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《微机原理与接口技术》课程实验指导书
课程名称: 微机原理与接口技术
英文名称: Principle of Microcomputer
课程类别: 专业基础课
实验学时: 实验16学时
适应对象: 计算机Z111-2, 软件Z111-2, 网络Z111-2
任课教师: 李艳萍 于丽梅

实验列表
实验1 PC机中断实验
实验2 定时器/计数器8253实验
实验3 并行接口8255A实验( 一)
实验4 并行接口8255A实验( 二)
实验5 串行接口8251实验
实验6 数/模转换器DAC 0832实验
实验7 模/数转换器ADC 0809实验( 一)
实验8 模/数转换器ADC 0809实验( 二)

实验要求
预习实验内容
1、 明确实验目的及任务, 了解和掌握实验所需的理论知识及相关接口芯片的工作原理。
2、 经过阅读示例程序, 掌握编程方法及相关技巧。
3、 对每次实验, 应根据要求设计接口电路并编写程序。
实验过程
1、 带上理论课教材、 实验指导书及准备的实验程序。
2、 连接接口电路前, 请关闭电源再搭接线路, 检查无误后, 再开电源。
3、 调试程序, 记录结果。
4、 实验结束后, 请关闭电源, 将各实验器材归位, 清洁自己的桌面。
编写实验报告
实验报告格式
实验XX 实验项目名称
一、 实验目的
二、 实验内容
描述本次实验任务及要求
三、 实验原理
分析设计思想, 绘制实验原理图、 流程图。
四、 实验程序
程序清单及相关注释。
五、 实验结果
描述实验现象及结果并给予分析。
六、 问题解决及收获体会
说明在实验过程中遇到了哪些问题, 是如何处理的; 收获体会, 不足之处和今后应注意的问题等。
注意事项
1、 实验前, 应确保实验箱与微机经过USB串口正确连接。
2、 爱护实验设施, 插接、 拔取排线时, 应旋转插头, 不得从线中间拉取。
3、 实验完毕后, 先关闭实验箱电源, 后拔下实验箱与微机的串行连接接口, 以免造成串口损坏。
主要设备仪器配置
实验仪器: 清华大学科教仪器厂: TPC-ZK教学实验系统, 包括配套的软件系统。

