微机原理课程8255A和8259A的工作原理设计.doc

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1、题目名称： 微机原理课程设计 摘 要 通过上课老师讲和自己动手实验的方法去验证课本上的理论知识。在了解 微型计算机的基本组成的前提上，动手感受8255A和8259A的工作原理、工作方 式、相关引脚、 内部结构等内容。在交通控制灯的实验设计中了解8255A的相 关芯片的连接和在实验中增强自己的动手能力。利用8259A的中断特性进行单级 中断实验，从而更好的理解8259A的相关性质。 关 键 词：8255A 8259A 目 录 1 概 述 .1 1.1 前言 .1 1.2 微型计算机的发展史.1 1.3 典型的输入输出芯片 .1 1.4 微型机算机的基本组成 .2 2 可编程并行接口 8255A

2、的应用设计 .3 2.1 8255A 的基本特性.3 2.1.1 并行接口概述.3 2.1.2 8255A 的基本内容.3 2.2 8255A 的内部结构及引脚设计.4 2.2.1 8255A 的内部结构.4 2.2.2 8255A 的工作方式.5 2.2.3 8255A 的控制字.6 2.2.4 8255A 的引脚图.7 2.3 交通灯的设计.8 2.3.1 设计构思 .8 2.3.2 任务分析 .9 2.3.3 流程框图 .9 2.3.4 实验小结 .10 3 8259A 的应用设计.11 3.1 中断概述 .11 3.2 8259A 的内部结构及引脚.11 3.2.1 8259A 内部结

3、构图.11 3.2 .2 8259A 的工作方式.12 3.3 8259A 引脚图.12 3.3.1 8259A 与 CPU 相连的接口引脚。.13 3.3.2 与外设相接的接口引脚.13 3.3.3 构成级联时使用的引脚.13 3.4 8259A 应用实例.14 3.5 8259A 单级中断控制器的设计 .14 3.5.1 任务分析 .14 3.5.2 实验要求.15 3.5.3 流程框图 .15 3.5.4 实验小结 .15 4 总 结 .16 5 参 考 文 献 .17 1 概 述 1.1 前言 自 1981 年 IBM 公司的通用微型计算机 IBM PC/XT 问世以来，在短短的 20

4、 多年间， 微型计算机一直以令人惊讶的速度发展。作为 21 世纪的人才，学习微型计算机的基础 知识，掌握微型计算机的基本使用技术以刻不容缓。微机原理与系统设计 作为计算 机教学的主要基础课之一,课程紧密结合计算机的专业特点,围绕微型计算机原理和应 用主题,以 Intelx86CPU 为主线,系统介绍微型计算机的基本知识,基本组成,体系结构 和工作模式,从而使学生能较清楚地了解微机的结构与工作流程,建立起系统的概念 1.2 微型计算机的发展史 微型机由于结构简单、通用性强、价格便宜。已成为现代计算机领域中一个极为 重要的并正以难以想象的速度向前发展。 一、第一代(19711973)4 位或低档

5、8 位微处理器和微型机 二、第二代(19741978)中档的 8 位微处理器和微型机 三、第三代(19781984)：16 位微处理器和微型机 四、第四代(1985 年以后) 32 位高档微型机 1.3 典型的输入输出芯片 1.可编程串行通信接口：8251A 8251A 是一种可编程的通用同步/异步接受发送器，用于 CPU 与外设之间的串行通 信接口，通过编程可选择同步和异步的工作方式。 2.可编程并行通信接口：8255A 8255A 是一个 40 个引脚双列直插式封装的大规模集成电路。采用单一的+5V 电源 供电，其输入和输出电平与 TTL 完全兼容。 3.可编程技数器/定时器 8253A

6、8253A 是一种外围电路，它可以通过软件方式设定不同的工作方式，产生各种形式 的时间延迟信号，一满足各类系统提出的不同时间的要求 4.DMA 控制器：8237A 8237A 是一种高性能可编程的 DMA 控制器，每个集成电路上有 4 个独立的 DMA 通道， 可分别独立编程，实现外围设备与内存、内存与内存之间的高速数据传输 5.中断控制器：8259A 8259A 是一种专门为控制优先级中断而设计的集成电路。具有 8 级优先权控制， 通过级联可扩展至 64 级优先权控制。每一级中断都可以屏蔽或允许 1.4 微型机算机的基本组成 1 .微处理器：微处理器是芯片，芯片上集成有控制器、运算器、寄存器

