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5.3 单片机定时器的寄存器

标准的51单片机内部有 T0 和 T1 这两个定时器,T 就是 Timer 的缩写,现在很多51系列单片机还会增加额外的定时器,在这里我们先讲定时器0和1。前边提到过,对于单片机的每一个功能模块,都是由它的 SFR,也就是特殊功能寄存器来控制。与定时器有关的特殊功能寄存器,有以下几个,大家不需要去记忆这些寄存器的名字和作用,你只要大概知道就行,用的时候,随时可以查手册,找到每个寄存器的名字和每个寄存器所起到的作用。

表5-1的寄存器是存储定时器的计数值的。TH0/TL0 用于 T0,TH1/TL1 用于 T1。

表5-1 定时值存储寄存器

名称 描述 SFR 地址 复位值
TH0 定时器0高字节 0x8C 0x00
TL0 定时器0低字节 0x8A 0x00
TH1 定时器1高字节 0x8D 0x00
TL1 定时器1低字节 0x8B 0x00

表5-2是定时器控制寄存器 TCON 的位分配,表5-3是则是对每一位的具体含义的描述。

表5-2 TCON——定时器控制寄存器的位分配(地址 0x88、可位寻址)

7 6 5 4 3 2 1 0
符号 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0
复位值 0 0 0 0 0 0 0 0

表 5-3 TCON——定时器控制寄存器的位描述

符号 描述
7 TF1 定时器1溢出标志。一旦定时器1发生溢出时硬件置1。清零有两种方式:软件清零,或者进入定时器中断时硬件清零。
6 TR1 定时器1运行控制位。软件置位/清零来进行启动/停止定时器。
5 TF0 定时器0溢出标志。一旦定时器0发生溢出时硬件置1。清零有两种方式:软件清零,或者进入定时器中断时硬件清零。
4 TR0 定时器0运行控制位。软件置位/清零来进行启动/停止定时器。
3 IE1 外部中断部分,与定时器无关,暂且不看。
2 IT1 外部中断部分,与定时器无关,暂且不看。
1 IE0 外部中断部分,与定时器无关,暂且不看。
0 IT0 外部中断部分,与定时器无关,暂且不看。

大家注意在表5-3中的描述中,只要写到硬件置1或者清0的,就是指一旦符合条件,单片机将自动完成的动作,只要写软件置1或者清0的,是指我们必须用程序去完成这个动作,后续遇到此类描述就不再另做说明了。

对于 TCON 这个 SFR,其中有 TF1、TR1、TF0、TR0 这4位需要我们理解清楚,它们分别对应于 T1 和 T0,我们以定时器1为例讲解,那么定时器0同理。先看 TR1,当我们程序中写 TR1 = 1 以后,定时器值就会每经过一个机器周期自动加1,当我们程序中写 TR1 = 0 以后,定时器就会停止加1,其值会保持不变化。TF1,这个是一个标志位,他的作用是告诉我们定时器溢出了。比如我们的定时器设置成16位的模式,那么每经过一个机器周期,TL1 加1一次,当 TL1 加到255后,再加1,TL1 变成0,TH1 会加1一次,如此一直加到 TH1 和 TL1 都是255(即 TH1 和 TL1 组成的16位整型数为65535)以后,再加1一次,就会溢出了,TH1 和 TL1 同时都变为0,只要一溢出,TF1 马上自动变成1,告诉我们定时器溢出了,仅仅是提供给我们一个信号,让我们知道定时器溢出了,它不会对定时器是否继续运行产生任何影响。

本节开头我们就提到了定时器有多种工作模式,工作模式的选择就由 TMOD 来控制,TMOD 的位分配和描述见表5-4到5-6所示,TMOD 的位功能如表5-5所示。

表5-4 TMOD——定时器模式寄存器的位分配(地址 0x89、不可位寻址)

