微机原理课程：微机原理课程设计

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新疆工程学院题目名称：微机原理课程设计系部：计算机工程系专业班级：通信12-4学号：2012232029学生姓名：何静指导教师：陈晓飞蔡亚永完成日期：2013年7月10日 新疆工程学院课程设计评定意见设计题目：微机原理课程设计学生姓名：何静评定意见：评定成绩：指导教师（签名）：2012年7月1日 摘要通过上课老师讲和自己动手实验的方法去验证课本上的理论知识。在了解微型计算机的基本组成的前提上，动手感受8255A和8259A的工作原理、工作方式、相关引脚、内部结构等内容。在交通控制灯的实验设计中了解8255A的相关芯片的连接和在实验中增强自己的动手能力。利用8259A的中断特性进行单级中断实验，从而更好的理解8259A的相关性质。关键词：8255A8259A 目录目录1概述11.1前言11.2微型计算机的发展史11.3典型的输入输出芯片11.4微型机算机的基本组成22可编程并行接口8255A的应用设计32.18255A的基本特性.32.1.1并行接口概述32.1.28255A的基本内容32.28255A的内部结构及引脚设42.2.18255A的内部结构4表一：8255A的端口分配及读/写控制表52.2.28255A的工作方式52.2.38255A的控制字52.2.48255A的引脚图72.3交通灯的设计82.3.1设计构思82.3.2任务分析82.3.3流程框图92.3.4实验小结1038259A的应用设计113.1中断概述113.28259A的内部结构及引脚113.2.18259A内部结构图113.2.28259A的工作方式123.38259A引脚图123.3.18259A与CPU相连的接口引脚133.3.2与外设相接的接口引脚133.3.3构成级联时使用的引脚13II 目录3.48259A应用实例133.58259A单级中断控制器的设计143.5.1任务分析143.5.2设计要求143.5.3流程框图143.5.4实验小结16总结17参考文献18II 181概述1.1前言自1981年IBM公司的通用微型计算机IBMPC/XT问世以来，在短短的20多年间，微型计算机一直以令人惊讶的速度发展。作为21世纪的人才，学习微型计算机的基础知识，掌握微型计算机的基本使用技术以刻不容缓。"微机原理与系统设计"作为计算机教学的主要基础课之一,课程紧密结合计算机的专业特点,围绕微型计算机原理和应用主题,以Intelx86CPU为主线,系统介绍微型计算机的基本知识,基本组成,体系结构和工作模式,从而使学生能较清楚地了解微机的结构与工作流程,建立起系统的概念1.2微型计算机的发展史微型机由于结构简单、通用性强、价格便宜。已成为现代计算机领域中一个极为重要的并正以难以想象的速度向前发展。u第一代(1971~1973)4位或低档8位微处理器和微型机u第二代(1974~1978)中档的8位微处理器和微型机u第三代(1978~1984)：16位微处理器和微型机u第四代(1985年以后)32位高档微型机1.3典型的输入输出芯片u可编程串行通信接口：8251A8251A是一种可编程的通用同步/异步接受发送器，用于CPU与外设之间的串行通信接口，通过编程可选择同步和异步的工作方式。u可编程并行通信接口：8255A8255A是一个40个引脚双列直插式封装的大规模集成电路。采用单一的+5V电源供电，其输入和输出电平与TTL完全兼容。u可编程技数器/定时器8253A8253A是一种外围电路，它可以通过软件方式设定不同的工作方式，产生各种形式的时间延迟信号，一满足各类系统提出的不同时间的要求uDMA控制器：8237A8237A是一种高性能可编程的DMA控制器，每个集成电路上有4个独立的DMA通道，可分别独立编程，实现外围设备与内存、内存与内存之间的高速数据传输u中断控制器：8259A 188259A是一种专门为控制优先级中断而设计的集成电路。具有8级优先权控制，通过级联可扩展至64级优先权控制。每一级中断都可以屏蔽或允许1.4微型机算机的基本组成u微处理器：微处理器是芯片，芯片上集成有控制器、运算器、寄存器等功能部件u.内部存贮器：存储器是计算机实现记忆功能的部件，它主要包括主存储器和辅助存储器。主存储器由半导体存储器RAM和ROM组成，又称为内存；辅助存储器又称为外存储器，包括软盘存储器、硬盘存储器和光盘等。u输入输出设备：常用的输入输出设备有键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。一般而言，外存储器也属于输入输出设备。u系统总线：所谓总线就是在两个以上数字设备之间提供传送信息的公用通道。