微机原理课程设计

1、 合肥学院合肥学院计算机科学与技术系计算机科学与技术系微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术课程设计课程设计2015-20162015-2016 学年第学年第 1 1 学期学期题目：题目： 反反 应应 测测 试试 仪仪 姓名：姓名： 性别：性别： 班级：班级： 学号：学号： 电子邮件地址：电子邮件地址： 任课教师：任课教师： 张张 向向 东东 20152015 年年 1 1 月月 1616 日日1 目录一一 功能分析及解决方案功能分析及解决方案.11.1 功能需求分析.21.2 解决问题方法及思路.2二硬件设计二硬件设计.32.1 可编程定时器计数器 8253.32.2 可编程并行接

2、口 8255.42.3 可编程设置型键盘/显示器接口 8279.52.4 键盘.62.5 LED 灯.72.6 数码管.112.7 硬件总逻辑图及其说明.12三控制程序设计三控制程序设计.143.1 控制流程设计及其思路说明.143.2 程序流程图.153.3 控制程序.17四上机调试过程四上机调试过程.184.1 硬件调试.184.2 软件调试.194.3 联机调试.194.4 调试结果及问题的提出.19五设计结果分析及问题讨论五设计结果分析及问题讨论.205.1 课程设计及结果分析.205.2 问题讨论.205.3 收获、体会和意见.202一一 功能分析及解决方案功能分析及解决方案1.功能

3、需求分析功能需求分析（1）课题功能本课题要求实现能测试一个人的反应时间的仪器。为了能够测试人的反应时间，我们需要一个启动信号，即用户可以分辨的启动信号，并通过该启动信号反馈给系统，从而得到该用户的反应时间。给予用户的刺激信号可是多种多样，比如光信号、声波信号、气味等不同的信号。在控制端口，系统发出刺激信号反馈给用户，用户通过眼、耳、鼻等感觉器官得到刺激信号并迅速反馈给系统。系统接收端的接受反馈信号可以是光信号、电信号等不同的信号。通过不同芯片的工作将其信号转换为数字信号即可。通过访谈调查发现，实际生活中的反应测试仪应该尽量简单可用，为了简化反应测试仪的难度，本课程设计只考虑光信号作为刺激信号，

4、电信号作为回馈信号的反应测试仪。即当系统有光信号产生时，系统开始工作，当得到用户的电信号回馈时，测试停止并得到该用户的反应时间。为了能够更好的回馈给用户我们可以使用声音信号作为传送结果的载体，也可以通过视觉信号作为传送结果的载体，为了简化复杂度，我们选择了 LED 数码管作为反应时间回馈的载体。（2）本课程需要解决的问题1.用何种光信号作为刺激信号2.用何种电信号作为回馈信号3.如何计时人的反应时间4.如何显示人的反应时间2解决问题方法及思路解决问题方法及思路（1）硬件部分 针对需求中的分析，作如下解决： 用 LED 数码管作为刺激信号用按键的高低电平信号作为用户的回馈信号计时我们采用可编程定

5、时器/计数器 8253，8253 通道 1 作为基准信号发生器，产生30 .01ms 的方波信号作为通道 0 的时钟信号。通道 1 工作在方式 2（频率发生器） ，时钟信号接 62.5KHZ 的频率，经过 625 分频后产生周期为 0.01ms 的方波信号作为通道0 的时钟信号，以 0.01ms 为基准不断计数即可。为了显示反应时间，我们选择了 8 段数码管作为显示工具，为了能够有效的控制数码管，我们选择了一个专用芯片 8279，通过 8279 送出数码管的位选和段选选择数码管的 4 位作为显示的载体，8279 外接 2M 的时钟信号，通过 CS、A0 选中，使输出端口 B、C 送出段选和位选