7、等功能部件。 2 .内部存贮器：存储器是计算机实现记忆功能的部件，它主要包括主存储器和辅助 存储器。主存储器由半导体存储器 RAM 和 ROM 组成，又称为内存；辅助存储器又称 为外存储器，包括软盘存储器、硬盘存储器和光盘等。 3. 输入输出设备：常用的输入输出设备有键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等。常 用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。一般而言，外存储器也属于输入输出设 备。 4. 系统总线：所谓总线就是在两个以上数字设备之间提供传送信息的公用通道。 总线通常由数据总线、控制总线、和地址总线三部分组成。其中数据总线在 CPU 与内 存或输入输出接口之间传送数据；控制总线用来传送各种控制信

8、号；地址总线用来传 送存储单元或输入输出接口的地址信息。 2 可编程并行接口 8255A 的应用设计 8255 是一种通用的可编程并行 IO 接口芯片，是专为 INTEL 公司的微处理器 设计的，也可用于其它系列的微型机系统中。利用 8086 汇编指令系统，编制初始化程 序，可以变更 8255 的工作方式，通用性强，使用灵活。8255 具有 3 个带锁存或缓冲 的数据端口，它的并行数据宽度为 8 位。可与外设并行进行数据交换。A 口和 B 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。 8255 能与许多外部 设备连接，例如：键盘、显示器、打印机等。 2.1 8255

9、A 的基本特性 2.1.1 并行接口概述 并行接口就是能够进行数据传输、位于 CPU 与外部设备之间、起到数据缓冲和匹 配作用的接口电路。并行通信 接口与外部设备之间的数据传输是并行的，它与系统总 线之间的数据传输也是并行的。一个通用的并行通信接口可以根据需要设计为输入接 口，也可以设计为输出接口，还可以设计为输入输出接口。例如在计算机系统中连接 键盘的接口是单向输入接口，连接打印机的接口是单向输出接口，连接磁盘驱动器的 接口就是双向接口。 2.1.2 8255A 的基本内容 1 .8255A 是一个具有 3 个 8 位数据口（即 A 口、B 口、C 口，其中 C 口还可作为两 个 4 位口来

10、使用）的并行输入/输入端口的接口芯片，它为 Intel 系列的 CPU 与外部设 备提供了 TTL 电平兼容并行接口。三个数据口均可用软件来设置成输入口或输出口， 与外设相连。C 口具有按位置位/复位的功能，为按位控制提供了强有力的支持。 2. 8255A 具有 3 种工作方式，即方式 0，方式 1，方式 2。可适应 CPU 与外设间的 多种数据传送方式，如查询方式和中断方式等，以满足用户的各种应用要求。 3. 8255A 具有两条功能强、内容丰富的控制命令（方式字和控制字），为用户根据 外界条件（I/O 设备需要哪些信号线以及它能提供哪些状态线）来使用 8255A 构成多 种接口电路和提供灵

11、活方便的编程环境。8255A 执行命令过程中和执行命令完毕之后， 所产生的状态可保留在状态字中以便查询。 4. 8255A 的 C 口是一个特殊的端口，除作数据口外，当工作在方式 1 和方式 2 时， 利用对 C 口的按位控制可为 A、B 口提供专门的联络控制信号；在 CPU 读取 8255A 状 态时，C 口可作为方式 1 和方式 2 的状态字。 5. 8255A 芯片内部主要由控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器组成，因此以后的 编程主要是对这三类寄存器进行访 2.2 8255A 的内部结构及引脚设计 2.2.1 8255A 的内部结构 1.内部结构图 8255A 是典型的可编程并行通信接口