总线通常由数据总线、控制总线、和地址总线三部分组成。其中数据总线在CPU与内存或输入输出接口之间传送数据；控制总线用来传送各种控制信号；地址总线用来传送存储单元或输入输出接口的地址信息。 182可编程并行接口8255A的应用设计8255是一种通用的可编程并行I／O接口芯片，是专为INTEL公司的微处理器设计的，也可用于其它系列的微型机系统中。利用8086汇编指令系统，编制初始化程序，可以变更8255的工作方式，通用性强，使用灵活。8255具有3个带锁存或缓冲的数据端口，它的并行数据宽度为8位。可与外设并行进行数据交换。A口和B口内具有中断控制逻辑，在外设与CPU之间可用中断方式进行信息交换。8255能与许多外部设备连接，例如：键盘、显示器、打印机等。2.18255A的基本特性.2.1.1并行接口概述并行接口就是能够进行数据传输、位于CPU与外部设备之间、起到数据缓冲和匹配作用的接口电路。并行通信接口与外部设备之间的数据传输是并行的，它与系统总线之间的数据传输也是并行的。一个通用的并行通信接口可以根据需要设计为输入接口，也可以设计为输出接口，还可以设计为输入输出接口。例如在计算机系统中连接键盘的接口是单向输入接口，连接打印机的接口是单向输出接口，连接磁盘驱动器的接口就是双向接口。2.1.28255A的基本内容u8255A是一个具有3个8位数据口（即A口、B口、C口，其中C口还可作为两个4位口来使用）的并行输入/输入端口的接口芯片，它为Intel系列的CPU与外部设备提供了TTL电平兼容并行接口。三个数据口均可用软件来设置成输入口或输出口，与外设相连。C口具有按位置位/复位的功能，为按位控制提供了强有力的支持。u8255A具有3种工作方式，即方式0，方式1，方式2。可适应CPU与外设间的多种数据传送方式，如查询方式和中断方式等，以满足用户的各种应用要求。u8255A具有两条功能强、内容丰富的控制命令（方式字和控制字），为用户根据外界条件（I/O设备需要哪些信号线以及它能提供哪些状态线）来使用8255A构成多种接口电路和提供灵活方便的编程环境。8255A执行命令过程中和执行命令完毕之后，所产生的状态可保留在状态字中以便查询。u8255A的C口是一个特殊的端口，除作数据口外，当工作在方式1和方式2时，利用对C口的按位控制可为A、B口提供专门的联络控制信号；在CPU读取8255A状态时，C口可作为方式1和方式2的状态字。 18u8255A芯片内部主要由控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器组成，因此以后的编程主要是对这三类寄存器进行访2.28255A的内部结构及引脚设2.2.18255A的内部结构u内部结构图8255A是典型的可编程并行通信接口集成电路，8255A的内部结构如图所示。图一：8255A的内部结构图8255A主要由数据总线缓冲器、读写控制逻辑、A组和B组控制电路和端口A，B，C等4个部分组成。u与CPU的接口电路由数据总线缓冲器和读/写控制逻辑组成。读/写控制逻辑电路用来接收CPU系统总线的读信号，写信号，片选择信号，端口选择信号A1，A0和复位信号RESET，用于控制8255A内部寄存器的读/写操作和复位操作。u内部控制逻辑包括A组控制与B组控制两部分。A组控制寄存器用来控制A口PA7～PA0和C口的高4位PC7～PC4；B组控制寄存器用来控制B口PB7～PB0和C口的低4位PC3～PC0。 18它们接收CPU发送来的控制命令，对A,B,C3个端口的输入/输出方式进行控制。u输入/输出接口电路8255A片内有A,B,C3个8位并行端口，A口和B口分别有1个8位的数据输出锁存/缓冲器和1个8位数据输入锁存器，C口有1个8位数据输出锁存/缓冲器和1个8位数据输入缓冲器，用于存放CPU与外部设备交换的数据。表一：8255A的端口分配及读/写控制表2.2.28255A的工作方式8255A的工作方式有方式0、方式1和方式2。u方式0是一种基本输入或输出方式，该方式适合于通信双方不需要联络信号（应答信号）的简单输入/输出场合，CPU可以随时用输入/输出指令对指定端口进行读写操作。u方式1为选通输入/输出方式，即可借助于选通（应答式）联络信号的I/O方式。这种方式中，A口和B口用于输入/输出的数据端口，C口某些位用作接收或产生应答联络信号。u方式2为分时双向输入/输出方式（双向I/O方式），即同一端口的I/O线既可以作为输入也可以作为输出。2.2.38255A的控制字u工作方式的控制字 18图二：工作方式控制字例：设8255A的控制端口地址为0060H-0063H，A组B组工作方式0，A口、B口为输入端，C为输出。则方式控制字应是：92H。