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

班级：计科班

设计题目：电子计算器

成员：

指导教师：职称：

年月

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

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

目录

1 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 (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 (10)

3.1流程图 (10)

3.2源程序代码 (11)

4 问题与解决方案 (26)

5 成果展示 (26)

6 总结 (27)

7 心得体会与收获 (27)

8参考文献 (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。

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

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。

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10010000，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。

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

2.5.1 电路连接实物图

图2-6 电路实物图

2.5.2实验电路图

2.5.3 功能模块图

图2-8 功能模块图

3 软件方案3.1 流程图

3.1.1键盘扫描流程图

图3-9 扫描流程图3.1.2 计算器运算流程图

图3-10 运算流程图

3.2 程序源代码

port_a equ 280H

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 10010000B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

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;

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

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

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,00010000b

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;

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

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

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