51单片机之定时器

定时器是单片机的重要功能模块之一，在检测、控制领域有广泛应用。定时器常用作定时时钟，以实现定时检测，定时响应、定时控制，并且可以产生ms宽的脉冲信号，驱动步进电机。定时和计数的最终功能都是通过计数实现，若计数的事件源是周期固定的脉冲则可实现定时功能，否则只能实现计数功能。因此可以将定时和计数功能全由一个部件实现。

二、周期是什么？

在 51单片机的最小系统板上有一个12MHZ的晶振，那为什么是12MHZ呢？在此之前就需要了解三个概念：时钟周期、指令周期和机器周期。

2.1 时钟周期

时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。时钟周期是一个时间的量。时钟周期表示了SDRAM所能运行的最高频率。更小的时钟周期就意味着更高的工作频率。

2.2 机器周期

机器周期也称为CPU周期。在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段（如取指、译码、执行等），每一阶段完成一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个时钟周期组成。AT89S51单片机每12个时钟周期为1个机器周期。

2.3 指令周期

指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。一般由若干个机器周期组成，是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。单片机的指令按字节可分为单字节(1个机器周期)、双字节(2个机器周期)、三字节指令(3个机器周期)，乘法、除法指令需要(4个机器周期)，因此执行一条指令的时间也不相同。

因此，晶振可以理解为单片机的 “心脏” ，它为单片机提供了时钟周期，晶振频率会直接影响时钟周期的大小，二者的关系为：时钟周期 = 1 / 晶振频率。无论你的晶振频率是多少，对于单片机来说，它内部都是固定的关系，在设计之初，由于51单片机性能和制程工艺等因素，出厂时把51单片机的机器周期严格的控制在12个时钟周期，指令周期一般是由1 2 4 个机器周期组成。

那么为什么晶振是12Mhz？通过计算：时钟周期 = 1 / (12M) (s) = 1/12000000 (s) = 1/12 (us)，51单片机一个机器周期是12个时钟周期，即机器周期=12*1/12 (us) = 1 (us) ，这样执行1条指令的时间就控制在了1(us)、2(us)、4(us)。

三、与定时器有关的寄存器

3.1 定时器/计数器T0、T1的控制寄存器TCON

TCON为定时器/计数器T0、T1的控制寄存器，同时也锁存T0、T1溢出中断源和外部请求中断源等，TCON格式如下:
TCON:定时器/计数器中断控制寄存器(可位寻址)

位：	7	6	5	4	3	2	1	0
字节地址：88H	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

TF1:定时器/计数器T1溢出标志。T1被允许计数以后，从初值开始加1计数。当最高位产生溢出时由硬件置“1”TF1，向CPU请求中断，一直保持到CPU响应中断时，才由硬件清“0”TF1(TF1也可由程序查询清“0”)。
TR1:定时器T1的运行控制位。该位由软件置位和清零。当GATE(TMOD.7)=0，TR1=1时就允许T1开始计数，TR1=0时禁止T1计数。当GATE(TMOD.7)=1，TR1=1月INT1输入高电平时，才允许T1计数。定时器/计数器T0溢出中断标志。T0被允许计数以后，从初值开始加1计数，当最高位产
TFO:生溢出时，由硬件置“1”TFO，向CPU请求中断，一直保持CPU响应该中断时，才由硬件清“0”TFO( TFO也可由程序查询清“0”)。
TRO:定时器T0的运行控制位。该位由软件置位和清零。当GATE(TMOD.3)=0，TR0=1时就允许T0开始计数，TR0=0时禁止TO计数。当GATE(TMOD.3)=1，TR1=0且INT0输入高电平时，才允许T0计数。外部中断1请求源(INT1/P3.3)标志。
IE1=1，外部中断向CPU请求中断，当CPU响应该IE1:中断时由硬件清“0”IE1。
IT1:外部中断1触发方式控制位。IT1=0时，外部中断1为低电平触发方式，当INT1(P3.3)输入低电平时，置位IE1 。采用低电平触发方式时，外部中断源(输入到INT1)必须保持低电平有效，直到该中断被CPU 响应，同时在该中断服务程序执行完之前，外部中源必须被清除(P3.3要变高)，否则将产生另一次中断。当IT1=1时，则外部中断1 (INT1端口由“1”→“0”下降沿跳变，激活中断请求标志位IE1 ，向主机请求中断处理。外部中断0请求源(INTO/P3.2)标志。IE0=1外部中断0向CPU请求中断，当CPU响应外部中断时，由硬件清“0”IE0(边沿触发方式)。
IEO:外部中断0请求源（INT0/P3.2）标志。IE0=1外部中断0向CPU请求中断，当CPU响应外部中断时，由硬件清“0”IE0（边沿触发方式）。
ITO:外部中断0触发方式控制位。IT0=0时，外部中断0为低电平触发方式，当INT0(P3.2)输入低电平时，置位IE0。采用低电平触发方式时，外部中断源(输入到INTO)必须保持低电平有效，直到该中断被CPU响应，同时在该中断服务程序执行完之前，外部中断源必须被清除(P3.2要变高)，否则将产生另一次中断。当IT0=1时，则外部中断0(INTO)端口由“1”→“0”下降沿跳变，激活中断请求标志位IE1 ，向主机请求中断处理。

3.2 定时器/计数器工作模式寄存器TMOD

定时和计数功能由特殊功能寄存器TMOD的控制位CT进行选择，IMOD寄存器的各位信息如下表所列。可以看出，2个定时/计数器有4种操作模式，通过TMOD的M1和MO选择。2个定时/计数器的模式0、1和2都相同，模式3不同，各式下的功能如下所述。
寄存器TMOD各位的功能描述：