第1章 TPC-ZK-USB实验系统介绍
在各种计算机外围接口不断推陈出新的今天, USB接口已经成为个人计算机最重要的接口方式之一, USB接口设备的应用也以惊人的速度发展, 几乎新型的PC都100%支持USB技术。TPC-ZK-USB微机接口实验系统正是在这种背景下推出的。该设备在TPC-ZK实验系统上配置了USB接口模块, 直接与主机(PC)的USB接口连接, 形成了一套完整的USB接口的微机接口实验系统。
《TPC-ZK教学实验系统》,该仪器适应能力更强, 配置更灵活。该实验系统能够配接不同的核心板, 成为不同的实验接口系统。
1.1 TPC-ZK教学实验系统主要特点:
根据学校不同的需求, 能够配接PCI卡、 USB接口、 各类单片机等核心板。构成不同的接口实验系统。TPC-ZK实验系统能够同时配接微机接口( PCI微机接口或USB微机接口) 和其它类型的接口核心板( 51单片机、 AVR单片机、 386微机接口C8051单片机、 ARM系统、 PSOC现场可编程实验系统等) 二种核心板。二种核心板能够经过开关SW2 选择手动选择。也能够自动优先级选择, 即插上实验系统板上的核心时就自动断开实验系统板下的核心板。
实验台结构采用了综合实验和扩展实验模块相结合的方式, 既保证基本实验结构紧凑, 实验方便又有扩展实验灵活的特点。
实验接线采用8芯排线和单根自锁紧导线相结合的方式, 插线方便灵活。
接口实验增加了实用性、 趣味性的项目, 使用汇编语言和C语言编写实验的程序。
实验系统基本实验包括: 8255并行接口实验模块; 8254可编程定时器/计数器实验模块(书中部分图片说明标识为8253); 8251串行异步通信实验模块; 8259中断控制器实验模块; AD0809模数转换实验模块; DA0832数模转换实验模块; RAM6116存储器实验模块; 8237DAM控制器实验模块等。
扩展实验模块包括: 8279键盘显示控制器实验模块; LCD字符图形液晶显示模块; 红外收发实验模块; 无线收发实验模块; 16X16LED点阵显示模块; 红外、 压力、 温度、 湿度传感器实验模块; 16650串行异步通信、 简单I/O扩展实验模块; FPGA实验模块等。( 陆续增加中)
核心控制板包括: 51系列单片机模块; PCI微机接口模块; USB微机接口模块; 80386微机接口模块; C8051单片机; PSOC现场可编程系统等。
微机接口集成开发环境, 支持WIN 、 WINXP等操作系统。能够方便的对程序进行编辑、 编译、 链接和调试,
实验程序能够使用宏汇编和C语言, 集成实验开发软件能够自动识别汇编语言还是C语言源程序, 能够对汇编程序和C语言程序进行调试。
实验台有二个扩展接口, 非常方便用户进行扩展块实验和扩展实验开发与设计。扩展接口采用20芯和26芯排线连接, 接插非常方便。
1.2 TPC-ZK-USB实验系统构成
该系统由一块USB总线接口模块、 TPC-ZK实验系统及集成开发环境软件组成。USB总线接口模块经过USB总线电缆与PC机相连, 模块直接插在TPC-ZK实验系统上。其主要特点如下:
1.USB总线接口使用ISP1581 USB2.0高速接口芯片, 完全符合USB2.0规范。提供了高速USB下的通信能力, 即插即用。
2.满足《微机原理与接口技术》课程教学实验要求。实验台接口集成电路包括: 可编程定时器/计数器( 8254) 、 可编程并行接口( 8255) 、 数/模转换器(DAC0832)、 模/数转换器(ADC0809)等。外围电路包括: 逻辑电平开关、 LED显示、 七段数码管显示、 8X8双色发光二极管点阵及驱动电路、 直流电机步进电机及驱动电路、 电机测速用光藕电路、 继电器及驱动电路、 喇叭及驱动电路、 键盘显示控制电路等。
3.在USB接口模块上扩展有DMA控制器8237, 能够完成微机DMA传送以及USB的DMA传送等实验。
4.开放式结构, 模块化设计支持开放实验。实验台上除固定电路外还设有用户扩展实验区。插座引脚都有对应的"自锁紧"插孔, 利用这些插孔能够搭建更多的自己设计的实验, 方便进行课程设计。
5.功能强大的软件集成开发环境, 支持Win , WinXP 等操作系统( 不支持WIN98系统) 。 能够方便的对程序进行编辑、 编译、 链接和调试,
6.实验程序能够使8086汇编和C语言编程实验。
7.系统还提供: 字符、 图形液晶显示实验模块; 红外收发实验模块; 无线通信实验模块; 8279键盘显示实验模块等多种扩展实验模块。
8.实验台自备电源, 具有电源短路保护确保系统安全。
9.使用USB接口与PC机相连, 省去了打开主机箱安装接口卡的麻烦。
第2章 TPC-ZK-USB实验系统硬件环境
2. USB模块功能
1.实验系统中的USB模块使用PHILIHPS的ISP1581 USB2.0高速接口芯片, 符合USB2.0接口规范, 提供了高速USB下的通信能力。
2.模块内扩展有DMA控制器8237, 能够完成微机DMA传送和USB的DMA传送实验。
3.该模块产生的仿ISA总线信号连到TPC-ZK实验系统上。
3 USB模块的对外接口
1.该模块提供的对外接口:
①USB接口, 连接到主机, 实验时用于信息和数据的通信。
②清零按钮( RESET) , 用于对USB接口模块内部电路的初始化。
③50芯接口, 为实验台提供仿ISA总线信号。信号安排与TPC-ZK实验系统上50芯信号插座信号一一对应。
④两个20芯接口, 连接到TPC-ZK实验系统上所需电源与信号。
2.1 TPC-ZK实验系统结构图
如图 2-1 所示。
2.2 实验台上包括的主要电路
1、 50芯总线信号插座及总线信号插孔

