微機原理與接口課程設計.doc

合肥學院電子信息與電氣工程系微型計算機原理與接口技術課程設計報告20122013學年第一學期課程 微型計算機原理與接口技術 課程設計名稱流水線的工件計數(shù)報警學生姓名張利學號1005071023專業(yè)班級通信（1）班指導教師1、題義分析及解決方案1.1、課程設計名稱及內(nèi)容：用STAR ES598PCI單板開發(fā)機，設計一款流水線的工件計數(shù)報警設計要求：8086系統(tǒng)中應用8253的通道0來對流水線的工件計數(shù)，當計滿500個從OUT0端產(chǎn)生一個高電平中斷請求信號。CPU響應中斷就使通道1的OUT1端產(chǎn)生頻率為1000Hz的方波推動揚聲器發(fā)聲，時間為5s，GATE1通過I/O端口接到DB總線D0位地址為88H，8253各端口的地址為80-86H，CLK1接2MHz信號，Delay為延時程序，中斷類型碼為N 1.2、題意需求分析根據(jù)本設計給定的內(nèi)容和要求，分析得出初步的設計思路：本設計中需要用到的主要有兩種芯片（8253和8259A），一種用來計數(shù)并產(chǎn)生中斷，另一種則用來對中斷信號做出響應，并驅(qū)動揚聲器。其中最核心的是實現(xiàn)計數(shù)和響應中斷。這里我們考慮到要用到可編程計數(shù)器8253的方式0和方式1，8253中方式0時一次中斷計數(shù)，方式1是可編程觸發(fā)器，我們用方式的OUT0的輸出高電平來觸發(fā)中斷。中斷服務程序用方式3產(chǎn)生1000Hz的方波。由于8253的方式0只是實現(xiàn)一次計數(shù)，如果不重新裝入初值就不會再次觸發(fā)，所以要實現(xiàn)循環(huán)只需要每次都循環(huán)裝入初值就可以了。1.3、解決問題的思路及方法1.3.1、硬件部分：2.1.2 8253A的功能分析8253A是一種可編程的定時器/計數(shù)器芯片，它可用于計數(shù)、分頻、定時器等的方面。8253的主要性能為：內(nèi)有三個獨立的16位計數(shù)器，最大計數(shù)范圍為065535；工作方式可編程控制，可編程6種不同的工作方式；所有輸入和輸出都與TTL兼容。計數(shù)脈沖頻率為0MHZ-2.6MHZ，可以按二進制或BCD碼計數(shù)，使用單一+5V電源2.1.3 8253的內(nèi)部結構8253的內(nèi)部結構如圖一所示，由數(shù)據(jù)總線緩沖器、控制寄存器、讀/寫控制邏輯和計數(shù)器等部分組成。 圖一（1）、數(shù)據(jù)總線緩沖器：三態(tài)，雙向的8位緩沖器，用于將8253與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線連接。CPU執(zhí)行I/O指令時，緩沖器發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，用于寫入8253控制字，裝入計數(shù)初值或讀出當前計數(shù)值。（2）、讀/寫邏輯：決定三個計數(shù)器和控制字寄存器中哪一個能進行工作，并控制內(nèi)部總線上數(shù)據(jù)傳送的方向。 CS片選信號：低電平有效(此時CPU才能對 8253進行讀寫操作)，由地址總線經(jīng)I/O端口譯碼電路產(chǎn)生。 RD讀信號：低電平有效，表示CPU正在讀取所選定的計數(shù)器通道中的內(nèi)容。 WR寫信號：低電平有效，此時表示CPU正在將計數(shù)初值寫入所選中的計數(shù)通道中或?qū)⒖刂谱謱懭肟刂萍拇嫫髦小?A1A0端口選擇信號：8253內(nèi)部有3個計數(shù)器通道和一個控制寄存器端口。A1A0=00,01,10表示分別選中計數(shù)器通道0,1,2，當A1A0=11時選中控制寄存器端口。（3）、控制寄存器：接收從CPU來的控制字，并由控制字的D7、D6位的編碼決定該控制字寫入哪個計數(shù)器的控制寄存器，控制寄存器只能寫入，不能讀出。 （4）、計數(shù)器0-2：當8253用作計數(shù)器時，加在CLK引腳上脈沖的間隔可以是不相等的；當它用作定時器時，則在CLK引腳應輸入精確的時鐘脈沖，8253所能實現(xiàn)的定時時間，取決于計數(shù)脈沖的頻率和計數(shù)器的初值，即：定時時間=時鐘脈沖周期Tc預置的計數(shù)初值n。對8253來講，外部輸入到CLK引腳上的時鐘脈沖頻率不能大于2MHZ，否則需分頻后才能送到CLK端。2.1.4 8253內(nèi)部引腳功能8253是一片具有3個獨立通道的16位計數(shù)器/定時器芯片，使用單一+5V電源，24引腳雙列直插式封裝，如圖二所示。圖二2.1.4.1、與CPU的接口信號（1）D0D7三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線。與CPU數(shù)據(jù)總線相連，用于傳遞CPU與8253之間的數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息； （2）CS片選信號（Chip Select），輸入，低電平有效； （3）WR寫信號，輸入，低電平有效，用于控制CPU對8253的寫操作，可與A1，A0信號配合以決定是寫入控制字還是計數(shù)初值； （4）RD讀信號，輸入，低電平有效。用于控制CPU對8253的讀操作，可與A1，A0信號配合讀取某個計數(shù)器的當前計數(shù)值； （5）A0，A1地址輸入線。用于8253內(nèi)部尋址的4個端口，即3個計數(shù)器和一個控制字寄存器。一般與CPU低位的地址線相連。 2.1.4.2、與外部設備的接口信號（1）CLK0（CLK1，CLK2）時鐘脈沖輸入端，用于輸入定時脈沖或計數(shù)脈沖信號。CLK可以是系統(tǒng)時鐘脈沖，也可以是由其他脈沖源提供。8253規(guī)定加在CLK引腳的輸入時鐘周期不得小于380ns； （2）GATE0（GATE1，GATE2）門控輸入端，用于外部控制計數(shù)器的啟動或停止計數(shù)的操作。當GATE為高電平時，允許計數(shù)器工作，當GATE為低電平時，禁止計數(shù)器工作； （3）OUT0（OUT1，OUT2）計數(shù)輸出端。在不同工作方式中，當計數(shù)器計數(shù)到0時，OUT引腳上必輸出相應的信號。 2.1.5 8253的工作方式方式0計數(shù)結束中斷方式 (Interrupt on Terminal Count)方式1 可編程的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(Programmable One Short)方式2-比率發(fā)生器、分頻器 (Rate Generator) 方式2用門控信達到同步計數(shù)的目的。方式3-方波發(fā)生器 (Square Wave Generator)方式3的工作過程同方式2，只是輸出的脈寬不同。方式4 軟件觸發(fā)選通方式 (Software Triggered Strobe) 用方式4工作時，GATE門控信號只是用來允許或不允許定時操作的，定時的執(zhí)行過程由裝入的初值決定。方式5 硬件觸發(fā)選通方式 (Hardware Triggered Strobe)方式5為硬件觸發(fā)選通方式，完全由GATE端引入的觸發(fā)信號控制定時和計數(shù)。2.1.6 8253芯片可編程外圍信號狀態(tài)表表32.1.7 所選用8253的工作方式本實驗要求產(chǎn)生頻率初值，并且根據(jù)步進值來調(diào)節(jié)頻率和占空比，這樣我們想到了8253的工作方式0,每次都裝入初值。而要調(diào)節(jié)占空比的時候要考慮到高電平的輸入，這樣在周期固定的情況下就必須使用方式1，可編程觸發(fā)器，即可編程單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，此時GATE具有控制裝入的功能。下面我就介紹一下這兩種工作方式的原理以及時序圖。