微机原理(基于PROTEUS的跑马灯系统设计及仿真).doc

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 20

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，配以内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，主要内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内存少，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和各端口内具有中断控制逻辑,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：
初始化程序
开始
送控制字
通过A口输出
使灯全灭
调用ledflash子程序
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：

开始
检测B口信号输入
是否为按键1
是否为按键2
是否为按键3
将1型走马灯的偏移地址送给SI
将2型走马灯的偏移地址送给SI
将3型走马灯的偏移地址送给SI
是否终止开关
Num是否为0
延时
Y
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N
N
结束

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）、内存空间分配，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内存空间，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；分配内存空间：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。

5结果记录及分析

第一种灯光变换效果：L1→L2→L3→L4→L5→L6→L7→L8，如图6所示。
图6 LED第一种变换效果
第二种灯光变换效果：L8→L7→L6→L5→L4→L3→L2→L1；
第一种变换效果反向即为第二种效果。
第三种灯光变换效果：L1L8→L2L7→L3L6→L4L5→L3L6→L2L7→L1L8，如图7所示。
图7 LED第三种变换效果

心得体会

通过本次课程设计，学到了很多使用的东西，使我受益匪浅，将课堂上所学的知识运用到实际，体会到了理论与实际联系的重要性，同时进一步学习了PROTEUS这款软件。
第一，在做这次课程设计的一开始可以说是难度重重，接口电路设计出了问题，一开始由于电路没有加入锁存器，导致地址和数据冲突，从而电路不能正常工作，最后在电路里加入了锁存器74LS273和译码器74LS154后解决了地址和数据冲突的问题。
第二，由于对软件PROTEUS运用不是很熟练，导致一些问题，比如说分配内存空间：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，如不改则仿真不能成功。还有在运行期间PROTEUS仿真报错，由于不太懂报错信息就一步加大了设计的难度，还有一些其他小细节上的问题，可以说是细节决定成败。
第三，由于汇编语言运用的不太熟练，对程序反复进行修改，发现汇编语言由于语句在程序中放置的位置不同也会是不同的效果，对汇编语言有了进一步的认识。
综上所述，这次微机原理与接口技术的课程设计让我学到了很多东西，不是课堂上能够学到的东西，通过仿真可以实实在在的看到成果，从而提高了对电子设计的兴趣，我想这是一个很好的锻炼机会，通过这样的锻炼不仅巩固了课堂上学习的相关知识，而且学到了一些课外知识，比如说在网络上怎样去搜索你想要的信息等等，这些东西将使我终身获益。

附 录

程序清单

sseg segment
dw 200 dup (?)
sseg ends
dseg segment
num dw 0 ;初始化数字变量为0
;3种不同的灯光变幻组合
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
cseg segment para public 'code'
assume ss:sseg,cs:cseg,ds:dseg
start:
mov ax,dseg
mov ds,ax
mov dx,0206h ;取8255的控制端口的地址
mov al,82h ;初始化8255的A口为输出模式，B口为输入模式
out dx,al
exut:
mov num,0h
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
begin:
call ledflash ;调用灯光变幻过程
jmp exut
ledflash proc ;检测开关闭合,以便确定哪种闪烁方式
mov dx,0202h ;取8255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: ;检测num是否为0，若为0扫描开关，若不为0继续执行
cmp num,0h
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,04c9h
dl4: mov bx,04c9h
dl3: dec bx
jnz dl3
dec cx
jnz dl4
jmp ledflash
exit:
mov num,0
ret
ledflash endp
cseg ends
end start

成绩评分表
项目
评分标准
得分
课
程
设
计
说
明
书
撰
写

60
分
方案
论证
15分
能正确分析设计内容，系统连接图设计正确或算法选择合理，并有详细的说明、论证。
15≥X≥11

能分析设计内容，硬件选型及连接或算法选择满足设计要求，有简单说明
10≥X≥6
设计方案不太满足设计内容及要求，无说明
5≥X≥0
程序
设计
15分

流程图设计正确、绘制规范，并有详细的说明；程序设计关键问题或段落有详细说明，程序代码正确
15≥X≥11

流程图设计符合设计内容及要求、绘制正确，并有一定说明；程序设计关键问题或段落有说明，程序代码基本正确
10≥X≥6
流程图设计不太满足设计要求，绘制不规范，无必要说明，程序代码不完整或不太满足设计要求
5≥X≥0
结果
分析
10分
能正确记录调试结果，并能分析结果，给出合理的建议
10≥X≥8

能记录调试结果，并加以分析
7≥X≥4
记录调试结果，但无分析
3≥X≥0
心得
体会
10分
基本上真实、客观地反映了本人课程设计的收获、心得
10≥X≥6

无感而发，空洞，套话。
5≥X≥0
报告
规范
10分
完全按照报告格式要求，内容充实、详细，完全符合规范
10≥X≥8

基本按报告格式要求，内容完整，基本符合规范
7≥X≥4
未按报告格式要求，不太符合规范
3≥X≥0
程序调试
10分
程序上机调试运行结果完全正确
10≥X≥8

程序上机调试运行结果基本满足设计要求
7≥X≥4
程序上机调试运行结果不太满足设计要求
3≥X≥0
设计答辩
10分
能详细完整地表述设计内容，并能正确回答问题
10≥X≥8

能完整地表述设计内容，并能回答相关问题
7≥X≥4
基本表述设计内容，但不能回答相关问题
3≥X≥0
难度分值
10分
1~4题：7分 5~7题：8分
8、9、14~16题：9分 10~13、17~18题：10分

纪律及考勤
10分
按照课程设计进度安排完成课程设计任务，按时参加选题说明、程序演示及答辩环节。缺席一次扣5分。

总评分数
优秀（100～90）
良好（89～80）
中等（79～70）
及格（69～60）
不及格（60以下）