12、集成电路，8255A 的内部结构如图所示。 8255A 主要由数据总线缓冲器、读写控制逻辑、A 组和 B 组控制电路和端口 A，B，C 等 4 个部分组成。 1）与 CPU 的接口电路 与 CPU 的接口电路由数据总线缓冲器和读/写控制逻辑组成。 读/写控制逻辑电路用来接收 CPU 系统总线的读信号，写信号，片选 择信号，端口选择信号 A1，A0 和复位信号 RESET，用于控制 8255A 内部寄存器的 读/写操作和复位操作。 （2）内部控制逻辑电路 内部控制逻辑包括 A 组控制与 B 组控制两部分。 A 组控制寄存器用来控制 A 口 PA7PA0 和 C 口的高 4 位 PC7PC4； B

13、 组控制寄存器用来控制 B 口 PB7PB0 和 C 口的低 4 位 PC3PC0。 它们接收 CPU 发送来的控制命令，对 A, B, C 3 个端口的输入/输出方式进行控制。 （3）输入/输出接口电路 8255A 片内有 A, B, C 3 个 8 位并行端口，A 口和 B 口分别有 1 个 8 位的数据输出 锁存/缓冲器和 1 个 8 位数据输入锁存器，C 口有 1 个 8 位数据输出锁存/缓冲器和 1 个 8 位数据输入缓冲器，用于存放 CPU 与外部设备交换的数据。 8255A 的端口分配及读/写功能见表 2.2.2 8255A 的工作方式 8255A 的工作方式有方式 0、方式 1

14、 和方式 2。 1. 方式 0 方式 0 是一种基本输入或输出方式，该方式适合于通信双方不需要联络信号（应 答信号）的简 单输入/输出场合，CPU 可以随时用输入/输出指令对指定端口进行读 写操作。 2 方式 1 方式 1 为选通输入/输出方式，即可借助于选通（应答式）联络信号的 I/O 方式。 这种方式中，A 口和 B 口 用于输入/输出的数据端口，C 口某些位用作接收或产生应 答联络信号。 3. 方式 2 方式 2 为分时双向输入/输出方式（双向 I/O 方式），即同一端口的 I/O 线既可 以作为输入也可 以作为输出。 2.2.3 8255A 的控制字 1工作方式的控制字 例：设 825

15、5A 的控制端口地址为 0060H-0063H，A 组 B 组工作方式 0，A 口、B 口为输入 端，C 为输出。则方式控制字应是：92H。 若将此控制字的内容写入 8255A 的控制寄存器，即实现了对 8255A 工作方式的指定 （或者说完成了对 8255A 的初始化） ，初始化的程序段为： MOV AL , 92H OUT 63H ， AL IN AL , 60H IN AL , 61H MOV AL , 数据 OUT 62H , AL 2. C 口的位控字 8255A 的 C 口具有位控功能，即允许 CPU 用输出指令单独对 C 口的某一位写“1”或“0”， C 口的位控字的格式 如图所

16、示。这是通过向 8255A 的控制寄存器写入（注意不是直接 对 C 口写入）一个位控字来实现的。最高位 D7必须为“0”是 C 口置位/复位控制字的 特征位。D0位决定了是置“1”还是置“0”操作；D3D1位决定了对 C 口中的哪一位进行 操作。 2.2.4 8255A 的引脚图 8255A 是一个 40 个引脚双列直插式封装的大规模集成电路。 1. 和外设相连的 PA7PA0：A 口数据信号线，双向，三态引脚； PB7PB0：B 口数据信号线，双向，三态引脚； PC7PC0：C 口数据信号线，双向，三态引脚； 2.面向系统总线和 CPU 相连的 3.8255A 内部有 3 个数据端口（I/O

17、 端口）和 1 个控制端口，共 4 个端口 8255A 端口地址编码 A1A0选择 00A 口地址 01B 口地址 10C 口地址 11控制寄存器地址 2.3 交通灯的设计 2.3.1 设计构思 通过设计，了解 8255A 芯片的内部结构、工作方式、各引脚功能及 I/O 接口的使 用。掌握 8255A 的控制字意义、功能和设置要求。并利用 8255A 的可编程特性，对其 进行初始化编程和应用。培养将理论与实际相结合的综合能力并将实验结果通过发光 二级管显示出来。 2.3.2 任务分析 1. 亮灭规律 设有一个十字路口1 、3 为南北方向，2 、4 为东西方向，初始状态为四个路口的 红灯全亮。之

