硬件课程设计报告(电子计算器)

计算机科学与技术学院 硬件课程设计报告 姓 名 学 号 专 业 计算机科学与技术计算机科学与技术 班 级 计科计科 班班 设计题目 电子计算器电子计算器 成 员 指导教师 职 称 年 月 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 1 课程设计指导教师评阅书 指导教师评语 成 绩 指导教师签字 年 月 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 2 摘 要 电子计算器的设计主要分为键盘扫描与读取编码 七段 LED 数码管显示和四 则运算的编写 这次设计中我们采用可编程接口芯片 8255 链接 4 4 键盘和 LED 显 示屏 从键盘扫描读入数字 在显示屏上面显示出来 并通过 cpu 运算出结果显 示在屏幕上 由于对汇编语言也不甚了解 只是进行一些简单的自然数的四则运 算 由于本次实验中 实验箱是 TPC ZK 综合微机开放式实验系统 微机接口实验 仪采用模块化 积木式的结构 各实块互不影响 但可通过连线将各实验模块有 机组合起来 进行微机外围接口实验 这个实验选择的是 4 4 键盘连接上 8255A 然后控制 LED 显示 关键词 8255A 七段 LED 数码管 键盘 汇编语言 四则运算 目目 录录 1 设计任务与要求设计任务与要求 3 1 1 选题 3 1 2 需求分 析 3 1 3 设计任 务 3 2 硬件方案硬件方案 3 2 1 微处理器 8086 芯片 3 2 2 可编程并行接口 8255A 芯片 4 2 3 4 4 矩阵键盘 6 2 4 七段 LED 数码管 7 2 5 电路及其功能模块图 8 3 软件方案软件方案 10 3 1 流程图 10 3 2 源程序代码 11 4 问题与解决方案问题与解决方案 26 5 成果展示成果展示 26 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 3 6 总结总结 27 7 心得体会与收获心得体会与收获 27 8 参考文献参考文献 27 1 设计任务与设计要求 1 1 选题 我选的题目是电子计算器 电子计算器的设计主要分为键盘编码 七段数码 管显示 和四则运算法则这三部分 设计时用可编程接口芯片 8255A 链接 4 4 键 盘和七段 LED 数码管 8255 扫描键盘并通过数码管显示相应的数字 这其中需要 一定的汇编程序作为核心支撑 才能正确的使各种功能运行正常 1 2 需求分析 通过对选题的深入了解 电子计算器基本功能可以概括为 1 可以进行简单的加 减 乘 除四则运算 2 为了显示的人性化 按下每个数字都要进行反馈显示 3 数码管只有四位显示 运算数和结果应尽量小于四位数 不然显示不全 4 计算器能判断个别简单的错误 如除数为零 显示报错 5 计算器要有清零功能 可以在按键失误后重新按键 在显示屏上可以及时反馈按下数字 这需要扫描程序模块一直运行着 并能 够及时调用显示程序模块 当有运算符号按下时还要及时给之前按下的数字进行 组装成一个数值 组装键值模块也是程序的重要所在 等等这些都是在主程序下 合理安排 运用流畅的 才能带来较完美的计算器体验 1 3 设计任务 本次实验我分为电路设计和编码设计这两个任务模块来设计的 电路设计主要研究键盘按键位置设计和各个芯片器件之间的连线 编码设计主要分为键盘扫描读取编码 七段数码管显示编码和四则运算编码 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 4 2 硬件方案 2 1 微处理器 8086 芯片 当引脚接高电平时 CPU 工作于最小模式 此时 引脚信号 24 31 的含义及 其功能如下 1 IO M 存储器 I O 端口选择控制信号 信号指明当前 CPU 是选择访问存储 器还是访问 I O 端口 为高电平时访问存储器 表示当前要进行 CPU 与存储器之 间的数据传送 为低电平时 访问 I O 端口 表示当前要进行 CPU 与 I O 端口之 间的数据传送 2 WR 写信号 输出 低电平有效 信号有效时 表明 CPU 正在执行写总线周 期 同时由信号决定是对存储器还是对 I O 端口执行写操作 3 INTA 可屏蔽中断响应信号 输出 低电平有效 CPU 通过信号对外设提出 的可屏蔽中断请求做出响应 为低电平时 表示 CPU 已经响应外设的中断请求 即将执行中断服务程序 4 ALE 地址锁存允许信号 输出 高电平有效 CPU 利用 ALE 信号可以把 AD15 AD0 地址 数据 A19 S6 A16 S3 地址 状态线上的地址信息锁存在地址锁 存器中 5 DT 数据发送 接收信号 输出 三态 DT 信号用来控制数据传送的方向 DT 为高电平时 CPU 发送数据到存储器或 I O 端口 DT 为低电平时 CPU 接收来 自存储器或 I O 端口的数据 6 DEN 数据允许控制信号 输出 三态 低电平有效 信号用作总线收发器 的选通控制信号 当为低电平时 表明 CPU 进行数据的读 写操作 7 HOLD 总线保持请求信号 输入 高电平有效 在 DMA 数据传送方式中 由 总线控制器 8237A 发出一个高电平有效的总线请求信号 通过 HOLD 引脚输入到 CPU 请求 CPU 让出总线控制权 8 HLDA 总线保持响应信号 输出 高电平有效 HLDA 是与 HOLD 配合使用的 联络信号 在 HLDA 有效期间 HLDA 引脚输出一个高电平有效的响应信号 同时总 线将处于浮空状态 CPU 让出对总线的控制权 将其交付给申请使用总线的 8237A 