（1） 首先是方式0-計數(shù)結束產(chǎn)生中斷在這種工作方式下，當GATE為1時，寫入控制字和計數(shù)值后，需要一個CLK脈沖周期計數(shù)初值才能被送到計數(shù)器減一部件。OUT是在寫入控制字后變成低電平，直到計數(shù)器減到0才變成高電平。OUT端輸出信號可以作為中斷請求信號。計數(shù)器在外部時鐘作用下，每個時鐘周期減一。當GATE為0時，每次寫入數(shù)值可以獲得一個負脈沖，計數(shù)停止。 圖1.5.1 正常計數(shù)圖1.5.2GATE信號的作用圖1.5.3方式2時計數(shù)過程中改變計數(shù)值（2）、方式1-可編程觸發(fā)器在這種工作方式下，寫入控制字和計數(shù)初值后，計數(shù)開始是以GATE的上升沿觸發(fā)。之后，OUT輸出低電平，次低電平一直維持到計數(shù)器減到0。這樣就可以從OUT輸出一個負脈沖，該負脈沖由GATE上升沿之后的下一個CLK脈沖的下降沿開始，負脈沖的寬帶為計數(shù)值乘時鐘脈沖時間長度。若想再次獲得同樣寬度的負脈沖，只要GATE上升沿再觸發(fā)一次即可?？梢?，這種方式下，裝入計數(shù)值后可以多次觸發(fā)。 圖1.5.4 正常計數(shù) 圖1.5.5 GATE信號的作用 圖1.5.6改變初值2.1.8 8253的控制字與初始化編程 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0計數(shù)器讀寫格式工作方式數(shù)制D7、D6：00-選擇通道0 01-選擇通道1 10-選擇通道 11-無效D5、D4：00-計數(shù)器鎖存 01-只讀寫計數(shù)器低字節(jié) 10-只讀寫計數(shù)器高字節(jié) 11-先讀寫計數(shù)器低字節(jié)，再讀寫計數(shù)器高字節(jié)D3、D2、D1：000-方式0 001-方式1 *10-方式2 *11-方式3 100-方式4 101-方式5D0：1-BCD碼計數(shù) 0-二進制計數(shù)2.1.9 8253A的技術參數(shù)表4參數(shù)名稱符號測試條件最大規(guī)范值最小規(guī)范值輸入低電平電壓VIL0.8V-0.5V輸入高電平電壓VIAVcc+0.5 V2.2V輸出低電平電壓VOLVin=Vcc-0V0.45 V輸出高電平電壓VOHVout=Vcc-0.45V2.4V輸入負載電流IIL+/-10 V輸出浮動漏電流IOFL+/-10 V電源電流Icc140 V8253A主要參數(shù)分析：輸入低電壓的范圍是-0.5 V0.8 V，輸出低電壓的范圍0.45 V2.4 V，輸入高電壓的范圍是2.2 VVcc+0.5 V。而測試條件均為Vin=Vcc-0V，Vout=Vcc-0.45V。2.2 、選擇8259芯片1）芯片8259A在本設計中的作用本設計中用于中斷源的判斷2）芯片8259A的功能分析18259A的主要特性微機系統(tǒng)中，可以使用8259A 擴展外部中斷，Intel 8259A 可編程中斷控制器，主要有以下功能： 1片8259A 能管理8級中斷，通過級聯(lián)用9片8259A可以構成64 級主從式中斷系統(tǒng)。 每一級中斷可以屏蔽或允許。中斷響應周期，8259A 可提供相應的中斷類型號。編程使8259A 工作在多種不同的方式。 28259A 的內(nèi)部結構與引腳信號 數(shù)據(jù)總線緩沖器8位、雙向、三態(tài)，是8259A與 CPU 之間的數(shù)據(jù)接口。 D0D7直接與CPU 數(shù)據(jù)總線的低8位連結。 讀/寫控制邏輯CS 接高位地址的譯碼輸出A0：常常與地址信號線A0相連。 RD，WR與CPU的RD，WR相連，低平有效。CPU 通常利用： OUT 指令，WR與A0配合寫入有關的控制字IN 指令，RD與CS，A0配合讀出8259A內(nèi)部有關寄存器的內(nèi)容。中斷請求寄存器 IRR8 位，若IRi 有效(“1”,)，對應位置“1”，直到IRi 得到響應。 