一、MCS-51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器概念

單片機(jī)中,脈沖計(jì)數(shù)與時(shí)間之間的關(guān)系十分密切,每輸入一個(gè)脈沖,計(jì)數(shù)器的值就會(huì)自動(dòng)累加1,而花費(fèi)的時(shí)間恰好是1微秒;只要相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間間隔相等,則計(jì)數(shù)值就代表了時(shí)間的流逝;

因此,單片機(jī)中的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器其實(shí)是同一個(gè)物理的電子元件,只不過計(jì)數(shù)器記錄的是單片機(jī)外部發(fā)生的事情(接受的是外部脈沖),而定時(shí)器則是由單片機(jī)自身提供的一個(gè)非常穩(wěn)定的計(jì)數(shù)器,這個(gè)穩(wěn)定的計(jì)數(shù)器就是單片機(jī)上連接的晶振部件;MCS-51單片機(jī)的晶振經(jīng)過12分頻之后提供給單片機(jī)的只有1MHZ的穩(wěn)定脈沖;晶振的頻率是非常準(zhǔn)確的,所以單片機(jī)的計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間間隔也是非常準(zhǔn)確的,這個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間間隔是1微秒;

MCS-51單片機(jī)外接的是12MHZ的晶振(實(shí)際上是11.0592MHZ),所以,MCS-51單片機(jī)內(nèi)部的工作頻率(時(shí)鐘脈沖頻率)是12MHZ/12=1MHZ=1000000次/秒=1000000條指令/秒=1000000次/1000000微秒=1次/微秒=1條指令/微秒;也就是說,晶振振蕩一次,就會(huì)給單片機(jī)提供一個(gè)時(shí)鐘脈沖,花費(fèi)的時(shí)間是1微秒,此時(shí),CPU會(huì)執(zhí)行一條指令,經(jīng)歷一個(gè)機(jī)器周期;即:1個(gè)時(shí)鐘脈沖=1個(gè)機(jī)器周期=1微秒=1條指令;

注:個(gè)人PC機(jī)上的CPU主頻是晶振經(jīng)過倍頻之后的頻率,這一點(diǎn)恰好與MCS-51單片機(jī)的相反,MCS-51單片機(jī)的主頻是晶振經(jīng)過分頻之后的頻率;

總之:MCS-51單片機(jī)中的時(shí)間概念就是通過計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)來測(cè)量出來的;1個(gè)脈沖=1微秒=1條指令=1個(gè)機(jī)器周期;

MCS-51單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖:

8051系列單片機(jī)有兩個(gè)定時(shí)器:T0和T1,分別稱為定時(shí)器和定時(shí)器T1,這兩個(gè)定時(shí)器都是16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;8052系列單片機(jī)增加了第三個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2;它們都有定時(shí)或事件計(jì)數(shù)功能,常用于時(shí)間控制、延時(shí)、對(duì)外部時(shí)間計(jì)數(shù)和檢測(cè)等場(chǎng)合;

二、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)

8051單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器T0和T1分別都由兩個(gè)特殊功能寄存器組成;T0由特殊功能寄存器TH0和TL0構(gòu)成,而T1則是由TH1和TL1構(gòu)成;

作為定時(shí)器使用時(shí),定時(shí)器計(jì)數(shù)8051單片機(jī)片內(nèi)振蕩器輸出經(jīng)過12分頻后的脈沖個(gè)數(shù),即:每個(gè)機(jī)器周期使定時(shí)器T0/T1的寄存器值自動(dòng)累加1,直到溢出,溢出后繼續(xù)從0開始循環(huán)計(jì)數(shù);所以,定時(shí)器的分辨率是時(shí)鐘振蕩頻率的1/12;

作為計(jì)數(shù)器使用時(shí),通過引腳T0(P3.4)或T1(P3.5)對(duì)外部脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)輸入的外部脈沖信號(hào)發(fā)生從1到0的負(fù)跳變時(shí),計(jì)數(shù)器的值就自動(dòng)加1;計(jì)數(shù)器的最高頻率一般是時(shí)鐘振蕩頻率的1/24;

由此可知,不論是定時(shí)器還是計(jì)數(shù)器工作方式,定時(shí)器T0和T1均不占用CPU的時(shí)間,除非定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1溢出,才可能引起CPU中斷,轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷處理程序;所以說,定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是單片機(jī)中效率高而工作靈活的部件;

三、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作模式

除了可選擇定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的這兩種工作方式外,每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都有4種工作模式;

在模式0、1和2時(shí),T0和T1的工作模式相同;在模式3時(shí),兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作模式不同;

工作模式0:

由TL0的低5位和TH0的全部8位共同構(gòu)成一個(gè)13位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;定時(shí)器/計(jì)數(shù)器啟動(dòng)后,定時(shí)或計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)加到TL0上,從預(yù)先設(shè)置的初值(時(shí)間常數(shù))開始累加,不斷遞增1;當(dāng) TL0計(jì)滿后,向TH0進(jìn)位,直到13位寄存器計(jì)滿溢出;溢出時(shí),定時(shí)器/計(jì)數(shù)器硬件會(huì)自動(dòng)地把13位的寄存器值清0,中斷標(biāo)記TF0置1;如果需要進(jìn)一步定時(shí)/計(jì)數(shù),需要使用相關(guān)指令重置時(shí)間常數(shù),并把定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的中斷標(biāo)記TF0置0;工作模式0的結(jié)構(gòu)如下圖:

工作模式1:

模式1與模式0幾乎完全相同,唯一的區(qū)別就是,模式1中的寄存器TH0和TL0共同構(gòu)成的是一個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器來參與操作,因此比模式0中的定時(shí)/計(jì)數(shù)范圍更大;工作模式1的結(jié)構(gòu)如下圖:

工作模式2:

這種模式又稱為自動(dòng)再裝入預(yù)置數(shù)模式;當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的寄存器TH0/TL0的值溢出時(shí),定時(shí)器/計(jì)數(shù)器硬件設(shè)備會(huì)自動(dòng)把寄存器TH0/TL0的值清0,以重新開始操作;但是有時(shí)候,我們的定時(shí)/計(jì)數(shù)操作是需要多次重復(fù)定時(shí)/計(jì)數(shù)的,如果溢出時(shí)不做任何處理,那么,在第二輪定時(shí)/計(jì)數(shù)時(shí)就是從0開始定時(shí)/計(jì)數(shù)了,而這并不是我們想要的;所以,要保證每次溢出之后,在重新開始定時(shí)/計(jì)數(shù)的操作是我們想要的,那就要把預(yù)置數(shù)(時(shí)間常數(shù))重新裝入某個(gè)地方;而重新裝入預(yù)置數(shù)的操作是硬件設(shè)備自動(dòng)完成的,不需要人工干預(yù)所以,這種工作模式就叫自動(dòng)再裝入預(yù)置數(shù)方式;既然需要重新裝入預(yù)置數(shù),那么預(yù)置數(shù)就必須要存放在某個(gè)地方,才能保證重裝操作成功;在工作模式2中,把自動(dòng)重裝入的預(yù)置數(shù)存放在定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的寄存器的高8位中,也就是存放在TH0中,而只留下TL0參與定時(shí)/計(jì)數(shù)操作;顯然,定時(shí)/計(jì)數(shù)的方位小了很多;

注:這個(gè)工作模式常用于波特率發(fā)生器(串口通訊),T1工作在串口模式2;用于這種方式時(shí),定時(shí)器就是為了提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn);計(jì)數(shù)溢出之后,不需要做太多的事情,只做一件事就可以,就是重新裝入預(yù)置數(shù),再開始重新計(jì)數(shù),而且中間不需要任何延時(shí);工作模式2的結(jié)構(gòu)如下圖:

工作模式3:

由于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1沒有工作模式3,如果把定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0設(shè)置為工作模式3,那么TL0和TH0將被分割成兩個(gè)相互獨(dú)立的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;工作模式3的結(jié)構(gòu)如下圖:

四、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的定時(shí)/計(jì)數(shù)范圍

工作方式0:13位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式,最多可計(jì)數(shù)2的13次方次,即:8192次,[0,8191];

工作方式1:16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式,最多可計(jì)數(shù)2的16次方次,即:65536次,[0,65535];

工作方式2:8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式,最多可計(jì)數(shù)2的8次方次,即:256次,[0,255];

工作方式3:8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式,最多可計(jì)數(shù)2的8次方次,即:256次,[0,255];

預(yù)置數(shù)的計(jì)算公式:預(yù)置數(shù)=最大值-需要計(jì)數(shù)的次數(shù);

五、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制寄存器

8051單片機(jī)設(shè)計(jì)了兩個(gè)8位的特殊功能寄存器來控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài);這兩個(gè)特殊功能寄存器分別是TMOD和TCON;它倆都在特殊功能寄存器區(qū);

1、工作模式控制寄存器TMOD(89h):

2、工作狀態(tài)控制寄存器TCON(88H):

六、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初始化

1、設(shè)置定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作模式TMOD(常用的是模式1:TMOD=0x01);

2、裝入預(yù)置數(shù)到THx和TLx中(THx=TLx=MAX(8192/65536/256)-計(jì)數(shù)次數(shù));

3、如果工作在中斷方式,則需要開定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的中斷TCON中的標(biāo)志位:TF0/TF1=0/1;

4、啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器:TR0/TR1=1;

注:由于8051單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器使用的時(shí)鐘脈沖是外部晶振(12MHZ)經(jīng)過12分頻(12MHZ/12=1MHZ)之后的頻率,所以,一個(gè)時(shí)鐘脈沖就是1微秒;所以,8192個(gè)脈沖=8192微秒=8.192毫秒; 65536個(gè)脈沖=65536微秒=65.536毫秒; 256個(gè)脈沖=256微秒=0.256毫秒;