6、信号。（2）软件部分首先，根据硬件需求采用 8255A、8279A 和 8253A 芯片，为实现对数码管、键盘的控制，采用汇编语言，分别对 8255A、8279A 和 8253A 进行初始化设置。然后，程序查询 8255A 的 PA 口输入的开关信号，决定 8255A 何时向外部设备发送的刺激信号，即低电平信号（LED 灯点亮） 。最后，程序查询 8255A 的 PB 端口接收缓冲区内回馈电信号，根据所得到的信号（低电平有效） ，调用相应模式子程序，控制转换测试时间为 BCD 码，并通过数码管显示该时间即可。二二硬件设计硬件设计1可编程定时器计数器可编程定时器计数器 8253（1）可编程定时器

7、计数器 8253 在本设计中的作用 在本系统中，可编程定时器计数器 8253 主要用于计数功能，以达到测试人的反应时间的目的。（2）可编程定时器计数器 8253 的功能分析8253 具有 3 个独立的计数通道，采用减 1 计数方式。在门控信号有效时，每输入 1 个计数脉冲，通道作 1 次计数操作。当计数脉冲是已知周期的时钟信号时，计数就成为定时。（3）可编程定时器计数器 8253 的技术参数分析Comment t1: 图要编序号!居中！4图 1 8253 的引脚图读/写控制分别连接系统的 IOR#和 IOW#， 由 CPU 控制着访问 8253 的内部通道。接收 CPU 送入的读/写控制信号，

8、 并完成对芯片内部各功能部件的控制功能， 因此， 它实际上是 8253 芯片内部的控制器。A1A0：端口选择信号，由 CPU 输入。8253 内部有 3 个独立的通道，加上控制字寄存器，构成 8253 芯片的 4 个端口，CPU 可对 3 个通道进行读/写操作 3 对控制字寄存器进行写操作。 这 4 个端口地址由最低 2 位地址码 A1 和 A0 来选择。 CS#片选信号，由 CPU 输入，低电平有效，通常由端口地址的高位地址译码形成。RD#、WR#读/写控制命令，由 CPU 输入， 低电平有效。RD#效时，CPU 读取由A1A0 所选定的通道内计数器的内容。WR#有效时，CPU 将计数值写入

9、各个通道的计数器中， 或者是将方式控制字写入控制字寄存器中。CPU 对 8253 的读/写操作。2.可编程并行接口可编程并行接口 8255（1）可编程并行接口 8255 在本设计中的作用在本系统中，可编程并行接口 8255 主要用于和用户之间交互信息，其中包括接受用户的输入：主要是启动按钮的输入和测试按钮的输入；用于输出系统信息的主要有 LED 数码管，通过可编程并行接口 8255 控制 LED 灯闪亮，用于计时测试正式开始。（2）可编程并行接口 8255 的功能分析一个并行输入、输出的 LSI 芯片，多功能的 I/O 器件，可作为 CPU 总线与外围的接口。具有 24 个可编程设置的 I/O

10、 口，即 3 组 8 位的 I/O 口为 PA 口，PB 口和 PC 口。它们又可分为两组 12 位的 I/O 口，A 组包括 A 口及 C 口(高 4 位,PC4PC7)，B 组包括 B 口及Comment t2: 图要编序号!居中！5C 口(低 4 位,PC0PC3)。A 组可设置为基本的 I/O 口，闪控(STROBE)的 I/O 闪控式,双向I/O3 种模式；B 组只能设置为基本 I/O 或闪控式 I/O 两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。（3）可编程并行接口 8255 的技术参数分析A口B口C口PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB

11、3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1CSRDWRRESETVccGND34 433 332 231 130 4029 3928 3827 37 18 8255A 199 208 216 225 2336 2435 25 14 15 16 17 1326 127 11 10图 2 8255 的引脚图RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，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。CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0 时,表示芯片被选中，允许8255 与

12、CPU 进行通讯;/CS=1 时,8255 无法与 CPU 做数据传输.RD:读信号线，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD 产生一个低脉冲且/CS=0 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跳变沿时,即/WR 产生一个低脉冲且/CS=0 时,允许CPU 将数据或控制字写入 8255。D0D7:三态双向数据总线，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。Comment t3: 图要编序号!居中！6

