控制字OUT DX，ALMOV DX，40H ；设计数器0MOV AL，0 ；写计数初值低字节OUT DX，ALMOV AL，60 ；写计数初值高字节OUT
10、DX，AL,38,例8-2 假定8253的4个端口地址分别为310H、312H、314H、316H，输入脉冲频率为2MHz，编写出用计数器0输出频率为2kHz方波的初始化程序。分析： 根据题目要求，采用计数器0、工作方式3、二进制计数。 计数初值N=（2106）/（2103）=1000。 方式控制字为00110110B，即36H。,MOV DX，316H MOV AL，36H OUT DX，AL MOV AX，1000 MOV DX，310H OUT DX，AL MOV AL，AH OUT DX，AL,39,例8-3,MOV AL，76H OUT 76H，AL MOV AX，1000 OUT
11、72H，AL MOV AL，AH OUT 72H，AL MOV AL，36H OUT 76H，AL MOV AX，2000 OUT 70H，AL MOV AL，AH OUT 70H，AL,设系统为8253分配的端口地址为70H76H，其中76H为控制字寄存器端口地址，70H、72H、74H分别为计数器0、1、2的端口地址。若输入脉冲频率为2MHz，编写出用计数器0输出频率为1Hz方波的初始化程序。分析：由于输入时钟频率为2MHz，而输出方波频率为1Hz，计算出计数器初值N=（2106）/1=2106。此数超出16位计数器所能够表示的范围。为了解决这一问题，可先通过计数器1将2MHz的输入脉冲变
12、成2kHz方波，然后用OUT1输出的方波作为计数器0的输入时钟。计数器1的计数初值N=（2106）/（2103）=1000，计数器0的计数初值M=（2103）/1=2103。,8.2.4 8253的应用举例,*例8-4 IBM PC/XT系统板上8253的3个计数器的使用。 分析：IBM PC/XT机中，8253与系统总线的连接如图8-11所示。,*例8-5 8253的3个计数器串级连接起来，为某A/D子系统提供可调用的启动采样频率信号。 分析：连接电路如图8-12所示。设8253的计数器0，1，2分别工作在方式2（分频器）、方式1（单稳触发器），方式3（方波发生器）。3个计数器的初始值分别为
13、L,M,N。系统时钟频率为F。,42,方波，频率 ,正脉宽,这期间（H）允许采样,频率,设8253的端口地址为304H，305H，306H，307H。初始值L，N为二进制数，且小于256，M为BCD数，且大于100。设计：8253的初始化程序段如下MOV AL，14H OUT 307H，AL ；设计数器0 为方式2，低8位二进制计数 MOV AL，L OUT 304H，AL ；置初值L,44,MOV AL， 73H OUT 307H，AL ；设计数器1为方式1，16位BCD码数计数 MOV AX，M OUT 305H，AL ；置初值M低8位 MOV AL，AH OUT 305H，AL ；置初值
14、M高8位 MOV AL，96H OUT 307H，AL ；设计数器2为方式3，低8位二进制数计数 MOV AL，N OUT 306H，AL ；置初值N,例8-6 图8-13所示为一自动计数系统。当工件从光源与光敏电阻之间通过时，CLK0端即可接收到一个脉冲信号，由计数器0计数。 每当有80个工件通过后，由输出端OUT0输出一个负脉冲作为中断请求信号通知CPU。 CPU在处理该中断的中断服务程序中启动计数器1，由OUT1产生2000Hz的方波驱动蜂鸣器发声，提示工件以满80个，5秒后扬声器停止发声。,46,光敏电阻,驱动器,扬声器,CLK1 GATE1,5 MHz 8255 PA4,OUT0 C
15、LK0,TNT,OUT1,光源,工件,R,+5V,图8-13 自动计数系统,设计：程序清单如下MOV AL，15H ；写方式控制字（设计数器0工作于方式2）OUT 43H，AL MOV AL，80H ；设计数0的计数初值为80OUT 40H，ALSTI ；置IF1，开中断 LOOP：HLTJMP LOOP,48,；中断服务程序MOV AL，010H ；置GATE11（80H为8255PA口地址）OUT 80H，ALMOV AL，77H ；写方式控制字（设计数器1工作于方式3） OUT 43H，ALMOV AL，0 ；写计数初值低位OUT 41H，ALMOV AL，25H ；写计数初值高位OUT
