代码收藏家技术教程 2023-11-18

51单片机定时器

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