13、3可编程设置型键盘可编程设置型键盘/显示器接口显示器接口 8279（1）可编程设置型键盘/显示器接口 8279 在本设计中的作用在本系统中可编程设置型键盘/显示器接口 8279 的主要功能是用于显示数码管，通过 B 口控制数码管 8 位段选，C 口控制 8 个数码管的位选，实现数码管显示数据（用户反映时间）的作用。（2）可编程设置型键盘/显示器接口 8279 的功能分析可同时进行键盘扫描和数据显示 键盘扫描模式传感器扫描模式激发扫描模式8*8 键盘 FIFO具有结点消除抖动，2 键锁定 N 键依次读出模式双排八位数和双排十六位的显示器右边进入或左边进入（3）可编程设置型键盘/显示器接口 827

14、9 的技术参数分析图 3 8279 引脚图DB0DB7：双向数据总线。在 CPU 与 8279 间做数据与命令传送。CLK：8279 的系统时钟，100KHz 为最佳选择。7RESET：复位输入线。输入 HI 时可复位 8279。CS：芯片选择信号线。当这个输入引脚为低电平时，可将命令写入 8279 或读取8279 的数据。A0：缓冲器地址选择线。A0=0 时，读写一般数据；A0=1 时，读取状态标志位或写入命令。RD：读取控制线。RD=0 时，8279 输送数据到外部总线。WR：写入控制线。WR=0 时，8279 从外部总线接收数据。IRQ：中断请求。平常 IRQ 为 LO，在键盘模式下，每

15、次读取 FIFO/SENSOR RAM 的数据时，IRQ 变为 HI，读取后转为 LO；在传感器模式下，只要传感器一有变化，就会使 IRQ 变为 HI，读取后转为 LO。SL0SL3：扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式(16 对 1)或解码模式(4 对 1)。RL0RL7：键盘/传感器的返回线。无按键被按时，返回线为 HI；有按键被按时，该按键的返回线为 LO。在激发输入模式时，为 8 位的数据输入。SHIFT：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储存(在 BIT6)，内部有上拉电阻，未按时为 HI，按时为 LO。CNTL/STB：在键盘扫描模式时，引脚的输入状

16、态会与 SHIFT 以及其它按键的状态同一储存，内部有上拉电阻，未按时为 HI，按时为 LO。在激发输入模式时，作为返回线 8 位数据的使能引脚。OUTA0OUTA3：动态扫描显示的输出口(高 4 位)。OUTB0OUTB3：动态扫描显示的输出口(低 4 位)。BD：消隐输出线。4键盘键盘（1）键盘在本设计中的作用 在本设计中，键盘主要的作用是启动系统和启动测试及反应回馈。（2）键盘的功能分析 键盘的功能比较单一，按键或不按键，该端口将输出不同的电平信号。（3）键盘的技术参数分析Comment t4: 图要编序号!居中！8键盘一段接芯片输入端口，另一端接 VCC，当按键时，开关闭合，电平强制被

17、拉低，通过低电平的信号输入即可知道是否有按键的输入。图 4 键盘的原理图行扫描法：按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平，显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平，只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。CPU 根据行平电的变化，便能判定相应的行有键按下，为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平，另一时刻，让下一列处在低电平，依次循环。5 .LED 灯灯（1）LED 灯在本设计中的作用 在本设计中，LE

18、D 灯的作用是作为测试开始的刺激信号，当 LED 灯闪亮的时候，立即启动测试，等待用户再次击键。（2）LED 灯的功能分析 通过 LED 灯的亮、灭作为一个刺激信号。（3）LED 灯的技术参数分析 LED 灯的功能较为简单，为一个发光二极管，当该二极管导通时闪亮，截止时不闪Comment t5: 图要编序号!居中！9亮。图 5 LED 的原理图6.数码管数码管（1）数码管在本设计中的作用 在本设计中，数码管的作用不容小觑，主要用于显示用户的反应时间。（2）数码管的功能分析 数码管主要分为 8 段、7 段，8 段数码管带有小数点，一般数码管都为 8 段，因为功能更为全面，可用于显示小数。（3）数

