微机原理(基于PROTEUS的跑马灯系统设计及仿真)

学号：

课程设计

题目基于PROTEUS的跑马灯系统设计及仿真

学院自动化学院

专业自动化

班级

姓名

指导教师

2012 年 1 月12 日任务书

目录

引言 (1)

1总体方案论证 (2)

1.1功能分析 (2)

1.2系统连接图设计 (2)

1.2.1锁存控制电路 (5)

1.2.2可编程并行通信接口芯片8255A (6)

2程序流程图设计及其说明 (9)

3关键程序段落说明 (11)

3.1数据段定义 (11)

3.2程序初始化 (11)

3.3芯片初始化 (12)

3.4初始LED亮灭状态 (12)

3.5检测按键开关子程序 (12)

3.6延时程序片段 (14)

3.7灯光变换控制 (15)

4程序调试说明 (16)

5结果记录及分析 (17)

心得体会 (19)

参考文献............................................................................. 错误!未定义书签。

引言

微型计算机简称微机，由于具备人脑某些功能，所有又叫做微机。是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础，配以存储器及输入输出接口电路和相应的辅助电路构成的裸机。把微型计算机集成在一个芯片上即构成单片微型计算机。学习微机原理与接口技术，主要容包括微型计算机体系结构、8086微处理器和指令系统、汇编语言、设计以及微型计算机各个组成部分，而其中很大一块就是汇编语言的学习。

汇编语言是面向机器的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。用汇编语言编写的程序由于目标程序占用存少，运行速度快，它有着高级语言不可替代的用途。因此，学习汇编语言是很必要的，通过学习汇编语言可以体会它的作用。

通过本次课程设计让我们进一步深入汇编语言的学习，掌握简单的接口设计技术，将理论知识联系实际，进一步学习微机原理与接口技术的相关知识，为以后深入学习打下良好的基础。

1总体方案论证

1.1功能分析

此次课程设计的要求为，设计微型计算机最小系统，实现跑马灯的模拟显示功能。具体要求为：

（1）、输入设备三个启动按钮、一个停止按钮，输出设备为八个跑马灯；（2）、三个启动按钮对应三种跑马灯显示效果，按下任意一个启动按钮，跑马灯显示对应的效果，按下停止按钮则跑马灯全部熄灭。

由上分析可知，我们的硬件的电路需要另行搭建，电路中需包含四个按钮和八个跑马灯以及相关芯片，既有输入设备又有输出设备，经过分析可以使用芯片8255A来实现输入与输出，再加上锁存地址芯片74LS273、译码芯片74LS154以及相关门电路即可构成本设计的硬件电路基础。进一步分析最终决定用8255A 的A口作为输出去控制跑马灯，B口作为按钮信号输入，CPU通过接收输入信号从而发出对应命令去控制8255A芯片A口输出，从而A口输出相应电平控制跑马灯有规律的亮灭。连接好硬件电路后的主要任务就是编写相应程序，通过程序去控制和调度硬件电路的输入与输出。

1.2系统连接图设计

8255A是一种通过可编程并行I/O接口芯片。广泛用于几乎所有系列的微机系统中,8255A具有三个带锁存或缓冲的数据端口,可与外设并行进行数据交换,8255A有多种操作方式,通用性较强,可为CPU与外设之间提供输入/输出通道。8255A和各端口具有中断控制逻辑,在外设与CPU之间可用中断方式进行信息交换,使用条件传输方式时可用“联络”线进行控制。在本次课程设计中,我们运用8255A为CPU与外设之间提供输入输出输出通道来实现对跑马灯花样变换的控制。

8086微处理器，选择最小工作模式，所有的总线控制信号均由8086产生；8086CPU的地址\数据总线AD15-AD0和地址\状态总线A16/S3-A19/S6是复用

的，必须通过地址锁存器把地址总线和数据总线分离。

跑马灯硬件电路如图1所示。电路包括8个LED彩灯、三片74LS273、一片74LS154、一片8086CPU、一片8255A以及若干导线和电阻。用LED可以观测在不同按键输入下，跑马灯花样的变化效果。

