微機原理與接口實驗 41 IO端口擴展-8255 賴曉錚

微機原理與接口實驗系列一、IO端口擴展(8255)二、定時器/計數(shù)器(8253)三、串口通信(8251)四、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC0809)五、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC0832)六、液晶屏顯示(LCD1602)七、中斷控制器(8259)賴曉錚博士華南理工大學laixz@QQ:68046508（一）IO端口擴展(8255)實驗實驗內(nèi)容：●構(gòu)建一個“CPU+8255”的微型計算機系統(tǒng)，通過8255芯片擴展微程序版CPU的I/O端口功能。編寫機器語言程序，通過8255芯片實現(xiàn)可定制的循環(huán)“流水燈”功能；進而編寫機器語言程序，通過8255芯片實現(xiàn)記錄4×4鍵盤按鍵觸發(fā)位置（行/列）的功能。實驗目的：●理解可編程并行接口芯片8255的基本工作原理?！裾莆誄PU使用8255芯片外擴IO端口的硬件架構(gòu)及編程方法。微程序版“CPU+8255”電路圖初始化過程時鐘信號CLK接手動開關(guān)MANUAL，啟動仿真，使能復位信號#RESET=0；手動按鈕MANUAL開關(guān)“010”，然后令信號#RESET=1.注：初始化完成后，若時鐘信號CLK繼續(xù)接開關(guān)MANUAL，則CPU進入手動模式，手動MANUAL開關(guān)，生成時鐘信號CLK，程序單步執(zhí)行；若時鐘信號CLK接信號源AUTO-CLK（主頻10Hz），則CPU進入自動模式，程序自動運行，直到HLT指令的“斷點”處暫停。重啟過程（跳出“斷點”）時鐘信號CLK接開關(guān)MANUAL，手動令復位信號端#RESET的狀態(tài)“101”變化，即重啟完成，跳出“斷點”繼續(xù)執(zhí)行

。注：跳出“斷點”后，CPU進入HLT指令的后續(xù)下一條指令的取指周期。8255應(yīng)用電路圖可編程并行IO接口芯片8255A結(jié)構(gòu)圖8255A控制字示意圖#CS#RD#WRA1A0操作數(shù)據(jù)傳送方式00100讀

A口A口數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)總線00101讀

B口B口數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)總線00110讀

C口C口數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)總線01000寫

A口數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)→A口01001寫

B口數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)→B口01010寫

C口數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)→C口01011寫控制口數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)→控制口1XXXX禁止訪問數(shù)據(jù)總線接口高阻態(tài)8255A控制端口功能圖8255A工作方式1(選通)輸入組態(tài)8255A工作方式1(選通)輸入時序圖8255A工作方式1(選通)輸出組態(tài)8255A工作方式1(選通)輸出時序圖8255A工作方式2（雙向傳送）應(yīng)答聯(lián)絡(luò)線定義8255A工作方式2（雙向傳送）時序圖實驗步驟（可編程的循環(huán)流水燈）：1）可編程的循環(huán)流水燈程序8255_Cycle_LED.asm存放在實驗4.1項目的子文件夾test里，其功能實現(xiàn)了CPU從8255芯片的A口讀入撥碼開關(guān)設(shè)置的8位數(shù)值，從B口輸出該數(shù)值到8位LED燈。然后，該數(shù)值不斷循環(huán)移位，在8位LED燈上形成“循環(huán)流水燈”效果。具體代碼如后頁所示。2）編譯、燒寫、自動運行8255_Cycle_LED源程序，在程序自動運行過程中，觀察B口連接的8位LED燈變化。

（編譯和燒寫asm文件的方法參見“2.6存儲器實驗：ROM批量導入數(shù)據(jù)”）3）修改8255_Cycle_LED源程序，A口連接的撥碼開關(guān)設(shè)置不同的數(shù)值，觀察自動執(zhí)行過程中B口連接的8位LED燈變化。匯編助記符注釋(M地址：機器指令)SETR0,86H選8255地址[1000xxxx]控制端A1A0=1100H:0011000001H:10000110OUTAR0,AR02H:01010010SETR0,99H控制字：PA輸入/PB輸出/PC輸入03H:0011000004H:10011001OUTR0,PORT005H:01010000SETR0,80H選PA口：A1A0=0006H:0011000007H:10000000OUTAR0,PORT008H:01010010INR1,PORT0PA口輸入09H:01000100HLT停機0AH:000000018255_Cycle_LED匯編助記符注釋(M地址：機器指令)SETR0,82H選PB口：A1A0=010BH:001100000CH:10000010OUTAR0,PORT00DH:01010010OUTR1,PORT0PB口輸出0EH:01010100LRCR10FH:10100111HLT10H:00000001JMP0EH循環(huán)移位11H:0001000012H:000011108255_Cycle_LED實驗步驟（矩陣鍵盤測試）：1）矩陣鍵盤測試程序keyboard.asm存放在實驗4.1項目的子文件夾test里，其實現(xiàn)的功能如下（代碼如后頁所示）：