四、定时器的工作模式

通过对寄存器TMOD中的M1(TMOD.1)、MO(TMOD.0)的设置，定时器/计数器0有4种不同的工作模式，见下表：

M1	M0	工作方式	说明
0	0	方式0	13位定时器/计数器
0	1	方式1	16位定时器/计数器
1	0	方式2	8位自动重装定时器/计数器
1	1	方式3	T0分成两个独立的8位定时器/计数器；T1此方式停止计数

定时器初值的计算：

例：对12MHz 1个机器周期 1us 12/fosc = 1us

方式0 13位定时器最大时间间隔 = 2^13 = 8.192ms
方式1 16位定时器最大时间间隔 = 2^16 = 65.536ms
方式2 8位定时器最大时间间隔 = 2^8 = 0.256ms =256 us
方式3 仅适用于T0，此时T0分成两个8位计数器，T1停止计数

4.1 模式0（13位定时器/计数器）

该模式下的13位寄存器包含:TH0全部8个位及TL0的低5位。TL0的高3位不定，可将其忽略。置位运行标志(TRO)不能清零此寄存器。模式0的操作对于定时器0及定时器1都是相同的。2个不同的GATE位(TMOD.7和TMOD.3)分别分配给定时器1及定时器0。

机器周期每来一个脉冲，特殊功能寄存器(Timer Low0)TL0计数值加1，当TL0计数值加到TL0的最大值时，再加1时，TL0溢出，TL0归0；TL0的低5位溢出时向TH0进位，TH0计数值加1，当TH0计数值加到TH0的最大值时，TH0溢出时，置位TCON中的TF0标志，向CPU发出中断请求。

假设用方式0，2^13为8192微秒的延迟，实现5毫秒的延迟。1ms=8,192-5,000=3,192，TH0=3192/32=99,TL0=3192-32*99=32。换算为16进制为：TH0=O*063H,TL0=O*020H，代码如下：

ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 000BH
AJMP T_0
ORG 0030H
MAIN:
    MOV TMOD,#00H
    MOV TH0,#063H
    MOV TL0,#020H
    SETB EA
    SETB TR0
    SJMP $
T_0:
      MOV TH0,#063H
    MOV TL0,#020H
    RETI

4.2 模式1（16位定时器/计数器）

模式1除了使用了TH0及TL0全部16位外，其他与模式0完全相同。即此模式下定时器/计数器0作为16位定时器/计数器，如下图所示:

需要注意的一点是：当C/T=1；处于计数模式时，计数脉冲是 T0 引脚上的外部脉冲。计数初值与计数个数的关系为：X=2(16)- N。其中2(16)表示 2 的 16 次方。（X表示计数初值，N表示计数个数）。

注意：该方式也不能像方式2一样，硬件自动重装TL0和TH0初值，是需要我们自己软件重装TH0和TH0初值。也就是说使用该方法时，不仅需要在定时/计数器初始化时，给定时/计数器特殊功能寄存器TL0和TH0赋初始值，而且还需要在TH0溢出后进入定时/计数器中断函数后再赋TL0和TH0初始值一次。

4.3 模式2（8位自动重装定时器/计数器）

该方式只需 TL1溢出时，就可以置位TCON中的TF1标志，向CPU发出中断请求。该方式硬件自动重装TL1的初值，就不需要TL1溢出后进入定时/计数器中断函数后再赋TL1初始值一次。至于自动重装是该这么理解呢？

TL1的溢出不仅置位TF1，而且将TH0内容重新装入TL1，TH0内容由软件预置，重装时TH1内容不变。什么意思呢？意思是：当TL1溢出时，TL1归0，不仅置位TF1，向CPU发出中断请求，而且还将TH1的值赋值给TL1（TL1=TH1），因为我们一般初始化定时/计数器的时候都会给寄存器TL1和TH1赋初值的。这一操作下来，那我们就不需要在进入中断函数的时候再给寄存器TL1赋初始值了。

4.4 模式3（T0分成两个独立的8位定时器/计数器）

对定时器1，在模式3时，定时器1停止计数，效果与将TR1设置为0相同。

对定时器0，此模式下定时器0的TL0及TH0作为2个独立的8位计数器。TL0占用定时器0的控制位：CT、GATE、TR0、INT0及TF0。TH0限定为定时器功能(计数器周期)，占用定时器1的TR1及TF1。此时，TH0控制定时器1中断。

模式3是为了增加一个附加的8位定时器/计数器而提供的，使单片机具有三个定时器/计数器。模式3只适用于定时器/计数器0，定时器T1处于模式3时相当于TR1=0，停止计数，而T0可作为两个定时器用。

五、利用定时器延迟版自动流水灯

对上一篇文章中的手动版流水灯修改，修改中断入口地址，开启定时器，设置初值，修改后代码如下：

ORG 0000H
    AJMP MAIN
	ORG 000BH
		AJMP T_0
    ORG 0030H
	MAIN:
		MOV DPTR,#15536
		MOV TH0,DPH
		MOV TL0,DPL
		SETB EA
		SETB ET0
		SETB TR0

		MOV P2,#11111111B
		MOV A,#01H      
	LIGHT:             
		MOV P2,A
		SJMP LIGHT

	T_0: 
		MOV TH0,DPH
		MOV TL0,DPL
	    RL A  
		RETI
END

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅简单介绍了单片机的定时器相关知识，以及对流水灯用定时器计时的方式实现。