因此，IRR記錄外中斷源IRi的請求信息。中斷服務寄存器 ISR8位，當IRi得到響應時，對應位置“1”。ISR 記錄正在處理的IRi，當中斷嵌套時，可能多位置“1”。 因此，ISR記錄CPU對IRi的響應情況。中斷屏蔽寄存器 IMR8位，某位置“ 1”，對應IRi 禁止產(chǎn)生中斷。因此，IMR控制是否對IRi進行屏蔽操作。優(yōu)先權電路實現(xiàn)優(yōu)先權的判斷與處理，采用編碼器和比較器電路，如下圖所示。圖2-7 中斷優(yōu)先權電路控制邏輯由IRR 和PR 的情況，向8259A 其它部件發(fā)出控制信息。向CPU 發(fā)出INT 信號，接收CPU信號 級聯(lián)緩沖/比較器可以實現(xiàn)8259A的級聯(lián)，擴展外中斷。 38259A 的中斷處理過程下面以8259A單片使用為例，說明其中斷處理過程。當一條或多條中斷請求線IR0 IR7變高時，設置相應的IRR位。PR對中斷優(yōu)先權和中斷屏蔽寄存器的狀態(tài)進行判斷之后，如某中斷優(yōu)先權最高且為允許中斷狀態(tài)，就向CPU發(fā)高電平信號INT，請求中斷服務。CPU響應中斷時，送回應答信號 INTA 。8259A接到來自CPU的第一個信號INTA時，當前中斷服務寄存器（ISR）中相應位置位，并把IRR中相應位復位。同時，8259A準備向數(shù)據(jù)總線發(fā)送中斷類型號。在8259A發(fā)送中斷類型號的后一個INTA 脈沖期間，如果是在AEOI(自動結束中斷)方式下，在這個 INTA 脈沖結束時復位ISR的相應位。在非自動中斷結束方式下，ISR相應位要由中斷服務程序結束時發(fā)出的EOI命令來復位。48259A 的工作方式8259A有多種工作方式，這些工作方式可以通過初始化命令字（ICW1ICW4）和操作命令字（OCW1OCW3）來設置。引入中斷請求的方式邊沿觸發(fā)方式。以上跳沿向8259A請求中斷，上跳沿后可一直維持高電平，不會再產(chǎn)生中斷。電平觸發(fā)方式。以高電平申請中斷，但在響應中斷后必須及時清除高電平，以免引起第二次誤中斷。中斷查詢方式。外設通過8259A申請中斷，但8259A卻不使用INT信號向CPU申請中斷，CPU用軟件查詢確定中斷源，并為其服務連接系統(tǒng)總線的方式在大系統(tǒng)中，要求數(shù)據(jù)總線有總線緩沖器。8259A與這種帶總線緩沖器的系統(tǒng)總線連接的方式稱緩沖器方式。在小系統(tǒng)中，則8259A不需要總線緩沖器而是將其直接接至數(shù)據(jù)總線。8259A與這種不需總線緩沖器而直接連到系統(tǒng)總線的方式稱非緩沖器方式。屏蔽中斷源的方式普通屏蔽方式。利用操作命令字OCW1，使屏蔽寄存器IMR中的一位或幾位置1來屏蔽一個或幾個中斷源的中斷請求。若要開放某一個中斷源的中斷請求，則將IMR中相應的位置0。特殊屏蔽方式。在某些場合，在執(zhí)行某一個中斷服務程序時，要求允許另一個優(yōu)先級比它低的中斷請求被響應，此時可采用特殊屏蔽方式。它可通過OCW3的D6D511來設定。優(yōu)先級排隊的方式全嵌套方式。在此種方式下中斷優(yōu)先級按0 7順序進行排隊，只允許中斷級別高的中斷源去中斷中斷級別低的中斷服務程序。特殊全嵌套方式。它和全嵌套方式基本相同，所不同的是在特殊全嵌套方式下，當執(zhí)行某一級中斷服務程序時，可響應同級的中斷請求，從而實現(xiàn)對同級中斷請求的特殊嵌套(8259A級聯(lián)使用時，某從片的8個中斷源對主片來說，可以認為是同級的)。特殊全嵌套方式用于多片級聯(lián)。優(yōu)先級自動循環(huán)方式。在這種方式下，優(yōu)先級順序不是固定不變的，一個設備得到中斷服務后，其優(yōu)先級自動降為最低。其初始的優(yōu)先級順序規(guī)定為IR0，IR1，IR7。該方式用在系統(tǒng)中多個中斷源優(yōu)先級相等的場合。優(yōu)先級特殊循環(huán)方式。