50芯总线信号插座在实验台左上方, 总线插座信号安排如上表。各总线信号采用"自锁紧"插孔和8芯针方式在标有"总线"的区域引出, 有数据线D0-D7、 地址线A19-A0、 I/O读写信号IOR#, IOW#、 存储器读写信号MEMR , MEMW、 中断请求IRQ、 DMA申请DRQ、 DMA回答DACK、 AEN 等。
图 2-1 TPC-ZK实验系统结构图
2、 微机接口I/O地址译码电路
实验台上I/O地址选用280H－2BFH 64个, 分8组输出: Y0-Y7, 其地址分别为 280H－287H; 288H－28FH; 290H-297H; 298H-29FH; 2A0H-2A7H; 2A8H-2AFH; 2B0H-2B7H; 2B8H-2BFH, 8根输出线在实验台"I/O地址"处分别由自锁紧插孔引出。见图2-2 所示。
图2-2 I/O地址译码电路

3、 时钟电路
输出1MHZ、 2MHZ两种信号, 供定时器/计数器、 A/D转换器、 串行接口实验使用。
4、 逻辑电平开关电路
如图2-3所示, 实验台右方有8个开关K0-K7,开关拨到"1"位置时开关断开, 输出高电平。拨到"0"位置时开关接通输出低电平。电路中串接了保护电阻, 接口电路不直接同＋5V、 GND相连, 有效的防止因误操作损坏集成电路现象。
图2-3 逻辑电平开关电路
图2-4 发光二极管驱动电路

5、 LED显示电路
如图2-4所示, 实验台上设有8个发光二极管及相关驱动电路(输入端L7～L0), 当输入信号为"1"时发光, 为"0"时灭。
6、 七段数码管显示电路
实验台设有4个共阴极数码管及驱动电路, 电路图如图2-5( 图中省去了S2、 S3二位数码管)。段码输入端: a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp, 位码输入端: S0、 S1、 S2、 S3。
图2-5 数码管显示电路

7、 单脉冲电路
如图2-6所示, 采用RS触发器产生, 实验者每按一次开关即能够从两个插座上分别输出一个正脉冲及负脉冲, 供"中断"、 "DMA"、 "定时器/计数器"等实验使用。
图2-7 继电器及驱动电路
图2-6 单脉冲电路

8、 继电器及驱动电路
图2-7为直流继电器及相应驱动电路, 当其开关量输入端"Ik"输入数字量"1"时, 继电器动作, 常开触点闭合红色发光二极管点亮。输入"0"时继电器常开触点断开发光二极灭。

9、 接口集成电路
实验台上有微机接口实验最常见接口电路芯片, 包括: 可编程定时器/计数器( 8254, 兼容8253) 、 可编程并行接口( 8255) 、 数/模转换器(DAC0832)、 模/数转换器(ADC0809) 、 串行异步通信( 8251) 、 RAM存储器( 6116) 、 中断控制器( 8259) 等, 模块芯片与CPU 相连的引线除去片选( CS) 信号和每个实验模块特有信号外都已连好, 与外围电路连接的关键引脚在芯片周围用"自锁紧"插座和8芯排线插针引出, 供实验使用。
10、 逻辑门电路
实验台上设有几个逻辑门电路。包括"与门"、 "或门"、 "非门"、 "触发器"供实 验时选择使用。
2. 3 用户扩展实验区
实验台上设有通用数字集成电路插座, 40芯活动插座以方便插拔器件。插座的每个引脚 都用自锁紧插孔引出。实验指导书中所列出的部分实验( 简单并行接口、 集成电路测试等。这些电路也可选购为扩展实验模块) 电路就是利用活动插座搭试的。扩展接口包括一个20芯的双排插座和一个26芯的双排插座, 大板上基本信号都由该两个扩展接口插座引出, 利用扩展接口能够进行其它的扩展模块实验。利用扩展插座及扩展接口能够进行数字电路实验, 也能够设计开发新的接口实验或让学生做课程设计、 毕业设计等项目。

