可任意启动和停止的电子秒表的设计.docx

青 岛 农 业 大 学

理学与信息科学学院

微 机 接 口 课 程 设 计 报 告

设 计 题 目 可任意启动/停止的电子秒表的设计

学生专业班级

学生姓名（学号）

设计小组其他同学姓名（学号）

指 导 教 师

完 成 时 间

实 习（设计）地点

2011年4月24日

可任意启动/停止的电子秒表的设计

一、课程设计目的和任务
<<微机原理与接口技术>>是一门实践性很强的电子信息工程专业的技术基础课程。因此，微机接口课程设计是一项实践性很强的实训环节，结合运用所学的汇编语言及8086微处理芯片设计一个电子秒表，通过实践能够加深对汇编语言的理解以及对8086微处理器、8253可编程定时器、8259A可编程中断控制器、8255A可编程并行I/O接口芯片等的基本功能的认识。从而在设计过程中，提高学生的实践编程能力和硬件设计能力。也可以进一步巩固和融会贯通所学的汇编语言，并且可以培养学生查找资料的能力和自己分析问题解决问题的能力。
本实验利用8253可编程定时器等芯片的定时和记数的原理，结合实验箱上的集成电路芯片8086、LED数码管以及实验箱上的按键来设计秒表。将软、硬件有机地结合起来，要求实现计时单位为1/100秒，利用功能键进行启/停控制，上电后计时器清0，当第一次按下KEY1启/停键时开始计数，按一下KEY2键清零，重新开始计时，在系统能够正确地进行计时，使6位LED数码管能够正确地显示时间。
二、分析与设计
1．设计任务分析：
可任意启动/停止的电子秒表的实现用按键中断来控制整个程序，当按一下KEY1启动电子秒表，再按一下暂停，按一下KEY2键清零，用六个七段数码管显示时间。整个程序涉及到8255、8253和8259三个芯片。给8253的CLK0提供一个频率为10KHZ的时钟信号， 8253的OUT0连接8259的IRQ7，8253的GATE2连接正5伏电压，采用计数器0每隔0.01秒产生一次中断并且计数，写入以偏移地址4000H开始的6个内存单元，然后利用8255将内存单元的数据输出到七段数码管。由于按键中断优先于8259的7号中断，所以程序只有在按一下KEY1才启动电子秒表，再按一下暂停，按一下KEY2键清零，如果超出了60分，整个程序自动重新开始。
2．设计方案论证：
根据课程设计的要求和我们所要增加的功能写好程序流程图，在程序流程图的基础上，结合芯片的功能写出相应的程序。然后再进行程序调试和相应的修改，以达到能够实现所要求实现的功能的目的。
在微机原理定汇编调试软件上编辑源程序，并进行汇编，在汇编成功无误后，选择端口进行调试，然后装入程序，至此，本次设计的软件工作准备完毕。再根据硬件原理设计图完成各芯片之间的连接，打开实验箱电源开关总体进行调试。
在整个实验过程中，在8253可编程定时器CLK端输出管脚处接上一个计数的频率为10KHZ的时钟信号，由8253定时/计数器产生0.01秒的中断并进行计数，可编程并行I/O接口芯片8255A将偏移地址写入内存单元，进中断更新数据，然后将内存数据送给LED数码管显示。定时器中断就是定义初值，然后开中断，剩下的就在中断里写了。保存数据段后，取中断程序入口地址，定义可编程中断控制器8259中断7中断矢量，读8259中断屏蔽字，开8259中断7，六位数码管用动态显示，挨个点亮，六个I/O控制位，十二个I/O控制段码，将8259的定时器设置在0.01秒进入一次中断，交替输出高低电平（形成时钟频率），在计数器输出使用组合逻辑电路连接LED灯的各个控制输入端。
3．硬件设计：
（1）8086（16位微处理器）
8086CPU的工作电源为单一5V, 它的外部数据总线为16位，地址线为20根，故寻址的地址空间为1MB。8086具有一个功能相对完善的指令系统，能对各种类型的数据进行处理。它可以在两种不同的模式下工作，即最大工作模式和最小工作模式。所谓最小模式，就是微型计算机系统中只有8086或8088一个微处理器，在这个系统，所有的总线控制信号直接由CPU提供。最大模式就是微型计算机系统中包含有两个或多个微处理器，其中一个主处理器是8086或8088微处理器，其他处理器称为协处理器，它们协助主处理器工作。
（2）8253（可编程定时器/计数器）
首先此设计中选用工作方式2，用输出指令向控制寄存器写入一个控制字，用输出指令向选中的计数器端口地址写入一个计数初值，然后， 定时/计数器按控制字要求计数。计数从“计数初始值”开始，每当CLK信号出现一次，计数值减1，当计数值减为0时，从OUT端输出一个低电平（具体形式与工作模式有关）。当CLK信号出现时，计数值是否减1（即是否计数），一般，仅当GATE有效时，才减1.门控信号GATE如何影响计数操作，以及输出端OUT在各种情况下输出的信号形式与定时/计数器的工作模式有关。
（3）8255A（可编程并行I/O接口芯片）
8255A可为86系列CPU与外部设备之间提供并行输入/输出的通道。由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式。
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。
（4）8259A（可编程中断控制器）
IR（外设中断请求线）线上提出了中断请求的中断源， IRR中断请求寄存器（共有8位D7～D0）对应于连接在IR0～IR7线上的外设的中断请求，输入线有请求的置1。 若OCW1（IMR中断屏蔽寄存器）未使该中断请求屏蔽，该请求被送入PR（优先权分析器）比较。否则，不送入PR比较。PR把新进入的请求与ISR（服务中寄存器）中正在被处理的中断进行比较。如果新进入的请求优先级较低，则8259不向CPU提出请求。如果新进入的请求优先级较高，则8259使INT引脚输出高电平，向CPU提出请求。
（5）LED（数码管）
LED为发光二极管构成的显示器件，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的字符段送入一个高电平时，该段就被点亮，从而从这7个被点亮的字符段中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。
硬件设计原理图如下：

