定时器与计数器/Timer And Counter

2022-05-21学习 / 单片机18 分钟读完 (大约2670个字)0次访问

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在描述问题的时候把标题加在前面，要求最好精确到问题出现位置的小标题。

比如：汇编-寻址方式-立即寻址：{问题描述}

错别字就没有什么必要了，我也懒得改（doge）

前言

在中断的应用举例中我们注意到里面有一个delay()函数。
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while(1) {
   led=1;
   delay(65535);
   led=0;
   delay(65535);
}
上面的代码段就是delay()函数的调用。因为单片机执行每条指令速度很快，如果只是单纯的对led进行更改：
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while(1) {
   led=1;
   led=0;
}
因为速度非常快，而又因为人类的视觉残留，就会导致看上去并没有什么变化，这时就需要一个delay()函数使CPU空转来达到延时的效果

但软件调用总归是有偏差的，能否使用硬件来执行延时呢？

定时器和计数器的概念

定时器和计数器的原理其实大差不差，都是对脉冲进行计数直至溢出，但有区别的是：

定时器是对等间隔脉冲进行计数，这个脉冲是来自于单片机内部，所以它的频率和幅值都是稳定的；
计数器是对普通脉冲进行计数，这个脉冲来自于单片机外部，它的频率和幅值都是随机变化的

在我们本学期学习的知识中，因为定时器对等间隔脉冲进行计数的特性，定时器的运用是比较多的，主要涉及到的有以下两点：

前言部分所说的延时，分别有查询法和中断法；

下一节串口中要涉及到的波特率发生器。

需要着重了解并掌握的就是定时器初值的计算，以及在C语言代码中如何赋初值。

相关特殊功能寄存器

首先是控制定时器如何工作的TMOD

定时器工作方式寄存器/TMOD

TMOD的字节地址是89H，根据存储器章节中所学知识，该字节地址无法被8整除，所以TMOD不可以位寻址。

TMOD中高四位和低四位分别对应控制T1和T0的工作方式，每四位从高到低分别是：

GATE：门控位，为1时有外部中断源控制，一般直接为0；

但是在第七、八、九章作业客观题中出现过一道题： 要想测试INT0引脚上的一个正脉冲宽度,那么特殊功能寄存器TMOD的内容应为 A. 09H；B. 87H；C. 00H；D. 80H。根据上面所述只要GATE位为1就可以了，且一般使用T0，也就是答案选A。
C/T：功能选择位，为1时选择计数器，为0时选择定时器；
M1、M0：工作方式选择位，有方式0-3，可定义四种工作方式。

因为TMOD不能位寻址只能字节寻址，所以变更数据时必须一次性更改所有位的数据；

例如需要T1工作在方式2，C语言代码就为

1	`TMOD = 0x20;`

有一个技巧就是，当使用定时器时（即门控和C/T位都为0），选T1就是修改高位数。选T0就是修改低位数变化，且变化的数是几，就使用方式几。

控制寄存器/TCON

这个我们在中断里已经学过低四位，而定时器就是用的高四位。

TCON每两位对应一个中断源，从低到高分别是：INT0、INT1、T0、T1；

而两位中，高位（IEx、TFx）都为中断标志，即在申请中断时会置1；

低位（ITx、TRx）对于外部中断，就是它的触发方式；对于定时器，就是启停标志，即当该位置1，定时器就开始对脉冲进行计时。

TRx的C语言代码举例：

1 2	`//一系列的初始化语句（设置中断、定时器的初值） TR0 = 0;//经过初始化后，定时器就可以可以开始工作了`

中断相关

还记得“ 外内外内串 ”吗？

定时器T0、T1用到的就是这两个“内”，即ETx、PTx分别是对应了定时器的中断允许位和中断优先级位。

定时器的工作方式

M1 M0	方式	说明	最大计数值	最大定时时间（当Tcy为1us时）
00	0	13位定时器/计数器(THx的8位和TLx的低5位)	8192($2^{13}$)	8192us
01	1	Tx都为16位定时器/计数器	65536($2^{16}$)	65536us
10	2	Tx为自动重赋初值的8位定时器/计数器	256($2^{8}$)	256us
11	3	T0分成两个独立的8位定时器/计数器, T1在方式3时停止工作	256	256us

这里提到了一个THx和TLx，这两个就是对脉冲计数的寄存器，每个有8位，当使用方式0时，就是THx的8位和TLx的低5位在计数；当使用方式1时就是16位一起计数，所以方式1一共会计$2^{16}$=65536个数；而方式2和3的THx和TLx两个相等，即$2^{8}$=256个数。