19、码管的技术参数分析使用数码管时，应该区分数码管时共阴还是共阳，在本设计中，所有的数码管都是共阴的。只要段选输入高电平即可点亮不同位置的数码管进而显示数据。Comment t6: 图要编序号!居中！Comment t7: 图要编序号!居中！10a b a c de f g h图 6 外形图 图 7 共阴极表一 数码管真值表af bge cdComment t8: 表要编序号! 用三线表! 表不能分割在 2 页.11显示段符号编码hgfedcba0001111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011016DH60111

20、11017DH70000011107H8011111017FH9011011116FHA0111011177HB011111007CHC0011100139HD010111105EHE0111100179HF0111000171H7.硬件总逻辑图及其说明硬件总逻辑图及其说明（1）硬件总逻辑图Comment t9: 图要编序号!居中！12图 8（2）硬件总逻辑图说明 本系统共有 7 块主要的芯片构成，其中也包括其他一些芯片的辅助工作。CPU8086 通过 8282 将发出的地址信号经过译码出去，选中当前需要选中的芯片，通过片选信号选中某芯片，并使之为其工作。 其中 8255 主要用于与用户的交互

21、使用，通过启动按钮和测试按钮可以轻松的与用户实时交互，主机通过 LED 显示当前的信号。通过设置 8255 的 A 口工作于方式0 输入方式，B 口工作于方式 0 的输入方式实现该交互功能。 而 8253 则主要实现计时功能，测量当前用户的反应时间。因为反应时间的显示是以 0.01 秒为一个基本单位，试验条件下，最小的频率为 62.5KHZ，通过 8253 通道1 工作于方式 2（分频发生器）将时钟信号分频为 100HZ（即周期为 0.01 秒） ；此时将 OUT0 端输出接入通道 0，并开始计数，当用户反应则停止计数，并将结果显示出来，最大的反应时间为 99.99 秒。 最后要说的就是 82

22、79，8279 主要用户控制 8 段数码管的显示，用户实时的用户交互，显示当前用户的反应时间。三三控制程序设计控制程序设计1控制流程设计及其思路说明控制流程设计及其思路说明（1）初始化系统芯片13初始化可编程并行接口 8255 设置 PA 端口工作于方式 0，作为输入端口，主要用于接收启动按键和测试按键的输入信号。PB 端口工作于方式 0，作为输出端口，用于控制 LED 灯闪烁，指示当前测试开始。初始化可编程定时器计数器 8253 设置通道 1 工作于方式 2（频率发生器） ，将 62.5KHZ 的时钟信号 625 分频，产生100HZ 的时钟信号用于通道 0 的定时使用。此时通道 0 工作于

23、方式 0（计数结束产生中断方式） 。（2）检测是否开始 通过不断读取启动按钮的状态测试，当前用户是否要启动一次反映测试响应；若启动按钮有低电平信号，则测试开始。（3）检测是否反映 当测试开始时，系统将以一 LED 灯指示，测试计时是否正式开始，当 LED 亮时测试计时开始，此时系统不断检测是否有测试按钮被按下，若被按下计时时间被采样。（4）显示测试结果 此过程主要用于显示采用结果。采样结果于 8 段 LED 数码管上显示，显示时间格式为：XX.XX 秒。2程序流程图程序流程图（1）主程序流程图开始初始化芯片，定义变量Comment t10: 此处有错!没有出口!14 否 是 否 是 否 是（2

24、）子程序流程图?是否启动是否按下随机亮灯的对应测试按钮数码管显示时间LED 是否点亮结束开始Comment t11: 子程序最后不是结束而是返回!15 否 是3. 控制程序控制程序.MODEL TINYEXTRN Display8:NEARCOM_ADDR EQU 0E003H;8253 可编程定时器/计数器端口 CS2T0_ADDR EQU 0E000HT1_ADDR EQU 0E001HCOM_ADDEQU 0F003H;8255 可编程输入输出接口PA_ADDEQU 0F000H ;A 口输入，接按键PB_ADDEQU 0F001H ;B 口输出，接 LED 灯PC_ADDEQU 0F0

