（通信与信息系统专业论文）“微机原理与接口实验装置”的设计、实现及优化.pdf

塑型查兰堕土翌窒兰堕苎父，6 3 5 2 8 3摘要本课题来源于我校承担的许昌瑞新电器有限公司的“微机原理与接口实验装置”委托开发项目。本项目要求开发一个配合“微机原理与接口”课程的学生实验装置，该实验装置开设的实验应该和课程密切配合，帮助学生理解课程内容。体现到功能上，实验系统( 包括实验装置和p c 机) 要求以“微机原理与接口”教材所介绍的芯片的典型应用为基础设计合理的实验；实现实验装置和p c 机的通讯，具有一个清晰、简洁、易操作的w i n d o w s 用户界面，这个界面环境应具有8 0 8 8 8 0 8 6 汇编语言的输入、调试、纠错和运行功能，并能及时显示从实验装鼹反馈回来的8 0 8 8 8 0 8 6芯片的各个寄存器状态和内存的数据；此外，还希望硬件电路尽量简洁、布局合理、可靠性和稳定性强。本课题针对现有“微机原理与接口实验装置”所存在的种种不足，参考了高校从事实验教学的教师通过长期的教学实践摸索提出的意见及对“微机原理与接口实验装置”的要求，结合国外实验教材微机接口技术实验教程( 英文版) ，采用模块化的结构精心设计了典型芯片的验证和应用系统设计两部分的实验。实验装置和p c 机的通讯设计包括实验装置的监控程序设计、实验装置与p c 机的接口设计以及安装在p c 机上的调试界面软件设计三部分内容。监控程序是实验装置必须有的软件，下位机( 实验装置) 监控程序和上位机( p c 机) 调试界面软件通过串行接口的结合共同完成学生做实验所应具备的功能。本文通过对几种方案的论证和对比，确定了监控程序用查询方式通过串行接口实现与p c 机的通信问题，实现了以该方案为基础的实验装置监控程序。调试界面软件使用v i s u a lc + + 工具开发，具有友好的w i n d o w s 图形用户操作界面。实验装置与p c 机通过串行接口共同构成了一个完整的微机原理与接口的实验系统，该系统实现了8 0 8 8 1 8 0 8 6c p u 对实验模块的控制菇能及时反馈8 0 8 8 8 0 8 6 芯片的各个寄存器状态和内存的数据到p c机上的调试界面软件上。硬件和软件调试工作已经完成，样机进入试生产阶段。本设计是以中小规模集成电路为主的设计，为了增加电路的可靠性、稳定性和保密性，同时增加电路的可重构性，在优化设计过程中采用将多个中小规模集成电路集中到一个p l d 芯片中的方法简化了电路设计。关键词：微机原理与接口，通信，监控程序，p l d塑型奎兰堡圭翌垄竺笙茎a b s t r a c tt h ep r o j e c td e s c r i b e dh e r ei sf r o mac o - o p e r a t i o n a lp r o j e c tw i t hr u i x i ne l e c t r i c a la p p l i a n c ec o m p a n y t h ea i mo ft h ep r o j e c ti st od e v e l o pa na p p l i a n c et h a tc a na c ta sa ne q u i p m e n th e l p i n gs t u d e n t st od ol a bw o r kw h i l et h e ya r es t u d y i n gt h ec o u r s eo f t h e o r yo fm i c r o c o m p u t e ra n dt h e i ri n t e r f a c e s ”t h ed e s i g no fe x p e r i m e n t sw a ss u p p o s e dt ob ec l o s e l yc o m b i n e dw i t ht h et e x t b o o ka n dc o u l dh e i ps t u d e n t st or e a l i z ea n dd om o r ew o r kt h a nt h o s es h o w no nt h e i rt e x t b o o k s e x c e p tt h o s ef o rv e r i f y i n gw h a th a v el e a r n ti n c l u d i n ga p p l i c a t i o n so ft y p i c a lc h i p s ，t h ee q u i p m e n ts h o u l dh a v et h ea b i l i t yo fr e a l i z i n gs t u d e n t s o w nd e s i g na n dm a k i n gc o m m u n i c a t i o n sw i t hp c t h ea s s e m b l e ru s e di s8 0 8 8 8 0 8 6 ，a n dt h eu s e r si n t e r f a c et ot h ee q u i p m e n ti sw i n d o w so np c t h ei n t e r f a c es h o u l db ec l e a r , c o n c i s ea n de a s i l ym a n i p u l a t e d ，i t sf u n c t i o n ss h o u l di n c l u d ei n p u t t i n g ，d e b u g g i n g , c o r r e c t i n g ，a n dr u n n i n gt h ea s s e m b l e la n db e i n ga b l et od i s p l a yt h ev a r i o u ss t a t e so ft h er e g i s t e ra n dm e m o r yo f8 0 8 8 8 0 8 6c h i pt h a ta r ef e db a c k 丘o mt h ee q u i p m e n to nl i n e f u r t h e r m o r e ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ts h o u l db es i m p l e ，i t sl a y o u ts h o u l db er a t i o n a l ，a n di t sr e l i a b i l i t ya n dr o b u s t n e s ss h o u l db eh i 曲e n o u g h t h ep r o j e c ti n v e s t i g a t e sv a r i o u ss i m i l a re q u i p m e n t so nm a r k e t i m p o r t a n tr e f e r e n c e si n c l u d er i c he x p e r i e n c ea c c u m u l a t e db ym a n yl e c t u r e r sa st h e i rl o n gt i m et e a c h i n ga n dl a bw o r k ，f o r e i g ne x p e r i m e n tt e a c h i n gm a t e r i a l sa r ea l s oi no u rv i e w t h u s ，b l o c k e ds t r u c t u r ei su s e di nt h i sd e s i g n a n dt w ok i n d so fe x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e d ，t h e ya r et y p i c a lc h i p sv a l i d a t e de x p e r i m e n t sa n da p p l i c a t i o ns y s t e md e s i g n s t h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h ee q u i p m e n ta n dp ci sc o m p o s e do ft h em o n i t o rp r o g r a mo nt h ec i r c u i tb o a r do ft h ee q u i p m e n t , t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nt h et w oa n dt h ed e b u g g i n gs o f t w a r ei n s t a l l e di np c t h em o n i t o rp r o g r a mi si m p o r t a n tf o rt h ee q u i p m e n t ，t h em o n i t o r i n gp r o g r a m ，t h ed e b u g g i n gs o f t w a r ea n dt h e i ri n t e r f a c ej o i n t l yc o m p l e t ef u n c t i o n st h a tt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n ts h o u l dp o s s e s sf o rd o i n ge x p e r i m e n t s t h ea r t i c l ed i s c u s s e sa n dc o n t r a s t ss e v e r a ! m e t h o d s ，w ed e c i d et h a tt h em o n i t o rp r o g r a mu s e sq u e r ym o d et or e a l i z ec o m m u n i c a t i o n sw i t hp ct h r o u g ht h es e r i a li n t e r f a c e t h ed e b u g g i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e