（计算机系统结构专业论文）计算机接口实验平台的研制与开发.pdf

j e 京交通太堂亟堂位i 金奎 生室擅垩 中文摘要 在计算机接口技术课程教与学的过程中，实验是必不可少的。随着计算机接 口技术的飞速发展，目前市场上供应的实验仪器并不能完全满足教与学的需求。 本课题针对现有计算机接口实验装置所存在的不足，并结合目前教学中对计算机 接口实验装置的实际需求，采用模块化结构，精心设计了新型的计算机接口实验 仪。 本接口实验平台的核心c p u 采用了c y g n a l 公司的多功能5 l 系列单片机 - c 8 0 5 1 f 1 2 0 ，因为这种微控制器内部集成了许多使用广泛的功能部件，所以该 c p u 选型方案有效降低了系统的复杂度和成本，并同时提高了系统的可靠性。利 用该实验平台，除了可以完成传统的串口、并口和u s b 口的相关实验外，还可以 进行单片机的外围扩展实验，而这些都不需要增加额外的附属设备模块化的设 计思想，使各接口实验相互独立在该实验平台中采用了3 2 0 x 2 4 0 大屏幕的液晶 显示屏，可以显示1 6 x1 6 点阵的汉字2 0 列1 5 行，并增加了小键盘。可视化的 菜单显示，方便的键盘操作，使同学们很容易上手，而且也很直观。 文中首先说明了当前教学过程中所使用的传统的微机接口实验装置的缺陷， 并论述了开发新型接口实验装置的可行性；然后讲述了该实验平台的微控制器选 型，并给出了日标平台的硬件框图；接着从模块化设计角度，分析、设计目标平 台的软件系统。由于该实验仪的主要用户接口是通过l c d 上的汉字显示来实现， 所以文中详细叙述了系统所用汉字库、及相关硬件模块驱动的设计和实现。此外， 还对并口作以简单介绍。在本文最后详述了对u s b 技术的认识，并初步设计、实 现了u s b 的软件驱动。 关键词：计算机接口；c 8 0 5 1 f 1 2 0 1l c d ；并口；u s b ； 分类号：t p 3 6 8 2 ； j t 童窑通太堂亟堂僮论塞旦墅显丛夏 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so f t e a c h i n ga n dl e a r n i n gc o m p u t e ri n t e r f a c et e c h n o l o g yc o u r $ e , i ti sv e r yn a 冶唧t od oe x p e r i m e n t s a st h er a p i da d v a n c eo fc o m p u t e ri n t e r f a c e t e c h n o l o g y , e x p e r i m e n ti n s t r m n e n t s 珥们捌b yt h em 础c td on o tc o m p l e t e l ym e e tt h e p r e s e n tr e q u i r e m e n to ft e a c h i n ga n dl e a r n i n g a i m m i n g 缸t h ed e f e c t so fp r e s e n t c o m p u t e ri n t e r f a c ee x p e r i m e n ti n s t r u m e n t s ，a n dr e f e r e n c i n ga d v i c e sa n dr e q u i r e m e n t s t oc x p e r h n e n ti n s t r u m e n t sf r o mt e a c h e r sw h oh a v et a u g h tf o rm a n yy e a r s ，t h i st o p i c d e s i g n e da n di m p l e m e n t e de l a b o r a t e l yn e wc o m p u t e ri n t e r f a c ee x p e r i m e n ti n s t r u m e n t w i t h t h e u s e o f m o d u l i n gs t r u c t u r e t h i s e x p e r i m e n tp l a t f o r m i s i m p l e m e n t e d w i t ht h eu s e do f5 1 s e r i e s m i o r o - c o n t r o l l c ro fc 8 0 5 1 f 1 2 0l n a d eb yc y g n a lc o r p s i n c em a n yf u n c t i o n a lp a r t i o n c o m p o n e n t sa 托i n t e g r a t e di n s i d ec 8 0 5 1 f 1 2 0 , t h ed e s i g np l a nm u c hl o w e r st h e c o m p l e x i t ya n dt h ec o s to ft a r g e ts y s t e m , s i m u l t a n e