4．程序流程图和源代码清单：
(1)程序流程图：

开始
初始化
KEY1是否按下
赋值子程序
开中断
DELAY子函数
KEY2是否按下
显示子函数
结束
N
Y
KEY2按下偶数次或没按下
KEY1被按下奇数次
（2）源代码清单：
主程序：
PUSH DS 　　　 ；保存数据段 　
MOV AX,0000H 　
MOV DS,AX ；数据段清零
MOV AX,OFFSET IRQ7 　 ；取中断程序入口地址
ADD AX,2000H 　　　 ；加装时IP＝2000地址　
MOV SI,003C 　　 　；填8259中断7中断矢量
MOV W[SI],AX 　　　 ；填偏移量矢量　
MOV AX0000H 　　 ；段地址CS＝0000H
MOC SI,003EH
MOV W[SI],AX 　　　 ；填段地址矢量
POP DS 　　 　；弹栈　
IN AL,21H 　　 　；读8259中断屏蔽字
AND AL,7F H 　　 　；开8259中断7
OUT 21H,AL
MOV AL,39H ;8253的计数器0为方式2，采用BCD码计数，先写低8位，后写高8位。方式控制字为00110101
OUT 43H,AL ;写入方式控制字到控制字寄存器
MOV AL,00H ；计数初值低8位
OUT 42H，AL ；写入计数初值低8位到通道0
MOV AL,10H ；计数初值高8位
OUT 42H，AL ；写入计数初值高8位到通道0
　MOV AL,81H 　　　 ;8255的A口位方式0输出，B口为方式0输出，C口下部输入1000 0001　　
OUT 63H,AL 　　　　；写方式控制字
CALL FIRST ；调用first子程序，赋计数初值
BEGI: HLT ; 延时等待
STI ；开中断
MOV AH,01H
INT 16H 　；检测是否按了键
JZ BEJI
MOV AH,00H ；读键值
INT 16H
CMP AL,0DH 　；是否按了KEY2
JNZ A1 　
MOV SI,4000H 　
NOT [SI+04H] 　 ；偏移地址为4004H的内存单元内容取反
JMP BEGI
A1:CMP AL,1BH　 ；是否按了KEY1键
JNZ A2
CALL FIRST ；重新赋初值，相当于清零
A2: JMP BEGI
中断程序：
IRQ7：CAKK DIS ；调用DISP子程序，用来在数码管显示数据
MOV SI 4000H
CMP [SI+04H],00H 　 　；判断是否按了第2次回车键
JE A4
CALL ADDN 　 ；调用ADDN子程序，用来计数
A4:MOV AL,20H
OUT 20H,AL
CLI 　 ；关中断
IRET 　；返回
ADDN程序：
ADDN:MOV SI,4000H
ADD [SI+05H],01H ；百分之一秒加1
CMP [SI+05H],0AH 　 ；判断是否大于10
JZ A5
JMP A11
A5:MOV [SI+05H],00H
ADD [SI+04H],01H ；十分之一秒加1
CMP [SI+04H],0AH 　 　；判断是否大于10
JZ A6
JMP A11
A6:MOV [SI+04H],00H
ADD [SI+03H],01H　　 ；秒位加1
CMP [SI+03H],0AH ；判断是否大于10　
JZ A7
JMP A11
A7:MOV [SI+03H],00H
ADD [SI],01H 　 　；十秒位加1
A8:MOV [SI+02H],00H
ADD [SI+01H],01H　　 ；分位加1
CMP [SI+01H],0AH ；判断是否大于10　
JZ A7
JMP A9
A9:MOV [SI+01H],00H
ADD [SI],01H 　 　；十分位加1
CMP [SI],06H 　；判断是否大于6
JZ A8
JMP A9
A10:MOV [SI],00 　；大于60：00重新开始
A11: RET
显示程序：
DSP: PUSH AX 　　；保存AX
MOV SI,4000H ；指向数据缓冲区
MOV DL,F7H ；1111 0111 指向数码管
MOV AL,DL ;AL=1111 0111
AGAIN:OUT 60H,AL　 ；写端口A
MOV AL,[SI]
MOV BX,4100H ；指向数码缓冲区 BX=0100 0001 0000 0000