7 6 5 4 3 2 1 0
符号 GATE(T1) C/T(T1) M1(T1) M0(T1) GATE(T0) C/T(T0) M1(T0) M0(T0)
复位值 0 0 0 0 0 0 0 0

表5-5 TMOD——定时器模式寄存器的位描述

符号 描述
T1/T0 在表5-5中,标 T1 的表示控制定时器1的位,标 T0 的表示控制定时器0的位。
GATE 该位被置1时为门控位。仅当„INTx‟脚为高并且„TRx‟控制位被置1时使能定时器„x‟,定时器开始计时,当该位被清0时,只要„TRx‟位被置1,定时器 x 就使能开始计时,不受到单片机引脚„INTx‟外部信号的干扰,常用来测量外部信号脉冲宽度。这是定时器一个额外功能,本节课暂不介绍。
C/T 定时器或计数器选择位。该位被清零时用作定时器功能(内部系统时钟),被置1用作计数器功能。

表5-6 TMOD——定时器模式寄存器 M1/M0 工作模式

M1 M0 工作模式 描述
0 0 0 兼容 8048 单片机的13位定时器,THn 的8位和 TLn 的5位组成一个13位定时器。
0 1 1 THn 和 TLn 组成一个16位的定时器。
1 0 2 8位自动重装模式,定时器溢出后 THn 重装到 TLn 中。
1 1 3 禁用定时器1,定时器0变成2个8位定时器。

可能你已经注意到了,表5-2的 TCON 最后标注了“可位寻址”,而表5-4的 TMOD 标注的是“不可位寻址”。意思就是说:比如 TCON 有一个位叫 TR1,我们可以在程序中直接进行 TR1 = 1 这样的操作。但对 TMOD 里的位比如(T1)M1 = 1这样的操作就是错误的。我们要操作就必须一次操作这整个字节,也就是必须一次性对 TMOD 所有位操作,不能对其中某一位单独进行操作,那么我们能不能只修改其中的一位而不影响其它位的值呢?当然可以,在后续课程中你就会学到方法的,现在就先不关心它了。

表5-6列出的就是定时器的4中工作模式,其中模式0是为了兼容老的 8048 系列单片机而设计的,现在的51几乎不会用到这种模式,而模式3根据我的应用经验,它的功能用模式2完全可以取代,所以基本上也是不用的,那么我们就重点来学习模式1和模式2。

模式1,是 THn 和 TLn 组成了一个16位的定时器,计数范围是0~65535,溢出后,只要不对 THn 和 TLn 重新赋值,则从0开始计数。模式2,是8位自动重装载模式,只有 TLn 做加1计数,计数范围0~255,THn 的值并不发生变化,而是保持原值,TLn 溢出后,TFn就直接置1了,并且 THn 原先的值直接赋给 TLn,然后 TLn 从新赋值的这个数字开始计数。这个功能可以用来产生串口的通信波特率,我们讲串口的时候要用到,本章节我们重点来学习模式1。为了加深大家理解定时器的原理,我们来看一下他的模式1的电路示意图5-2。

图5-2 定时器/计数器模式1示意图

我带领大家一起来分析一遍这个示意图,日后如果再遇到类似的图,大家就可以自己研究了。OSC 框表示时钟频率,因为1个机器周期等于12个时钟周期,所以那个 d 就等于12。下边 GATE 右边的那个门是一个非门电路,再右侧是一个或门,再往右是一个与门电路,大家可以对照一下5-1节的内容。

图上可以看出来,下边部分电路是控制了上边部分,那我们先来看下边是如何控制的,我们以定时器0为例。

1) TR0 和下边或门电路的结果要进行与运算,TR0 如果是0的话,与运算完了肯定是0,所以如果要让定时器工作,那么 TR0 就必须置1。

2) 这里的与门结果要想得到1,那么前面的或门出来的结果必须也得是1才行。在 GATE 位为1的情况下,经过一个非门变成0,或门电路结果要想是1的话,那 INT0 即 P3.2 引脚必须是1的情况下,这个时候定时器才会工作,而 INT0 引脚是0的情况下,定时器不工作,这就是 GATE 位的作用。

3) 当 GATE 位为0的时候,经过一个非门会变成1,那么不管 INT0 引脚是什么电平,经过或门电路后都肯定是1,定时器就会工作。

4) 要想让定时器工作,就是自动加1,从图上看有两种方式,第一种方式是那个开关打到上边的箭头,就是 C/T =0 的时候,一个机器周期 TL 就会加1一次,当开关打到下边的箭头,即 C/T =1 的时候,T0 引脚即 P3.4 引脚来一个脉冲,TL 就加1一次,这也就是计数器功能。

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