16x64 LED点阵汉字显示屏的设计

16x64-LED点阵汉字显示屏的设计

基于单片机的点阵汉字显示屏的设计

摘要

LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而成.

LED点阵显示屏可以显示数字或符号，通常用来显示时间、速度、系统状态等。

本设计是4个16X 16点阵LED电子显示屏的设计。整机以美国ATMEL公司生产的40脚单片机

80C51为核心，介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。通过该芯片控制一个行驱动器74LS138和八个列驱动器4049来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示4个汉字，采用16块8 x 8点阵LED显示模块来组成4个16x16点阵显示模式。显示采用动态显示，使得文字能够实现静止显示方式。文中详细介绍了LED点阵显示

的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及使用说明等。

关键词：80C51单片机;LED;点阵显示；动态显示

The design of display Chinese

characters based on MCU

Abstract

LED dot matrix display as a new display device, is composed of multiple independent package from the LED light emitting diodes. LED dot matrix display can display numbers or symbols, usually used to display time, speed, the system state.

This design is the design of 4 16 * 16 dot-matrix LEDelectronic display screen.

The machine to the United States of America ATMEL company production of 40 feet 80C51 MCU as the core, introduces the dynamic design and the development of its control system for LED dot matrix display process. The chip controls good driver 74LS138 and eight row driver 4049 to drive the display screen to display. The electronic screen can display 4 Chinese characters, using the display module is composed of 4 16x16 dot matrix display mode 16 blocks of 8 x 8 dot matrix LED.

Shows the dynamic display, making the text to achieve a static display mode. This paper introduces in detail the LED dot matrix display hardware design, hardware circuit of each part of the function and principle, the corresponding software program design, as well as the use and so.

Keywords: 80C51; LED; dot matrix display; dynamic display

第一章绪论

1.1 1.2 1.3 1.4 课题背景. ... 国内外研究现状选题目的及意义生产需求状况.

第二章第三章1.5 LED 电子显示屏概述 ........... 系统方案设计与论证...............

2.1 数据传输方案.................

2.2 系统硬件方案.................

2.2.1 单片机 .............

2.2.2 EDA 电子设计自动化系统硬件的设计.............................

3.1 3.2

第四章

目录

电路原理图. .................

系统硬件概述. ...............

3.2.1 80C51 单片机简介.

3.2.2 译码器及点阵显示屏元件清单.

显示原理及控制方式分析........

3.4.1 LED 点阵模块结构. ..

3.4.2 LED 动态显示原理..

3.4.3 LED 控制方式. ......

系统软件的设计.....................

4.1

3.3

3.4

系统程序的设计. ....................

4.1.1 显示驱动程序 ...............

4.1.2 系统主程序 .................

程序流程图. ........................

字模生成. ..........................

4.3.1 LED 显示屏领域字模实现技术

4.3.2 字库生成....................

4.4 Keil 软件调试 ........................

4.5 Protues 仿真. .......................

4.2

4.3

总结........... 附录：程序代码

参考文献...... 致谢...........

0 0 0 1 1 2 3 3 4 4 4 6 6 7 7 8 9 10

10

11

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23

1.1 课题背景

LED 显示屏的发展可分为以下几个阶段：

第一阶段为 1990年到 1995年，主要是单色和 16级双色图文屏。用于显示文字和简 单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。

第二阶段是 1995年到 1999年，出现了 64级、 256级灰度的双基色视频屏。 视频控制 技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将 LED 显示屏提升到了一个新的台阶。LED 显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。

第三阶段从1999年开始，红、纯绿、纯蓝LED 管大量涌入中国，同时国内企业进行 了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色 LED 生产的全彩色显示屏被广泛应用，大量进 入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内的大屏幕带入全彩时代。

随着LED 原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从 2001年面世，主要用在室内全彩屏， 并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所 接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过 3亿元，表面贴装全彩色LED 显示屏应用 市场进入新世纪。

1.2 国内外研究现状

目前，我国半导体LED 作为节能、环保的主要技术，已被纳入国家长期科技发展规划 与“十一五”国家“ 863”高新技术产业化重大项目，并得到了大力支持。我国

屏产业在规模发展的同时， 产品技术推陈出新， 一直保持比较先进的水平。 90 年代初即具 备了成熟的 16 级灰度 256 色视频控制技术及无线遥控等国先进水平技术，近年在全彩色