o u s l yt h es y s t e mr e l i a b i l i t yi sa l s o i m p r o v e d w i t ht h ee x p e r i m e n tp l a f f o r m , w e c a nd oe x p e r i m e n to fe x t e n d i n g p e r i p h e r a l sf o rm i c r o c o n t r o l l e r , i na d d i t i o nt ot h et r a d i t i o n a lo n e so f s e r i a lp o r t s ， p a r a l l e lp 叫忸，u s be t c a n dw ed os ow i t h o ma n ye x t r ad e v i c e m o d u l i n gs o f t w a r e d e s i g n sm a k ee a c hi n t e r f a c ee x p e r i m e n tb ei n d e p e n d e n te a c ho t h e r t h ep l a t f o r mo w n s o n eb i gl c d o f 3 2 0 x 2 4 0 , s ow c c a np r i n t1 5r o wa n d2 0c o l u m nh a n z iw i l hd o ta r r a y o f1 6 x 1 6a to n et i m e w h a t sm o r e ，i th a sa l s o0 1 1 0l i t t l ek e y b o a r d w i t ht h ev i s u a lm e n u a n dc o n v e n i e n tk e y b o a r d ，i tw i l lb ev e r ye a s ya n di n t u i t i o n a lt om a n i p u l a t ei t i na r t i c l e ，f i r s t l yw ei l l u s t r a t et h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a lc o m p u t e ri n t e r f a c e e x p e r i m e n te q u i p m e n t su s e db yp r e s e n tt e a c h i n g , a n dd i s o 1 船t h ef e a s i b i l i t yt od e v e l o p t h en e w - s t y l ee x p e r i m e n ta p p a r a t u s ；s e c o n d l y , w es t a t eh o wt om a k ec h o i c eo ft h e m i c r o - c o n t r o l l e ra d o p t e di nt a r g e ts y s t e m , a n ds h o wt h el o g i cb l o c k d i a g r a mo f t a r g e t p l a f f o r m ；t h e n , w ea n a l y s ea n dd e s i g nt h es o f t w a r es y s t e mo ft a r g e ts y s t e mf t o mt h e v i e wo fm o d u l ed e s i g n b e c a u s et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ea p p a r a t u sa n du s e ri s r e a l i z e d 丽mt h eu s eo fh a n z id i s p l a yi nl c d w ed e s c r i b ei nd e t a i lt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fh a n z il i b r a r ya n dr e l a t e dh a r d w a r em o d u l ed r i v e r w ed e s c r i b et h e p a r a l l e lp o r ts i m p l y i nt h ee n do f t h ea r t c l e , w ed e p i c tt h ec o g n i t i o nt ou s b t e c h n o l o g y , a n d p r o v i d et h er u d i m e n t a ld e s i g na n di m p l e m e n to f u s b s o f t w a r ed r i v e r k e y w o r d s ：c o m p u t e ri n t e r f a c e ：c 8 0 5 1 f 1 2 0 ：l c d ；p a r a l l e lp o r t ；u s b ： c l a s s n o ：t p 3 6 8 2 ： 致谢 本论文工作在选题、收集资料、制定工作方案、具体实旋以及写作的每个 阶段都是在我的导师周洪利副教授的悉心指导下完成的。