第3章 实验部分
实验1 PC机中断实验
一、 实验目的
１、 掌握PC机中断处理系统的基本原理。
２、 学会编写中断服务程序。
二、 实验原理
PC机用户可使用的硬件中断只有可屏蔽中断, 由8259中断控制器管理。中断控制器用于接收外部的中断请求信号, 经过优先级判别等处理后向CPU发出可屏蔽中断请求。IBMPC、 PC/XT 机内有一片8259中断控制器对外能够提供8个中断源:
中断源 中断类型号
IRQ0 08H
IRQ1 09H
IRQ2 0AH
IRQ3 OBH
IRQ4 0CH
IRQ5 0DH
IRQ6 0EH
IRQ7 0FH

IRQ2
IRQ3

8259( 主)
地址: 20H、 21H

IRQ2

8259( 从)
地址: A0H、 A1H
IR10
IRQ
图3-1 PC机主/从片8259连接
INT
中断功能
时钟
键盘
保留
串行口2
串行口1
硬盘
软盘
并行打印机

8个中断源的中断请求信号线, 系统已设定中断请求信号为"边沿触发", 一般中断结束方式。对于PC/AT及286以上微机内又扩展了一 片8259中断控制, IRQ2用于两片8259之间级连( 如图3-1所示) , 对外能够提供15个中断源:
中断功能
实时时钟
用户中断
保留
保留
保留
协处理器
硬盘
保留
中断源 中断类型号
IRQ8 070H
IRQ9 071H
IRQ10 072H
IRQ11 O73H
IRQ12 074H
IRQ13 075H
IRQ14 076H
IRQ15 077H

三、 实验内容
1、 利用单脉冲模拟产生中断请求 (只需连接一根导线)。要求每按一次开关产生一次中断, 在屏幕上显示相关信息, 中断规定次数后不再响应, 程序退出。
实验提示: TPC-ZK-USB实验系统上, 外部中断源固定的接到了主片8259A的3号中断IRQ3上, 即进行中断实验时, 所用中断类型号为0BH; 或者使用从片8259A的2号中断IRQ10进行中断实验, 所用中断类型号为72H。
2、 利用扩展芯片插槽, 实现经过74LS273连接发光二极管的输出显示实验。要求对外设采用中断控制, 显示5个数据。( 244与273引脚连线参考如下图3-2)
3、 调试课上例子, 理解中断控制原理, 理解外设数据传输的工作。

图3-2 74LS244与74LS273的引脚连接图

实验2 定时器／计数器8253实验
一、 实验目的
1．学会8253芯片和微机接口原理和方法。
2．掌握8253定时器／计数器的工作方式和编程原理。
二、 实验预习要求
1．复习8253的工作原理、 六种工作方式各自的特点。
2．复习8253的控制字格式、 读/写操作方式以及如何进行初始化编程等。
3．根据实验内容, 仔细阅读相关的实验要求及说明, 编写程序, 以便上机调试。
4. 8253芯片介绍
8253是一种可编程定时／计数器, 有三个十六位计数器, 其计数频率范围为0 ~ 2MHz, 都具有定时和计数功能。
8253的六种工作方式: 方式0: 计数结束中断; 方式1: 可编程单脉冲发生器; 方式2: 频率发生器方式; 方式3: 方波发生器; 方式4: 软件触发的选通信号发生器; 方式5: 硬件触发的选通信号发生器。
三、 实验内容及要求
1、 8253定时实验
实验内容: 用8253输出周期为2S的方波信号, 使发光二极管周期性的亮灭。
要求: 自行设计硬件连接, 确定8253适合定时的工作方式, 写入8253方式控制字和计数初值, 运行程序观察实验现象。( 可用脉冲源有: 1MHz 2MHz )
2、 利用8253对外部事件( 手动脉冲) 计数, 计数N次产生中断请求, 屏幕显示相关信息( 自定义) 。
3、 8253计数实验
实验内容: 利用单脉冲按钮手动产生计数脉冲, 采用8253的计数方式对其计数, 计数器初值为N( N<10) , 记录各信号的变化情况, 经过实验理解8253各种工作方式的特性。
要求: 比较不同工作方式计数的特点: 如各种工作方式触发计数的方式、 计数到0时输出的波形、 计数中途门控信号GATE的变化( 如GATE变为低电平或GATE引脚再次出现上升沿) 对计数带来的影响, 并将其描述在实验报告中。

