实验指导书(8学时终稿)

1、微机原理及应用微机原理及应用实验指导书实验指导书 计算机应用教研室编计算机应用教研室编 西南科技大学计算机科学与技术学院 2005 年 12 月 前言前言 学习微型计算机，实践是非常重要的环节。我们学习微型计算机不仅要掌握其基本原 理、基本概念、基本方法，更重要的是要学以致用。目前，微型计算机已经是各行各业中 十分重要又十分普遍的工具，我们要用它来解决科技进步中各类专业中的许多问题，以促 进各行各业的进一步发展。 要学会应用，实践是十分重要的手段，只有多做实验才能真正的学会使用。 本书拟用于我院各个专业在开设微机原理及应用类课程时的实验教学环节，配套 实验设备为西安唐都科教仪器公司的 TD-P

2、IT+ 32 位微机实验系统。全书共 6 个基础实验、 2 个综合设计实验。实验项目涉及课程教学活动中的绝大部分内容，可以满足我院各个开 课专业的不同需要。 本实验指导书由于时间仓促、水平有限，不尽之处，敬请指正。 编者 2006 年 1 月 目录目录 第一章第一章 实验基础知识概述实验基础知识概述.1 1.1 实验环境介绍 .1 1.2 微机原理及应用教学实验软件环境.2 1.3 微机原理及应用教学实验硬件环境 .3 1.3.1 概述.3 1.3.2 系统总线单元电路.4 1.3.3实验平台单元电路.5 第二章第二章 实验要求实验要求.12 2.1 微机原理及应用实验类型 .12 2.2 实

3、验过程要求.13 2.3 考核及评分标准 .13 第三章第三章 实验内容与指导实验内容与指导.15 3.1 实验 1 基本 I/O 接口电路设计实验 .15 3.1.1 实验类型：.15 3.1.2实验目的：.15 3.1.3 实验环境.15 3.1.4 实验内容.15 3.1.5 背景知识.15 3.1.6 实验步骤.16 3.1.7 实验习题.18 3.1.8 实验报告要求.18 3.2 实验 2 8259 中断控制器应用实验.19 3.2.1 实验类型：.19 3.2.2 实验目的.19 3.2.3 实验环境.19 3.2.4 实验内容.19 3.2.5 背景知识.19 3.2.6 实验

4、1键盘中断提示.22 3.2.7 实验2单中断应用实验提示.25 3.2.8 思考题.28 3.2.9 实验报告要求.28 3.3 实验 3 8255 并行控制器应用实验.29 3.3.1实验类型.29 3.3.2 实验目的.29 3.3.3 实验环境.29 3.3.4实验内容.29 3.3.5背景知识.29 3.3.6 实验说明及步骤.30 流水灯显示实验.30 3.3.7 思考题.32 3.3.8实验报告要求.33 3.4 实验 4 8254 定时/计数器应用实验.34 3.4.1 实验类型.34 3.4.2 实验目的.34 3.4.3 实验环境.34 3.4.4 实验内容.34 3.4.

5、5 背景知识.34 3.4.6 实验说明及步骤.35 3.4.7 思考题.37 3.4.8 实验报告要求.37 3.5 实验 5 A/D 转换实验.38 3.5.1 实验类型：.38 3.5.2 实验目的.38 3.5.3实验环境.38 3.5.4 实验内容.38 3.5.5 背景知识.38 3.5.6 实验说明及步骤.39 3.5.7 思考题.42 3.5.8 实验报告要求.42 3.6 实验 6 D/A 转换实验.43 3.6.1 实验类型：.43 3.6.2 实验目的.43 3.6.3 实验设备.43 3.6.4 实验内容.43 3.6.5 背景知识.43 3.6.6 实验步骤.44 3