AND AX,00FFH ； BX=0000 0000 al
ADD BX,AX ；得到显示代码 BX=0100 0001 al
MOV AL,[BX]
OUT 61H,AL ；写端口B
CALL DELAY ：调用延时程序DELAY
INC SI
MOV AL,DL
TEST AL,01H
JZ OUT
ROR AL,1 ；指向下一个数码管
MOV DL,AL
JMP AGAIN
OUT:　 POP AX ；弹出AX
RET
LEDMAP: ；数码管显示代码：
DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H
DB 6DH,7DH.07H,7FH,6FH
DELAY: PUSH CX ;延时程序
PUSH AX
MOV CX,0010H
T1:MOV AX, 0010H
T2 :DEC AX
JNZ T2
LOOP T1
POP AX
POP CX
RET
三、系统实施
1．我们小组刚开始由于程序本身的一些问题和对微机原理知识的掌握不够全面，导致无法对程序的有效汇编，如将程序多次汇编均显示“Out of memory”，后来在其他组同学的帮助下，我们将源代码重新组合修改后成功运行，其中，曾多次出现代码段等未定义的错误警示，如后来通过逐步分解测试的方法进行了解决。
2. 在基本确定了程序的框架和初步写出了源程序代码的情况下， 我们按如上方式连线进行了硬件调试，最终当按下“KEY1”键，开始计数，但数码管显示从0000.00开始不能准确按每微秒自动加0.01，只能无准确规律变化；再按下“KEY1”键，系统暂停计数，数码管显示当时的数值；按“KEY2”键，系统复位清零，数码管可再次显示0000.00；但是当再次按下任何键，系统不能重新启动，必须重新装入程序。
3. 本次实验通过微型计算机的定时和计数原理，设计了简单的计时器系统，拥有正确的开始计时、暂停、清零的功能，并同时可以用数码管显示，但不够准确实现增加功能，在后续的设计工作中需进一步改正。
四、总结与体会
首先，要认真阅读老师下发的《微机接口课程设计任务书》，仔细审题，看懂题目的要求，根据小组成员的兴趣爱好和能力，选择适当的课题，不益太简单或者太难，能够做到既能把课题完成又能锻炼自己的能力。本次设计我们经过小组讨论，最终选择了“可任意启动/停止的电子秒表的设计”这一课题难易适中，并能够充分运用到上学期我们所学的《微型计算机原理与接口技术》的相关内容。
然后，我们根据课题要求和实验室硬件条件，选择了适合的方案，确定所需要的元器件及工具，复习相关的知识，查询相关的资料。在此过程中，我们加深了本次课程设计所涉及的微机原理的定时/计数和中断的内容的学习，掌握了8086微处理器 、8253可编程定时/计数器、8255A可编程并行接口芯片、8259A中断控制器、LED数码管等芯片的内部结构、外部引脚、控制字等知识。在具体进行实验的过程中，我加强了解了唐都实验箱和微机原理调试软件的使用和实际操作技能，同时增强了小组成员之间的协调、合作。
最后我们虽然得到了较理想的实验结果，但在整个实验过程中仍存在一些问题和不足。如我们课程设计课题的选择并不是一帆风顺的，开始我们选择了“存储器的扩展”这一题目，但在实验前期准备过程中我们发现我们对相关知识的掌握很不全面，所以因此浪费了一些时间和精力。其次，通过对设计实验过程的分析和实验结果的对比，我们发现可以在本次可任意启动/停止的电子秒表的设计的基础上，可以根据实验的实际情况添加些额外程序来使系统更加的稳定，如采用延迟消除开关的震荡；还有在设计控制开关时，要注意2个中断的打开和关闭的先后顺序，否则就会出错。在以后的课程设计中，我们会逐步改进这方面的不足，使设计更完美。除此之外，由于我们的程序设计是由各个子程序组成，并在有些程序后面加了注释，这样不仅程序看上去更简洁，更明白易懂，在程序出错的检查过程中也更容易查找到，这可以说是我们本次设计中的优势。在今后的学习生活中，我们会继续加强微机接口及单片机，尤其是存储器扩展方面的学习，不断改进缺点，完善自己。
五、参考书目
[1] 王爽《汇编语言》(第二版)，清华大学出版社，2008.
[2] 张荣标等著《微型计算机原理与接口技术》(第二版)，机械工业出版社，2009.2
[3] 赵丽清《51单片机开发与应用》，中国石油大学出版社，2009.8