18、后，1 、3 路口的绿灯亮，2 、4 路口的红灯亮，1 、3 路口方向通车。 延时一段时间后，1 、3 路口的绿灯熄灭，而1 、3 路口的黄灯开始闪烁，闪烁若8次 以后，1 、3 路口红灯亮，而同时2 、4 路口的绿灯亮，2 、4 路口方向通车，延时 一段时间后，2 、4 路口的绿灯熄灭，而黄灯开始闪烁，闪烁若8次以后，再切换到1 、3 路口方向。之后，重复上述过程。 2. 前期准备 在程序中设定好8255A 的工作模式及三个端口均工作在方式0 ，并处于输出状态。 各发光二极管共阳极，使其点亮应使8255A 相应端口的位清0 。 2.3.3 流程框图 2.3.4 实验小结 通过此次实验，懂得了

19、如果改变对 8255 工作方式控制的设置，可以实现对不同的端口设 置其输入输出功能，从而实现输入与输出数据的处理功能。在设计的过程中遇到问题，可 以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计 的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够 牢固。 3 8259A 的应用设计 8259A 是专业性为控制优先级中断设计的芯片。它将中断源优先级排队，辩别中 断源以及提供中断矢量的电路集于一片中。因此无需附加任何电路，只需对 8259A 进 行编程，就可以管理 8 级中断，并选择优行模式和中断请求方式，即中断结构可以由 用户编程来设定。同时，在

20、不需要增加其它电路的情况下，通过多片 8259A 的级联， 能构成多达 64 级的矢量中断系统。 3.1 中断概述 中断是一个过程，是指当某个内部或外部事件发生时，为了对事件进行处理，CPU 暂停当前程序，转去执行该事件的程序，称为中断处理程序。最初的中断全部是针对 外部设备而言的，称为外部中断。随着计算机技术的发展，中断的范围也随之扩大， 出现了内部中断。中断系统成为计算机系统必不可少的组成部分。 3.2 8259A 的内部结构及引脚 3.2.1 8259A 内部结构图 8259A 内部结构图 3.2 .2 8259A 的工作方式 8259A 的中断管理功能很强，单片可以管理 8 级外部中断

21、，在多片级联方式下最多 可以管理 64 级外部中断，并且具有中断优先权判优、中断嵌套、中断屏蔽和中断结束 等多种中断管理方式。 1中断优先权方式 8259A 中断优先权的管理方式有固定优先权方式和自动循环优先权方式两种 2.中断嵌套方式 8259A 的中断嵌套方式分为完全嵌套和特殊完全嵌套两种。 3中断屏蔽方式 中断屏蔽方式是对 8259A 的外部中断源 IR7IR0 实现屏蔽的一种中断管理方式，有普 通屏蔽方式和特殊屏蔽方式两种。 4中断结束方式 中断结束方式分为：自动结束方式 、普通结束方式和特殊结束方式 5.8259A 数据线与系统数据总线的连接有缓冲和非缓冲两种方式。 3.3 8259

22、A 引脚图 3.3.1 8259A 与 CPU 相连的接口引脚。 D D0 0D D7 7 ： ：双向三态数据线，是 CPU 和 8259A 进行数据、命令状态传送的通道。 ：写控制输入信号，低电平有效。有效时，表明当前正在向 8259A 写入命令字。 ：读控制输入信号，低电平有效。有效时，表明 CPU 正在向 8259A 读数据。 A A0 0：片内地址选择信号，用来指出当前 8259A 的哪个端口被访问。每片 8259A 有两 端口地址。 ：片选输入信号，低电平有效，通过地址译码逻辑电路与地址总线相连。 INTINT：与 CPU 的 INTR 端相连，由 8259A 向 CPU 发出中断请