6、.6.7 思考题.46 3.6.8 实验报告要求.46 第四章第四章 微机原理综合应用实验微机原理综合应用实验.47 4.1 实验 1 十字路口红绿灯闪烁设计.47 4.1.1 实验类型：.47 4.1.2 实验目的.47 4.1.3 实验设备.47 4.1.4 实验内容.47 4.1.5 思考题.47 附录附录 A 实验报告格式实验报告格式.48 附录附录 B 设计报告格式设计报告格式.50 附录附录 C TDDEBUG 集成操作软件使用说明集成操作软件使用说明.54 附录附录 D 微机接口技术实验操作说明微机接口技术实验操作说明.62 参考文献参考文献.65 第一章第一章 实验基础知识概述

7、实验基础知识概述 1.1 实验环境介绍实验环境介绍 TD-PIT+实验及开发系统是西安唐都科教仪器公司为满足各大专院校进行“微机原理 与应用”课程的开放式实验教学而精心设计的。该实验系统通过 PCI 总线扩展的形式将 32 位高速总线连接到实验平台上，在实验平台上实现了面向 80 x86 应用的 32 位系统总线。在 提供的 Tddebug 集成调试环境下，可以进行 80 x86 系列 32 位微机实模式和保护模式下汇 编程序的编写、运行及调试。结合实验平台上丰富的实验单元，可完成多种接口实验。从 而全面支持 32 位微机原理与接口技术的实验教学内容。 实验系统的主要构成如表 11 所示。 表

8、表 1-1 TD-PIT+实验系统主要构成实验系统主要构成 名 称主要内容及功能说明 PCI 总线扩展卡 从 PC 机内的 PCI 总线扩展出 32 位高速总线 微机接口实验平台包括 32 位系统总线、8259、8237、8254、8255、16550、32 位 SRAM、FLASH ROM、基本输入输出、地址译码、A/D 转换、D/A 转换、单次脉冲、键盘输入及数码管显示、开关 及 LED 显示、电子发声、点阵 LED 显示、图形 LCD 接口、 直流电机、温度控制及面包板单元 系统电源+5V/2A、12V/0.2A 其他配件电源线、实验电路连接线、总线扩展扁平电缆、实验用串行 通讯电缆 随

9、机资料用户手册，并赠送实验教程 PCI 总线应用开发平台(选 配) 提供 PCI 扩展总线单元、CPLD 扩展单元及开发手册 USB 总线应用开发平台(选 配) 提供 USB 总线接口单元、51 单片机系统单元及开发手册 TD-51 实验开发平台(选配)提供新型 SST51 单片机系统单元及实验开发手册 TD-PIT+实验系统主要构成如图 11 所示。 图图 1-1 TD-PIT+实验系统主要构成实验系统主要构成 1.2 微机原理及应用教学实验软件环境微机原理及应用教学实验软件环境 在 16 位微机教学系统中，原理教学实验平台有很多类型，基本都支持 16 位应用程序 的调试或运行。但在现代 P

10、C 机系统中，多数程序实验平台都只能够支持实模式下的程序 调试，而不能支持 32 位微机保护模式程序的调试。由西安唐都科教仪器公司首创的 Tddebug 集成调试软件，为用户提供了完整的 32 位微机原理实验调试平台。该软件不仅可 以支持实模式下实验程序的调试，更允许用户在 32 位微机保护模式下进行调试，运行实验 程序。这为用户提供了一个全面窥探 80X86 微处理器运行机制的窗口。使用户可以迅速了 解 32 位微机的工作机制和过程，并掌握其编程方法。 Tddebug 调试软件集成了编辑、汇编、连接及调试等多个功能，并为保护模式下运行 的实验程序构建了保护模式的运行环境。Tddebug 支持

11、的调试命令如表 1-2 所示，其具体 使用方法参加附录 A。 表 1-2 Tddebug 调试命令表 命令内容格式命令说明 Loadl filename装载可执行程序 ReloadReload重新装载当前调试程序 Tracet seg:offset单步执行一条指令 Stepp=seg:offset单句执行一条指令 Gog=seg:offset执行程序 Go breakgb=seg:offset断点执行程序 Set breakpointsB设置断点 List breakpointsBl列断点表 Clear breakpointsbc number(0,1,2,3)清除断点 UnassembleU

