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tags:
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- 接口与通讯技术
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- 定时器
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- 计数器
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- 可编程芯片
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create time: 2026-06-26 23:05
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# 8254 定时计数器
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## 概述
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8254（兼容 8253）是 Intel 公司生产的可编程定时/计数器芯片（Programmable Interval Timer, PIT），**在全部 4 套试卷中均有出现**，其中 **方波产生和计数初值计算** 是最高频题型。芯片内部包含 3 个独立的 16 位计数器，每个计数器有 6 种工作方式。
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> [!tip] 考试要点
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> - **计数初值计算**：`计数初值 = CLK频率 / 输出频率`
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> - **方式 3（方波发生器）** 是最常考的工作方式
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> - **控制字编写**：计数器选择 + 读写格式 + 工作方式 + 数制选择
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> - **BCD 与二进制** 初值装入的区别
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## 正文
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### 1. 内部结构
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```mermaid
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graph TB
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A["数据总线缓冲器 D0~D7"] --> B["读/写逻辑"]
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B --> C["计数器 0"]
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B --> D["计数器 1"]
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B --> E["计数器 2"]
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C --> F["CLK0, GATE0, OUT0"]
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D --> G["CLK1, GATE1, OUT1"]
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E --> H["CLK2, GATE2, OUT2"]
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```
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每个计数器有 3 条信号线：
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| 信号 | 方向 | 功能 |
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|------|------|------|
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| **CLK** | 输入 | 时钟输入，每个下降沿使计数值减 1 |
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| **GATE** | 输入 | 门控信号，控制计数的启动/暂停/触发 |
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| **OUT** | 输出 | 根据工作方式输出不同波形 |
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> [!question] 思考题
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> 8254 的计数器是递增还是递减计数？计数值减到 0 后会怎样？
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>
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> 答：**递减计数**。装入初值后每来一个 CLK 下降沿计数值减 1。减到 0 后的行为取决于工作方式——方式 0 停止，方式 2/3 自动重装初值继续计数。
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### 2. 端口地址
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8254 占用 **4 个端口地址**：
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| A1 A0 | 选中 | 说明 |
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|:------:|:----:|------|
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| 0 0 | 计数器 0 | 读写计数初值 |
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| 0 1 | 计数器 1 | 读写计数初值 |
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| 1 0 | 计数器 2 | 读写计数初值 |
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| 1 1 | 控制寄存器 | 只写，用于写入控制字 |
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> [!note] 每个计数器占用 1 个还是 2 个地址？
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> 每个计数器只占用 **1 个端口地址**。16 位初值通过同一地址分两次写入（先低字节后高字节）。整个芯片共需 4 个端口地址。
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### 3. 控制字格式
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控制字写入控制寄存器（A1A0=11 的端口），格式如下：
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```
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D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
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[计数器] [读写格式] [工作方式] [数制]
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00=计数器0 00=锁存 000=方式0 0=二进制
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01=计数器1 01=仅低字节 001=方式1 1=BCD
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10=计数器2 10=仅高字节 010=方式2
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11=先低后高 011=方式3
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100=方式4
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101=方式5
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```
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> [!example] 控制字速算
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> **要求**：计数器 0，方式 3（方波），先低后高，二进制
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>
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> D7D6=00（计数器 0）, D5D4=11（先低后高）, D3D2D1=011（方式 3）, D0=0（二进制）
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>
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> 控制字 = `0011 0110B` = **36H**
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>
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> **要求**：同上但 BCD 计数 → D0=1 → 控制字 = **37H**
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### 4. 六种工作方式
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> [!tip] 考试重点
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> 方式 2 和方式 3 的区别几乎每卷必考！
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| 方式 | 名称 | 输出波形 | 触发 | 自动重装 | 典型应用 |
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|:----:|------|----------|------|:--------:|----------|
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| 0 | 计数结束中断 | 计数到 0 后 OUT 变高 | 软件 | 否 | 定时中断 |
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| 1 | 可编程单稳态 | 触发后输出 N 个 CLK 宽度的负脉冲 | 硬件 | 否 | 单稳态触发器 |
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| 2 | **频率发生器** | 每 N 个 CLK 输出 1 个 CLK 宽的负脉冲 | 软件 | 是 | **分频器** |