控制器使用 总线使用完后 会使 HOLD 信号变为低电平 CPU 又重新获得对总线 的控制权 2 2 可编程并行接口 8255A 芯片 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 5 8255A 可为 8086 微处理器与外部设备之间提供并行输入 输出的通道 通过编 程可以设置芯片的工作方式 因此 用 8255A 连接外部设备时 通常不用再附加 外部电路 并行接口是在多根数据线上 以数据字节 字与 I O 设备交换信息 在输入过程中 输入设备把数据送给接口 并且使状态线 输入准备好 有 效 接口把数据存放在 输入缓冲寄存器 中 同时使 输入回答 线有效 作 为对外设的响应 外设在收到这个回答信号后 就撤消数据和 输入准备好 信 号 数据到达接口中后 接口会在 状态寄存器 中设置输入准备好标志 或者 向 CPU 发一个中断请求 CPU 可用查询方式或中断方式从接口中读取数据 接口中 的数据被读取后 接口会自动清除状态寄存器中的标志 且撤消对 CPU 的中断请 求 在输出过程中 每当输出寄存器可以接收数据 接口就会将状态寄存器中 输出准备好 状态置 1 或向 CPU 发一个中断请求 CPU 可用查询或中断方式向接 口输出数据 当 CPU 输出的数据到达接口后 接口会清除 输出准备好 状态 把数据送往外设 并向外设发一个 数据输出准备好 信号 外设受到驱动后 便接收数据 并向接口电路发一个 输出回答 信号 接口收到该回答信号后 又将状态寄存器中 输出准备好 置位 以便 CPU 输出下一个数据 1 8255A 的一些引脚 RESET 复位输入线 当该输入端外于高电平 时 所有内部寄存器 包括控制寄存器 均 被清除 所有 I O 口均被置成输入方式 PA0 PA7 端口 A 输入输出线 一个 8 位的 数据输出锁存器 缓冲器 一个 8 位的数 据输入锁存器 PB0 PB7 端口 B 输入输出线 一个 8 位的 I O 锁存器 一个 8 位的输入输出缓冲器 PC0 PC7 端口 C 输入输出线 一个 8 位的 数据输出锁存器 缓冲器 一个 8 位的数 据输入缓冲器 端口 C 可以通过工作方式设 定而分成 2 个 4 位的端口 每个 4 位的 端口包含一个 4 位的锁存器 分别与端口 A 和端口 B 配合使用 可作为控制信号输出或 状态信号输入端口 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 6 CS 片选信号线 当这个输入引脚为低电平时 表示芯片被选中 允许 8255 与 CPU 进行通讯 图 2 1 8255A 管脚图 RD 读信号线 当这个输入引脚为低电平时 允许 8255 通过数据总线向 CPU 发送 数据或状态信息 即 CPU 从 8255 读取信息或数据 WR 写入信号 当这个输入引脚为低电平时 允许 CPU 将数据或控制字写 8255 D0 D7 三态双向数据总线 8255 与 CPU 数据传送的通道 当 CPU 执行输入输出 指令时 通过它实现 8 位数据的读 写操作 控制字和状态信息也通过数据总线传 送 2 8255A 的读写控制 8255A 的读 写控制逻辑电路接受 CPU 发来的控制口号 RD WR RESET 和地址信号 A1 A0 然后根据命令端口 控制信号的要求 将端口的数据读出选信 CPU 或者将 CPU 送来的数据写入端口 各端口的工作状态 通过用输出指令对 8255A 的控制 字寄存器编程 写入设定工作方式的控制字 可以让 3 个数据口以不同的方式工 作 端口 A 可工作于 3 种方式的任一种 端口 B 只能工作于方式 0 和方式 1 端 口 C 除了用于输入输出端口外 还能配合 A 口和 B 口工作 为这两个端口的输入 输出操作提供联系信号 图 2 2 8255A 控制字 本次设计实验采用的控制字是 A 口输入 B 口输出 C 口输出 2 3 4 4 矩阵键盘 键盘是信息输入元件 由一个个按钮组成 如果是独立按钮的话必须要需要 一个 I O 口对它进行检测 因为 4 4 矩阵键盘有 8 个管脚 为了扫描键盘判断键 值的方便将八个管脚中的列接 PA 和行接 PC 因为进行键盘扫描一般要求有一部分 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 7 的 I O 口的工作方式是输入 另一部分 I O 是输出 具体到 4 4 键盘则要求 4 个 I O 口输入 另外 4 个输出 这一点 PC 口刚好符合 低四位接行作为键盘 I O 输 入 PA 低四位接列作为键盘 I O 输出 键盘有 16 个按键 我们设计为 0 9 为数字键 ABCD 分别为 E 为 号 F 为清零键 CL 识别键盘上哪个键被压下的过程的扫描步骤 1 检测是否所有键都都松开了 若没有则反复检测 2 但所有键都松开了 再检测是否有键压下 若无键按下则反复检测 3 如有键压下 要消除键抖动 确认有键压下 4 对压下的键位置进行判断 先判断是第几行有键按下 再判断第几列有键 按下 键值 行号 4 列号 至此确定了哪个键按下 再接着进行后面的操作 图 2 3 4 4 矩阵键盘 表 2 1 键盘设计 2 4 七段 LED 数码管 LED 由 7 个字符段和一个小数点段组成 每段对应一个发光二极管 当发光二极 管点亮时 相应的字符段点亮 LED 有共阴极和共阳极两种供应状态 共阴极显示时 将 LED 显示的 COM 接地 将八个字符段端 a b c d e f g dp 依次与一个 8 位 I O 口的最低到最高位连接 当 I O 给 LED 的哪个字符段送入一个高电平时 