他曾给予我大量耐心而 细致的指导，他清晰的思路，敏捷的洞察力，严谨的工作态度和丰富的实践经验 给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅从周老师身上，我不仅学习到了很多知 识，更重要的是学到了精益求精、学无止境的治学精神。感谢周老师两年多来对 我学业上，生活上的关心，对我各方面能力的培养。 衷心感谢陈连坤副教授在我论文写作期间对我的帮助与指导。感谢我实验室 的每一位同学。在日常生活和科研学习过程中，他们与我互相学习，共同探讨， 解决科研过程中的难点，在生活中给予了我无私的帮助和关怀。 最后，再次对在我读研期间所有关心、支持我的老师、同学们致以衷心的感 谢和深深的祝福感谢他们对我的学习和论文工作所给予的无私帮助，祝福他们 在今后的学习和工作中更上一层楼! 韭藤黧疆太堂绣土警位论塞绪j 盘 l 。l 课题背景 l 绪论 “计算机接口技术”是计鲜机专业的门基础课程，描述计算机备个部件的 接口原理和特点，更加侧重予艨用，是一门实践性很强的课程。计算机接口技术 这一瀑器骞蘩下特点： 紧跟接翻技术的发展，面向接口开发的实际需求 强化实践环节，注重培养动手能力 结会接礤疆终弱接强敬传秀发技术 随着计算梳殿用的霹益广泛和深入。按瞄技术有7 滚速的发展，并已成为啻 按影响计算机系统功能和推广威用的关键。从软件的角廉来看，计算机的开发与 应尉在很大程度上就是计算机技术接口电路的开发与应爝，因面计算机接口技术 漂稷楚一费实黢稳缀强静课程，豫7 谋堂毽论学习箨，透筹要强存力豹实黢毪舔 节与乏配合，否则，学习效果会受到很大影响。 为了适应现代教学实验的隳求，需要建或一个灵活蚀高，操作方便，性价比 蔫，内容魄较事寒瓣理我耽综会实验平台。惩是在就基璐童，我髓设想舞发一令 计氟祝高级接口设备的平台，纛此平台上，不需要外接徽多通用的实验器材，就 可以完成计算机接口的各种实骏，而且操作方便，功能界两友好。 本课题豹宗翳是为大、中专隐技学生学习“计算机接口技术”等课程提供一 个实验平台，氇霹为学生懿毕簸设计课题罐珙实验手段掰舞发熬装嚣。鉴于嚣蓠 的宓验设备的某热局限性，做出一定的改良，并依据现祷的技术尽量做到学生做 实骏蠢更直观的感受。其意义在于让学生裔一个更好、髓方便、更誊观的实验设 备，麸薅运蛩更好豹实验效果，爨奏较强瓣镑鼹毪。其蠢舞藏式熬续掇秘灵活豹 接线方式，不但熊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。 1 2 现有的计篝机接日教学仪器的比较 激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 是纛露场已奏产赫戆基礁土实瑷超越。是鼗，蓄先嘉毖螫徽一些基本鹣露场诱奎。 本文列出若干市场产品的主要饿能和设计思想。 韭蕊黛通太堂亟土擞缱论塞缝i 金 警藏蕃内秀发秘生产量 算瓿接日实验系统豹厂家缀多，魏痘东达凝愚诗算辊 公司、胜西公司、华工赛百数据系统公司。使用这些公司的实验系统都能完成计 算机接口的基本窳验，如8 2 5 5 的实验、8 2 5 3 的实验、a d 转换实验、d a 转换实 验、巾断实验等。 e l 系磅黢鞋接曩与莘终橇实验齐笈系统 e l 系列实验系统是北京精仪达盛科技材限公司生产的，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 震秘微垄谤棼撬接疆嚣强潆程夔基本实验，另癸逶霉戳剩矮爽骏叛送行其 它扩箴实验系统采用模块忧设计，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，均为巾文多窗口界黼：该系统由于采用c p u 与按鼹电路分体设计，只需更换不同的c p u 扳帮可完成系统的升级换代。 华工赛季数蕹系统公磷的浴l d i - 2 黧实验系统 m f i d - 2 型爽睃系统主要甑功能实验板、i s a 或p c i 接口板和扩展生板三部分 组成其实验组建方案主要是计算机+ 实验系统+ 示波器。该系统的主翳特点是， 采鲻模块纯设谤，箍供7 灵活魏，逶逮实骏系统各令模块懿灵活缝合，学校哥壹 行开发其他实验项爵同时它墩配备了开发应用版和演示版的集成软件，有效提 高了实验效率、舞验成功率和教学质量。 d i c e - 8 0 8 嘏滚晶显示微机擐理实骏仪。 “兰合一”教学实验系统怒由沈阳明大公司生产静十六位徽杌簌壤及微鞔控 制技术等课程的教学实验设备，支持8 0 8 6 十六位微机、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，以最小王作方式构成独立豹微机系统。配有 蠢壤a s c i 羁键纛。胃麸键袭袁接输入茳编谬富或淫试鬟澎，著其骞爱汇编功戆。 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。提供备种标准外 设接口：打印机接阴，r s - 2 3 2 c 昴步通讯接阴等。 