db yv i s u a lc + + a n di saf r i e n d l yw i n d o w su s e r si n t e r f a c e t h ee q u i p m e n t ，p ca n dt h e i ri n t e r f a c ec o n s t i t u t et h ee x p e r i m e n ts y s t e mc a l l e d “t h e o r yo fm i c r o c o m p u t e ra n dt h e i r n t e r f a c e s ”8 0 8 8 8 0 8 6c o n t r o l sa l le x p e r i m e n tm o d u l e sa n df e e d sb a c kv a r i o u ss t a t e so ft h er e g i s t e ra n dm e m o r yi ni tt ot h ed e b u g g i n gs o f t w a r e ，b o t ht h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e b u g g i n gh a v eb e e ni i燮兰堡主堕塞竺笙奎一f i n i s h e da n ds a m p l ep r o d u c t sh a v eb e e ns e e no nm a r k e t t h i sp r o j e c ti ss t i l lt h ed e s i g nt h a tm a i n l yu s e sm e d i u ma n ds m a l ls c a l ei n t e g r a t ec i r c u i t s i no r d e rt os t r e n g t h e nt h er e l i a b i l i t y , r o b u s t n e s sa n ds e c r e c yo ft h ec i r c u i t ，s o m es m a l ls c a l ep l dc h i p sa r eu s e d p l dc h i p sc o u l ds i m p l i f ya n do p t i m i z et h ed e s i g na sw e l l t h ea n o t h e ra d v a n t a g ei st h a tt h er e c o n s t r u c t i o nb e c o m e se a s i e rw h e nr e q u i r e d k e yw o r d s ：t h e o r yo fm i c r o c o m p u t e ra n dt h e i ri n t e r f a c e s ，c o m m u n i c a t e ,t h em o n i t o r i n gp r o g r a m ，p l dl l i郑，。i l 大学硕士研究生论文第1 章前言大、中专院校开设的“微型计算机原理及应用”和“微型计算机原理与接1 3 技术”等课程是机电类专业的重要的、实践性很强的课程。学生在学习这些课程的过程中，通过实验，可以进一步加深对微机硬件结构、指令系统及各种接1 3 芯片的应用的理解，熟悉解决工程控制问题的一般方法并掌握程序设计的技巧，巩固所学的知识。同时，也使学生体验从事工程设计的一般过程，提高他们分析问题、解决问题的能力。因此，这两门课程的实验环节是理论与实践相结合的纽带，有着不可或缺的重要作用i l l 。本课题的宗旨是为大、中专院校学生学习“微型计算机原理及应用”和“微型计算机原理与接口技术”( 以后对它们简称为“微机原理”和“微机接口”) 等课程提供一个实验平台，也可为学生的毕业设计课题提供实验手段。所开发的装置具有开放式的结构和灵活的接线方式，不但能满足各院校的实验教学要求，而且更多地从锻炼学生的动手能力、思考能力、创新能力出发，使学生得益。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，高校的教师和学生们对实验装置提出了越来越高的要求，生产厂家也必须迎合用户对实验装置的灵活性、对外部信息获取的方便性以及电路设计的简洁性、保密性和稳定性所提出的新要求。1 1 现有“微机原理与接口”教学仪器的比较教学仪器必须符合两个基本要求，其一是符合教学大纲和教科书的内容；其二是在市场已有产品的基础上实现超越。为此，首先有必要做些基本的市场调查。本文列出若干市场产品的主要性能和设计思想。( 1 ) e l 系列微机接口与单片机实验开发系统e l 系列实验系统是北京精仪达盛科技有限公司生产的，由一块c p u 板、通用实验板、可扩展单元三部分组成。这种实验系统可以完成微型计算机原理及应用和微型计算机接口两门课程的基本实验，另外还可以利用面包板进行其它扩展实验。系统采用模块化设计，配有系统调试界面软件。系统调试界面软件分d o s 版和w i n d o w s 版两种版本，均为中文多窗口界面；该系统由于采用c p u 与接口电路分体设计，只需更换不同的c p u 板即可完成系统的升级换代。