该段 就被点亮 从而可从这 7 个字符段中被点亮的构成相应 的字符显示出来 同理 COM 阳极即将 COM 端接 Vcc 其显示原理与 COM 阴极的基本相同 但 I O 口送入低电 平是相应的段才被点亮 0123 4567 89 CL 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 8 图 2 4 七段数码管实 物图 图 2 5 数码管管脚图 表 2 2 数 码管显示数 字对应表 2 5 电 路及其 主要功能 2 5 12 5 1 电路连接实物图电路连接实物图 图 2 6 电路实物图 2 5 22 5 2 实验电路图实验电路图 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 9 图 2 7 电路实验模拟图 2 5 32 5 3 功能模块图功能模块图 图 2 8 功能模块图 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 10 3 软件方案 3 1 流程图 3 1 13 1 1 键盘扫描流程图键盘扫描流程图 运行 程序初始化 延时 12ms 键位扫描 保存键值 有键按下 按键释放 结束 有键按下 Y Y Y N N N 图 3 9 扫描流程图 3 1 23 1 2 计算器运算流程图计算器运算流程图 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 11 扫描 计算键值 判断 运算 清零 乘法运算 加法运算 加法运算 除法运算 存储 显示 图 3 10 运算流程图 3 2 程序源代码 port a equ 280H 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 12 port b equ 281H port c equ 282H port ctl equ 283H data segment x db 0 0 0 0 存放数据的每一位 x1 dw 存放第一个数据值 x2 dw 存放第二个数据值 y dw 存放结果 s db 存放运算符号 e db 按下等号键标记 cc db 存放运算数据位数 h db 0 存放行号 l db 0 存放列号 discode db 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH 6FH 77H 7CH 39H 5EH 79H 71H 40H 段 码表 最后一个是负号 data ends code segment assume cs code ds data start mov ax data mov ds ax mov al 90h A 口输入 B 口输出 C 口输出 B 即 mov dx port ctl out dx al mov di offset x 3 di 指向 X 3 kkk call key 扫描按键 jmp kkk key proc 按键扫描子程序 程序返回后 在变量 H 和 L 中 存放当前按键的行列号 check call disp 等待按键 按下的同时进行显示 mov al 10h PC0 PC3 对应行号 输出低电平 mov dx port c 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 13 out dx al mov dx port a in al dx 读列值 即 PA0 PA3 的值 and al 0fh cmp al 0fh jz check ZF 1 即运算结果为 0 相等 都为高电平则无键按 下 等待 mov cx 50 loop 消除键抖动 in al dx 重复读列值 and al 0fh cmp al 0fh jz check 若无键按下则一直等待 mov h 0 有键按下 先把行列号清 0 mov l 0 mov bl 01h mov bh 0feh 扫描键值 从第一行开始检测 PC0 输出低电平 next mov al bh mov dx port c out dx al nextl mov dx port a in al dx 读列值 判断第几列有键按下 test al bl 判断是否是第 1 列 jz waito 是则跳转 rol bl 1 左移一位 cmp bl 10h 当前行状态下没有任何列有键按下 则转为对下 一行的测试 jz nexth inc l 每判断一列 列号加 1 jmp nextl 再对下一列进行判断 nexth mov l 0 mov bl 01h rol bh 1 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 14 cmp bh 0efh jz exit inc h jmp next waito mov dx port a 若有键按下 则等该键松开后再计算键值 in al dx and al 0fh cmp al 0fh jnz waito call keyvalue 调计算键值子程序 exit ret key endp keyvalue proc 计算键值子程序 通过行列号计算键值 键值 行号 4 列号 mov dl h 键值存放在 DL 寄存器中 mov dh l xor ax ax mov al 4 mul dl mov dl al add dl dh cmp dl 9 jng num call 小于等于 则转移即按下的是数字键 cmp dl 14 jl cont call 大于 9 小于 14 即加减乘除的时候 运算键 