MCS-51的定时/计数器

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MCS-51的单片机内有两个16位可编程的定时/计数器，它们具有四种工作方式，其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式。下面我们对它们的特性进行阐述。

定时/计数器的工作方式     MCS-51单片机内部的定时/计数器的结构如图1所示，定时器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作方式，TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。程序开始时需对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化编程，以定义它们的工作方式和控制T0和T1的计数。     TMOD和TCON这两个特殊功能寄存器的格式参见下表：     [1]. 定时/计数器的方式控制字TMOD，字节地址为89H，其格式如表1：

表1  TMOD寄存器结构
D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
GATA		M1	M0	GATA		M1	M0
←T1方式字段→				←T0方式字段→

[2]. 定时器控制积存器TCON，字节地址为88H，位地址为88H—8FH，其格式如表2：

表2  TCON结构
D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

TMOD和TCON各位的意义和用途我们将在下面的章节中予以介绍，需要注意的是，TCON的D0—D3位与中断有关，我们会在中断的内容中加以说明，MCS-51的定时/计数器共有四种工作方式，我们逐个进行讨论。      工作方式0     定时/计数器0的工作方式0电路逻辑结构见图2（定时/计数器1与其完全一致），工作方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH的全部8位和TL的低5位构成，TL的高3位没有使用。当=0时，多路开关接通振荡脉冲的12分频输出，13位计数器以次进行计数。这就是定时工作方式。当=1时，多路开关接通计数引脚（To），外部计数脉冲由银南脚To输入。当计数脉冲发生负跳变时，计数器加1，这就是我们常称的计数工作方式。

不管是哪种工作方式，当TL的低5位溢出时，都会向TH进位，而全部13位计数器溢出时，则会向计数器溢出标志位TF0进位。     我们讨论门控位GATA的功能，GATA位的状态决定定时器运行控制取决于TR0的一个条件还是TR0和INT0引脚这两个条件。当GATA=1时，由于GATA信号封锁了与门，使引脚INT0信号无效。而这时候如果TR0=1，则接通模拟开关，使计数器进行加法计数，即定时/计数工作。而TR0=0，则断开模拟开关，停止计数，定时/计数不能工作。     当GATA=0时，与门的输出端由TR0和INT0电平的状态确定，此时如果TR0=1，INT0=1与门输出为1，允许定时/计数器计数，在这种情况下，运行控制由TR0和INT0两个条件共同控制，TR0是确定定时/计数器的运行控制位，由软件置位或清“0”。     如上所述，TF0是定时/计数器的溢出状态标志，溢出时由硬件置位，TF0溢出中断被CPU响应时，转入中断时硬件清“0”，TF0也可由程序查询和清“0”。     在工作方式下，计数器的计数值范围是：           1—8192（213）     当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：          （213—计数初值）╳晶振周期╳12     或   （213—计数初值）╳机器周期     其时间单位与晶振周期或机器周期相同。     如果单片机的晶振选为6.000MHz，则最小定时时间为：         [213—（213—1）]╳1/6╳10-6╳12=2╳10-6(s)=2(us)         (213—0)╳1/6╳10-6╳12=16384╳10-6(s)=16384(us)。      工作方式1     当M1，M0=01时，定时/计数器处于工作方式1，此时，定时/及数器的等效电路如图3所示，仍以定时器0为例，定时器1与之完全相同。

可以看出，方式0和方式1的区别仅在于计数器的位数不同，方式0为13位，而方式1则为16位，由TH0作为高8位，TL0为低8位，有关控制状态字（GATA、、TF0、TR0）和方式0相同。     在工作方式1下，计数器的计数值范围是：           1—65536（216）     当为定时工作方式1时，定时时间的计算公式为：          （216—计数初值）╳晶振周期╳12     或   （216—计数初值）╳机器周期     其时间单位与晶振周期或机器周期相同。     如果单片机的晶振选为6.000MHz，则最小定时时间为：         [213—（216—1）]╳1/6╳10-6╳12=2╳10-6(s)=2(us)         (216—0)╳1/6╳10-6╳12=131072╳10-6(s)=131072(us)。

工作方式2     当M1M0=10时,定时/计数器处于工作方式2.此时定时器的等效电阻如图4所示.我们还是以定时/计数器0为例,定时/计数器1与之完全一致。

工作方式0和工作方式1的最大特点就是计数溢出后，计数器为全0，因而循环定时或循环计数应用时就存在反复设置初值的问题，这给程序设计带来许多不便，同时也会影响计时精度，工作方式2就针对这个问题而设置，它具有自动重装载功能，即自动加载计数初值，所以也有的文献称之为自动重加载工作方式。在这种工作方式中，16位计数器分为两部分，即以TL0为计数器，以TH0作为预置寄存器，初始化时把计数初值分别加载至TL0和TH0中，当计数溢出时，不再象方式0和方式1那样需要“人工干预”，由软件重新赋值，而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL0重新加载。     程序初始化时，给TL0和TH0同时赋以初值，当TL0计数溢出时，置位TF0的同时把预置寄存器TH0中的初值加载给TL0，TL0重新计数。如此反复，这样省去了程序不断需给计数器赋值的麻烦，而且计数准确度也提高了。但这种方式也有其不利的一面，就是这样一来的计数结构只有8位，计数值有限，最大只能到255。所以这种工作方式很适合于那些重复计数的应用场合。例如我们可以通过这样的计数方式产生中断，从而产生一个固定频率的脉冲。也可以当作串行数据通信的波特率发送器使用。      工作方式3     当M1M0=11时，定时/计数器处于工作方式3，此时，定时/及数器的等效电路如图3所示，仍以定时器0为例，值得注意的是，在工作方式3模式下，定时/计数器1的工作方式与之不同，下面我们分别讨论。

在工作方式3模式下，定时/计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0。其中TL0既可以作计数器使用，也可以作为定时器使用，定时/计数器0的各控制位和引脚信号全归它使用。其功能和操作与方式0或方式1完全相同。TH0就没有那么多“资源”可利用了，只能作为简单的定时器使用，而且由于定时/计数器0的控制位已被TL0占用，因此只能借用定时/计数器1的控制位TR1和TF1，也就是以计数溢出去置位TF1，TR1则负责控制TH0定时的启动和停止。等效电路参见图6。     由于TL0既能作定时器也能作计数器使用，而TH0只能作定时器使用而不能作计数器使用，因此在方式3模式下，定时/计数器0可以构成二个定时器或者一个定时器和一个计数器。     如果定时/计数器0工作于工作方式3，那么定时/计数器1的工作方式就不可避免受到一定的限制，因为自己的一些控制位已被定时/计数器借用，只能工作在方式0、方式1或方式2下，等效电路参见图6

在这种情况下，定时/计数器1通常作为串行口的波特率发生器使用，以确定串行通信的速率，因为已没有TF1被定时/计数器0借用了，只能把计数溢出直接送给串行口。当作波特率发生器使用时，只需设置好工作方式，即可自动运行。如要停止它的工作，需送入一个把它设置为方式3的方式控制字即可，这是因为定时/计数器本身就不能工作在方式3，如硬把它设置为方式3，自然会停止工作。