倒计时数字钟

合肥学院

计算机科学与技术系微机原理与接口技术

课程设计报告

2008～2009学年第1学期

课程微机原理与接口技术

课程设计名称倒计时数字钟

学生姓名昌飞霞

学号0604032012

专业班级网络工程专业（06网工2）

指导教师肖连军老师

2009 年 2 月

一、题意分析及解决方案

1 .题义与需求分析

用STAR ES598PCI单板开发机设计一个接口与七段LED显示器，显示一个倒计时数字钟，显示初值为60分00秒，每隔一秒改变一次显示值，60秒为一分钟，LED显示器显示分、秒的动态值。根据题目要求需要考虑以下几方面问题：

①初值的设置及输入问题倒计时时需要从一个固定的值开始倒计时，这个初值需要用输入一个输入设备输入。

②接口设计当初值设置完毕，应将时间信息传送到外设中，即设计CPU与外设之间传送信息的接口。

③动态值的显示从初始值开始每隔一秒就要动态的改变这个初值，并且把这个值用显示设备显示出来。

④显示设备为了使用者能够清楚方便的使用该产品，倒计时数字钟要把每隔一秒后相应数值动态的显示出来，这样才会使得设计出来的产品有应用价值。⑤一秒的控制倒计时钟需要每隔一秒改变一下显示值，所以需要一个操作来控制一秒这个固定延时。

需要注意的是，在选择芯片或选择其它元器件时，应当考虑所选器件在设计中所起的实验效果、产品成本、产品可靠性、可行性以及使用的难易程度等等，这都是我们在设计过程中需要考虑的因素。

2 .解决问题的方法与思路

1) 硬件部分

①初值的设置及输入问题

倒计时钟是从初值开始一秒一秒的倒计时，可以使用一组八位二进制逻辑开关作为输入设备。需要输入的有秒个位、秒十位、分个位、分十位、时个位、时十位，用K7~K5来选择要输入的是哪位,000时表示设置的是秒个位，001时设置的是秒十位，010时设置的是分个位，011时设置的是分十位，100时设置的是时个位，101时设置的是时十位。K4~K1用来表示需要设置位的具体值，0000~1001分别表示十进制数的0~9。K8作为主控开关，为1时表示需要设置初值，为0时不需设置初值及开始倒计时。

②接口设计

接口芯片是CPU与外设之间的界面，一方面要接收CPU进行输入/输出所发出的一系列信息，另一方面又要与外设交换数据以及一些联络信号等。为增加本设计的灵活性，在接口的选择上要求是可编程的输入/输出接口，而可编程的输

入/输出接口又分为可编程并行接口（8255A）和可编程串行接口（8251A）。

8255A芯片是一种可编程通用并行接口芯片，它有24条可编程的I/O引脚，采用40脚双列直插式封装，单一+5V电源，全部输入/输出均与TTL电平兼容。在8255A中有A、B、C三个并行输入/输出端口，其功能全部由程序设定，每个端口都有自己的特点。A口、B口通常作为独立的I/O端口使用，C口也可以作为一般的I/O端口使用，但当A口、B口作为应答式的I/O端口使用时，C口分别以来为A口、B口提供应答控制信号。

8251A芯片是一种可编程通用串行接口芯片，是通用的同步异步接收/发送器，它的作用是把计算机的并行数据转换成串行数据发送出去，把接收到的外部串行数据转换成并行数据送入计算机内部，它可以通过编程选用同步/异步通信方式，它具有独立的发送器和接收器，能够以单工、半双工或全双工方式进行通信，并提供相应的控制信号。

如果采用8251A作为计时时钟的输入/输出接口，那么就需要把计算机的并行数据转换成串行数据发送出去，把接收到的外部串行数据转换成并行数据送入计算机内部，这个过程是需要时间的，所以从时间效率方面来说并没有8255A 芯片合适；另外，可编程并行接口（8255A）的是数据传输速度快，虽然使用的通信线多，但是传输距离并不算远，所以在解决接口问题时，采用可编程并行接口（8255A）是比较合适的。