cmp dl 14 等于 15 即等于键 jz outp call cmp dl 15 jz clr call 按下清零键 num call call number 调用数字键处理子程序 jmp exit1 cont call mov s dl 存放运算键的键值 mov e 0 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 15 call count 调用运算键处理子程序 计算 jmp exit1 outp call call outp 调用等号键处理子程序 jmp exit1 clr call call clear 调用清除键处理子程序 exit1 ret keyvalue endp clear proc 一下为清除键处理子程序 按下清除键后 X 变量全部 清 0 mov x 3 0 mov x 2 0 mov x 1 0 mov x 0 0 call bitp call disp call dely 分析数据位数 ret clear endp outp proc 等号键处理子程序 该子程序负责将第二个运算数据的 数值计算出来存入 X2 变量 push ax 并根据运算符号 调用相应的运算子程序 push dx push bx inc e call count 调用运算键处理子程序 计算第二个运算数据 cmp s 10 jz add call 加号 cmp s 11 jz sub call 减号 cmp s 12 jz mul call 乘号 cmp s 13 jz divp call 除号 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 16 add call call addp jmp store1 sub call call subp jmp store1 mul call call mulp jmp store1 divp call cmp x2 0 判断除数是否为零 为零跳入报错子程序 jz disp1 call divp jmp store1 disp1 proc 报错显示子程序 push bx push ax mov bh 0 lea si discode si 指向段码表头 mov ah b mov al ah mov dx port c out dx al mov bh 00h mov bl 14 mov al si bx mov dx port b out dx al pop ax pop bx kkk1 mov dx port a in al dx 报错后扫描键盘等待按键跳出 and al 0fh cmp al 0fh 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 17 jz kkk1 jmp kkk ret disp1 endp store1 call clear mov ax y 将各运算子程序返回的运算结果 按位分解 送入 X 变量 cmp ax 0 判断是否小于 0 是跳转 jl ccc cmp ax 1000 jnz ddd1 mov x 0 1 mov x 1 0 mov x 2 0 mov x 3 0 jmp jieshu ddd1 cmp ax 1000 jl ddd2 mov bx 1000 mov dx 00h div bx mov x 0 al mov ax dx mov ah 00h jmp ddd ccc mov x 0 10h mov ax y neg ax 取反 ddd2 cmp ax 100 jnz ddd mov x 0 0 mov x 1 1 mov x 2 0 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 18 mov x 3 0 jmp jieshu ddd cmp ax 100 jl ggg mov bl 100 div bl mov x 1 al mov al ah mov ah 00h cmp ax 10 jnz ggg mov x 0 0 mov x 1 0 mov x 2 1 mov x 3 0 jmp jieshu ggg cmp ax 10 jl jjj mov bl 10 div bl mov x 2 al mov al ah mov ah 00h jjj mov x 3 al jieshu pop bx pop dx pop ax ret outp endp count proc 运算键处理子程序 该程序将第一个运算数据的数值计算出 来 并存入 X1 变量 push ax 或将第二个运算数据计算出来存入 X2 变量 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 19 push bx 将预算符存入 S 变量 push dx mov dx 0 call bitp 测试有多少位 cmp cc 4 jz c4 cmp cc 3 jz c3 cmp cc 2 jz c2 jmp c1 c4 mov ax 0 mov al x 0 mov bx 1000 mul bx mov dx ax c3 mov al x 1 mov bl 100 mul bl add dx ax c2 mov al x 2 mov bl 10 mul bl add dx ax c1 mov al x 3 mov ah 0 add dx ax cmp e 1 判断是否为等号 jnz x1 s 不是 mov x2 dx 是等于号 则将第二个运算数据的值存入 X2 变量 jmp