LED 显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内

先进、达到国际水平的技术和产品出现；

LED 显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内

企业开发生产并得到应用。我国的 LED 显示应用产业近年将持续保持高速增长，未来发展

空间巨大，但产业发展的风险和机遇并存，关键核心技术的提升、市场环境的规范、技术 标准体系的建立等影响产业发展的主要因素仍需要我们在实践中继续努力改进和完善。

目前国际上从事照明 LED 标准化研究的标准组织有国际电工委员会、 国际照明委员会 和各国对应的标准化组织及相关企业。 国际电工委员会 ( IEC) 和国际照明委员会 (CIE) 都 非常关注 LED 的发展及相关 LED 器件的标准化工作。 CIE 曾经发表过 LED 检测方法的技

第一章 绪论

LED 显示

术报告,由于近年来LED 产品的技术发展迅速，CIE 目前正在对测试方法标准进行修订。

IEC 近两年也加大了对LED 标准的研究,相继对LED 模块、LED 连接件及LED 控制件提出

了标准草案。

1.3选题目的及意义

单片机自20世纪70年代问世以来 以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注， 所以应用很广，发展很快。单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强， 对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。正因为单片机有如此 多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。在我国，单片机已被广泛地 应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能化家用电器、航空航天系统和和国防 军事、尖端武器等各个方面。

我们可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。

更重要的意义是单片机的应用

改变了控制系统传统的设计思想和方法。以前采用硬件电路实现大部分控制功能，而现在 正在用单片机通过软件方法来实现。这种以软件结合硬件或取代硬件并能提高系统性能的 控制技术称为微控制技术。本文所要论述的就是通过单片机来控制

1.4生产需求状况

信息化社会的到来，促进了现代信息显示技术的发展，形成了

EL 、DLP 等系列的信息显示产品，纵观各类显示产品，各有其所长和适宜的市场应用需求。 随着LED 材料技

术和工艺的提升，LED 显示屏以突出的优势成为平板显示的主流产品之一， 并在社会经济的许多领域得到广泛应用，其生产需求主要包括：

（1） 证券交易、金融信息显示：这一领域的LED 显示屏占到了前几年国内LED 显示屏 需求量的

50%^上，目前仍有较大的需求。

（2） 机场航班动态信息显示：民航机场建设对住处显示的要求非常明确，

是航班住处显示系统 FIDS （ Flight in formation Dis play system ）的首选产

品。

（3） 体育场馆信息显示：LED 显示屏作为比赛信息显示和比赛实况播放的的主要手段

已取代了传统的灯光及 CRT 显示屏，在现代化体育场馆成为必备的比赛设施。

（4） 道路交通信息显示：智能效通系统（ITS ）的兴起，在城市效通、高速公路等领 域，LED 显示

民间作为可变情报板、限速标志等，得到普遍采用。

（5） 邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。

（6） 广告媒体新产品：除单一大型户内、户外LED 显示屏做为广告媒体外，集群 LED 显示屏广告

系统、列车LED 显示屏广告发布系统等也已得到采用并正在推广。

（7） 演出和集会：大型LED 显示屏越来越普遍的用于公共和政治目的的视频直播，如

LED 点阵显示。

CRT LCD PDP LED

LED 显示屏

在我国建国50 周年大庆、世界各地的新千年庆典等重大节日中，大型实况和广告

LED显示屏在播放

信息发布方面发挥了卓越的作用。

1.5 LED 电子显示屏概述

LED电子显示屏(Light Emitti ng Diode Pan el )是由几百到几十万个半导体发光二

极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。利用不同的半导体材料可以制造不同色彩的LED 像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实

用阶段。LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，来显示文字、图形、

图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计

算机同步显示汉字、英文文本和图形；而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。LED 显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。因而被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。

LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

第二章系统方案设计与论证

2.1数据传输方案

从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。

1.并行传输：采用并行方式时，数据的各个位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快，但控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，成本也就更高，并列传输的方案是不可取的。

2.串行传输：采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据逐位地传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序逐位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相对要长一些，在行扫描周期确定的情况下，行显示的时间就会缩短，以致影响到LED的亮度效果。