采用8255A作为计时时钟的输入/输出接口，那么8255A的三个端口设置如下：PA口工作与方式0，作为输出口，其PA0~PA3分别与外设的位选码相连，用以确定显示的是秒还是分的值；PB口工作与方式0，作为输出口，其PB0~PB7分别与外设相连，作为段选线；PC口用来为PA口、PB口提供应答控制信号。③显示设备

倒计时钟的显示问题可以通过LED数码管来解决，LED是发光二级管（Light-Emitting Diode）的简称，它是将七个发光管进行组合，排列成数字图形8，再根据需要控制七个管的亮与灭，即可显示出定义数字在本设计中采用7段数字发光二级管，做为终端显示，因为它的成本低，可靠性高，从显示的效果上来说也可以满足显示计时时钟的需要。

2) 软件部分（汇编语言编写程序）

①动态值控制问题

该部分可通过软件编程来实现。首先将秒个位减一判断结果是否小于0，如果小于0则置秒个位为9，否则直接显示。再将秒十位减一判断结果是否小于0，如果小于0则置秒十位为5，否则直接显示。同理再判断分个位、分十位、时个位、时十位直到减为00：00：00。

②一秒的控制

可以通过做N次空操作来实现。可以先将循环部分每句程序的时钟周期从参

考资料中查到再相加，算出该部分运行的时间T。最后用1S除以T就得到了N。

二、硬件设计

1．选择芯片8255A

1） 8255A在本设计中的作用

PA口、PB口作为作为输出口，PA口的低4位与LED显示器的位选信号LED

到LED

3

相连作为位选码的输出口，高4位禁止。PB口与LED0~LED3的段选信号相连作为段选码的输出口。PC口与逻辑开关相连把读入的二进制数送8086CPU。

PA、PB、PC三口均工作在方式０状态。PC

0～PC

7

与逻辑开关Ｋ

1

～Ｋ

8

相连。当控

制程序运行到读开关变量时，逻辑开关状态经PC口送8086CPU。PA0～PA

3与LED

～

LED

3

相连当控制呈现运行至显示16进制数时送出位选码选中相应位，对应的七段LED显示器显示16进制数的字型,PB0~PB3与LED的段选信号相连，对显示位进行控制。在使用8255Ａ前首先要对它进行初始化设置，设置它的方式选择控制字。

2） 8255A的功能分析

图2-1 8255A的内部框图

8255A是可编程并行接口，内部有3个相互独立的8位数据端口，即A口、Ｂ口和Ｃ口。三个端口都可以作为输入端口或输出端口。Ａ口有三种工作方式：即方式０、方式１和方式２，而Ｂ口只能工作在方式０或方式１下，而Ｃ口通常作为联络信号使用。8255A的工作只有当片选CS效时才能进行。而控制逻辑端口实现对其他端口的控制。

8255有三种工作方式。方式0：基本输入输出，端口与外设之间无联络信号，只能使用无条件传送方式输入输出数据；方式1：是选通输入输出方式，PC口用作联络信号；方式2：双向数据传送方式，仅A口有此功能。本设计用到工作方

式0。

3） 8255A的技术参数

①与外设相连的

PA7~PA0：A口数据信号线。

PB7~PB0：B口数据信号线。

PC7~PC0：C口数据信号线。

②与CPU相连的

RESET：复位信号。当此信号来时，所有寄存器都被清除。同时三个数据端口被自动置为输入端口。

D7~D0：它们是8255A的数据线和系统总线相连。

CS:片选信号。在系统中，一般根据全部接口芯片来分配，若低位地址（比如A5、A4、A3）组成各种芯片选择码，当这几位地址组成某一个低电平，8255A 被选中。只有当其有效时，读信号写才对8255A进行读写。