25、02H.STACK 100.DATABUFFER DB 8 DUP(0,0,0,0,0,0,0,0)SEED DW 1 ;定义种子RND DB 00H ;定义变量存放 04，用于亮随机 LEDNUM1 DB ? ;定义灯的序号NUM2 DB ? ;定义按键的序号.CODESTART: MOV DX,COM_ADDMOV AL,90H;A 口工作于方式 0 输入,B 口工作于方式 0 输出OUT DX,ALMOV DX,COM_ADDRMOV AL,74H;通道 1 方式 2 二进制计数 先写低字节在写高字节清进位标志DX 左移一位MOV AL,BUFFER+4ADC AL,BUFFER+4DA

26、A MOV BUFFER+4,AL是否结束转化存放转化结果返回16OUT DX,ALMOV DX,T1_ADDRMOV AL,71HOUT DX,ALMOV AL,02HOUT DX,AL ;271H=625 CON1:MOV DX,PA_ADDIN AL,DX;读取 A 口内容TEST AL,01H;判断是否按启动按钮,低电平有效JNZ CON1CALL DL3S;延时 CALL RandNum;MOV DX,PB_ADD;LED 低电平有效;MOV AL,0FEH;OUT DX,AL;62.5KHZ-0.016ms 625*0.016=10msMOV DX,COM_ADDR;计数器 1MO

27、V AL,30H;通道 0 方式 0 二进制计数 写低字节再写高字节OUT DX,ALMOV DX,T0_ADDRMOV AL,0FHOUT DX,ALMOV AL,27HOUT DX,AL;270FH=9999 最大反应时间 9999*0.01=99.99sMOV DX,PA_ADDCON2:IN AL,DXCMP AL,0FFH JZ CON2 ;判断是否按测试按钮 TEST AL,10H MOV NUM2,1 JZ MATCH TEST AL,20H MOV NUM2,2 JZ MATCH TEST AL,40H MOV NUM2,3 JZ MATCH TEST AL,80H MOV N

28、UM2,4 JZ MATCH JMP CON2MATCH: PUSH CX MOV CL,NUM1 MOV CH,NUM217 CMP CH,CL JZ RIGHTD POP CX JMP CON1RIGHTD:MOV AL,00H;读取计数器 0 计数值MOV DX,COM_ADDROUT DX,ALMOV DX,T0_ADDRIN AL,DX;计数值 0 的低 8 位XCHG AL,AHIN AL,DX;计数器 0 的高 8 位XCHG AL,AHCALL LedDisplayMOV DX,PB_ADD;LED 低电平有效MOV AL,0FFHOUT DX,AL;关灯MOV CX,8MOV

29、 AL,0XOR SI,SICLEAR: MOV BUFFER+SI,ALINC SILOOP CLEARJMP CON1;重新开始LedDisplay PROC NEAR;输入参数 AXXCHG AX,BXMOV AX,2710H;2710H=10000SUB AX,BXMOV DX,AXCALL HEX2BCDMOV BUFFER+5,10H ;高 3 位不需要显示MOV BUFFER+6,10HMOV BUFFER+7,10H MOV BUFFER+4,10HLEA SI,BUFFERCALL Display8RETLedDisplay ENDPRandNum PROC NEAR ;产生

30、随机数 03，决定哪个灯亮 MOV AX,0C49H IMUL SEED ADD AX,05E1H18 MOV SEED,AX ;保存种子以便下次调用 MOV CL,4 ROR AX,CL MOV AH,03H ;防止溢出 MOV DL,4 DIV DL ;产生 03 之间一随机数至 AH MOV RND,AH ;AX 除 DL，商放 AL，余数放 AH MOV AL,7FH MOV CL,RND ROR AL,CL MOV DX,PB_ADD;LED 低电平有效 ;RND=0,AL=0111 1111-60H,亮 D7 OUT DX,AL ;RND=7,AL=1111 1110-60H,亮

