51单片机定时器

文章介绍了51单片机的定时器原理,包括定时器的内部构造、工作模式、中断机制以及寄存器配置。重点讨论了模式1的16位定时器/计数器,并通过实例解释了如何配置定时器和中断服务程序。强调了查资料在学习基础外设中的重要性。

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目录

前言

一、定时器的介绍及其作用

二、定时器的内部构造及其原理

计算机周期

定时器的工作模式与流程

定时器中断相关寄存器

寄存器的配置

 三、程序

总结


前言


        下面来介绍学习51单片机第一个也是最常用的片上外设——定时器。该硬件是集成在单片机内部的,与板上外设不同的是,它不会受到外界的干扰,只会听从cpu的命令。在小编看来,51单片机上的外设虽没有stm32的复杂,但配置起来要比stm32难,stm32配置片上外设只需要调用函数库输入指定的参数即可,相比于51单片机来的更方便,而51单片机则更底层些,需要从配置寄存器开始,设置初值等等一步一步地打通通道。

        *ps:学习基础外设部分一定一定要学会查资料!

一、定时器的介绍及其作用


         传统51单片机有3个定时器(T0,T1,T2),51系列单片机的更新迭代都是向下兼容的。定时器的资源和单片机的型号是关联在一起的,不同的型号可能会有不同的定时器个数和操作方式,但一般来说,T0和T1的操作方式是所有51单片机所共有的。

        那么,我们为什么要使用定时器呢?回想一下之前写的程序,在实现延时这一功能时,我们使用了delay() 函数,这个函数并没有采用任何外设,只是写了两个循环嵌套,让cpu计数,当计数完成也就代表延时结束,简单点说就是让cpu通过不停的计数来消耗时间,所以这种方式有个很大的弊端,就是当cpu “死跑” 延时的时候,是做不了其他事情的,这个时候就需要一个额外的工具来帮助cpu完成计时,这就是定时器的作用。举个例子,比如你想在十分钟后做某件事,如果身边没有任何工具的话,你只能自己默数600秒,而你在数数的时候是肯定不能分心做其他事情的哈,而如果你身边有块表,那就可以定一个十分钟后的闹钟,让它帮你计时,在这十分钟期间你就可以放心地做其他事情了。   

        定时器还有一些其他作用,比如用于计时系统,可实现软件计时,或者使程序每隔一固定时间完成一项操作。注意:定时器的大部分使用场景都要配合中断。

二、定时器的内部构造及其原理


        51单片机的最小系统板上有一个12Mhz的晶振。

         那为什么是12Mhz为不是其他的频率呢?

计算机周期

        想理解它就需要了解三个概念:时钟周期、指令周期和机器周期。

        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。

        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。 

        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。

        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。

        OK那,我们回到上面问题为什么晶振是12Mhz?我们计算下: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)。

定时器的工作模式与流程

       STC89C52RC的T0和T1均有4种工作模式:

  • 模式0:13位定时器/计数器
  • 模式1:16位定时器/计数器 (常用)
  • 模式2:8位自动重装模式
  • 模式3:两个8位计数器

        本篇只介绍模式1,模式1也是平时最常用的,其他3种模式应用场景不是很多,看完本篇讲解亦能使用其他三种模式。模式1的内部连接方式如下:

        这种图很唬人,乍一看很复杂,但其实很简单的,莫慌,我们把它差分成三个部分:时钟 → 计数 → 中断

         可以看到,计数器里有两个时基单元,TL0(低8位)和 TH0(高8位)总共16位,所以叫16位定时/计数器,它最多可以计数 2^16=65535次。

        计数器由时钟提供脉冲信号,经过分频器,每来一次脉冲计数+1,我们可以先设置一个计数器的初值 x,当计次超过65535时,下一个脉冲就会产生溢出,触发溢出中断,程序可以捕获到这个中断,就可以得知此次经历了(65535-x+1)us,这样就完成了一次定时。

        举个例子:我们可以把初值定位64535,这样到溢出值65535还需计数1000次,需要1000us,这就是个1ms的定时器。

定时器中断相关寄存器

        首先看到左上角部分,可以看到定时器的时钟来源其实是二选一的,由C/T这个开关控制:

        上面的时钟system clock也就是系统时钟了, 下面这个T0 pin,它是一个单片机的外部接口:

         它接在了P3_4引脚上,可以检测外部的脉冲信号,当该引脚外界其他设备时,它由引脚上的设备提供时钟,就变成了一个计数器,每当这个引脚有脉冲变化,内部时基单元同样会+1,这样就可以计脉冲的次数,当然这个功能也不常用。

        上面的开关是选择分频器,选择12分频,12Mhz进行12分频就是1Mhz,每个周期就是1us,这样配置通这条线路送到计数器,每隔1us就要记1次数。

         接下来看左下角这一大堆逻辑门,看到它们也不要慌,其实就是共同控制了一个门控端:

        该门控制时钟信号是否进入计数器,当GATE为0,经过非门变为1,进入下一个或门,或门是有1即出1,所以下面的INT0就不参与控制,再进入下一个与门,与门是有0即出0,所以TR0也得是1才能出1,这样contorl开关才能接通。当GATE为1,那INT0必须是1,TR0也得是1时才能接通。这样说可能有点乱哈,大概意思就是当GATE为0时只由TR0控制,当GATE为0时由INT0和TR0共同控制,INT0是外部中断0,它的默认优先级要高于定时器中断,所以它会介入到定时器是否通断的控制。TR0我盲猜一下应该是Timer Ready的缩写,0就代表定时器0,用TR0来反映定时器是否准备好,在这段逻辑电路中有一票否决权,当它为0时表示定时器没有准备好,就一定不会接通。这个GATE其实我也不大清楚它的作用,感兴趣可以去查下手册。

        关于计数器部分上面已经介绍的差不多了,就是由两个8位的时基单元拼接成16位,分为高8位和低8位,在写程序的时候可以设定它的初值,当计次超过溢出值时会触发TF0(Timer Flag)中断允许标志位,从而进入中断:

        接下来进入到中断部分的介绍,手册上关于中断的定义是这样说的:

        中断系统是为使 CPU 具有对外界紧急事件的实时处理能力而设置的。
        当中央处理机 CPU 正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件请求,要求 CPU 暂停当前的工作,转而去处理这个紧急事件,处理完以后,再回到原来被中断的地方,继续原来的工作,这样的过程称为中断。

        可以用下面这张图形象地理解:

         可以看到中断并不会影响主程序的内容,可以理解为在主程序执行的过程中加急处理一项任务,这些任务也有轻重缓急之分,所以中断也会有优先级的高低之别,本篇介绍的定时器0的中断优先级排在第二,仅次于外部中断0。不同的中断会进入不同的入口通道,在程序里用中断号来区分不同类型的中断服务程序。

        传统51单片机有5个中断源,2个外部中断(INT0 和 INT1)和3个定时器中断(T0、T1、T2 )。开发板上的STC89C52RC有8个中断源,多加了一个串口中断(UART)、一个外部中断2(INT2)和外部中断3(INT3),是向下兼容的,所以我找了一张老款的图,比较简单一些哈,原理和新款是相同的:

         所以这里要进入到第二个通道,触发条件就是TF0(定时器0中断允许标志位),ET0为定时/计数器0溢出中断允许控制位,当它置为1时才允许T0的溢出可以触发中断,EA为中断总开关,直接配置为1就好,PX0为定时器0中断优先级,应该有四个优先级可选的,这里给简化了,不过由于本次实验就这一个中断,所以随便配就好。

        这样就接通了这条通道进入到中断,执行中断中的内容。把定时器和中断两部分连接起来,整个定时器中断流程如下:

寄存器的配置

        寄存器是连接软硬件的媒介。好好理解下这句话,在单片机中寄存器就是一段特殊的RAM存储器,一方面,寄存器可以存储和读取数据,另一方面,每一个寄存器背后都连接了一根导线,控制着电路的连接方式 寄存器相当于一个复杂机器的 “操作按钮” 。可见对于单片机来讲,寄存器无疑是至关重要的!