解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法

来解决。即在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的, 列数据的显示就需要具有锁存功能。经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具有的主要功能；对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。

单

片

机

控

制

器

图2-1显示屏电路框图

2.2系统硬件方案

大多数的LED显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。如图2-2所示,根据显示系统的功能特点确定系统硬

件由显示屏部分，控制部分，通信系统及上位机四部分组成。上位机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示内容代码，控制部分执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式。

2-2

显示屏主控制器控制部分是整个系统的核心部分，其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过后控制显示部分显示内容。其常用的电子设计方法有单片机、DSP及EDA技术。几种设计方法比较各有其特点：

221单片机

单片机是集成了CPU ROM RAM和1/ O 口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器（MCU）^单片机品种齐全,型号多样CPU从8，16, 32到64位，多采用RISC技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/ D, “看门狗”，PWM显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集成电路的发展，NMO工艺单片机被CMO代替，并开始向HMOS过渡。供电电压由5V降到3V, 2V甚至到1V,工作电流由mA降至卩A，这在便携式产品中大有用武之地。

2.2.2 EDA电子设计自动化

EDA即Electronic Design Automation）即电子设计自动化，它是以计算机为工具，

在EDA软件平台上，对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。设计者只需用HDL语言完成系统功能的描述，借助EDA 工具就可得到设计结果,将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。MCU和DSP

都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而FP GA/C PL则可实现硬件上的

并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，FP GA/C PL器件在功能开发

上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。

两种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。现在市场上常用的单片机主要有

MCS-51 AVR ARM PIC等。其中应用最广泛的单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久” ，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。且51 系列单片机的

I/O 脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O 口均

置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。所以在控制部分方案的选择中选定51 系列单片机作为控制部分的核心器件。

第三早系统硬件的设计

图3-1 4 个16X 16点阵显示屏硬件原理图

图3-1为4个点阵显示屏硬件原理图，因为没有16X 16的点阵显示屏,所以在现实中, 硬件部分采用了 4块8X 8的点阵显示屏来构成1块16X 16 LED 显示屏。

3.1电路原理图

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3.2系统硬件概述

321 80C51单片机简介

整个电路所设计的电子屏可显示多个汉字，需要

4个16X 16 LED 点阵模块，可组成

16X64的条形点阵。

80C51是一种带4KB 可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能微处理器，俗称单片 机。单片机的可

擦除只读存储器可以反复擦除 100次。该器件采用ATMEI 高密度非易失存 储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能

8位

CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 勺80C51是一种高效微控制器，80C51是它的 一种精简版本。80C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 80C51引脚即外观如图3-2所示。

单片机引脚图及引脚功能介绍：

图3-2单片机引脚图

80C51单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O 弓I 脚。

电源：⑴VCC -芯片电源，接+5V;⑵VSS -接地端； 时钟:XTAL1、XTAL2 -晶体振荡电路反相输入端和输出端。

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控制线：控制线共有4根

⑴ALE/PROG地址锁存允许/片内EPROMS程脉冲

①ALE功能：用来锁存P0 口送出的低8位地址

②PROG功能：片内有EPROMS芯片，在EPROMS程期间，此引脚输入编程脉

冲。

⑵PSEN:外ROM读选通信号。

⑶RST/VPD:复位/备用电源。

①RST （Reset）功能：复位信号输入端。

②VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。

⑷EA/VPP：内外ROMS择/片内EPROMS程电源。

①EA功能：内外ROM选择端。

②Vpp功能：片内有EPROMS芯片，在EPRO编程期间，施加编程电源

Vppo

I/O线:80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3 □，共32个引脚。P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

322 译码器及点阵显示屏

1) 74LS138译码器

74LS138为3线—8线译码器，当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端E2和E3为低电平时，可将地址端（A B C）的二进制编码在丫0至丫7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则丫6输出端输出低电平信号。利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。可用在8086的译码电路中，扩展内存。

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74LS138引脚图

2） 16*64点阵显示屏设计

首先，我们来分析一下16*16点阵行控线，列控线。级联方法：如图四个点阵。把00, 01相同的行线相连接。把10, 11相同的行线相连接。把00, 10相同的列线相连接。把， 11相同的列线相连接。最后，