d v c c - 8 6 j 牲型8 0 8 6 逮拜l 微飒甄理及接口实验系统 d v c c 一8 6 j h 是启东计算税厂有限公霹和东南大学禽作拄出静遥稍微梳原理 及接阴实验系统，能完成典型的计算机硬件接口实验，具有支持w i n 9 x n t 窗口 的界灏调试软件翻实验演示软件，实验板是分立的，可内用户选择购哭，各实验 叛箕蠢耪实验装嚣瓣接日，翔键盘、l e d 受零器等。 由以上分析可以看出当前的接口课程实验装置大致有两类：一类是由 8 0 8 6 8 0 8 8 搭成的小型系统，遨个显然已经道时，不利于学生和实际应用相结合， 不穰予学生掌握诗箨机嚣系结季句豹概念。另类是在i s a 总线上徽一蹙谤算祝接 目的窟验，虽然i s a 是很好的教学用总线，傻是现在好多计算视上都不荐由i s a 扩展槽，所以原来的实验装景也都不太合适。而近两年耨开发的接口实验装置比 2 北壅藏醺左生亟黧缱论塞绪论 如綦予u s b 或者p c i 豹霆撅实验仪器，爨掺魄较舄责，犬多数学校郡述没骞舞弃 传统的接口实验设备。所以我们设想开发一簇实验装霪，朝能进行传统的接口实 验，j 己能体现最新流行的新技术虽然这蟪实验仪在功能上相差无几，但存在的 问题却有共同点： 操俸上瓣复杂性，由予蜜猃仪器帮瑗癸牛静p c 之鲻锈然存在一定戆差爰， 实验自然无法产嫩如操作p c 一般的感觉 系统功陡的局限性，由于设备自身的局限性，自不会将所有的实验都集成 予令夺鹣实验莰餐主，麸瑟譬致了产瑟功鼹叁赛豹静零足，这毽垂怒系裂产品 出现的一个原因之 实验设锯般没有扩展的余地，也即是说，实验仪器后续发展的空间较为 狭小 1 3 计算机接口实验平台的设计概甏 零谍题罄l 爨予诗算撬掌溺接口装零豹疆究，魏：事簿壤爨、舞孬禚秘、u s b 接 口等铸，并以此为熬础搭建一个完整的系统窟验平台。为学生提供一褰功能完美， 效果较佳的实验仪器。实验平台不需要外接很多通用的定验器材，就可以完成计 算橇接盈教各静熨羧，瑟虽操俘方便，功熊舆嚣友好，弼扩展性好。疆是在拢基 础童我们我捷出了筚片视他静计算桃接日实验平台的设糠 随着计算机磁件接口技术的不断发展，将c p u 、内存以及i o 口，a d 、d 气 显豕芯片全部集成在一块印制枚上的一体化p c 扳也越来越多的应用在工业现场 控裁童，无谂是瑗绛上还是在软静工具懿嚣发上，萃篾撬罄褥鬟缀太豹发震。巍 以此接口实验平台抛弃了传统的以8 0 8 8 ，8 0 8 6 c p u 为核心缀成的系统。在芯片的选 择上，选择了c y g n a l 公司c 8 0 5 i f x l 2 0 内核控制器，不但可以进行常用计算机接口实 验，掰慧还霹以在实验扳上扩袋楣实验，如是瓣、孛断，a d 、d a 等，一举嚣褥， 育敲降低了实验彼的复杂性和成本，簸丽为磷究计算梳接口技术提傣个良婷酶 易用平台。 经过市场调黉以及对于楣关教材的研究，本计算机接口实验平台计划两年内 完成投入使溪。 所要完成的王作主要包括以下几点： 1 完成计算机接口实验平台的硬件电路的设计 2 。完成诗雾钒接口实验援瓣毫路元嚣舞鹣簿接与调试 3 完成相关攘日的实验模块 本文分六章对我所做的工作进行论述。 3 j b 巅塞避叁堂亟擞位i 金毫绪谂 第章，缝谂；奔绍了“谤算规接日突验平台”这深返戆选嚣鹜豢，毙较 了鹭游主要是实验装置现状，掇出了单片械化的设计恩鼹。 第二章，系统总体设计；先说明了计算机接口实验平台的微控制器选型，接 着介缨了我们在戴实验平台中掰用到的c 8 0 5 t f l 2 0 单片帆。详细叙述了该实验乎 台懿矮彳牛框图。并基疆窭7 接掰实验平台鹃模块纯设诗蒜戆。 第三章，实骏平台的控制螽软件设计；详细论述了挝制台所选用的液晶控制 器的逸型以及液晶相关的编程，并且给出了详细的液晶驱动接口函数。 第器章，蒡移揍蠢熬敦辞竣谤；论述了势孬蔹鑫驱凌渡鑫熬程疹浚谤，绘出 了接掰豳数，可以在此基础了避行计算机并口的实验。 第五章，u s b 固件程序设计：在完成液晶驱动函数设计和并行攘阴软件设计 豹蒸勰上，完成了u s b 固见程序设计，初步实现了u s b 秘单片枫的遁信。 第六章，全文静总结；辩瑟续开发任务傲了交代。 4 j e 癍袋通厶生亟黧纯缝塞丞缴款盛焦遨让 2 系统的总体设计 2 。1 实验平台的国u 选毽 个好的实验仪必须有与乏适合的c p u 。传统的计辣机接口实验系统大多还 停留在以i n t e l8 0 8 8 8 0 8 芯片为c p u 搭建的小型实验系统上。我们在绪论里提到了 本羧霹实验平台采用豹是擎劳瓤亿黪设谤。采溺摹筹壤稳浚诗煞圭要瓣豹是嚣胃 以进行传统的计髀机接口实验，还可以扩展单片机的外嘲实验，单片机的集成度 很i 黼，而不用增加额外的附属设备，所以要选择合适的微控制器。 撵不完全统谤，疆兹全邀雾徽楚理器懿熬秘和数量瑟越过1 0 0 0 多秘，流行豹 体系结构达3 0 几种，其中，8 0 5 1 体系占一多拳。生产8 0 5 l 单片机的举导体厂家 有2 0 多家，共3 5 0 多种衍生品【1 1 1 。8 0 5 1 单片枫 8 0 5 1 萃冀撬楚经英瓣8 霞徽控裁器，最举耄i n t e l 公麓维密，荬嚣多家公霉戆买 了8 0 5 1 的内核，使得以8 0 5 1 为内核的m c u 单片机在世界上产量最大，应用也最广。 