如图1所示我们利用启动按钮作为输入信号，通过8255A端口扩展芯片，调节输出端口的电平变化，来控制共阳极的LED灯的亮与灭，实现跑马灯不同的花样变化。

图1 跑马灯硬件电路图

1.2.1锁存控制电路

锁存控制电路电路如图2所示，在微控制器单元（MCU）中，寄存器是十分重要的资源。寄存器的主要作用是快速寄存算术逻辑运算单元（ALU）运算过程中的数据，其锁存功能利用74LS273来实现，74LS273是一种带清除功能的8D触发器，1D~8D为数据输入端，1Q~8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作数据锁存器，地址锁存器。

D0~D7：输入，Q0~Q7：输出；

第一脚WR：主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；

CP（CLK）：触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0~D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0~D7的数据不变。

CPU向外部发出地址锁存允许信号，从而使74LS273锁存地址信号，在通过译码芯片74LS154控制接口芯片8255A，在此系统中充当一个桥梁的作用。这部分电路将相应信号传送给8255A的A0、A1和CS片选，进而CPU开始控制8255A从而驱动发光二极管显示不同的样式。

图2 锁存控制电路

1.2.2可编程并行通信接口芯片8255A

芯片8255A有三种工作方式，他们分别是方式0、方式1、方式2，电路如图3所示。

方式0为简单I/O，查询方式，端口A、端口B、端口C均可使用；

方式1为选通I/O，中断方式，端口A、端口B可以使用，选通的输入/输出方式；

方式2为双向I/O，中断方式，只有端口A可以使用，双向的传输方式。

方式0也叫基本输入/输出方式。一种方式，不需要应答联络信号，端口A、端口B和端口C的高4位及低4位都可以作为输入或输出端口。方式0的应用

场合有无条件传送和查询传送2种；故根据我们系统设计的要求，综上可知，选择8255A为工作方式0，A口作为输出、B口作为输入。

8255A的3种基本工作方式由方式控制字来决定，D7＝1（特征位）表明是设定方式选择控制字；D7=0，则表示是端口C按位置位/复位控制字。端口C分成高4位(PC7～PC4)和低4位(PC3～PC0)，可分别设置成输入端口或输出端口；端口C的高4位与端口A配合组成A组，端口C的低4位与端口B配合组成B 组。

综上可得此系统需要满足A端口为输出，输出数据给到8个LED彩灯；端

口B为输入，需要检测按键的输入情况。

图3 芯片8255A接口电路

1.3算法说明

本程序涉及芯片8255A的初始化，因此首先需要确定端口地址，CPU向8255A 送出方式控制字，进而8255A的A口作为输出、B口作为输入；定义控制LED 灯的相应数据段，由于需要LED亮后持续一段时间这就需要一个相应的延时程序片段，需要确定B口那个按钮开关按下，这就需要一个扫描B口开关按下的子程序，从而CPU发出相应控制等操作给A口送出相应电平，LED显示相应的亮灭。

因此，主要要点就是找对端口地址，这个是程序能够运行的必需品，通过分析硬件线路可以正确找到A口、B口以及控制口的地址。

2程序流程图设计及其说明

主程序流程图如图4所示：

图4 主程序流程图

检测按键延时控制LED子程序流程图如图5所示：

图5 子程序流程图

3关键程序段落说明

3.1数据段定义

dseg segment

num dw 0

data1 db 0FEh,0FDh,0FBh,0F7h,0EFh,0DFh,0BFh,7Fh data2 db 7Fh,0BFh,0DFh,0EFh,0F7h,0FBh,0FDh,0FEh data3 db 7Eh,0BDh,0DBh,0E7h,0E7h,0DBh,0BDh,7Eh dseg ends

三种灯光变幻组合为：

第一种为L1→L2→L3→L4→L5→L6→L7→L8；

第二种为L8→L7→L6→L5→L4→L3→L2→L1；

第三种为L1L8→L2L7→L3L6→L4L5→L3L6→L2L7→L1L8。dw为灯光循环的控制次数。

3.2程序初始化

cseg segment para public 'code'

assume ss:sseg,cs:cseg,ds:dseg

start:

mov ax,dseg

mov ds,ax

初始化程序。

3.3芯片初始化

mov dx,0206h ;取8255A的控制端口的地址

mov al,82h ;初始化8255A的A口为输出模式，B口为输入模式out dx,al

82h即为10000010b，也就是说将A口定义在方式0下并且作为输出，B口定义在方式0下并且作为输入，因此这个方式控制字不是唯一的，其通用形式为1000X01X，C口没有定义故可以为任意二进制数。