16、 41H，ALCALL D5S ；调5秒延时MOV AL，0OUT 80H，AL ；置GATE01，使计数器1停止工作,49,练习,编程将8253计数器0设置为模式1，计数初值为20H。计数器1设置为模式2，计数初值为2030H。 某系统中8253芯片的通道02和控制端口的地址分别为FFF0H-FFF3H。定义通道0工作在方式2，CLK02MHZ，要求输出OUT0为1KHZ的速率波；定义通道1工作在方式0，其CLK1输入外部计数事件，每计满100个向CPU发出中断请求。试写出两个通道的初始化程序。,*8.3 DMA传送的基本原理,8.3.1 DMA传送的特点 DMA方式可以实现外部设备与存储器
17、之间的数据高速传输 DMA传送主要用于需要高速大批量数据传送的系统中，以提高数据的吞吐量 DMA传送方式的优点是以增加系统硬件的复杂性和成本为代价的 DMA传送虽然脱离CPU的控制，但并不是说DMA传送不需要进行控制和管理,8.3.2 DMA传送的机制当外设准备好数据时，通过硬件提出DMA请求，进而向系统提出总线占有请求。在系统同意让出总线的情况下，高速外设就可以利用总线在硬件的控制下完成数据交换，速度非常快。具有这种功能的硬件是DMA控制器DMAC。,52,DMAC可以通过下面的方式获得总线控制权 1周期挪用（Cycle Stealing） 2周期扩展 3CPU停机,54,1周期挪用（Cyc
18、le Stealing） 在这种方式中，DMAC在处理器不访问存储器或I/O端口时控制总线 2周期扩展 在这种方式中，DMAC在处理器不访问存储器或I/O端口时控制总线,55,3CPU停机 CPU停机是指在DMA操作期间，CPU交出总线控制权，由DMA控制器接管总线，完成数据传送。 这期间CPU不能使用总线，只能进行内部操作。在上述三种方式中，“CPU停机”是DMA占用总线最简单常用的方式。,以数据输入过程为例，CPU停机方式下DMA的工作过程如下: （1）当外设需要输入数据时，首先由I/O接口电路向DMA控制器发出DMA操作请求信号。 （2）DMA控制器接收到外设的请求后，向CPU发出总线请
19、求信号。 （3）若CPU予以响应，将向DMA发回总线响应信号，同时出让总线的控制权，由DMA控制器接管总线。,57,（4）DMA控制器接管总线后，向I/O端口发出DMA响应信号，并设置读写信号及存储器地址信号。 （5）接口接到响应信号后，将数据送往数据总线，并撤销DMA请求信号。 （6）存储器接收数据后，DMA控制器进行地址修改和字节计数，并撤销总线请求信号，通知CPU归还总线控制权，完成一次DMA操作。,DMA传送流程,8.3.3 DMA传送的模式 单字节传送模式 单字节模式下，只能一个字节一个字节地传送（或校验或检索），每传送一个字节DMAC必须重新向CPU申请占用总线。 一般是在DMAC
20、中设置字数计数器，DMA传送时，每传送一个字节数据，计数器减1，并释放总线，将控制权还给CPU 。,60,数据块传送模式在数据块传送的整个过程中，只要DMA传送一开始，DMAC始终占用总线，直到数据传送结束或校验完毕或检索到“匹配字节”，才把总线控制权还给CPU 请求传送模式 DMAC控制总线以后，每传送完一个字节，都由DMAC检测外设是否有继续传送的要求,8.4 DMA控制器8237A,功能： （1）4个独立的DMA通道，每个通道可分别进行数据传送，一次传送最大达64MB，能够实现存储器与外设间或存储器两个区域间的数据传送。,62,功能： （2）每个通道的DMA请求可以分别允许和禁止，具有不
21、同的优先级，并且每个通道的优先级可以是固定的，也可以是循环的。 （3）8237A具有4种传送方式：单字节传送方式、数据块传送方式、请求传送方式和级联方式。级联以后可以扩充DMA通道。,8.4.1 8237A的内部结构及引脚功能,表8-2 8237A控制器的寄存器口地址,8.4.2 8237A的工作过程与工作方式 18237A的工作过程,28237A的工作方式 （1）通道的优先级问题 （2）工作模式 单字节传送模式 数据块传送模式 请求传送模式 级联模式 （3）操作类型 DMA读，用于把数据从存储器中读出，写入外设。 DMA写，用于将数据从外设中读出，写入存储器中。 DMA校验，是一种空操作，并