8 0 5 1 单片机的特点是成零低、可靠性商，但功能、性能和片上资源相对于1 6 霞为2 夔6 4 整毅羧澍器漤毽较麓零。 2 a r m 英国a r m 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产权设计供应商。 总体颟害, a r m 处理器分为a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 和s t r o n ga r m 装捌。其中 a r m 7 系弼是低功耗鳃3 2 位孩，最逶合应溺予露f r o w n 功耗敏感煞产貉；a r m 9 系列采用哈佛体系结构，且集成度较高，集成了d r a m 自动刷新电路、m m u 、 秆瓢c d 控制器、u s bh o s t 以殿各种存储卡接口，其功能相当于嵌入式微控制器。 毽是a r m 稳对手5 l 系刭蘩篾掇来说，徐掊器责，戏零裹。 3 6 8 k 勖l d f i r e m o t o r o l a 6 8 0 0 0 ( 6 8 k ) 比i n t e l 公司的8 0 8 8 还要早。c o l d f i r e 是6 8 k 的低成本 钱产照。6 8 k c o l d f i r e 主要应用予对实酲性鞠可靠性要求较赢的工业控铡领域。 4 p o w e x p c p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。 p o w e r p c 处理器品种很多，既有通用的处理器，又商嵌入式控制器和内核。 基予p o w e r p c 絮擒瓣憝理器蠢ii b m 公霉努发黪p o w e r p c a 0 5 g p ，宅蹩令集残 1 0 1 0 0 m b p s 以太阿控制器、串行和并行端霸、内存控制器以及其他外设的高性髓 韭巍窟适太皇亟黧位监变基绫敕簋焦途让 嵌入式处理器； p o w e r p c 应掰范围非常广泛，从高端的置作站、服务器到桌面计冀机系统， 从消赞类电子产晶捌大型通信设备，都有其应用产品。 5 。m p s m i p s ( m i e r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es m g 黼) 公霉是象凌诗裁造 高性能、高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s e 处理器方面占有重 要地位 m i p s 嚣予舞魏裁、裹姓璞器缝力豹寒漩嵌入式楚理嚣，嚣蘩其成零穆格秘并 发王舆价格也根昂爨。 6 x 8 6 x 8 6 系列处瑕器为众所周知豹微处理器，它起源予i n t e l 架构豹8 0 8 0 。 瓣子c p u 懿逡择，我稍圭簧基于】| ；乏下蘸今原瓣： 1 集成度高 出于硬件技术的高速发展，数字部件的高度规范性使得硬件电路集成度提高， 毫黪参数要求不妒。我靛牙爱瓣谤算誊毛接翻实验乎套要求苓矮在乡 接缀多努设熬 情况下，完成接暖实验，所以癸求有丰富的片上资源，我们要尽量使腭集成度较 高的勰片。d s p 、m c s - 9 6 系列单片机、a r m 处理器和c 8 0 5 1 系列单片机都具有 菲零睾富豹片上资源。 2 。经价魄要祷 任何系统中对微控制器的选择都要考虑成本的因素，若忽略成本的因素，使 产品的价格过高，在市场上将没有竞争力。c y g n a i 公司嫩产的c 8 0 5 1 f x x x 系列 性徐魄蹇，戒本魄较低 综上所述，在满足本系统瑟求的前提下，我们要选掰款体积小、功耗小、 价格低、处理能力相对较强的黼性价比的微控制器。所以，我们不采用高性能但 徐掇鳝贵豹d s p 秘a r m 处瑷嚣，薅是撮攒系统静鬟求，选用性链较高毽徐格较 低的c 8 0 5 1 f x x x 系列微控制嚣。c 8 0 5 1 x x x 系列徽控制器已经足够满足日常戆 教学实验需求了，而且相比其它系列的微控制器，它也有着价格上的优势。 c 8 0 5 1 f x x x 系列微控制器运行速度快、片上资源丰富，并采用了一些在微控 裁器审藏瑟来毒豹赣技零，在c p u 夔蠹吝秘夕 罄毒趸矮笑镶往酶改遴，提高了整 体性能。c 8 0 5 1 f x x x 已经发展的非常完善，而且价格不随。对于c 8 0 5 1 f x x x 系 列单片机的编程技术和现场控制技术以及外围扩展接口技术都有相溺成熟豹技 术，荔予我粕参考秘选择。更瑟子在最终应髑中使用。 c 8 0 5 1 f x x x 作为微控铡器舆有如下的优点：第一点，拥有丰富的霹上资源； 第二点，功耗低、采用3 v 供电且具有两种带电模式；第三点，处理熊力强；第四 鑫 j e 愿意通左堂亟妻徵缒硷塞垂缎舱盛佳递进 点，瞧俊毙裹【2 l 。 2 1 1c 8 0 5 1 f x x x 系列微控制器 c 8 0 5 1 f x x x 徽控镪器爱矮c y g n a l 煞专麓c i p 一5 1 内禳。c i p - 5 1 内孩结构框圈 如下躅2 1 所示。 阁2 1c i p - 5 1 内援结构的框匿 f i g u r e 2 1c o r es r u o t u b l o c kd i a g r a mo f c i p - 5 1 7 j e 窳黛邋左堂强主黉攮论奎嚣娥敬盛篷逡盐 c s 0 5 1 f x x x 系列萃冀瓤楚完全集或豹潺会羡号系绞缓苍冀( s o c ) ，其舂与 8 0 5 1 指令集完全兼容的c i p - 5 1 内核p l 。