00, 01的列就作为16x16点阵的列控线。00, 10的行就作 为16x16点阵的行控线。同理：16*64的点阵

也是一样的，将同一行的所有行连在一起， 同一列的所有列连在一起！（我们这次点阵用的是共阳型点阵，即行接阳极）。

图3-4 LED 显示屏接线图

3.3元件清单

在本次设计中，用到的元件清单如表

3.1 0

表

.1元件清单

元件名称 数量（个）

单片机80C51

1

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4094芯片8

74LS138译码器 2

8 X 8 LED显示屏16

3.4显示原理及控制方式分析

341 LED点阵模块结构

八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度

发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED点阵规模常见的有4X 4、4X 8、5X 7、5X 8、8X 8 等等。

图3-5示出最常见的8X 8单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。

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图3 —5 8 X 8单色LED模块内部电路

LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号。如5x7点阵显示器用于显示西文字母.5X 8点阵显示器用于显示中西文，8x8点

阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。用多块点阵显示器组合则可构 成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过 PC 机或单片机控制驱动。

342 LED 动态显示原理

LED 点阵显示系统中各模块的显示方式：

有静态和动态显示两种。静态显示原

理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采 用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行 进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就 可显示各种图形或文字信息。

以8X 8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。

图3-5中，红色水平线丫0、

Y1……Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED 的阳极都接在本行的行线 上。相邻两行线

间绝缘。同样，蓝色竖直线 X0 X1……X7叫做列线，接内部每列8个LED 的阴极，相邻两列线间绝缘。 在这种形式的LED 点阵模块中，若在某行线上施加高电平

（用“ 1”表示），在某列线上施加低电平（用“0”表示）。则行线和列线的交叉点处的LED 就会有电流流过而发光。比如，丫7为1，X0为0,则右下角的LED 点亮。再如丫0为1, X0 到X7均为0,则最上面一行

8个LED 全点亮。 现描述一下用动态扫描显示的方式， 显示 字符“B ”的过程。其过程如图3-6所示。

图3 - 6用动态扫描显示字符“ B ”的过程

3.4.3 LED 控制方式

以传统80C51单片机为控制器的 制，LED 动态显示的刷新率不可能做得太

高。对显示效果和移动算法的处理也比较吃力， 在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。除此之外，传统

80C51单片机的内部资源贫乏，

仅128字节的数据存储器，几K 字节的程序存储器，无SPI 。这就需要对单片机扩展外设,

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LED 显示屏。 因受到单片机运算速度及通信速率的限

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因此，8051控制的条屏比较适用于显示内容简单，不需要经常更改显示内容的场合。

第四章系统软件的设计

4.1系统程序的设计

显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。根据软件分层次设计的原理，可以把显示屏的软件系统分为两层；第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。显示驱动器程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。

4.1.1显示驱动程序

显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：

刷频率（帧时护谓出率音说也6 G

其中：f位晶振频率；t为定时器，T0初值（工作在16位定时器模式）。

显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。

4.1.2系统主程序

本文设计的系统软件能使系统在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。文字为静止显示方式。单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。

4.2程序流程图

系统主程序开始后，首先对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口。然后以静止方式显示汉字。显示效果可以根据需要进行设置，系统会根据程序的变化显示不同的效果。

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4.3字模生成

文字的字模是一组数字，但它的意义却与数字的意义有着根本的变化，它是用数字的 各位信息来记载英文或汉字的形状。电脑硬件中，根本没有汉字这个概念，也没有英文的 概念，其认识的概念只有内码（将

ASCII 表的高128个很少用到的数值以两个为一组来表 示汉字，即汉字的内码。而剩下的低 128位则留给英

文字符使用，即英文的内码）。如果

你用启动盘启动系统后用DIR 命令可能得到一串串莫名其妙的字符，但那确确实实是汉字， 如果你启动

UCDO 或其他的汉字系统后，就会看到那是一个个熟悉的汉字。在硬件系统内, 英文的字模信息一般固化在 ROM 里，即使在没有进入系统的 CMO 里，也可以让你看到英 文字符。而在DOS

下，中文的字模信息一般记

图4-2中断子程序流程图

图4—1系统主程序流程图