22、不是真正的DMA传送，只产生时序。地址信号、外设可以利用这样的时序进行校验。,8.4.3 8237A的编程 1方式控制寄存器,2命令寄存器,3状态寄存器,4请求寄存器,5屏蔽寄存器,6综合屏蔽寄存器,7软件命令8237A有三种软件命令，它们只需要向相应地址写入一个数据即可，而写入什么数据却无关紧要。 （1）清除高/低触发器（F/L触发器） （2）软件复位命令（主清除命令） （3）清屏蔽寄存器命令,8.4.4 8237A的应用举例,例8-9 用0通道从磁盘输入32KB的数据块，传送到内存08000H开始的区域（增量传送），采用块传送方式，传送完不自动预置，外设的DREQ和DACK均为高电平有效。
23、 设定8237A端口地址为00H0FH，初始化程序如下：,76,OUT 0DH， AL ；写入总清除命令 MOV AL， 00H OUT 00H， AL ；写入0通道基地址和当前地址寄存器的低8位 MOV AL，80H OUT 00H， AL ；写入0通道基地址和当前地址寄存器的高8位 MOV AL， 00H OUT 01H， AL ；写入0通道基字节和当前字节寄存器的低8位 MOV AL， 80H OUT 01H， AL ；写入0通道基字节和当前字节寄存器的高8位 MOV AL，84H OUT 0BH，AL ；写入模式控制字（块传送、地址增量、写传送、不自动预置） MOV AL， 00 OU
24、T 0AH，AL ；写入屏蔽寄存器（清除通道0的屏蔽） MOV AL， 0C0H ；写入命令寄存器（DREQ、DACK为高电平有效，固定优先级） OUT 08H，AL,例8-10 用8237A通道0对动态存储器进行刷新，每隔15s刷新一次，利用8253实现15s定时，试编出动态刷新程序。MOV AL，0FFH ；写入通道0计数初值为FFFFH OUT 01H，AL OUT 01H，AL MOV AL，58H ；写入模式控制字（单字节、地址递增、读传送、自动预置）,78,OUT 0BH，AL MOV AL，00H ；写入命令寄存器 OUT 08H，AL OUT 0AH，AL ；写入屏蔽寄存器（清
25、除通道0的屏蔽位） MOV AL，54H ；设8253计数器1为方式2，只访问低位字节 OUT 43H，AL MOV AL，18 ；设计数器1定时周期为15s OUT 41H，AL,例8-8 对IBM PC/XT的8237A进行初始化和测试的程序段加注释说明。在IBM PC/XT微型机中，8237A占据00H0FH16个端口地址。它的通道0用来对动态RAM刷新，通道1提供网络通信传输功能，通道2和通道3分别用来进行软盘驱动器和硬盘驱动器与内存之间的数据传输。,80,系统采用固定优先级。4个DMA请求信号和应答信号中，只有DREQ0、DACK0是和系统主板相连的，而DREQ1DREQ3和DACK
26、1DACK3接到总线扩展槽，与对应的网络接口板、软盘接口板相关信号连接。,；对8237A进行初始化的程序段MOV AL，04OUT 08H，AL ；发控制命令，关闭8237AMOV AL，00OUT 0DH，AL ；发复位（总清）命令MOV DX，0 ；取通道0地址寄存器的端口地址MOV CX，04MOV AL，0FFH,82,WRITE: OUT DX，AL ；写地址低8位（先/后触发器在总清时已清除）OUT DX，AL ；写地址高8位，这样，16位地址值为0FFFFHINC DXINC DXLOOP WRITE ；使4个通道地址寄存器的值均为0FFFFH,MOV AL，58H ；对通道0模
27、式选择：单字节读传输，地址加1 OUT 0BH，AL；变化，设置自动预置功能 MOV AL，41H ；对通道1模式选择：单字节校验传输，地址加 OUT 0BH，AL；1变化，无自动预置 MOV AL，42H；对通道2模式选择：同通道1 OUT 0BH，AL,84,MOV AL，43H；对通道3模式选择：同通道1 OUT 0BH，AL MOV AL，00H ；设置控制命令：DACK为低电平有效，DREQ OUT 08H，AL ；为高电平有效，固定优先级，启动工作 MOV AL，00H OUT 0FH，AL ；设置综合屏蔽命令：对4个通道清除屏蔽,；对8237A通道13地址寄存器的值进行测试的程序段 MOV DX，02 ；取通道1的地址寄存器端口地址 MOV CX，03 READ：IN AL，DX；读地址低8位 MOV AH，AL IN AL，,DX ；读地址高8位 CMP AX，0FFFFH ；比较读取的值与写入的0FFFFH是否相等,86,JNZ HHH ；若不等，则转HHH INC DX INC DX LOOP READ ；对3个通道均测试 ；后续处理 HHH：HLT ；测试出错，停机等待,