( 2 ) d i c e 8 0 8 6 b 液晶显示微机原理实验仪。郑州大学硕士研究生论文“三合一教学实验系统是由沈阳明大公司生产的十六位微机原理及微机控制技术等课程的教学实验设备，支持8 0 8 6 十六位微机、m c s 5 1 单片机、8 0 9 8 等c p u m c u的各种软件、硬件实验。以8 0 8 8 c p u 为主，以最小工作方式构成独立的微机系统。配有标准a s c i i 码键盘、4 2 x 2 字符型点阵液晶显示器。可从键盘直接输入汇编语言或调试程序，并具有反汇编功能。具有d e b u g 操作界面以及与p c 机兼容的b i o s功能调用界面。提供各种标准外设接口：打印机接口，r s 一2 3 2 c 异步通讯接口等。( 3 ) d v c c - - 8 6 j h 型8 0 8 6 通用微机原理及接口实验系统d v c c 一8 6 j h 是启东计算机厂有限公司和东南大学合作推出的通用微机原理及接口实验系统，能完成典型的微机硬件接口实验，具有支持w i n 9 x n t 窗口的界面调试软件和实验演示软件，实验板是分立的，可由用户选择购买，各实验板具有和实验装置的接口，如键盘、l e d 显示器等。基于以上比较，可以看出目前市场上的微机原理及接口实验系统都至少具备以下功能。【1 】具有“微机原理”和“微机接口”两门课程所涉及的芯片的典型电路及应用。1 2 1 自动识别用户所使用的实验模块。 3 1 以串行接口或并行接口与p c 机进行通信。 4 1 需要有对应的载入和调试软件来载入和调试用户编译的程序并能及时反馈8 0 8 8 8 0 8 6 芯片的各个状态到一个清晰、简洁、易操作的w i n d o w s 界面上。 5 1 上电复位。为安全起见，当非法操作时具有复位功能。1 2 “微机原理与接口实验装置”设计概要综合委托方和市场产品分析，并经过对相关教材的研究，本课题所要完成的工作主要包括以下几点。【1 】本课题设计的“微机原理与接口实验装置”具有上述市场产品五点基本功能，拟先设计出8 位数据总线8 0 8 8c p u 实验装置系统，然后升级到8 位数据总线8 0 8 8c p u 与1 6 位数据总线8 0 8 6c p u 相兼容的实验装置系统。1 2 1 使用串行接口实现本实验装置与p c 机的通信，设计出实现二者通信所必须的监控程序并确定与调试界面软件之间的调试规约，用以完成用户的程序下载、编译、调试等功能。1 3 在验证实验的基础上，根据工程控制中常见的一些问题，设计应用系统设计实验部分用来体现其控制，可以发挥学生的想象力和主观能动性，使实验教2郑州大学硕士研究生论文学内容和实际应用相结合。 4 1 尽量使用可编程逻辑器件( p l d ) 将系统使用的组合和时序逻辑的中小集成电路加以集中，必要时局部采用硬件描述语言设计。 5 1 应用系统设计实验电路的数字电路部分用p l d 芯片承担，便于实验的改进。另外加设一块面包板供学生来自行设计扩展电路或增加实验。总之，实验装置必须配合“微机原理”和“微机接口”两门课程的教学，能通过实验加深学生对课程的理解和应用。本课题设计思想的实现有赖于实验系统硬件和软件设计方案的实现，以下是本课题的具体实现方案。1 2 1 硬件设计根据大、中专院校开设的“微机原理”和“微机接口”课程实验的要求，结合国外实验教材微机接口技术实验教程( 英文版) 2 1 ，采用模块化的结构精心设计了典型芯片的验证和应用系统设计两部分的实验。其中典型芯片的验证实验主要针对课程所讲述的典型芯片的原理和应用，使学生验证和掌握课程所讲述的基本知识；应用系统设计实验是在典型芯片的验证实验的基础上设计的，其目的是让学生应用典型芯片实现简单的控制问题和工业控制的模拟，达到学以致用。本课题采用可编程逻辑器件( p l d ) 使硬件电路更为简洁，并加强保密性和稳定性。常规芯片的系统设计在价格上具有优势，但是在设计周期和设计成本方面并不占有优势，特别是对于像“微机原理和接口实验装置”这样的系统。它是以加口的信号获取和控制信号的发出为主，所以产品的每一次升级都相当于重新开发。这一不利因素在产品生命周期越来越短的今天更加凸现。另外的缺点是电路的保密性较差，产品容易被抄袭。为了解决这一问题，本课题的一个目标是尽可能地采用p l d 。并且，随着科学技术和制作工艺上的进步，常规的p l d 芯片的价格也已经降到了可以接受的地步，所以课题决定采用f l d 芯片。1 2 2 实验装置和p c 机的通讯设计实验装置和p c 机的通讯设计包括装置的监控程序设计、实验装置与p c 机的通信接口设计以及安装在p c 机上的调试界面软件设计三部分内容。下位机( 实验装置) 监控程序和上位机( p c 机) 调试界面软件通过串行接口共同完成学生做实验所应具备的功能。监控程序是实验系统中用汇编语言编写的最基础而又最重要的程序，被存储在实验装置的一片只读存储器芯片中。它为实验系统提供最低级的、最直接的硬件控3矍旦查兰! ! 主竺塑竺丝兰制，实验装置的各种操作都是依照固化在只读存储器里的程序来完成的。它负责对实验系统进行初始化、串行通信接口的监控、调试规约的设定、装入汇编程序并调度汇编程序和向硬件发出指令。形象地说，它是硬件与界面软件之间的“转换器”或“接口”，负责解决硬件的即时需求，并按软件对硬件的操作要求执行嗍。对于通信方式的选择，计算机常用并行通信和串行通信。