這種方式與優(yōu)先級自動循環(huán)方式唯一的區(qū)別是，其初始的優(yōu)先級順序不是固定IR0為最高，然后開始循環(huán)，而是由程序指定IR0 IR7中任意一個為最高優(yōu)先級，然后再按順序自動循環(huán)，決定優(yōu)先級。結束中斷的處理方式自動中斷結束方式。在中斷服務程序中，中斷返回之前，不需發(fā)中斷結束命令就會自動清除該中斷源所對應的ISR位（實際上在CPU發(fā)第二個信號時，8259即自動消除ISR中的對應位）。這種方式用在多個中斷不會嵌套的系統(tǒng)中。非自動中斷結束方式。在中斷服務程序返回之前，必須發(fā)中斷結束命令才能使ISR中的當前服務位清除。58259A 的初始化命令字8259A 初始化編程時，有四個初始化命令字ICW(Initialiation Command Word)，即ICW1ICW4 ；8259A工作期間，有三個操作命令字OCW(Operation Command Word)，即OCW1OCW3。 8259A 只有兩個端口地址 ，A0=0 偶地址端口/A0=1 奇地址端口 。因此，對8259A讀/寫操作時，要注意控制字：寫入的端口地址，寫入的順序，有關的標志位ICW1(IRi 觸發(fā)方式，是否單片使用，是否寫入ICW4)A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0XXX1標記位LTIMXSNGICW4是否寫入ICW4IC41，要寫入ICW4IC40，不寫入ICW4，即ICW4規(guī)定的位全為0ICW2(中斷類型號的高5位)A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01T7T6T5T4T3XXXIRi對應中斷類型號的高5位(中斷類型號的低3位由8259A 自動編碼產(chǎn)生)設置中斷向量號T7T3為中斷向量號的高5位低3位由8259A自動確定：IR0為000、IR1為001、IR7為111ICW3(級聯(lián)時，主從芯片的級聯(lián)引腳)若ICW1 中SNGL=1不寫入ICW3 =0寫入ICW3D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0S7 /ID7S6 /ID6S5 /ID5S4 /ID4S3 /ID43S2/ID2S1/ID1S0/ID0級連命令字主片8259A：Si1對應IRi接有從片；否則IRi沒有連接從片從片8259A：ID0ID2編碼說明從片INT引腳接到主片哪個IR引腳(1) 寫給主片的ICW3ICW4A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01000SFNM BUFM/SAEOI1D7，D6，D5為標志位，D0為1表示用于8088/8086系統(tǒng)SFNM: 規(guī)定8259A中斷的嵌套方式 SFNM=0 正常的完全嵌套方式 =1 特殊的完全嵌套方式(單片使用時，兩種方式一樣。)68259A 的操作命令字OCW1（中斷屏蔽操作命令字）設置或清除IMR 的各個位。D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 M7M6M5M4M3M2M1M0屏蔽命令字內(nèi)容寫入中斷屏蔽寄存器IMRDiMi對應IRi，為1禁止IRi中斷；為0允許IRi中斷。各位互相獨立。OCW2 (優(yōu)先權循環(huán)方式和中斷結束方式操作命令字)D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0RSLEOR00L2L1L0R、SL和EOI配合使用產(chǎn)生中斷結束EOI命令和改變優(yōu)先權順序L2L0的3位編碼指定IR引腳 OCW3(特殊屏蔽方式和中斷查詢方式操作命令字)D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00ESMMSMM01PRRRISESMM、SMM設置中斷屏蔽方式P、RR和RIS規(guī)定隨后讀取的狀態(tài)字含義78259A 查詢字D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01-W2W1W0中斷位I位為1，有外設請求中斷W2W0的編碼當前中斷請求的最高優(yōu)先級3、控制程序設計3.1. 