RD：读信号。当此信号有效时，CPU可从8255A中读取数据。

WR：写信号。当此信号有效时，CPU可向8255A中写入数据。

A1、A0：端口选择信号。8255A内部有3个数据端口和1个控制端口，共4个端口。规定：

A1、A0为00时，选中A端口；

A1、A0为01时，选中B端口；

A1、A0为10时，选中C端口；

A1、A0为11时，选中控制口。

③参数说明：

输入最低电压：min＝-0.5V，max＝0.8 V

输入最高电压：2.0 V

输出最低电压：0.45 V

输出最高电压：2.4 V

④ 8255A的方式控制字

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

图2-2 8255A的方式控制字表

方式0的工作特点：这种方式通常不用联络信号，不使用中断，三个通道中的每一个都有可以由程序选定作为输入或输出。

通道的功能为：两个8位通道：通道A和B。两个四位通道：通道C高4位和低四位，任何一个通道可以作输入/输出，输入是不锁存的，输出是锁存的，在方式0时各个通道的输入/输出可有16种不同的组合。

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

写入位编码 0写入0 D0-D7 000-111 1写入1

图2-3 8255A的置位/控制字表

8255主要用作数据的输入输出端口，电源为5V，输入最低电压：-0.5V~0.8V，输入最高电压：2.0 V，输出最低电压：0.45 V，输出最高电压：2.4 V。8255的达林顿驱动电流最大4.0mA

表2—2 8255A技术参数

2．选择芯片LED

1) LED在本设计中的作用

LED为发光二极管（Light-Emitting Diode），在本设计中采用7段数字发光二级管，做为终端显示，主要是作为动态显示计时的秒个位、秒十位、分个位、分十位、时个位、时十位的值。

2） LED的功能分析

LED发光二级管，采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现。将七个发光管进行组合，排列成数字图形8，再根据需要控制七个管的亮与灭，即可显示出定义数字。有段选码和位选码确定数字1~8的输出并在延时程序中保持复位。它是一种当外加电压超过额定电压时发生击穿，并因此而产生可见光的器件。这种数码管是有7段或8段笔画显示器组成一个字符而形成的。

图2-4LED数码管内部结构

dp g f e d c b a 显示数码二进制编码

0 0 1 1 1 1 1 1 0 3FH

0 0 0 0 0 0 1 1 1 O6H

0 1 0 1 1 0 1 1 2 5BH

0 1 0 0 1 1 1 1 3 4FH

0 1 1 0 0 1 1 0 4 66H

0 1 1 0 1 1 0 1 5 6DH

0 1 1 1 1 1 0 1 6 7DH

(1)静态：数码管显示过程持续得到信号，与数码管接口的I/O口线为专用。特点是无闪烁，元器件多，占I/O线多，无须扫描，节省CPU时间，编程简单。

(2)动态：数码管显示过程轮流得到信号，与各数码管接口的I/O口线为共用。特点是有闪烁，元器件少，占I/O线少，必须扫描，花费CPU时间，编程复杂(有多个LED时尤为突出）。

3） LED的技术参数

消耗功率PM＝150mW

最大工作电流IFM＝100mA

正常工作电流IF＝40mA

正向压降VF ≤ 1.8V

燃亮电压为5V

共阴极LED的PM＝300mW,IFM＝200 mA,IF＝60mA,VF ≤1.8V,VR≥5V，发红光。

发光颜色有：红色光、黄色光、绿色光、红外光等。

发光二极管应用电路有四种，即直流驱动电路、交流驱动电路、脉冲驱动电路、变色发光驱动电路。

3．选择芯片逻辑开关

1)逻辑开关在本设计中的作用

4位开关作为倒计时的初始值的设定，3位开关作为位选，1位作为主控开关。开关K4~K1位设置输入的时间数字（0~9）,K7~K5用来控制对时分秒位数的修改，k8控制程序的运行与否，仅当K8为1时即程序停止运行时才可以修改时间。