并行通信传输速度快，信息率高，通常用在传输距离较短、数据传输率较高的场合。目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口。串行通信的传输数度比较慢，适用于速度要求不太高的计算机与计算机、计算机与外设之间的通信。并行通信传输所用的电缆较多，而串行通信只需要少数几条线就可以在系统间交换信息。由于教学实验装置对数据传输速度要求不太高，所以，课题选用传输速率为1 9 2 0 0 b p s 、半双工的异步串行通信方式【4 】，利用p c 机并口实现对本设计所选用的可编程逻辑器件i s p g a l 2 2 v 1 0 的在系统编程。上位机调试界面软件是使用v i s u a lc + + 工具开发，具有友好的w i n d o w s 图形用户操作界面。具有汇编语言的输入、汇编、链接、单步执行和连续执行、设置断点调试等功能，可以显示输出窗口、存储器窗口、寄存器窗口和程序调试窗口等，能够满足实验需要。调试界面软件由他人设计完成，它的功能与本课题监控程序的功能设计密切相关，除非论述监控程序时有必要，其它地方不对调试界面软件作过多赘述。实验装置与p c 机通过串行通讯共同构成了一个完整的微机原理与接口的实验系统。目前，本课题开发的以8 0 8 8c p u 为核心的实验系统的软硬件运行稳定，该系统实现了8 0 8 8c p u 对其它实验模块的控制并能及时反馈8 0 8 8 芯片的各个寄存器及内存信息到p c 机上的调试界面软件界面上，能满足实验要求。升级到8 位数据总线8 0 8 8c p u 与1 6 位数据总线8 0 8 6c p u 相兼容的实验装置系统的工作也已基本完成，对硬件和软件的兼容性正在进行试用和作进一步的调试。本课题主要论述以8 0 8 8c p u 为核心的实验系统的设计，并阐述了对其进行升级设计的方法。1 3 本文的主要内容及结构本文分五章对课题进行论述。第一章引言。介绍了课题的选题背景，并说明了“微机原理与接1 ：3 实验装置”的总体设计思路。第二章系统总体概述。对基于8 0 8 8c p u 的设计思想作总体的概述。4郑州大学硕士研究生论文第三章硬件设计部分。对整个实验系统中基于8 0 8 8c p u 的硬件部分和系统的控制结构进行了详细的说明。第四章监控程序设计。对基于8 0 8 8c p u 系统中的监控程序设计思想和实现过程进行论述，其中包括监控程序的设计和通信规约的设定，并给出了设计流程。第五章实验装置的优化。主要论述了装置的优化设计，包括将基于8 位数据总线8 0 8 8 c p u 的设计升级到基于1 6 位数据总线8 0 8 6 c p u 的设计；8 位接口与1 6 位总线的连接设计；使用p l d 来增加系统的保密性、稳定性和可靠性的设计和兼容不同的p c 机操作系统以及增加电路板抗干扰能力和减少各电路模块相互干扰等方面的设计。5郑州大学硕士研究生论文第2 章装置总体设计依据引言部分所确定的本实验系统所具有的功能，实验装置采取模块化方式设计，主要包括实验装置的硬件电路设计和与p c 机的通讯设计两大部分。实验装置和p c 机通过串行接口线r s - - 2 3 2 一起构成了微机原理与接口的实验系统硬件，其电路框图如图2 1 所示。此两部分构成加上专用的调试界面软件即构成完整的实验系统。r s 一2 3 2i实验装置p c 机图2 1 实验系统的电路框图在图2 1 中，实验装置是实际执行用户指令的平台，它是p c 机的下位机。p c机是实验装置的上位机，它提供用户源程序编辑、汇编、链接和调试的界面，并具有实验装置上8 0 8 8 c p u 的内存数据显示、寄存器状态显示等功能。用户可以通过p c 机对实验装置上的硬件进行操作，并能得到实验装置上硬件的反馈信息。从整个实验装置各个部分所完成的功能来看，硬件提供做实验的载体，软件提供人机对话界面。调试界面软件用来接收用户所发出的具体操作指令，当然这些操作指令是用户和调试界面软件之问的约定，而硬件所能接受的只是机器指令，它并不能直接接收用户操作指令并按照用户的意图去完成硬件操作。这样，就需要一个功能模块来担当软件和硬件的接口，来把用户操作指令转换成机器指令，这个功能模块就是监控程序。所以，8 0 8 8c p u 系统部分所包括的监控程序和与p c 机进行通信所需要的串行通信接口部分实际上是完成调试界面软件和硬件之间的接口功能。所以，我们以下主要对实验装置的硬件部分设计、监控程序、通信接口和调试界面软件作总体性的介绍。6郑州大学硕士研究生论文2 1 实验装置的硬件设计依据实验装置各部分电路所完成的功能，可以将其分为以下两部分即8 0 8 8c p u系统部分和实验部分，其中实验部分又包括典型芯片的验证实验和应用系统设计实验两部分。整个硬件结构框图如图2 2 所示。一一。一一一一- 。一一一。- 一一一一一一一。一一i毅据总 戈地址总线c p u 及其所需的串行通r s - 2 3 2i 典型芯片的外部+ 存储器和信接口外部控制电路电路l 验证实验部控制总线1 分和应用系f 统设计实验p c 机i 部分j ji 监控程序i8 0 8 部6 分8 0 电8 8 路系统：一图2 2 实验装置的结构框图2 1 18 0 8 8c p u 系统部分8 0 8 8c p u 系统部分包括本实验系统的核心处理器8 0 8 8 及其所需的存储器和外部控制电路、监控程序和与p c 机进行通信所需要的串行通信接口。