需要注意的是，四个方式里只有方式2会自动赋初值，即在定时器计数溢出后会自动回到赋的初值，而其他三个方式会直接清零，所以在溢出后需要重新赋初值。

这里其实可以和数电联动一波：数电里学习的计数器有两种重置方法——清零和置数，方式二其实就相当于接了置数端，并且将初值赋给了置数的几个输入口，而其他几个接的是清零端，溢出后会直接清零。

定时器赋初值

首先要知道两个概念，计数值和Tcy：

计数值就是每个方式对应的最大值减去需要设定的初值；
Tcy，即机器周期，也就是晶振频率的倒数乘上12，即$T_{cy}=\frac{12}{f_{osc}}$。

由此我们可以得出以下公式：

$$
计数值=最大值-初值\
$$

$$
定时时间=计数值\times{T_{cy}}\
$$

$$
T_{cy}={12}/{f_{osc}}
$$

所以在已经得出Tcy的情况下，初值可以直接这么计算

$$
初值=最大值-定时时间/T_{cy}
$$

据此，就可以算出初值了。

例如选择方式1，记50ms：最大值就是65536，Tcy为1us，定时时间就是$50\times10^{3}us$，即计数值就为50000，那么初值就是最大值减初值即为15536。

在赋值的时候需要注意，方式1是分为高八位和低八位的。

应用举例

查询法

这里引用的是定时器实验里的源码，我对一些细节进行了一些修改。

#include<reg52.h>

sbit led=P1^4;

void main(void) {
    unsigned char temp = 0x00;
    TMOD = 0x01;//使用T0，方式1
    TH0 = (65536 - 50000 / 1) / 256;
    TL0 = (65536 - 50000 / 1) % 256;
    TR0 = 1;//启动T0，T0开始计时
    while (1) {
        while (TF0) {
            TH0 = (65536 - 50000 / 1) / 256;//重新赋初值
            TL0 = (65536 - 50000 / 1) % 256;
            TF0 = 0;//将中断标志手动软件置0
            temp++;
            if (temp ==20) {//执行20次50ms的定时后，就执行if语句
               led = ~led;
               temp = 0;
            }
        }
    }
}

我修改的部分里首先要指出的是，赋初值的部分我并没有像源码一样：

1 2	`TH0 = 0x4C; TL0 = 0x00;`

他其实就是人工计算出来然后直接贴上去，但我们都在用单片机何必多次一举，所以直接将公式贴进去让单片机帮我们算就行，但是考试是不免会考到让你手算初值，所以计算初值的方法还是有必要学的。

然后就是高八位和低八位的处理，他是直接赋值，所以直接把计算好的结果化成16进制在拆开赋值就行，我们这里是让单片机计算，那就可以用C语言整型变量除法和取余的特性，除以2的8次方即为取高八位，对值取2的8次方的余数就是取低8位。

查询法的原理其实就是运用了当定时器溢出时，会向CPU申请中断的特性，此时对应的中断标志会置1，当while循环检测到中断标志为1后，就会进入while循环，而while循环里就是我们想要在定时器定时结束后执行的逻辑代码。因为没有进入中断服务子程序，中断标志没有硬件自动置0，所以还需要手动软件置0.

需要注意的是，无论有没有在IE特殊功能寄存器内让定时器允许中断，当他计时溢出后中断标志依旧会硬件置1，只是CPU不会处理这个这个中断，即不会进入中断服务子程序。查询法本来就不需要进入中断服务子程序，所以也不需要对IE寄存器进行赋值。

中断法

中断法其实就是利用了中断服务子程序来执行逻辑代码，也就是相当于把查询法内while (TF0) {}里面的那段拿出来单独做成了中断服务子程序。

参考代码依旧是定时器实验里的源码：

#include<reg52.h>

sbit led=P1^4;

unsigned int temp;

void main (void) {
    TMOD = 0x02;//使用T0，方式2
    TH0 = 0xA4;//赋初值，可以手算验证以下
    TL0 = 0xA4;
    TF0 = 0;  //清除T0中断标志
    ET0 = 1; //T0允许中断
    EA = 1;  //中断控制总开关
    TR0 = 1; //T0开始定时
    while(1);
}

void timer0_int() interrupt 1 {//中断服务子程序
    //方式2不需要重新赋初值
    TF0=0; //清除T0中断标志，可以不用，中断子程序会硬件清0，这里只是为了保险
    ET0=0; //禁止T0中断，同为为了保险起见
    temp++;
    if (temp==10000) {
        led=~led;
        temp=0;
    }
    ET0=1; //重新允许T0中断
}