        定时器的相关寄存器如下:

         依然是STC官方手册里的表,TCON就是 “Timer Control” 的意思,也就是定时器控制寄存器,TMOD就是 “Timer Mode”的意思,也就是定时器模式寄存器。

        值得一提的是,这些位地址符号后面是0的就代表是定时器0的相关位地址符号,后面是1的就是定时器1的相关位地址符号。这样的话这些位地址符号也就不陌生了,我们在上面基本也都见过并了解了,那我们直接来看配置方法:

        先来看一下这个TCON寄存器,定时器1的不用管所以只看低四位,门控端GATE直接给0就可以,C/T也给0,让系统时钟做脉冲源。

        我们想让它工作在哪个模式要配置M1和M0两位,具体参考下面这张图:

         定时器0的工作模式由这两位共同决定,那我们需要定时器工作在16位定时器模式,所以M1=0,M0=1。

        这里标注了不可以位寻址,只能整体赋值,高4位为定时器1的部分,随便给任何值都可以,因为后面压根就不会进到中断,就都给它置0吧,这样TMOD的8位就是0000 0001也就是TMOD=0x01。

         再来配置下这个TCON寄存器,TF1和TR1是定时器1的不用管他,TF0上面说了是中断允许标志位,在初始化的时候应先对其清零,TR0手册里叫定时器0运行控制位,我们给他置1,这个IE0和IT0都不需要配,因为上面的门控端GATE已经置0,所以IE0和IT0并不会影响。TCON寄存器是可以进行位寻址的,所以直接单独赋值即可:TF0=0,TR0=1,只需要配置这两位。

        接下来是TL0和TH0,给这高8位和低8位都要设置好初值,就拿1模式为例,那初值就要设置为64535,2的8次方是256,想要取出64535的高8位就可以用 64535 / 256,低8位就是64535 % 256,这个原理就和十进制取高低位一样,只不过十进制 / 和 % 的是10的几次方,这里是2的几次方,那么TH0=64535 / 256,TL0=64535 % 256。

        定时器的所有内容就都配置好了,下面来看中断的寄存器配置:

         中断的配置并不需要看这张表,可以了解一下。我们只需要参考上面的图就可以,很简单,只需要把ET0、EA和PT0这三道闸门打通即可进入中断,中断的配置是可以位寻址的,直接写ET0=1,EA=1,PT0置1或0无所谓,默认是0,那我们就也给0,PT0=0。

        这样整个流程就都配置好了!你会发现看似很多内容,实现在代码上不过几行而已。关于中断服务程序和其他一些详细的内容都放到了代码的注释里,那我们直接来看代码吧:

 
三、程序


#include <REGX52.H>

void Timer0Init(void)  //初始化函数
{
	TMOD=0x01;		//设置定时器模式
	TL0=64535%256;		//设置定时初值
	TH0=64535/256;		//设置定时初值
	TF0 = 0;		    //清除TF0标志
	TR0 = 1;		    //定时器0开始计时
	ET0=1;
	EA=1;
	PT0=0;
}

        定时器初始化函数要在主函数开始调用以开启定时器,当定时器触发中断后就会跳转到中断服务程序:

#include <REGX52.H>

void Timer0_Routine() interrupt 1  //中断服务程序的固定格式,1是中断号
{ 
	TL0 = 64535%256;	//给定时器重新赋初值	
	TH0 = 64535/256;    //给定时器重新赋初值
	
    //这里可以写中断函数要执行的操作
}

        中断函数是特殊的函数,interrupt是<REG52.H>文件中的关键字,1是中断号,中断触发后会根据中断号跳转到相应的中断函数,注意:中断服务程序不能像常规函数一样被外部调用