12、seg:offset反汇编 DumpDseg:offset显示存储单元内容 Entereseg:offset修改存储单元 Registerrregname显示/修改寄存器内容 Peekpeek type(b,w,d) phys_add从物理地址取数据（字节、字、双 字） PokePoke type(b,w,d) phys_add value向物理地址写数据（字节、字、双 字） CpuCpu显示系统寄存器 GdtGdt显示全局描述符表 IdtIdt显示中断描述符表 LdtLdt显示局部描述符表 TssTss显示任务状态段 QuitQ退出调试状态 1.3 微机原理及应用教学实验硬件环境微机原理及应

13、用教学实验硬件环境 1.3.1 概述概述 TD-PIT+实验系统硬件主要由 PCI 总线扩展卡和 TD-PIT+实验平台构成。PCI 总线扩 展卡包括 PCI 总线接口电路和系统配置电路以及扩展总线插座。主要实现 PCI 总线接口以 及将 32 位总线的引出。PCI 总线扩展卡结构如图 1-2 所示。 图图 12 PCI 总线扩展卡结构图总线扩展卡结构图 TD-PIT+实验平台上的电路结构主要分两部分：系统总线单元电路和实验单元电路。 是微机接口实验的主要操作平台。实验平台结构如图 1-3 所示。 1.3.2 系统总线单元电路系统总线单元电路 系统总线单元实现了 80 x86 微机系统主要的系

14、统总线信号，符合 80 x86 总线时序标准。满 足 80 x86 时序标准的接口电路均可以直接连接到该总线上。总线信号说明如表 1-3 所示。 图图 13 TD-PIT+实验平台结构图实验平台结构图 表表 1-3 系统总线信号说明系统总线信号说明 信号名称含义 XD31:032 位数据总线 XA23:222 位地址总线 XMER、XMEW、XIOR、XIOW 存储器读写信号、I/O 读写信号 IOY0 、IOY1、 IOY2、 IOY3 I/O 空间片选信号 MY0、MY1、MY2、MY3存储器空间片选信号 BE0、BE1、BE2、BE332 位数据字节使能信号 HOLD、HLDA总线保持请

15、求和总线保持响应信号 存储器/输入输出总线周期定义信号 INTR中断请求信号(上升沿有效) CLK系统时钟 CLK = 1.MHz PCLK扩展时钟 PCLK = 1.8432MHz RST、RST#系统复位信号 实验系统向 PC 机申请了接口实验所需的配置资源。其中包括 16MB 的存储地址空间、 256 字节的 I/O 地址空间和一个中断请求线。中断请求线是映射到 PC 机内 15 个中断线中 的一个。系统总线单元将地址空间进行了译码，各提供 4 个片选信号，片选信号同偏移地 址空间对应关系如表 1-4 所示。用 PC 机分配的 I/O 或存储器空间始地址加上这个偏移地址， 就是实验系统中

16、端口占用的实际地址。PC 机分配的起始地址由实验系统附带的配置资源检 查程序 CHECK.EXE 获得。 表表 1-4 片选信号对应偏移地址范围片选信号对应偏移地址范围 片选信号偏移地址范围片选信号偏移地址范围 IOY0003FHMY03FFFFFH IOY1407FHMY17FFFFFH IOY280BFHMY2BFFFFFH IOY3C0-FFHMY3C00000FFFFFF H 1.3.3 实验平台单元电路实验平台单元电路 1. 地址译码单元地址译码单元 该单元提供一片开放的译码器 74LS138，用于学习地址译码方法。其线路连接如图 1-4 所 示。 图图 1-4 地址译码单元地址译码