若将此控制字的内容写入8255A的控制寄存器，即实现了对8255A工作方式的指定（或者说完成了对8255A的初始化），初始化的程序段为：          MOVAL,92H          OUT63H，AL          INAL,60HINAL,61HMOVAL,数据OUT62H,ALuC口的位控字图三：C口位控制字8255A的C口具有位控功能，即允许CPU用输出指令单独对C口的某一位写“1”或“0”，C口的位控字的格式 18如图所示。这是通过向8255A的控制寄存器写入（注意不是直接对C口写入）一个位控字来实现的。最高位D7必须为“0”是C口置位/复位控制字的特征位。D0位决定了是置“1”还是置“0”操作；D3～D1位决定了对C口中的哪一位进行操作。2.2.48255A的引脚图8255A是一个40个引脚双列直插式封装的大规模集成电路。图四：8255A的引脚图u和外设相连的引脚：PA7～PA0：A口数据信号线，双向，三态引脚；PB7～PB0：B口数据信号线，双向，三态引脚；PC7～PC0：C口数据信号线，双向，三态引脚；u面向系统总线和微型处理器相连的引脚： 18表二：相关引脚连接表u8255A内部有3个数据端口（I/O端口）和1个控制端口，共4个端口A1A0选择00A口地址01B口地址10C口地址11控制寄存器地址表三：8255A端口地址编码2.3交通灯的设计2.3.1设计构思通过设计，了解8255A芯片的内部结构、工作方式、各引脚功能及I/O接口的使用。掌握8255A的控制字意义、功能和设置要求。并利用8255A的可编程特性，对其进行初始化编程和应用。培养将理论与实际相结合的综合能力并将实验结果通过发光二级管显示出来。2.3.2任务分析u亮灭规律设有一个十字路口1、3为南北方向，2、4为东西方向，初始状态为四个路口的红灯全亮。之后，1、3路口的绿灯亮，2、4路口的红灯亮，1、3路口方向通车。延时一段时间后，1、3路口的绿灯熄灭，而1、3路口的黄灯开始闪烁，闪烁若8次以后，1、3路口红灯亮，而同时2、4路口的绿灯亮，2、4 18路口方向通车，延时一段时间后，2、4路口的绿灯熄灭，而黄灯开始闪烁，闪烁若8次以后，再切换到1、3路口方向。之后，重复上述过程。u前期准备在程序中设定好8255A的工作模式及三个端口均工作在方式0，并处于输出状态。各发光二极管共阳极，使其点亮应使8255A相应端口的位清0。2.3.3流程框图图五：8255A实验流程图 182.3.4实验小结通过此次实验，懂得了如果改变对8255工作方式控制的设置，可以实现对不同的端口设置其输入输出功能，从而实现输入与输出数据的处理功能。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 1838259A的应用设计8259A是专业性为控制优先级中断设计的芯片。它将中断源优先级排队，辩别中断源以及提供中断矢量的电路集于一片中。因此无需附加任何电路，只需对8259A进行编程，就可以管理8级中断，并选择优行模式和中断请求方式，即中断结构可以由用户编程来设定。同时，在不需要增加其它电路的情况下，通过多片8259A的级联，能构成多达64级的矢量中断系统。3.1中断概述中断是一个过程，是指当某个内部或外部事件发生时，为了对事件进行处理，CPU暂停当前程序，转去执行该事件的程序，称为中断处理程序。最初的中断全部是针对外部设备而言的，称为外部中断。随着计算机技术的发展，中断的范围也随之扩大，出现了内部中断。中断系统成为计算机系统必不可少的组成部分。3.28259A的内部结构及引脚3.2.18259A内部结构图图六：8259A的内部结构图 183.2.28259A的工作方式8259A的中断管理功能很强，单片可以管理8级外部中断，在多片级联方式下最多可以管理64级外部中断，并且具有中断优先权判优、中断嵌套、中断屏蔽和中断结束等多种中断管理方式。中断优先权方式8259A中断优先权的管理方式有固定优先权方式和自动循环优先权方式两种中断嵌套方式8259A的中断嵌套方式分为完全嵌套和特殊完全嵌套两种。中断屏蔽方式中断屏蔽方式是对8259A的外部中断源IR7～IR0实现屏蔽的一种中断管理方式，有普通屏蔽方式和特殊屏蔽方式两种。中断结束方式中断结束方式分为：自动结束方式、普通结束方式和特殊结束方式3.38259A引脚图图七：8259A的引脚图 183.3.18259A与CPU相连的接口引脚D0～D7　：双向三态数据线，是CPU和8259A进行数据、命令状态传送的通道。：写控制输入信号，低电平有效。有效时，表明当前正在向8259A写入命令字。：读控制输入信号，低电平有效。有效时，表明CPU正在向8259A读数据。A0：片内地址选择信号，用来指出当前8259A的哪个端口被访问。