首先，在程序的第一次HLT“斷點”跳出后，用戶按下矩陣鍵盤的某個鍵，一直持續(xù)到第二次HLT“斷點”暫停后才松開按鍵。

然后，CPU通過8255芯片的C口高4位輸出不同的電平組合，再從C口低4位讀取相應(yīng)的電平組合，可以判斷出矩陣鍵盤中哪個鍵被壓下。

最后，在8255芯片B口連接的8位LED燈上顯示被按下鍵的行值（高4位代表從上到下的矩陣鍵盤行信息）和列值（低4位代表從左到右的矩陣鍵盤列信息）。

實驗步驟（矩陣鍵盤測試）：2）編譯、燒寫、自動運行keyboard源程序：（編譯和燒寫asm文件的方法參見“2.6存儲器實驗：ROM批量導入數(shù)據(jù)”）3）在程序第一次HLT“斷點”跳出后，隨機按下矩陣鍵盤中的某個按鍵（注：按下的時間要足夠長，直到程序在第二次HLT“斷點”暫停后才能松開按鍵），觀察和記錄程序中三個HLT“斷點”暫停時刻，通用寄存器R0~3和8255芯片B口連接的8位LED燈變化。4）為何CPU使用C口的高4位輸出測試矩陣鍵盤的時候，不是逐行拉低電平（即輸出0111、1011、1101、1110），而是輸出0000、0011、1001？這樣設(shè)計安排有什么優(yōu)點？

匯編助記符注釋(M地址：機器指令)SETR0,86H選8255地址[1000xxxx]控制端A1A0=1100H:0011000001H:10000110OUTAR0,PORT002H:01010010SETR0,91H控制字：PA輸入/PB輸出/PC高四位輸出低四位輸入03H:0011000004H:10010001OUTR0,PORT005H:01010000SETR0,82H選PB口：A1A0=0106H:0011000007H:10000010OUTAR0,PORT008H:01010010SETR0,FFH初始化PB口，LED全滅09H:001100000AH:11111111OUTR0,PORT00BH:01010000keyboard匯編助記符注釋(M地址：機器指令)SETR0,84H選PC口：A1A0=100CH:001100000DH:10000100OUTAR0,PORT00EH:01010010SETR2,0FHR2=00001111，列判斷用0FH:0011100010H:00001111OUTR2,PORT0PC口置位00001111（高四位輸出0000）11H:01011000SETR1,3FHR1=00111111，行判斷用12H:0011010013H:00111111HLT該斷點后就可以按鍵，按鍵要保持到下一個斷點才能松開！14H:00000001INR0,PORT0PC口輸入;L115H:01000000XORR0,R2無鍵按下，R0是00001111，R0=R2有鍵按下，R0低四位：1110/1101/1011/011116H:10110010keyboard匯編助記符注釋(M地址：機器指令)JZ,15H無鍵按下，跳轉(zhuǎn)到

L1（循環(huán)監(jiān)聽鍵盤輸入）17H:0001100018H:00010101MOVR3,R0R3=0000yyyy（yyyy是列編碼）19H:01101100OUTR1,PORT0PC口置位00111111（高四位輸出0011）1AH:01010100INR0,PORT0PC口輸入1BH:01000000XORR0,R1無鍵按下，R0是00111111，R0=R1有鍵按下，R0低四位1110/1101/1011/01111CH:10110001JZ20H行輸出0011無鍵按下，R2仍是000011111DH:000110001EH:00100000MOVR2,R1行輸出0011有鍵按下，R2賦值001111111FH:01101001SHT(RRC)R1R1=10011111（行判斷用）20H:10100101OUTR1,PORT0PC口置位10011111（高四位輸出1001）21H:01010100INR0,PORT0PC口輸入22H:01000000keyboard匯編助記符注釋(M地址：機器指令)HLT按鍵要保持到此斷點后才能松開！23H:00000001XORR0,R1無鍵按下，R0是10011111，R0=R1有鍵按下，R0低四位1110/1101/1011/011124H:10110001JZ33H行輸出1001無鍵按下，跳轉(zhuǎn)