在本实验装置中，8 位数据总线8 0 8 8c p u 处于最小工作模式。提供了足够用户做实验所需的两块3 2 k x 8 位s t a t i c r a m 存储器，通过外部控制电路可以实现c p u 的非屏蔽外部中断和复位。2 1 2 实验项目的设计本装置的实验项目设计参考了微机接口技术实验教程( 英文版) 等国内外有关资料【1 】【2 】【6 】，分为典型芯片的验证实验部分和应用系统设计实验部分两大部分。本文3 2 节详细说明了本装置实验项目的设计思想和方法。2 1 3 可编程逻辑器件设计考虑到产品的稳定性和可靠性，以及基于使电路简洁并加强保密性的要求，本课题对部分电路做了p l d 设计和实现。本文通过比较简单p l d 和复杂p l d 的结构特点及性能，对比其市场价格，又结合本课题所使用的逻辑电路需要很多f o 接口，但对门数的要求不高的实际情况，选定了l a t t i c e 公司的可编程芯片i s p g a l 2 2 v 1 0简单p l d 来实现本课题的设计方案。7塑型查兰堡主堕窒生堡苎i s p g a l 2 2 v 1 0 拥有十个输出逻辑单元( o l m c ) ，2 2 个输出输入接口，要求5 v 5 的供电电压。使用g a l 这种简单p l d 虽然不能像c p l d 那样综合大量的专用逻辑芯片，却能根据实际应用情况综合少量的逻辑芯片，在一定程度上可以简化电路板的布局布线、进一步提高系统的可靠性和稳定性。价格低廉是其在实际应用中的最大优势【5 1 。2 2 监控程序监控程序的设计是整个实验装置设计的一个难点。此监控程序实际上是固化在只读存储器里的程序，整个实验系统从加电开始，程序就开始运行。它首先对8 0 8 8c p u 和串行接口进行初始化，并时时监控串行通信接口，等待接收各种控制指令。控制指令是用户输入到p c 机的调试界面软件上，通过串行接口到达8 0 8 8c p u ，然后监控程序对其进行分析。如果它接收到完整的控制指令，它便转向相应的功能子程序，调度8 0 8 8c p u 执行相应的操作，并把运行结果反馈到p c 机上调试界面软件的相应显示窗口上；如果它没有接收到完整的控制指令，它便继续监控串行接口。控制指令也在监控程序里设定，监控程序和p c 机上的调试界面软件共同遵守这一约定，本文称为“调试规约”。用户使用的所有的控制指令都必须是调试规约中规定的指令，否则本实验系统会认为是无效指令而不予理睬。监控程序还有一个功能就是装入用户的汇编程序并调度汇编程序向硬件发出指令。一旦监控程序接收到装入汇编程序控制指令，它便会将汇编程序装入8 0 8 8 的外部读写存储器r a m 中，为其分配相应的存储单元。并调度汇编程序向硬件发出指令，使硬件执行相应的操作，从而达到实验目的。为了使监控程序在可能的失控下系统仍保持正常的工作，本设计在实验装置电路板上加设一个手动复位键。它可以使8 0 8 8 系统复位，并在调试界面软件输出窗口显示出复位信息说咀监控程序已经复位。本监控程序已经过调试，运行稳定，能达到实验系统的要求。2 3 通信接口本设计采用半双工异步串行通信接口方式实现实验装置与p c 机的通信。开机初始化时，串行通信接口传输的参数被设定为：串行传输的波特率为1 9 2 0 0 b p s ，起始位为l b i t ，数据位为8 b i t ，停止位为1 b i t 。为保证可靠的传输，在传送开始前，通过建立连接( 类似t c p i p ) ，在每一帧的传输中，采用发送应答重连失败的方式。8塑型查兰堡主塑窒皇笙兰2 4 调试界面软件由于监控程序与调试界面软件的关系密切，有必要简单介绍一下为配合本实验装置而开发的基于w i n d o w s 图形用户操作界面的软件开发集成环境r x d 雌。该软件具有类似o f f i c ex p 的界面，软件各信息窗口采用动态显示技术，使用起来相当方便，且可以在中文w i n d o w s 9 8 以上版本的操作系统下运行。开发环境集源程序编辑、汇编、链接、多功能调试、内存数据显示、寄存器状态显示等功能为一体，功能强大，性能稳定，并提供了示例汇编源程序为用户提供了实验参考。r x d u g 调试界面软件运行在i b m p c 上，通过串行接口，1 9 2 0 0 b p s 的数据传输率与实验装置通信。当装入源程序时其界面显示如图2 3 所示，它由菜单栏、工具栏和调试窗口三部分组成。菜单所包含的命令见表2 1 ，从表中我们可以看出它包含了编译和调试软件所应具备的基本功能。工具栏的图标所表示的功能与菜单栏一致。表2 1 菜单包含的命令文件菜单编辑菜单编译菜单调试菜单查看菜单窗口菜单帮助菜单新建撤销汇编装载程序工具栏新建窗口帮助主题打开剪切链接单步执行状态栏层叠关于r x d关闭复制连续执行字体平铺u g ?保存粘贴程序复位排列图标另存为删除修改指针窗口管理打印查找设置断点打印预览替换清除端点打印设置全选显示断点退出跟踪执行执行到光标处调试窗口由程序调试窗e l 、程序显示窗口、输出窗口和寄存器堆栈窗口组成。在用户调试程序时，程序调试窗口显示段寄存器c s 和段内偏移地址寄存器1 p 里的数据；程序显示窗口显示用户装载的程序，在此窗口中可以对程序进行修改；输出窗口可以作为运行测试时的输出窗口、汇编连接时的输出窗口和内存数据的输出窗9郑州大学硕士研究生论文口，能及时显示用户执行调试程序的信息；寄存器堆栈窗口可以显示用户运行程序时通用寄存器、标志寄存器的数据，在堆栈操作时段地址寄存器s s 的值以及来源于堆栈指针寄存器s p 的偏移地址都显示在此窗口上。