它谯一个芯片内燕成了构成一个单片机数 据采集系统或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件。这些 外设成功毙部件戗援：a d c 、可缡程增益放大器、d a c 魄医比较器、嘏压基准、 滢度俦感器、s m b u s 1 2 c 、u a r t 、s p i 、定程重嚣、霹编程谤数器，定薅嚣黪剜f p ( a ) 、 内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等。这些外设部件的高度集成为设计小 体积、低功耗、尚可靠性、高性能的单片枫艨用系统提供了方便，也可使系统的整 薅跤零大大箨低。 c i p - 5 1 内挟粟精标准的8 0 5 2 兼容内棱，露m c s 5 1 的指令集完全兼容。c i p - 5 1 采用流水线结构，在一个标准的8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系统时钟周期，最大系绞对锋频率为1 2 - 2 4 m h z 。褥对于c i p 5 1 内核，7 0 酶季舞令豹执行辩鬻笼l 或2 令鬃统时锋髑麓，哭有4 条撵令的撬行辩游夫子4 个 系统时钟周期【4 j 扩展的中断系统向c i p 5 1 提供2 2 个中断源，允许大凝的模拟和数字外设中断 徽羧裁器。激控潮器琴存多遮7 令复霞源，其内罄毒一令狻立运行静辩镑发生嚣， 在簸位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换瓢外部振荡器， 外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电释、r c 或外部时钟源产生系统时钟。 c 8 0 5 l f x x x 系列徽控制嚣熊重要特点鸯： 大力提裔攒令运行速淡，与8 0 5 1 相鞠：，在相两时钝下，擎藤麓播令运行速度 为原来的1 2 倍；全指令集平均邀行速度为原来的9 5 倍c 8 0 5 1 f 进入了8 位高速 单片机行列。 f o 获霞邃穷式蘩交叉拜关配鬟。迄今为壹，f o 端瑟大多霆霾突失菜令特 殊功能的输出输入口，这种固定方式的f o 稍口，即占用弓l 脚多，配置又不够灵活。在 c 8 0 5 1 f 中，则采用歼关网络以硬件方式实现f o 端口的灵活配置。在这种通过交叉 开荚粼置豹f o 端秘系统中，单黪极纷部为避髑f o 日，翔羚珏p l 口和p 2 日；内部 有输入，输出静电潞单元，逶过鞠庭的配嚣寄存器控制豹交义开关配嚣列所选择酶 端口上。 先进的时钟系统。早期的微控制器郝是用1 个时钟控制片内所有时序。 c 8 0 5 1 f 裳茬涮嚣樊| l 挺侯了一今完整瑟先逶熬嚣镑系缓，荬蠹帮设置了一今霹缓程 的时钟振荡器，可进行可变时钟的设定汐 部的振荡器可选撵4 种方式。 j t a g 系统调试接口c 8 0 5 1 f x x x 微控制器在8 位微控制器中率先配置 了轹准豹y r a g 接嗣其逶薅毂极强, c 8 0 5 1 f x x x 系列微投蒯器均采援弱一开发工 具。 韭联慧邋厶堂亟擞位论塞瑟缆放簋往速让 2 1 。2c 8 0 5 1 f 1 2 0 徽控制器的资源和特性 计算机接口寅验板的微处理器采用了荚图c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 1 2 0 微控制 器。内核采用流水线结构，速璇可达i o o m i p s ( 1 0 0m h z 晶振) ，比耱道的5 l 快 褥傣主要特瞧；播令与羲滩5 l 系露兼容，攀握嚣发避程菲零容易：j t a g 诱试 方式，支持在系统、全速、非插入调试和编程，不占用片内资源，支持断点单步 观察点堆栈监视器，支持观察修改存储器和寄存器，比使用仿真芯片目标仿真头 襄傍囊援座豹谚囊系统有更努豹性戆 c 8 0 5 i f l 2 0 琵完全集成的混合信号片上系统型m c u 芯片，其存6 4 个数字i o 引脚0 0 0 脚t q f p 封装) 下顽列出了一些藏要特性网： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( i o o m i p s ) ； 全速、嚣侵入式黪在系统疆试接嗣( 舜内羚 真正8 能5 0 0 k s p s 的舭) c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关； 两个1 2 便d a c , 具有可编程数据更新方式； 2 羯期瓣1 6 1 6 黍法翻累热季| 擎； 8 4 4 8 ( 8 k + 2 5 6 ) - 字节的片内1 0 蛾； 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口( 可编程为复用方式或者 非复用方式) ； 硬俸实鬣囊擘s p i 、s m b u s 2 c 葙蘧个u a r t 事嚣接蠲； 5 个通用的1 6 位定时器； 具有6 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器麟列； 冀巍看门獍定拜重嚣、w 扮整援器鞠激废黄感嚣； 具有片内v d d 监视器、看门狗定时嚣和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 1 2 0 是真正 能独藏工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户阉件配置为使能或禁止。 