17、单元 2. 基本输入输出单元基本输入输出单元 该单元包括 2 组 8 位的数据输入输出端口，用于学习基本 I/O 端口设计及编程。其中 A 组线路连接如图 1-5 所示，B 组与 A 组连接形式相同。 图图 1-5 基本输入输出单元基本输入输出单元 3. SRAM 单元单元 该单元提供 32 位存储器及其连接电路，并针对 32 位系统总线提供了存储器译码电路， 可以任意完成 8 位、16 位及 32 位不同字节宽度的存储器操作。其线路连接如图 1-6 所示。 图图 1-6 SRAM 单元单元 4. FLASH ROM 单元单元 该单元提供一片开放的 FLASH 存储器，用于学习 FLASH 存

18、储器的编程操作方法。其线路 连接如图 1-7 所示。 图图 1-7 FLASH ROM 单元单元 5. 8259 单元单元 该单元提供中断控制器 8259 的连接电路，用于学习中断控制器的操作方法。其线路连 接如图 1-8 所示。 图图 1-8 8259 单元单元 6. 8237 单元单元 该单元提供 DMA 控制器 8237 的连接电路，用于学习 DMA 传送应用编程方法。其线 路连接如图 1-9 所示。 图图 1-9 8237 单元单元 7. 8255 单元单元 该单元提供一片开放的并口控制器 8255，用于学习并行接口 8255 的编程方法。其线路连 接如图 1-10 所示。 图图 1-

19、10 8255 单元单元 8. 16550 单元单元 该单元提供串行控制器 16550 的连接电路，并提供一个 RS-232C 接口，用于学习串行 通讯编程方法。其线路连接如图 1-11 所示。 9. 8254 单元单元 该单元提供一片开放的定时/计数器 8254，用于学习定时/计数器的应用编程方法。其 线路连接如图 1-12 所示。 10. A/D 转换单元转换单元 该单元提供模/数转换器 ADC0809 的连接电路，用于学习 A/D 转换原理及编程操作方 法。其线路连接如图 1-13 所示。 图图 1-11 16550 单元单元 图图 1-12 8254 单元单元 图图 1-13 A/D

20、转换单元转换单元 11. D/A 转换单元转换单元 该单元提供数/模转换器 DAC0832 的连接电路，用于学习 D/A 转换原理及编程操作方 法。其线路连接如图 1-14 所示 12. 电子发声单元电子发声单元 该单元提供一个微型扬声器，控制和驱动电路已经连接好。在控制输入端输入一定频 率的波形信号即可发声。其线路连接电路如图 1-15 所示。 图图 1-14 D/A 转换单元转换单元 图图 1-14 电子发声单元电子发声单元 13. 键盘及数码管显示单元键盘及数码管显示单元 该单元提供 44 的小键盘阵列及 4 位七段数码管，电路连接为扫描电路形式。其线路 连接如图 1-15 所示。 图图

21、 1-15 键盘及数码管显示单元键盘及数码管显示单元 14. 点阵点阵 LED 显示单元显示单元 该单元提供一个 88 的点阵 LED 显示模块，点阵 LED 的行列控制已经连接好。行控 制为 R1R8，列控制为 L1L8。其线路连接如图 1-16 所示。 图图 1-16 点阵点阵 LED 显示单元显示单元 15. LCD 接口接口 该单元提供了连接 12864 的图形 LCD 显示模块的接口电路，用于学习液晶显示模块 的使用方法。将扩展的 LCD 模块引线同单元中 JLCD0 排针相连，LCD 的控制信号和数据 信号就由另外两组排针引出。电位器用于调节 LCD 的输入电压。连接好的线路如图