图2 3 中，黑色的部分表示在此处设置了断点。图2 3 调试界面软件2 5 小结本章依据实验系统所应具有的功能，将系统分成实验装置硬件、调试界面软件以及它们之问的通信接口三部分，并对各部分功能设计作了概括性的说明。实验装置硬件是实验的对象，本章主要介绍了其总体设计原则和实现方案。本课题对每一个实验模块都进行了深入思考和精心挑选，每个实验模块都以开放式的结构设计，不但能单独使用还可以结合使用，接线方式灵活，从而更多地从锻炼学生的动手能力、思考能力、创新能力出发，使学生得益。监控程序、通信接口和调试界面软件都是为实现实验装置与p c 机的通信服务的，它们的功能设计原则是提供友好的人机对话界面，方便用户编辑、调试程序。1 0郑州大学硕士研究生论文第3 章硬件设计部分“微机原理”和“微机接口”两门课程是实践性很强的课程，其主要内容是微型计算机的基本组成结构和应用系统设计，以及计算机指令系统和汇编语言编程。该课程的特点是强调理论联系实际、注重工程观念的培养，因而其硬件成分占樗更多一些 6 1 。从大的功能部件来看，实验装置的硬件主要是由c p u 系统部分、典型芯片的验证实验部分和应用系统设计实验部分组成，各组成部分之间通过地址总线、数据总线和控制总线联系在一起。根据各部件的功能，把硬件部分设计分为两个方面的内容。第一，8 0 8 8c p u 系统部分电路设计，主要包括本实验系统的核心处理器8 0 8 8及其所需的存储器和外部控制电路、监控程序和与p c 机进行通信所需要的串行通信接口，此部分用8 0 8 8c p u 、p l d 芯片、存储器和模拟器件来实现。第二，实验部分设计，主要包括典型芯片的验证实验部分和应用系统设计实验部分，典型芯片的验证实验部分主要包括8 2 5 3 、8 2 5 5 、8 2 7 9 、8 2 5 0 、8 2 3 7 等典型接口实验芯片m ，应用系统设计实验部分包括直流电机驱动、交通灯实验、分频电路等。这些应用实验的数字部分根据其实际应用情况用p l d 芯片来综合，使实验装置的设计更简洁、更稳定、增加其电路设计的保密性。3 18 0 8 8c p u 系统设计此部分主要包括本实验系统的核心处理器8 0 8 8 及其所需的存储器和外部控制电路、监控程序和与p c 机进行通信所需要的串行通信接口。它是整个“微机原理与接口实验装置”的核心电路，也是本课题的重点。此部分电路框图如图3 1 所示。3 1 1c p u 和时钟发生器本实验系统的核心处理器是8 0 8 8c p u ，它在最小模式下工作，u p b 8 2 8 4 a d 时钟信号发生器提供8 0 8 8c p u 及其它电路模块( 8 2 5 3 ) 所需的时钟信号。它所产生的时钟信号性能稳定，能满足8 0 8 8 的要求f 8 j 。8 2 8 4 有两种产生时钟信号的方法，选择外部输入信号或接晶体振荡器，本设计选择后者。晶体振荡器的工作频率是1 4 3 1 8 1 8 m h z 。8 2 8 4 将这个频率3 分频后在8 2 8 4的c l k 引脚输出4 7 7 m h z 的8 0 8 8 系统时钟c l k ，其占空比是1 3 ，也就是在一个郑州大学硕士研究生论文时钟周期中，高电平占1 3 ，低电平占2 3 。c l k 再经过2 分频，得到为计数定时器8 2 5 3 使用的p c l k ，其占空比为1 2 。8 2 8 4 除了为8 0 8 8 提供时钟信号以外，还提供8 0 8 8 的复位逻辑和r e a d y 信号( 表示内存或啪l 设备准备就绪，马上就可进行一次数据传输) 1 9 1 1 0 i “】。串行通信接口一。i fsc p u卜舒f 舒8 0 8 8 8 0 8 6p l d f目 f目：、：1 fjj 8jj 8存储器1 0 设备时钟发生器l数据总线地址总线控制总线图3 18 0 8 8 8 0 8 6c p u 系统部分电路框图3 1 2 存储器存储器部分包括只读存储器r o m 和读写存储器r a v l 两部分。其中r o m 存储器部分主要用来存放微机原理与接口实验装置的监控程序，这是不可修改的部分，否则将使实验系统无法正常工作，本设计采用只读存储器t m s 2 7 c 2 5 6 来实现，t m s 2 7 c 2 5 6 是可电擦除的e e p r o m 存储器，能满足本系统存放监控程序的需要。读写存储器r a m 使用两片6 2 2 5 6 ，它是3 2 k 的8 位掉电易失性读写存储器【1 2 1 。新型的存储器一一闪速存储器( f l a s hm e m o r y ) 是一类非易失性存储器n v i v l( n o n v o l a t i l em e m o r y ) 供选择，即使在掉电后仍能保持片内信息：而诸如d r a m 、s r a m 这类易失性存储器是挥发性的。f l a s hm e m o r y 集其它类非易失性存储器的特点：与e p r o m 相比较，闪速存储器具有明显的优势在线电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压( 某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除和或编程操作) ；与e e f r o m 相比较，闪速存储器具有密度大的特点。