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| 3 | **方波发生器** | 对称方波，占空比约 50% | 软件 | 是 | **方波产生** |
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| 4 | 软件触发选通 | 计数到 0 后输出 1 个 CLK 宽的负脉冲 | 软件 | 否 | 软件定时选通 |
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| 5 | 硬件触发选通 | 触发后计数到 0 输出 1 个负脉冲 | 硬件 | 否 | 硬件延迟脉冲 |
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#### 方式 2 vs 方式 3 对比
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```mermaid
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graph LR
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subgraph "方式 2 - 频率发生器"
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A2["CLK 输入"] --> B2["计数器 N 分频"]
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B2 --> C2["OUT: 周期性窄脉冲"]
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end
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subgraph "方式 3 - 方波发生器"
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A3["CLK 输入"] --> B3["计数器 N 分频"]
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B3 --> C3["OUT: 对称方波 50%"]
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||
end
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```
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| 对比项 | 方式 2 | 方式 3 |
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|--------|--------|--------|
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| 输出波形 | 负脉冲（宽 1 个 CLK） | 对称方波 |
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| 占空比 | 很小 | ≈ 50% |
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| 输出频率 | CLK / N | CLK / N |
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| 重装机制 | 计数到 1 时 OUT 变低，到 0 时重装 | 计数到 0 时自动重装，交替翻转 OUT |
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> [!question] GATE 引脚在方式 2 和方式 3 中的作用？
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> - GATE=0：暂停计数，OUT 输出高电平
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> - GATE 上升沿：重新装入初值，开始计数
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> - GATE=1：允许计数正常进行
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### 5. 计数初值计算（核心公式）
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$$
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计数初值 = \frac{f_{CLK}}{f_{OUT}}
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$$
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> [!example] 试卷真题计算汇总
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>
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> | 题目来源 | CLK 频率 | 要求频率 | 计数初值 | 控制字 |
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> |:--------:|:--------:|:--------:|:--------:|:------:|
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> | 试题 A | 2 MHz | 2000 Hz | 1000 (03E8H) | 34H |
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> | 试题 B | 1.193182 MHz | 100 Hz | 11932 (2EA4H) | 36H |
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> | 试题 B | 1 MHz | 1 kHz | 1000 (03E8H) | 36H |
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> | 试题 C | 1.19318 MHz | 1 kHz | 1193 (04A9H) | 36H |
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> | 试题 D | 1 MHz | 1 kHz | 1000 (03E8H) | 36H |
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### 6. BCD 计数 vs 二进制计数
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| 项目 | 二进制（D0=0） | BCD（D0=1） |
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|------|---------------|-------------|
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| 计数范围 | 0000H~FFFFH (0~65535) | 0000~9999 |
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| 初值装入 | 直接装入十六进制值 | 按 BCD 码装入 |
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| 初值 1000 | 03E8H | 1000 (低字节=00, 高字节=10) |
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> [!warning] BCD 方式装入初值的坑
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> BCD 方式下初值 11932 的装入：
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> - 低字节 = **32H**（低 2 位 BCD）
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> - 高字节 = **11H**（高 2 位 BCD）
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>
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> 而不是 2EA4H！控制字也要从 36H 改为 **37H**（D0=1）。
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### 7. 初始化编程模板
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```asm
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; 8254 初始化通用模板
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; 假设端口地址为 PORT_0 ~ PORT_3
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; 步骤 1：写控制字
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MOV DX, PORT_3 ; 控制寄存器地址
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MOV AL, 36H ; 控制字：计数器0, 方式3, 先低后高, 二进制
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OUT DX, AL
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; 步骤 2：写计数初值（先低后高）
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MOV DX, PORT_0 ; 计数器 0 地址
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MOV AX, 03E8H ; 计数初值 = 1000
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OUT DX, AL ; 先写低字节 E8H
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MOV AL, AH
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OUT DX, AL ; 再写高字节 03H
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```
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> [!danger] 易错点
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> 写初值时必须 **先低后高**（与控制字 D5D4=11 对应），而且低字节和高字节要 **分两次** `OUT` 到同一个端口地址。用 `OUT DX, AX` 一次写 16 位是错误的。
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## 关联笔记
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- [[8255A可编程并行接口]]
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- [[8259A中断控制器]]
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- [[8251A串行通信接口]]
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- [[接口与通讯技术/试题册/index|试题册索引]]
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