mov dx,0200h ;取8255的端口A的地址

mov al,0FFh ;使8255的PA0-PA7全为1

out dx,al

上边这个程序段是往外送数据置LED亮灭的。

mov dx,0202h ;取8255的端口B的地址

in al,dx ;检测B口输入信号

这个是将B口开关闭合信息读回来的，从而发出相应控制命令。

3.4初始LED亮灭状态

mov dx,0200h ;取8255的端口A的地址

mov al,0FFh ;使8255的PA0-PA7全为1

out dx,al ;使所有的灯LED全灭

电路上电工作后首先要使所有的LED灯全灭，防止对后面的显示造成影响。3.5检测按键开关子程序

ledflash proc ;检测开关闭合,以便确定哪种闪烁方式

mov dx,0202h ;取8255A的端口B的地址

in al,dx ;检测B口输入信号

choice1:

cmp al,0feh

jne choice2

mov si,offset data1 ;置第一种灯光变幻组合

jmp here

choice2:

cmp al,0fdh

jne choice3

mov si,offset data2 ;置第二种灯光变幻组合

jmp here

choice3:

cmp al,0fbh

jne choice4

mov si,offset data3 ;置第三种灯光变幻组合

jmp here

choice4: ;每盏灯亮完检测开关，如果停止开关没有按下跳到choice5，如果停止开关按下灯全灭

cmp al,0f7h

jne choice5

jmp exut

choice5:

cmp num,0h;检测num是否为0，若为0扫描开关，若不为0继续执行

jne here

jmp ledflash

here:

mov bx,num

mov al,[si+bx]

mov dx,0200h ;取8255的端口A的地址

out dx,al ;输出加电数据到端口A

inc num ;改变数字变量的值

cmp num,09h

je exit

mov cx,005fh

dl4: mov bx,00ffh

dl3: dec bx

jnz dl3

dec cx

jnz dl4

jmp ledflash

exit:

mov num,0

ret

ledflash endp

检测到开关闭合置相应灯光变换。

3.6延时程序片段

mov cx,04c9h

dl4: mov bx,04c9h

dl3: dec bx

jnz dl3

dec cx

jnz dl4

通过双层循环从而实现软件延时，延时计算公式为((cx)*(bx))/f，f为CPU的频率，CPU频率为1500kHz，可以计算得到程序大致延时为1s。

3.7灯光变换控制

here:

mov bx,num

mov al,[si+bx]

mov dx,0200h ;取8255的端口A的地址

out dx,al ;输出加电数据到端口A

inc num ;改变数字变量的值

cmp num,09h

je exit

通过指针移动，逐个选中相应的数据置相应的灯光变换，共八种即一轮LED显示完成。

4程序调试说明

（1）、存空间分配，汇编语言的重要特点之一是能够直接利用机器指令或者伪指令为数据或者代码程序分配存空间，86系列（如8086微处理器）的存储器结构是分段的，有代码段，数据段，堆栈段或附加段，在程序设计时要充分考虑分段结构，要执行的程序段应设在当前段（活动段）中；分配存空间：直接在proteus 里面将8086CPU的internal memory size设置成一个足够用的空间大小，如0x1000，默认的空间大小是0x00000，如不改则仿真不成功。

程序在运行时所需要的工作单元应尽可能的设在CPU寄存器中，这样存取速度快，而且操作方便；在此系统源程序中都采用8086CPU的全部通用寄存器：累加器AX，基数寄存器BX，基数寄存器CX，数据寄存器DX；和堆栈指针寄存器SI。

（2）、unknow 1-byte opcode at B900:7056! 61

[SPICE]error---too many iterations without convergence

在仿真过程中，出现以上两行的错误，太多的迭代没有收敛性，和某个汇编语言在编码过程中的地址不正确，经过排查程序去除无用代码，proteus不再报错。（3）、8255A隐藏引脚问题，需要设置芯片Hidden Pins里的GND改为VSS，VCC改为VDD。

（4）、程序一开始是将延时环节作为一个独立子程序，运行过程中由于部分情况下不满足题设，故将延时子程序改为程序段落写到检测按键的子程序中问题得以解决。