L2：25H:0001100026H:00110011SUBIR2,3FH判斷：R2是否0011111127H:1100100028H:00111111JZ2FHR2是00111111，即行輸出0011有鍵按下29H:000110002AH:00101111SETR2,20HR2否，行輸出0011無鍵按下且1001有鍵按下R2賦值XXXX0000（XXXX是行編碼）2BH:001110002CH:00100000JMP3DH判斷結(jié)束，跳轉(zhuǎn)

L3：

2DH:000100002EH:00111101keyboard匯編助記符注釋(M地址：機器指令)SETR2,40H行輸出0011有鍵按下且1001有鍵按下R2賦值XXXX0000（XXXX是行編碼）2FH:0011100030H:01000000JMP3DH判斷結(jié)束，跳轉(zhuǎn)

L3：

31H:0001000032H:00111101SUBIR2,3FHL2：R2是否0011111133H:1100100034H:00111111JZ3BHR2是0011111，即行輸出0011有鍵按下35H:0001100036H:00111011SETR2,10HR2否，行輸出0011無鍵按下且1001無鍵按下R2賦值XXXX0000（XXXX是行編碼）37H:0011100038H:00010000JMP3DH判斷結(jié)束，跳轉(zhuǎn)

L3：

39H:000100003AH:00111101keyboard匯編助記符注釋(M地址：機器指令)SETR2,80H行輸出0011有鍵按下且1001無鍵按下R2賦值XXXX0000（XXXX是行編碼）3BH:001110003CH:10000000HLTL3：3DH:00000001ORR2,R3R2=XXXXyyyy（高四位行編碼低四位列編碼）3EH:11111011SETR3,82H選PB口：A1A0=013FH:0011110040H:10000010OUTAR3,PORT041H:01011110OUTR2,PORT0PB口輸出最終結(jié)果42H:01011000HLT43H:00000001keyboard思考題：●請把本實驗的微程序版“CPU+8255”電路改成硬布線版和流水線版“CPU+8255”電路，并且運行本實驗步驟所示的8255_Cycle_LED和keyboard程序。請問上述程序在硬布線或流水線版本中需要修改么?若需要，請修改并測試。（一）IO端口擴展(8255)實驗附錄：CPU指令集(OP碼表)OP碼(I7I6I5I4)指令助記符OP碼(I7I6I5I4)指令助記符0111IRET1111OR/ORI0110MOV1110AND/ANDI0101OUT/OUTA1101ADD/ADDI0100IN1100SUB/SUBI0011SET1011XOR/XORI0010SOP(INC/DEC/NOT/THR)1010SHT(RLC/LLC/RRC/LRC)0001JMP/JMPR/Jx/JxR1001STO/PUSH0000NOP/HLT1000LAD/POP一、系統(tǒng)指令：匯編語言功能I7I6I5I4I3I2I1I0NOP;無操作（延時4個T）00000/0x/0HLT;停機（斷點）00000/0x/1IRET;中斷返回BP_PCPC；BP_PSWPSW01110/0x/x匯編語言注釋I7I6I5I4I3I2I1I0MOVRA,RB;(RB)RA0110RARBSETRA,IMM;IMMRA0011RAx/xIMM二、寄存器及I/O操作指令：匯編語言功能I7I6I5I4I3I2I1I0INRA,PORTx;(PORTx)RA0100RAPORTxOUTRA,PORTx;(RA)PORTx0101RA0/PORTxOUTARA,PORTx;(RA)PORTx0101RA1/PORTx匯編語言功能I7I6I5I4I3I2I1I0LADRA,[ADDR];[ADDR]RA1000RA0/0ADDRPOPRA,[RB];[RB]RA1000RARBSTORA,[ADDR];(RA)[ADDR]1001RA0/0ADDRPUSHRA,[RB];(RA)[RB]1001RARB三、存儲器及堆棧操作指令：匯編語言功能I7I6I5I4I3I2I1I0JMPADDR;ADDRPC00010/00/0ADDRJMPRRB;(RB)PC00010/0RBJCADDR;IFCF=1,ADDRPC00010/10/0ADDRJCRRB;IFCF=1,(RB)PC00010/1RBJZADDR;IFZF=1,ADDRPC00011/00/0ADDRJZRRB;IFZF=1,(RB)PC00011/0RBJSADDR;IFSF=1,ADDRPC00011/10/0ADDRJSRRB;IFSF=1,(RB)PC00011/1RB四、跳轉(zhuǎn)系列指令：五、算術(shù)