每片8259A有两端口地址。：片选输入信号，低电平有效，通过地址译码逻辑电路与地址总线相连。INT：与CPU的INTR端相连，由8259A向CPU发出中断请求信号。INTA：接收来自CPU的中断响应信号。8259A要求中断响应信号由两个负脉冲构成。3.3.2与外设相接的接口引脚IR0～IR7：8个中断请求输入信号，用来接收外部设备的中断请求，高电平或上升沿有效。3.3.3构成级联时使用的引脚CAS0～CAS2：在8259A构成级联时，用来指出具体的从片。在级联结构中，主从片8259A的CAS0～CAS2全部对应相连。主片的CAS0～CAS2作为输出信号，用于发送从设备标志；从片的CAS0～CAS2作为输入信号，用来接收从设备标志。SP/EN：从片编程/允许缓冲器信号，双向低电平有效。该信号有两个功能。当作输入信号时，用来决定该片是主片还是从片。SP为1，则为主片(接高电平)；SP为0，则为从片(接低电平)。单片使用的时，SP/EN接高电平。当作输出信号时，用作允许缓冲器接收和发送的控制信号，即选通缓冲器3.48259A应用实例在Intel80486CPU系统中，使用2片8259A管理中断，采用级联方式。主片中的8个中断请求IR7～IR0除IR2扩展从片以外，其他均为系统使用，从片中的8个中断请求IR7～IR0供用户使用。 18图八：8259A的级联图3.58259A单级中断控制器的设计3.5.1任务分析8259A和8088系统总线直接相连，8259A上连有一系统地址线A0，故8259A有2个端口地址，中断采用边沿触发，单片，中断类型08H—0FH，工作在非缓冲模式。利用8259实现对外部中断的响应和处理，要求程序对每次中断进行计数，并将计数结果送数码显示3.5.2设计要求主程序在高四位七段码上显示8259，中断服务程序对中断次数计数，并在最低位七段码上显示，中断次数满5次后，显示输出“good”。3.5.3流程框图 18IR3中断服务程序：IR7中断服务程序：图九：8259A的实验流程图 183.5.4实验小结实验结果和预期所想象的一样，在显示器上可看到“good”字样。通过实验，我更好的理解了8259A的工作方式、各引脚的功能及意义和编程的魅力。在做实验时,老师根据自己的亲身体会,将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识到这门课程在生活中的应用是那么的广泛. 18总结当知道要做课程设计的时候心里面感觉有些害怕和担心，担心自己不会或者做不好。但是当真的要做的时候也只好进自己作大的努力去做，做到自己最好的。我们在这个过程中有很多自己的感受，我想很多同学都会和我有一样的感受，那就是感觉汇编语言真的是很神奇，很有意思。我们从开始的担心和害怕渐渐变成了享受，享受着汇编带给我们的快乐。看着自己做出来的东西，心里面的感觉真的很好。微机原理与接口技术是一门很有趣的课程，任何一个计算机系统都是一个复杂的整体，学习计算机原理是要涉及到整体的每一部分。讨论某一部分原理时又要涉及到其它部分的工作原理。这样一来，不仅不能在短时间内较深入理解计算机的工作原理，而且也很难孤立地理解某一部分的工作原理。所以，在循序渐进的课堂教学过程中，我总是处于“学会了一些新知识，弄清了一些原来保留的问题，又出现了一些新问题”的循环中，直到课程结束时，才把保留的问题基本搞清楚。在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则,在老师讲解时就会听不懂,这将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间.比如做应变片的实验,你要清楚各种接法,如果你不清楚,在做实验时才去摸索,这将使你极大地浪费时间,使你事倍功半.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,弄明白,实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就会忘得一干二净,这还不如不做。 18参考文献[1]田瑞庭《微型计算机原理与应用》北京：中国科学技术出版社，1997[2]潘峰《微型计算机原理与汇编语言》北京：电子工业出版社，1999[3]沈美明，温冬婵《IBM-PC汇编语言程序设计》北京：清华大学出版社，2001[4]雷丽文，朱晓华，蔡征宇，缪均达《微机原理与接口技术》北京：电子工业出版社，1998[5]马维华《从8086到PentiumIII微型计算机原理及接口技术》北京：科学出版社，2000[6]吴叶兰，王坚，王小艺，连晓峰《微机原理及接口技术》北京：机械工业出版社，2009