控制程序設計思路實驗代碼：.MODELTINYCOM_ADDREQU0086HT0_ADDREQU0080HT1_ADDREQU0081H.STACK100 .CODESTART:MOV DX,COM_ADDR MOV AL,31H OUT DX,AL;計數(shù)器T0設置在模式0狀態(tài),BCD碼計數(shù) MOV DX,T0_ADDR MOV AL,00 OUT DX,AL MOV AL,05 OUT DX,AL;寫入初值500 CALL Init8259Init8259PROCNEARMOVDX,IO8259_0MOVAL,1BHOUTDX,AL;向偶地址端口寫入ICW1=13H,單片，寫入ICW4,高電平觸發(fā)MOVDX,IO8259_1MOVAL,08HOUTDX,AL;向奇地址端口寫入ICW2=08H,中斷類型號從08H-0FHMOVAL,09HOUTDX,AL;向奇地址端口寫入ICW4=09H,正常的嵌套方式, 緩沖方式，從片，非自動中斷結束方式，16位8086MOVAL,0FEH OUTDX,AL;向奇地址端口寫入OCW1=0FEH屏蔽寄存器，允許IR0產(chǎn)生中斷，其他中斷請求被屏蔽RETInit8259ENDP ZHONGDUAN: MOV DX,COM_ADDR ;中斷服務程序 MOV AL,77H OUT DX,AL;計數(shù)器T1為模式3狀態(tài)，輸出方波,BCD碼計數(shù) MOV DX,T1_ADDR MOV AL,00H OUT DX,AL MOV AL,10H OUT DX,AL;CLK1/1000 JMP$;OUT1輸出頻率為1000HZ的方波 END START3、程序設計流程圖及原理圖3.1、程序流程圖YN結束初始化8253，產(chǎn)生預置方波，驅(qū)動揚聲器OUT0為高電平？開始初始化PCI板卡，將偏移地址轉(zhuǎn)化為實地址初始化8253初始化82593.2、程序原理圖4、上機調(diào)試過程4.1調(diào)試分析主要是對兩個芯片的調(diào)試，即8253芯片，8259芯片。首先， 8253芯片主要是計數(shù)作用并引發(fā)中斷。4.2 設計遇到的問題如何解決時延問題？如果用到方式1和方式2結果又如何呢？5、設計結果分析以及心得體會5.1總結在作課程設計之前，由于查閱了各種資料，了解到很多功能相似的芯片性能，通過比較選出最適合本設計的硬件搭配，拓寬了知識面。在設計的過程中，程序的設計出現(xiàn)了很多問題，幾乎都是是邏輯上出現(xiàn)的問題而且具有很強的隱蔽性，不易被發(fā)覺，這需要反復進行單步調(diào)試細心觀察每一步各個寄存器的變化。通過本次的課程設計，強化了匯編語言的編程能力，了解到各個部件之間的連接及協(xié)調(diào)工作。學到了關于微機原理課程的更多相關內(nèi)容。完成這次課程設計，不僅要掌握這些硬件，還要有一定匯編語言基礎，熟練匯編編程，此次課程設計需構建多個子程序，把每個功能分成一個一個得小子程序來實現(xiàn)，使程序最優(yōu)化，讓讀者看起來一目了然，同時增加程序的可讀性，提高運行速度，要充分掌握調(diào)用子程序。在程序調(diào)試時單步調(diào)試非常重要，往往在程序正確的情況下得到的結果不對，通過單步調(diào)試可以一步一步的檢查找出問題。這次實驗中我就出現(xiàn)了一個這樣的問題，檢查了程序幾篇都沒發(fā)現(xiàn)錯，還讓別人幫我檢查了也沒有查出，最后通過單步調(diào)試才解決了這個問題。還有就是關于波形不規(guī)范的問題，8253的方式0和方式1由于每次都裝入初值，所以肯定會產(chǎn)生時延