22、1-17 所示。 图图 1-17 LCD 接口连接接口连接 LCD 的线路图的线路图 16. 驱动电路和直流电机单元驱动电路和直流电机单元 这两个单元由 ULN2803 驱动芯片、一台 DC12V 直流电机及霍尔测速电路构成，N 为 一组反相驱动信号输入端。其线路连接如图 1-18 所示。 图图 1-18 驱动电路和直流电机单元驱动电路和直流电机单元 17. 温度控制单元温度控制单元 该单元由 7805 芯片产生+5V 的稳定电压和一个 24 欧的电阻构成回路。其线路图连接 如图 1-19 所示。 18. 开关及开关及 LED 显示单元显示单元 该单元包括十六组拨动开关及 LED 显示灯，用于

23、输出和指示逻辑电平(正逻辑)。当显 示灯亮时表示逻辑高电平，灭时表示逻辑低电平。其电路连接如图 1-20 所示。 图图 1-19 温度控制单元温度控制单元 图图 1-20 开关及开关及 LED 显示单元显示单元 19. 单次脉冲单元单次脉冲单元 该单元包括两个单脉冲触发器，由 74LS00 芯片和微动开关等构成两路 R-S 触发器。 单脉冲输出分上沿和下沿，分别以“+”和“-”表示。其线路如图 1-21 所示。 图图 3-21 单次脉冲单元单次脉冲单元 20. 扩展单元扩展单元 该单元由若干组排针、单股导线插座和电源引出插座组成，用于将排针形式的电路引 脚和单股导线形式的引脚相互转换。从而为各

24、实验单元的相互配合使用提供方便。另外， 还提供了一块面包板，用户可以自己在上面搭接电路，通过小圆孔和排针与实验平台上的 单元连接，扩展灵活。 第二章第二章 实验要求实验要求 2.1 微机原理及应用实验类型微机原理及应用实验类型 实验的分类方法很多，按性质分，实验的不同类型包括：验证型实验、设计型实验、 综合型实验。本课程涉及到的实验类型主要有：验证型实验和设计型实验。 验证型实验验证型实验 验证型实验作为一种重要的实验形式，无论在科学研究中还是科学教育中都是不可或 缺的，其作用也是任何其他类型的实验所无法替代的,主要培养学生对设备、开发工具的操 作能力，加深对理论的理解。实际上，与课程相关的大

25、部分实验都是验证型实验。实验设 计者给出较为详细的实验步骤，旨在减少实验者摸索的过程，争取在较短的时间内掌握基 本的操作技术。 验证型实验实验方法： 1.明确实验题目、实验目的和实验要求； 2.熟悉实验背景知识； 3.按照实验内容进行实验； 4.分析实验结果书写实验报告。 设计型实验设计型实验 设计型实验：培养学生的设计能力和独立工作的能力。这类实验是课程中较大的实验。 也就是在基本训练的基础上，提出一些有利于启发思维，有应用价值的实验课题，让学生 进行设计型实验。题目描述，以提出任务、要求和阐述应用背景为宜，而如何解决问题， 解决问题的原理、方法和所用仪器等由同学们自行提出并实践。目的是使学

26、生运用所学的 理论知识和实验技能，在实验方法的考虑、使用工具的选择、测试方法的确定等方面受到 比较系统的训练。 设计型实验的方法： 1了解题目要求，明确任务。 2查阅有关资料，画出必要的原理图，寻求各种解决问题的方法。从原理、方法和使 用工具等多方面提出完成课题任务的依据及实验步骤。 3. 做实验。 4. 测试结果评价，总结分析并书写设计报告。 实验设计体系如表实验设计体系如表 2-1： 表表 2-1微机原理及应用微机原理及应用实验体系实验体系 实验实验 类型类型 序序 号号 学学 时时 实验名称实验名称选题要求选题要求代码提示代码提示 12实验一 基本 I/O 接口电路设计实验必作实验程序框