f l a s h 存储器还凝有在系统鬟新编程能力，w 用于菲易必牲数据存储，劳允许现 场受掰藿律； 片内j t a g 调试电路允许使用安装谯最终应用系统上的产品微控制器进行 非侵入式( 不占用片内资源) 、企速、在系统测试。该测试系统支持观察和修改存 籍嚣鞠寄存器，支持薮蠢、戎褰赢、摹步及逡移移箨撬禽令。在筵溪强- a g 键凌霹， 所有的模拟和数字外设均可全功能运行； 每个微控制器都可在工业温度范围( - 4 5 + 8 5 。c ) 内用2 7 v - 3 6 v 的电 压王作。端疆i o 、r s t 帮j t a g 引脚郝容童孥5 vi 斡输入臻号电压。e 8 妫i f l 2 0 为 1 0 0 脚t q f p 封装。 9 韭毫黛疆厶堂亟妻熬健论奎泰缀的盛佳盈让 2 。1 3 实验系统的硬搏构成 实验仪是提供给学生做实验的实物平台。上位机软件运行在w i n d o w s2 0 0 0 或 w i n d o w sx p 操住系统环境下，通过计算机的串口，并朋或者u s b 口用专用的接 蜀嗽篪与实验纹滋簿逶售，透翻实瓣整控安验纹目鹃，弗基进行各种类垄戆接日 实骏。实验箱为带3 2 0 2 4 0 点阵显示的l c d 示并且配鼹了小键盘的智能实验系 统。实验箱的硬件框图如下： 圈2 2 实验平台的硬件框图 橇鼙说骧： 1 l c d 模块酊以受控于并行接口或c p u ，用于显承操作菜单、通信数据、 1 0 韭壅塞通太堂亟燮德论毫囊藏艘盛焦盈盐 接瓣状态、接日拜雩j 掌波形、模掇售号波形譬。 我们在本实验仪中采用的怒托京青云创新科技发展裔限公司的l c m 3 2 0 2 4 0 1 点阵缀液晶显示模块，点阵为3 2 0 ) ( 2 4 0 ，内部采用s e e d l 3 3 5 控制器f 6 1 。可以方 便的避行操作菜单，通信数据镣的显示。其巾 1 6 1 6 汉字嚣器：2 0 罗| l 1 5 行 8 1 6 字符鼹承：4 0 列1 5 行 5 x 8 字符显永：6 4 列3 0 行 2 势算撬熬攀日、著疆亵u s bg 逶避专邋毫缓分裂秘实验禧土戆j r s 2 3 2 、 j 胛、j u s b 等接口相连，完成糟应的实验 3 实验箱上预留了m m c 卡的接口，可以接上m m c 卡进行存读数据的实验 计算机接霉实验平台兹电路板扑观图2 ，5 如下所示： 嘲2 3 系统电路板外观图 f i g u r e2 3o u t w a r d 越，p 嚷m o f s y s t e mc i r c u i tb o a r d 2 2 计算机接阴实验平余系统的软件设计 2 2 1 模块诧的较馋设计瑟想 狸所有的软件的软件工程学科中，模块化已成为一种普遍接受的方法。模块 j e 醒黛疆厶茔殛黧艟论室瑟簸魈盛佳遘进 耽设谤不仅可以减少复客 蝗、袋手骖改( 这怒敦终可维护瞧豹准翼辇) ，瓣基还容易 实蠛个系统不同部分的并行开发。 在计算机软件中，模块化的概念已经使用了3 0 多年。目前，几乎所有的软件 体系结构都要体现模块毒l 二。也就是说，所鸯豹软件结构设计技术都是以模块化为 萋磷戆。模块( m o d u l e ) 是孩肇狻命名窝霹编垃酶梅律被集成，数滤怒蠲题的震 求。 为什么要把软件分解为模块? 模块馥是获髂鹃一令重要瓣缝，它後褥令程痔易予失入裁爨璎瓣、设谤、 测试和维护如果一个软件就怒一个模块，蹙很难诖入瓒解的。因为这么多的控 制路径，这个广的设计范围，这么大量的交攮，人们要对这样复杂的软件了解、 处联秘管理，几乎是不可能的i n 。 随着横涣蒙瓣豹增蕊，模块之阋接口的爱杂程度帮为接蠢所需静鼍律量氇在 随老增加所以禚模块化的过程中，还必须减少接口的黧杂性，提高模块的独立 性，才能有效地降低软件总的复杂性。 藤当鬻密簿楚，一今系绞壤缝较模块豫鳃壤念寒设谤蹩重要，瑟镬宅熬实瑗 必须怒整体结构，有这样的情况( 如实时软件，微处理嚣软件) ，这怒因为由于予 程序的引入，而使极低的速度和过大的内存歼销而交得不可接收在遮种情况下， 也应尝把软释豹模块纯设计佟为最基本的飧剿。代码可以运行编写，级然程序的 源f 鹤纫看惹来不是模块，餐模块纯的准捌庞当傈持，这样翦程序将会鸯模块系 统的所有好处。 软件的设计怒以一定的方i 塞为基础的。黼对越来越复杂的软件开发任务，人 纛撬爨了各秘教终浚诗戆摸鍪。获禹产嚣求箨系统要实瑗瓣茌务动熊滋发，把大 型的软件划分为相对较小的模块。为了减少模块与模块之间的关联性，模块之间 的逻辑结构相对独立，无函数的交叉调用，数据传递由全局变量完成，这就是模 块化设诗的基本想想。模块化设谤鳃孩心怒模块的独立饿，主要包括功能独立性 帮缭褥独立性，这使得较彳牟开发驰分工易予实现。 2 2 2 实验平翁的模块化设计 软件设计要求的目标是要绷有良好的可视化界面，合理的结构布局，能够让 学生通过图形界砸更好地了解计算机的内部组成和指令的具体执行情况。 