总结


        定时器和中断都是单片机常用的外设资源,需要牢牢掌握其原理和用法。

        对于这些基础外设的学习,学会查资料会非常有帮助,我们可以在STC的官网上找一下STC89C52RC的芯片手册,里面对相关寄存器的介绍十分详细。

<think>好的,我现在要解决用户关于51单片机定时器周期计算和配置的问题。首先,我需要回顾一下自己之前学过的相关知识,确保准确无误。 用户的问题主要集中在定时器的周期计算和配置方法。根据提供的引用内容,用户可能已经看过一些示例代码,比如设置TMOD寄存器,计算TH0和TL0的初值,以及中断服务函数的写法。我需要将这些内容整理成清晰的步骤,并且结合公式进行解释。 首先,定时器的工作原理。51单片机定时器是通过对内部时钟脉冲进行计数来实现定时的。每个机器周期,计数器的值加1。当计数器溢出时,触发中断。所以,计算初值的关键在于确定需要多少个机器周期才能达到预期的定时时间。 接下来,计算定时器初值的公式。根据引用中的代码,用户使用了(65536 - 46080)来计算TH0和TL0。这里65536是16位定时器的最大值(2^16),46080是计数值。所以,初值等于最大值减去需要的计数值。计数值由定时时间除以机器周期得到。 机器周期的计算。51单片机的一个机器周期通常等于12个时钟周期,如果使用的是12MHz的晶振,那么机器周期就是1微秒。但用户示例中的晶振是11.0592MHz,所以机器周期是12 / 11.0592 ≈ 1.085微秒。这一点需要解释清楚,因为不同的晶振频率会影响定时器的计算。 然后,配置定时器的步骤。需要设置TMOD寄存器选择工作模式,比如模式1是16位定时器。然后计算并装入初值到THx和TLx,开启中断允许位ETx,启动定时器TRx,以及总中断EA。 还需要注意中断服务函数中的重装初值操作,因为在模式0和1下,定时器不会自动重载,所以每次中断后必须手动重新赋值THx和TLx。而模式2是8位自动重载,可能不需要手动操作,但用户示例中使用的是模式1,所以需要手动重装。 用户可能存在的疑问包括:如何选择定时器模式,不同模式的区别,初值计算的详细步骤,以及如何根据不同的定时需求调整参数。此外,定时器与软件延时的区别也是用户关心的点,引用中提到了延时函数可能被中断影响的问题,这一点需要强调。 最后,需要确保回答结构清晰,分步骤说明配置方法,给出具体的公式和示例,并且结合用户提供的代码进行解释,同时生成相关的问题帮助用户进一步学习。</think>### 51单片机定时器周期计算与配置方法 #### 一、定时器周期计算原理 51单片机定时器通过计数脉冲实现定时功能。周期计算需明确以下参数: 1. **晶振频率**(如11.0592MHz) 2. **机器周期**:每个计数脉冲的时间,计算公式为: $$ T_{机器} = \frac{12}{f_{osc}} $$ 例如:11.0592MHz晶振时,$T_{机器}=12/11.0592≈1.085μs$[^1] 3. **定时初值**:需根据目标时间反向计算: $$ N = 2^n - \frac{t}{T_{机器}} $$ - $n$为定时器位数(如模式1为16位,$n=16$) - $t$为目标定时时间 **示例**:使用11.0592MHz晶振,定时50ms: $$ N = 65536 - \frac{0.05}{1.085×10^{-6}} ≈ 65536 - 46080 $$ #### 二、定时器配置步骤 1. **设置工作模式** 通过`TMOD`寄存器选择模式(如模式1:16位定时器): ```c TMOD |= 0x01; // 设置T0为模式1 ``` 2. **装载初值** 将计算结果拆分为高8位(TH0)和低8位(TL0): ```c TH0 = (65536 - 46080) / 256; // 高字节 TL0 = (65536 - 46080) % 256; // 低字节 ``` 3. **中断配置** - 开启总中断和定时器中断: ```c EA = 1; // 总中断开关 ET0 = 1; // 定时器T0中断允许 ``` - 启动定时器: ```c TR0 = 1; // 启动T0 ``` 4. **编写中断服务函数** ```c void T0_time() interrupt 1 { TH0 = (65536 - 46080)/256; // 重装初值 TL0 = (65536 - 46080)%256; // 添加用户代码(如计时处理) } ``` #### 三、模式对比与注意事项 | 模式 | 位数 | 重载方式 | 应用场景 | |------|------|----------|----------------| | 0 | 13位 | 手动 | 淘汰模式 | | 1 | 16位 | 手动 | 长定时 | | 2 | 8位 | 自动 | 高频短定时[^2] | > **重要提示**:模式1需手动重装初值,否则无法连续定时;定时精度受中断响应时间影响,建议在中断函数开头立即重装初值。
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