27、架 22实验二 8259 中断控制器应用实验选做实验程序框架 32实验三 8255 并行控制器应用实验必作实验程序框架 42实验四 8254 定时/计数器应用实验必作实验程序框架 52实验五 A/D 转换实验选做实验程序框架 设计设计 型实型实 验验 62实验六 D/A 转换实验必作实验程序框架 设计设计 型实型实 验验 76题目一 十字路口红绿灯闪烁设计实验选做实验无 1.实验的目的、要求、内容、方法详见微机原理及应用指导书。 2.设计型实验独立完成 2.2 实验过程要求实验过程要求 本课程中，实验者必须服从指导教师和实验室工作人员的安排，遵守纪律与实验制度， 爱护设备及卫生。在指定的实验时

28、间内，必须到机房内实验，其余时间可自行设计和分析。 本课程所涉及的程序代码，都要求有较高的可读性和效率。 1.验证型实验：验证型实验： 实验前，预习实验，了解实验背景。按照实验指导书内容进行实验，实验时 注意实现方法以及调试过程等，最后分析实验结果，得出结论，按格式写出实验 报告（详细格式参照附录 A） 。 2.设计型实验：设计型实验： 严格要求自己，自信但不固执，独立完成设计任务，善于接受指导教师的指 导和听取同学的意见，有意识地树立严谨的科学作风，要独立思考，刻苦钻 研，勇于创新，按时完设计任务； 设计题目公布后，学生即可按照指导教师的要求选题。明确设计的目的和重 要性，认真领会设计的问题

29、，读懂设计指导书的要求，学会设计的基本方法 与步骤，积极认真地做好准备工作； 设计过程中，学会如何运用前修知识与收集、归纳相关资料解决具体问题的 方法； 按要求书写设计报告（详细格式参照附录 B） ，认真准备答辩，答辩结束后提 交设计报告和设计代码。 2.3 考核及评分标准考核及评分标准 若实验者在指定上机时间三次不到课，取消考核资格。请假，必须提前出具正式 假条，不接受事后假条。如果发现抄袭、篡改、伪造实验数据，或实验报告和设计报 告雷同，涉及的所有学生的该课程成绩计为 0 分。本课程采用结构化评分，建议比例： 验证设计型实验（50 分）+综合性实验（35 分）其他（15 分） 。验证型实验

30、和设计 型实验主要考核指标如下： 1.验证型实验：验证型实验： 实验者是否真实、认真的完成了本次实验。 以及实验代码是否规范、可读性怎样、效率怎样； 实验报告格式是否规范，是否有抄袭行为等。 2.设计型实验：设计型实验： 设计代码是否调试通过、运行结果是否正确，是否具备良好可读性。 设计报告是否层次清楚、整洁规范、有无相互抄袭。 答辩分为自述和教师提问两部分，自述时间不得超过 5 分钟，内容包括：演 示、描述本课题设计思想、关键代码分析等。考察学生是否思路清晰，逻辑 严谨，表达流畅，答辩结束后，答辩老师根据答辩情况并仔细审查设计报告 和相关文档之后，参照题目的难度以及完成设计的时间，给出本设计

31、的最终 成绩。 第三章第三章 实验内容与指导实验内容与指导 目前，我们所用的微机是一个完善、成熟的系统。在微机内部已经集成了常用的标准 接口，如并行接口、串行接口等。了解、学习接口的工作原理，对正确理解微机原理与应 用是必不可少的。本章针对 32 位微机的接口技术设置了 6 个实验。通过这些实验，使学生 对 32 位微机的 I/O、中断等技术有一定的认识。掌握相关的接口电路原理及应用编程方法。 3.1 实验 1 基本 I/O 接口电路设计实验 3.1.1 实验类型：实验类型： 验证型（2 学时） 3.1.2 实验目的实验目的： （1）熟悉掌握 Tddebug 集成调试软件的使用 （2）掌握基本 I/O 接口电路的设计方法。 （3）熟练汇编语言 I/O 端口操作指令的使用。 （4）了解如何用锁存器和缓冲器构成简单的并行接口。 3.1.3 实验