exit3 x1 s mov x1 dx 按下的是运算符号 则将第一个运算符的值存入 X1 变量 mov x 3 0 清空 X 变量 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 20 mov x 2 0 mov x 1 0 mov x 0 0 exit3 pop dx pop bx pop ax ret count endp number proc 数字键处理子程序 cmp e 1 将输入的数据按位存放在 X 变量中 并由 CC 记录数据的位 数 jnz continue mov e 0 call clear continue cmp cc 0 目前数据为 0 位 没有数据则转到 SSS jz sss push ax 若已有数据 程序将 X 左移 8 位 例如先输入 1 再输入 2 先要将 1 从各位移到十位 再将 2 存放到个位 push dx mov al x 3 mov ah x 2 mov dl x 1 mov dh x 0 mov x 3 00h mov x 2 al mov x 1 ah mov x 0 dl pop dx pop ax sss mov di dl 将当前键入的数据存放到 X 的最低位 inc cc 数据位数加 1 cmp cc 4 判断数据位数 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 21 jng exit2 mov cc 0 超过 4 位 重新从最低位开始存 mov x 2 0 mov x 1 0 mov x 0 0 exit2 call disp 调用显示子程序 显示输入的数据 ret number endp addp proc 加法子程序 push ax mov ax x1 add ax x2 mov y ax pop ax ret addp endp subp proc 减法子程序 push ax mov ax x1 sub ax x2 mov y ax pop ax ret subp endp mulp proc 乘法子程序 push ax push dx mov ax x1 mov dx x2 mul dx mov y ax pop dx 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 22 pop ax ret mulp endp divp proc 除法子程序 push ax push bx push dx mov dx 0 mov ax x1 mov bx x2 div bx mov y ax pop dx pop bx pop ax ret divp endp disp proc 显示子程序 将 X 中的数值按位显示出来 push bx push ax mov bh 0 lea si discode si 指向段码表头 begin call bitp 测试 X 的位数 cmp cc 4 jz qian cc 等于 4 跳转 cmp cc 3 jz bai cc 等于 3 跳转 cmp cc 2 jz shi cc 等于 2 跳转 cmp cc 1 jz g cc 等于 1 跳转 jmp none 否则跳转到没有数字 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 23 qian mov ah b mov al ah mov dx port c out dx al mov bh 00h mov bl x 0 x 0 即千位数字 mov al si bx 默认是 DS 数据段首地址 中括号内位段码表的偏移量 将数 字所对应的段码送到锁存器 mov dx port b out dx al mov al 0 out dx al bai mov ah b mov al ah mov dx port c out dx al mov bh 00h mov bl x 1 mov al si bx mov dx port b out dx al mov al 0 out dx al shi mov ah b mov al ah mov dx port c out dx al mov bh 00h mov bl x 2 mov al si bx mov dx port b out dx al 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 24 mov al 0 out dx al g mov ah b mov al ah mov dx port c out dx al mov bh 00h mov bl x 3 mov al si bx mov dx port b out dx al mov al 0 out dx al mov al 00h mov dx port c out dx al out dx al mov dx port a in al dx 读列值 即 PA0 PA3 的值 and al 0fh cmp al 0fh jnz exit4 jmp begin none mov ah b mov al ah mov dx port c out dx al mov al 3fh X 中没有数据则显示 0 mov dx port b out dx al exit4 pop ax pop bx ret 中国矿业大学计算机科学与技术学院硬件课程设计报告 25 disp endp bitp proc 分析数据位数的子程序 判断有多少个位 cmp x 0 0 jnz fourb