23、求信号。 INTAINTA：接收来自 CPU 的中断响应信号。8259A 要求中断响应信号由两个负脉冲构成。 3.3.2 与外设相接的接口引脚 IRIR0 0IRIR7 7：8 个中断请求输入信号，用来接收外部设备的中断请求，高电平或上升 沿有效。 3.3.3 构成级联时使用的引脚 CASCAS0 0CASCAS2 2：在 8259A 构成级联时，用来指出具体的从片。在级联结构中，主从片 8259A 的 CAS0CAS2全部对应相连。主片的 CAS0CAS2作为输出信号，用于发送从设 备标志；从片的 CAS0CAS2作为输入信号，用来接收从设备标志。 SP/EN：从片编程/允许缓冲器信号，双向

24、低电平有效。该信号有两个功能。当作输 入信号时，用来决定该片是主片还是从片。SP 为 1，则为主片(接高电平)；SP 为 0， 则为从片(接低电平)。单片使用的时，SP/EN 接高电平。当作输出信号时，用作允许缓 冲器接收和发送的控制信号，即选通缓冲器 3.4 8259A 应用实例 在 Intel 80486 CPU 系统中，使用 2 片 8259A 管理中断，采用级联方式。主片中 的 8 个中断请求 IR7IR0 除 IR2 扩展从片以外，其他均为系统使用，从片中的 8 个中 断请求 IR7IR0 供用户使用。 3.5 8259A 单级中断控制器的设计 3.5.1 任务分析 8259A 和

25、8088 系统总线直接相连，8259A 上连有一系统地址线 A0，故 8259A 有 2 个 端口地址，中断采用边沿触发，单片，中断类型 08H0FH，工作在非缓冲模式。利用 8259 实现对外部中断的响应和处理，要求程序对每次中断进行计数，并将计数结果送 数码显示 3.5.2 实验要求 主程序在高四位七段码上显示 8259，中断服务程序对中断次数计数，并在最低位七段 码上显示，中断次数满 5 次后，显示输出“good”。 3.5.3 流程框图 3.5.4 实验小结 实验结果和预期所想象的一样，在显示器上可看到“good”字样。通过实验，我 更好的理解了 8259A 的工作方式、各引脚的功能及

26、意义和编程的魅力。在做实验时,老 师根据自己的亲身体会,将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识 到这门课程在生活中的应用是那么的广泛. 4 总 结 当知道要做课程设计的时候心里面感觉有些害怕和担心， 担心自己不会或者做 不好。但是当真的要做的时候也只好进自己作大的努力去做， 做到自己最好的。 我 们在这个过程中有很多自己的感受，我想很多同学都会和我有一样的感受，那就是感 觉汇编语言真的是很神奇，很有意思。我们从开始的担心和害怕渐渐变成了享受，享 受着汇编带给我们的快乐。看着自己做出来的东西，心里面的感觉真的很好。 微机原理与接口技术是一门很有趣的课程，任何一个计算机系统都是

27、一个复杂的整 体，学习计算机原理是要涉及到整体的每一部分。讨论某一部分原理时又要涉及到其 它部分的工作原理。这样一来，不仅不能在短时间内较深入理解计算机的工作原理， 而且也很难孤立地理解某一部分的工作原理。所以，在循序渐进的课堂教学过程中， 我总是处于“学会了一些新知识，弄清了一些原来保留的问题，又出现了一些新问题” 的循环中，直到课程结束时，才把保留的问题基本搞清楚。 在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则,在老师讲 解时就会听不懂,这将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间.比如做应变 片的实验,你要清楚各种接法,如果你不清楚,在做实验时才去摸索,这将使你

28、极大地浪 费时间,使你事倍功半.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,弄 明白,实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就 会忘得一干二净,这还不如不做。 5 参 考 文 献 1 田瑞庭 微型计算机原理与应用 北京：中国科学技术出版社，1997 2 潘峰 微型计算机原理与汇编语言 北京：电子工业出版社，1999 3 沈美明，温冬婵IBM-PC 汇编语言程序设计北京：清华大学出版社，2001 4 雷丽文，朱晓华，蔡征宇，缪均达微机原理与接口技术北京：电子工业出版 社，1998 5 马维华从 8086 到 Pentium III 微型计算机原理及接口技术北京：科学出版社， 2000 6 吴叶兰，王坚，王小艺，连晓峰微机原理及接口技术北京：机械工业出版社， 2009