虽然，闪速存储器具有上述优点，但对于本课题来说不太适用。首先，由于存放在e e p r o m 里的监控程序是不可被修改的，否则将引起系统紊乱，而本课题软件部分设定的用户命令又能允许用户读或者写存储器里的数据。如果用闪速存储器来代替e e p r o m ，一旦一塑塑查兰堡主型塞竺堡兰用户修改了监控程序，实验系统将不能正常工作。其次，闪速存储器的2 8 系列和2 9 系列的单片售价一般在8 美元左右，2 7 c 2 5 6 的单片售价一般在2 美元左右6 2 2 5 6的单片售价一股在2 5 美元左右，并且，本实验系统是为了提供一个实验平台，运行程序时3 2 k 的读写存储空间已经足够使用。所以从产品价格上考虑也不宜用闪速存储器f 1 3 】。3 1 3 监控程序监控程序是装置的软件部分，本文在第四章作详细介绍。3 1 4 串行接口通信( 1 ) 串行通信与r s - - 2 3 2 c 接口前几章我们也提到了微机原理与接口实验系统中“微机原理与接口实验装置”与p c 机的通信，并说明了监控程序在它们的通信过程中所起的关键作用。为了实现和实验装置的通信，p c 机也需要做相应的工作，即通过p c 机串口和实验装置的通信，实验系统要联系p c 机上的调试界面软件才能实现其实验功能。上位机调试界面软件也是整个实验系统的重要组成部分，为了实现与实验装置的通信，下面对串行通信及接口作些介绍。串行通信是指通信的发送和接受双方之问是在单根数据线上，以每次一个二迸制位来传送的。它的优点是只需一对传输线进行传送信息。电路设计简单，因此成本较低，适用于远距离通信，其缺点是传送速度低。串行通信有同步通信和异步通信两种基本通信方式。同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件比较复杂。在异步通信中，数据是一帧一帧传送的，每帧的数据格式由一位起始位，5 一一8 位的数据位，1 位奇偶校验位( 可选) 和1 位停止位四部分组成。在串行通信前，发送和接收的双方要约定具体的数据格式和波特率( 通信协议) 。异步通信应用于传送速度在5 0 到1 9 2 0 0 波特之间，是比较常用的传送方式。p c 机采用可编程串行异步通信命令器实现异步串行通信，通过对v i s u a lc + + 的串口通信控件初始化编程，可以设定串行数据传送格式和速度。在p c 机中般有两个标准r s 一2 3 2 c 串行接口c o m l 和c o m 2 。r s 一2 3 2 c 是美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线，该标准适用于d c e ( 数据电路端接设备) 和d t e ( 数据终端设备) 间的串行二进制通信，最高数据传送速率可达1 9 2 k b p s ，最长传送距离可达1 5 米。r s 一2 3 2 c 标准采用负逻辑规定逻辑电平，r s 一2 3 2 c 规定一5 v 1 5 v 之间的任意电平为郑州大学硕士研究生论文逻辑“1 ”电平，+ 5 v + 1 5 v 之间的任意电平为逻辑0 电平。信号电平与通常的t t l 和c m o s 电平也不兼容，在实验装置接口电路和p c 机接口芯片中大多为t t l或c m o s 电平，所以在设计串行接i s l 通信时，必须进行电平转换，以便与r s 2 3 2 c标准的电平匹配，m c l 4 8 8 和m c l 4 8 9 芯片可以完成电平转换这一工作。r s 2 3 2 c 标准定义了2 5 根引线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入( r x d ) 、串行输出( t x d ) 和地线( g n d ) 三条线即可1 1 4 】 1 5 】【1 6 】【1 7 1 。( 2 ) 与p c 机的通信设计采用串行通信接口实现“微机原理与接口实验装置”与p c 机的通信。串行通信接口使用专用于异步串行通信的可编程串行接口芯片i n t e l8 2 5 0 实现。8 2 5 0具有很强的串行通信能力和灵活的编程性能，通常8 2 5 0 使用1 8 4 3 2 m h z 的基准时钟输入，可以通过编程的方式设定串口的传输数率有5 0 、7 5 、1 1 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 k 、3 3 6 k 和5 6 k 波特，这些传送速率符合r s 2 3 2 c 规定的传送速率标准。本设计是在借鉴其它的已有通信协议的设计思路后，根据本系统的具体情况采用异步串行通信方式，使用的波特率为1 9 2 0 0 b p s 。设计思想基于帧传输方式，即在向串口发送数据时是一帧一帧的发送。为保证可靠的传输，在传送开始前，通过建立连接( 类似t c p i p ) ，在每一帧的传输中，采用发送应答重连失败方式。异步串行格式的一个数据帧包括1 位起始位和8 位数据位，最后是停止位。起始位规定为0 ，8 位数据位在传送时，按低位在前、高位在后的顺序传送，前7 位组成1 个编码字符，第8 位为奇偶校验位。停止位可以选择1 位、2 位呻1 ”。从系统实