实验3 并行接口8255A实验( 一)
一、 实验目的
1．掌握并行接口芯片8255的使用与硬件接口方法。
2．掌握8255A的各种工作方式和编程原理。
二、 8255A芯片介绍
8255A是可编程通用并行接口芯片, 它具有A、 B、 C三个并行接口, 用+5V单电源供电, 能在以下三种方式下工作:
方式0: 基本输入／输出方式
方式1: 选通输入／输出方式( 应答式输入输出方式)
方式2: 双向选通工作方式
8255工作于方式1或2时, PC口的一些引脚作为A和B口的联络信号线, 如下表:

方式1输入
方式1输出
方式2
PC0
INTRB
INTRB
I/O
PC1
IBFB
OBFB#
I/O
PC2
STBB#
ACKB#
I/O
PC3
INTRA
INTRA
INTRA
PC4
STBA#
I/O
STBA#
PC5
IBFA
I/O
IBFA
PC6
I/O
ACKA3
ACKA#
PC7
I/O
OBFA3
OBFA#
三、 实验内容
1、 并行口工作于方式0时的传送
( 1) 设计一个电路: 用8255A做并行口, 读入8个开关的状态并经过发光二极管显示出来。( 当拨动开关时, 相应的发光二极管的状态时刻跟随变化)
( 2) 当总开关K闭合( K=1) 时, 分开关能够控制对应的发光二极管; 而当总开关K断开( K=0) 时, 开关无论如何拨动, 对应发光二极管都不跟随变化。
2、 方式1
用8255芯片的B口工作于方式1做输入, A口工作于方式0做输出。采用查询与中断2种方式, 实现拨动开关控制发光二极管的显示。( 连线参照图3-3)
PB7-0
PA7-0
/STBB
LED7-0

8255
图3-3 8255方式1实验
IBFB
K7-0

提示: 必须理解8255方式1输入的工作过程及相关联络控制信号的先后时序关系。
根据上述要求设计电路并编写程序。

实验4 并行接口8255A实验( 二)
一、 实验目的
1. 经过可编程并行接口芯片8255实现十字路口交通灯的模拟控制。
2. 掌握七段数码显示管的使用方法。
3. 掌握软件延时方法的使用。
4. 进一步掌握并行接口芯片8255的使用方法。
二、 实验内容
设计电路, 画出软件流程图并编写程序。
1、 根据实验系统现有的实验电路, 设计电路并编写程序使6个灯按交通变化规律亮、 灭或闪烁。
要完成本实验, 必须先了解交通路灯的亮灭规律, 设有一个十字路口分为南北方向和东西方向, 初始状态为红灯全亮, 之后, 南北绿灯亮, 东西红灯亮, 南北方向通车。延时一段时间后, 南北绿灯熄灭, 而南北黄灯开始闪烁, 闪烁若干次以后, 南北红灯亮, 而同时东西的绿灯亮, 东西方向通车, 延时一段时间后, 东西绿灯熄灭, 而东西黄灯开始闪烁, 闪烁若干次以后, 再切换到南北方向, 之后, 重复上述过程。
编程提示:
( 1) 各发光二极管共阴极, 使其点亮应使8255A相应端口的位输出1。
( 2) 经过软件延时实现定时, 用较短的定时控制黄灯的闪烁, 较长的延时控制通行。
2、 经过8255所连接电键, 控制8253连接的喇叭的发声。
提示:
( 1) 8253对蜂鸣器输出不同频率的方波, 能够控制喇叭发出不同音阶的声音。
( 2) 8255连接7个电键, 不同按键控制不同的音阶。
已知各音阶频率如下:

实验5 串行接口8251实验
一、 实验目的
1．了解串行通讯的一般原理。
2．掌握串行接口芯片8251的工作原理和编程方法。
二、 实验内容
1．硬件线路原理图如图3-4。
( 1) TxC和RxC分别为8251A的发送时钟和接收时钟, 由片外定时器8253提供。
( 2) RxRDY、 TxRDY为允许接收和允许发送信号, 由于在本系统中使用查询方式进行通讯, 这两个信号线不用, 中断方式时, 这两个信号分别用作发送和接收时的中断申请信号。
图3-4 串行通讯电路
( 3) 实验中为8253和8251分配地址。
2．实验内容要求
8253计数器用于产生8251的发送和接收时钟, TXD和RXD连在一起。编程: 从键盘输入一个字符,将其ASCII码加1后发送出去,再接收回来在屏幕上显示, 实现自发自收, 用查询方式实现。
图3-5 采用查询实现串行通讯流程图
提示: 8253计数器的计数初值=时钟频率/(波特率×波特率因子), 若时钟频率接 1MHz, 波特率若选1200, 波特率因子若选16, 则计数器初值为52。参考流程图如图3-5所示。

实验6 数/模转换器DAC0832实验
一、 实验目的
了解数/模转换器的基本原理, 掌握DAC0832芯片的使用方法。
二、 实验原理与内容
1.实验原理
电路原理如图3-6所示, DAC0832采用单缓冲方式, 具有单双极性输出端( 图中的Ua和Ub) , 输出数据给DAC0832, 用万用表测量单极性输出端Ua和双极性输出端Ub的电压, 验证数字与电压之间的线性关系。
图3-6 DAC 0832原理图
2. 编程产生以下波形(从Ub输出, 用示波器观察)
( 1) 方波 ( 2) 锯齿波 ( 3) 梯形波
提示: 输入数据与输出电压的关系为:

UREF表示参考电压,N表示数据, 这里的参考电压为可调电位器调节的电位(为了便于编程, 出厂为5.12V)。

实验7 模/数转换器ADC0809实验( 一)
一、 实验目的
掌握模/数转换的基本原理及ADC0809芯片的使用方法。
二、 实验原理
实验原理如图3-7所示, 经过实验台左下角电位器RW1输出0～5Ｖ直流电压送通道0, 启动转换后读取转换结果。
提示:
( 1) ADC0809的START端为A/D转换启动信号, ALE端为通道选择地址的锁存信号, 实验电路中将其相连, 以便同时锁存通道地址并开始A／D采样转换, 其输入控制信号为CS和IOW#, 故启动A/D转换只须如下两条指令:
MOV DX,ADPORT ;ACD0809端地址
OUT DX,AL ;发CS和WR信号
图3-7 ADC0809原理图
( 2) 延时等待( 或查询成功或中断) 后, 使用下述指令读取A／D转换结果。
MOV DX,ADPORT
IN AL,DX
三、 实验内容
1、 利用ADC0809芯片, 采集模拟量, 将其转换成对应的数字量。要求采用延时等待方法实现数据传送, 编写相应程序。
2、 利用ADC0809芯片, 采集模拟量, 将其转换成对应的数字量。要求采用查询式控制数据传送, 编写相应程序。
要求: 根据两种实现方法的不同, 设计相应的电路并编写程序。
3. 利用ADC0809芯片, 采集模拟量, 将其转换成对应的数字量。要求采用中断式控制数据传送, 设计电路并编写相应程序。
实验8 模/数转换器ADC089实验( 二)
一、 实验目的
1、 进一步理解和掌握模/数转换的基本原理及ADC0809芯片的使用方法。
二、 实验内容
1、 利用ADC0809芯片, 采集模拟量, 将其转换成对应的数字量。要求采用中断式控制数据传送, 设计电路并编写相应程序。