31、D0 TEST AL,10H MOV NUM1,1 JZ EXIT TEST AL,20H MOV NUM1,2 JZ EXIT TEST AL,40H MOV NUM1,3 JZ EXIT TEST AL,80H MOV NUM1,4EXIT: RET RandNum ENDPHEX2BCD PROC NEARMOV CX,16;共转换 16 位数H2B:CLC;进位标志置 0SHL DX,1;逻辑右移MOV AL,BUFFER+4ADC AL,BUFFER+4DAAMOV BUFFER+4,ALMOV AL,BUFFER+3ADC AL,BUFFER+3DAAMOV BUFFER+3,AL

32、MOV AL,BUFFER+2ADC AL,BUFFER+219DAAMOV BUFFER+2,ALLOOP H2BMOV AL,BUFFER+4XOR AH,AHMOV BL,16DIV BLMOV BUFFER+1,AL;存放十位MOV BUFFER+0,AH;存放个位MOV AL,BUFFER+2MOV BUFFER+4,AL;存放万位MOV AL,BUFFER+3MOV BL,16XOR AH,AHDIV BLMOV BUFFER+3,AL;存放千位OR AH,80H ;百位加上小数点MOV BUFFER+2,AH;存放百位RETHEX2BCD ENDPDL500ms PROC NEA

33、RPUSH CXMOV CX,60000DL500ms1:LOOP DL500ms1POP CXRETDL500ms ENDPDL3S PROC NEARMOV CX,6DL3S1:CALL DL500msLOOP DL3S1RETENDPEND START四四上机调试过程上机调试过程1 .硬件调试硬件调试此次课程设计中出现的硬件问题有：（1）片选信号冲突（2）可编程并行接口 8255 故障20（3）按键故障以上问题的解决：（1）可编程并行接口 8253 和可编程专用接口 8279 起初同时接入的片选信号时 CS5，此时出现计时错误的问题，为了解决这一问题，我重新试验了方波发生器的实验，时钟正

34、确无误的，所以做出了大胆的尝试，将其片选信号由 CS5 改至 CS2，此时所有芯片的工作不会出现干扰，测试结果正确无误。（2）发现按键没有反应，起初我们以为是按键问题，所以直接将按键接入测试口，当按键被按下时，逻辑信号由高变为低，我们发现时 8255 错，为了更加确信，我们试验了交通灯实验，发现无法完成交通灯实验（软件是正确的） ，故我们将矛头指向了可编程并行接口 8255，换了一个芯片后，一切正常。（3）在测试产生随机数模块的软件是正确的，而测试却一直无法正确通过，击键一直没有反应，所以用我队友的试验箱做同一个实验，而他的却可以，故我们选择交换了试验箱。2. 软件调试软件调试此次课程设计中出

35、现的软件故障有:（1）计数器初值读出错误（2）16 进制转换为 BCD 码的二次错误以上问题的解决方案：（1）初始的方案是以计数器 0 产生 0.01s 的时钟信号作为计数器 1 的 CLK 信号，此时只要不断读出计数器一的计数值，即可得到当前的反应时间，但是事实上，读入的 AL 值却一直呈现高阻态，在查阅了大量的资料发现了一个规律，不同版本的资料，对计数器值得读出，仅仅是对计数器 0 而言，故将二者的功能调换，发现正常。（2）当读入的数值正确后，同样另一个问题接踵而至，那就是转换错误，不能讲 16 进制转换为正确的 BCD 码，主要是第二次错误，第一次是正确的，通过软件跟踪调试，发现每次的转换结果存于 BUFFER 中，而 BUFFER 的初值必须是 0，经过一次转换后，初值已经改变，故第二次的转换出错。3 .联机调试联机调试联机调试中单步运行能得出正确结果，在全速运行中结果正确显示。因为按键时一个突发Comment t12: 缺少功能测试,没有测试怎么进行结