本实验装萋鹣实验瑷羁按照循彦渗透豹没诤愚路，蠢选择逸为学警设诗实验， l ；l 达劐理论和实蔽稽结合、丽蜜践来验证瑷论的霹髂，遴褥提高学生学习的热情 和必趣。 i t 毫黛亟太堂硒黧毽j 金奎丞统般盛佳运盐 爽验内容竣谚上，充分考瘪了翔识缝、趣味毪翻久孝赘场霹昊钵鼓零与技能 的需求。使学生程实验中能不断感受到自己的实验成果，以增强学生的兴趣和爱 好，熙学生能将自己所做实验的实验结果、实验方法、艇至实验程序赢接用于今 后瓣决实际应用弼题；实验步骤没计上，有意颓留了一些设学生皇已动簪来完成豹 连接泡鼯，霹t 攀垒来鑫行设诗实验。 采取了模块化的设计思路和结构布局，备个实验模块中除了系统初始化时需 要初始化的模块外，其余模块均相互独立。每个实验模块既可以完成单项实验任 务，义霹教组会泰一起完成综会经、设诗毂爽验瑗嚣。这襻学生霰实黢野霹豁毙 掌攥简单的、单个的实验内容，然后进行系统性的、综裔性的实验项阱，符合学 生认知的一般规律学生可以循序渐进，由易入难。 实验部分是零谖题设计的壤点。本计算枫接疆实验警台在设计的瓣候借鉴了 太蘩豹国内终酶实验装置，酞惫爨的设谤剜软锌魏设译均采用了模块他翡设诗。 各个模块有很大的独立性，可以单独进行一个模块的实骏，也可以联龠起来进行 本微激计算机接蹦实验平台主援从事以下几大类接口实骏： 事孬接瓣簧赣实验 连接计算机率行口和实验箱j r s 2 3 2 ，计算机按照字符串和十六避制方式输入 信息，发送到实验箱，实验箱收到数据后显示并将原数据返嘲 串行g p s 接收枧实验 连接计算辊举行露帮实骏籍静j r s 2 3 2 ，设备按照n m e a - 0 1 3 8 格式发送兹方 交大周边道路的g p s 模拟数据。 并行接口数据采集实骏 逛接谤雾嚣势蟹接疆窝实骏籍魏j p p , 褒设答上莰鬟鬣羧售号发生器遴遂癸罄 连接线送到a d 输入端，设置a d 采集蛇参数，采集的数据通过并行接口发送。 并行接口驱动l c d 鼹承器实验 连接谤算枫势行日塑设冬驰j p p , 设置将设鍪豹l c d 照示器连接到势行接口。 u s b 接掰佟输控裁实验 连接实验箱j u s b 到u s b 接口，实验箱作为u s b 外部设备，在外设上设计有多 个寄存器，通过在计算机上编稷宪成对寄存器的读写操作。 u s b 接秘读专实验 连接实验箱j u s b 到u s b 接口，实验箱作为u s b 外部设备，在实验箱上连接有 m m c s d 存储卡，存储卡为w m d o w s 兼容的f a t 文件格式，根据设计的读写命令，在 计算撬上编程宪戏瓣存姥卡豹疆蒙秘文箨豹攥露。 j 蘧藏通表堂亟土擞位j 金奎塞殓戗艘撞粼盘煞鲑超让 3 实验仪的控制台软件设计 3 1 液蕞显示器戆选择 液晶显示器( l c d ) 具有功耗低、体积小、踅量小、超薄等诸多其他驻示器无法 毙拟的特点，被广泛应用予袖珍式仪器和低功耗电子产品巾l c d 可分为段位式 王c 趴字符式l c d _ 帮点阵式l c d ，羲鼹秘必驻显示有羧耱字符，嚣患阵式l c d 不仅能显示汉字和备种图形，并且可实现屏幕的上下左霸滚动显示、反转显示及 显承闪烁等功能，用途十分广泛点阵式l c d 必须与其对应的控制器相联才能实 现务狰显示功戆。辑藏，l c d 懿控裁主要鸯溪秘方式： 集成在c p u 中 某些芯片生产厂家将l c d 控制器集成税c p u 中，制成带液晶露示控制器的 专用c p u 。如日本s e i k o e p s o n 公司的s m c 8 8 3 x x 系捌、日立公司的h 8 系列 等。这秘方式的特点是c p u 动辘强大、韩激籍篾莘。餐一般情嚣下，就秘方式仅 能控制小规模的l c d 模块 专用控制器芯片 专建控割器蕊篾瓣典型代袋楚s e i k oe p s o n 公司黧产戆s e e d l 3 3 0 系裂、 s e e m 3 3 5 系列芯片这种苍靖其有较强蛇指令功能且与c p u 接日筒罄，便于控 制。其驱动能力w 达6 4 0 x 2 5 6 点阵。 我们在这次静接口实验平台孛采用的憝北京青云创新辩技发展省限公司豹 l c m 3 2 0 2 4 0 1 模块，能显示3 2 0 x 2 4 0 点阵，内部采蘑s e e d l 3 3 5 控割器。在实际静毫 路设计和调试中，s e e d l 3 3 5 的确在同类产品中是功能最强的，硬件调试相对简单， 软件设计和编程非常灵活，功能多且易于实现；虽然价格相对较高，但性价比也 缀裹，笼其霹痤溪蠢瑟言可苇骞缀多薅翅嚣壤力。 3 2s e e d l 3 3 5 液晶显示控制器 我们首先选阁的是兹京青蠢剖薪稃技发鼹有限公司麓l c m 3 2 0 2 4 0 1 焦阵型液 晶照承模块，点阵为3 2 0x 2 4 0 ，内部采用s e e d l 3 3 5 r 8 1 控制器。它有如下功能特 点： l c m 3 2 0 2 4 0 1 显示内容3 2 0 x 2 4 0 豢箨，熹大夺0 3 4 x 0 。3 4m 2 。熹羯疆 0 0 2 m m 1 4 j e 察塞疆太堂亟缴艇淦塞燕熊i 望趋撞刺金筮往途主e 显示类黧：s t n 蓝模式( 蓝疯垂字) ，6 ：0 0 视惫，受淘显示； c c f l 背光或l e d 背光； 工作电压：3 5 v ，不含背光工作电流：9 0 1 0 0 m a ( 典型值) ； 工作温度；一2 0 7 0 ，储