表2-5开关设置的位

2)逻辑开关的功能分析

逻辑电平开关可以进行简单的高电平和低电平信号的输入。在8255A可编程并行口的实验中，它作为一种简单的输入设备，当开关拨上时为1，拨下时为0。

3)逻辑开关的技术参数

当K接VCC=+5V时为1，接地时输出为0。

4、硬件总逻辑图及其说明

图2-5硬件总逻辑图

PC机的AD0~AD19经数据总线与8255A的D0~D7相连，地址线A1、A0与8255的A0、A1相连，即偶地址有效。控制总线RD、WR、RESET分别与8255相应的控制信号线连接。片选信号CS0与8255的CS信号连接，则8255的端口地址为

04A0~04A6。8255的PA口用于存放位选码，使用的是高四位，分别连接到四个七段LED显示器上。使用的是共阴极接；PB口用于存放段选码，八位全部连接到八个二极管上；PC口用作信号输入。

三、控制程序设计

1 .控制程序设计思路说明

本课程设计用到了6片LED显示器，分别显示倒计时时钟的秒个位、秒十位、分个位、分十位、时个位、时十位。为节省硬件，所以采用动态扫描显示方式，每次只使一位LED显示器公共端的电平有效，因而每次只有一位LED显示器发光。但由于人眼的视觉暂留的效应，只要间隔的时间足够短，则依次从右向左显示时就感觉是6位LED是同时点亮一样。用8255的PA口接LED显示器的公共端作位

选择，用PB口接LED的各片的发光二极管作段选择的控制，用PC口接二进制开关作初始值的控制输入。同时要解决每隔一秒变化一次显示的问题，所以需要一个时间控制定时。在本程序中用了一个延时子程序来完成这个功能的。在LED 显示器上显示的数字是从0~9共十个字符，将其相应的转换代码存入一个缓冲区中，用查表转换的方式来控制编程调用。

2．控制程序流程图

图3-1程序流程图

图3-2显示子程序流程图3．控制程序

.MODEL TINY

PCIBAR3 EQU 1CH ;8位I/O空间基地址(它就是实验仪的基地址, 也为DMA & 32 BIT RAM板卡上的8237提供基地址)

Vendor_ID EQU 10EBH ;厂商ID 号

Device_ID EQU 8376 ;设备ID号

.STACK 100

.DATA

IO_Bit8_BaseAddress DW ?

msg0 DB 'BIOS不支持访问

PCI $'

msg1 DB '找不到Star PCI9052板卡 $'

msg2 DB '读8位I/O空间基地址时出错$'

COM_ADD DW 00F3H ;控制口偏移量

PA_ADD DW 00F0H ;PA口偏移量

PB_ADD DW 00F1H ;PB口偏移量

PC_ADD DW 00F2H ;PC口偏移量

len db

3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h, 7fh,6fh ;段码表

time db 00h,00h,00h,00h,04h,02h len0 db

00h,10h,20h,30h,40h,50h;00：秒个位，10：秒十位，20：分个位，30：分十位，

len1 db 09h,05h,09h,05h,09h,09h .CODE

START: MOV AX,@DATA

MOV DS,AX

NOP

CALL InitPCI

CALL ModifyAddress ;根据PCI提供的基地址,将偏移地址转化为实地址

;******************************* ******************************** ******

MOV

al,89h ;10001001b初始化工作方式控制字

MOV dx,COM_ADD ;工作方式寄存器端口地址

OUT dx,al

loop3: MOV dx,PC_ADD ;PC口端口地址

IN al,dx ;读入八位开关量

AND al,80h ;判断最高位K8是否为1

CMP al,80h ;为1时设置数据缓冲区初值

JE setlen

CALL display1 ;调用显示子程序，显示一秒

CALL alter ;调用数据缓冲区修改子程序

JMP loop3

setlen: MOV bx,offset time ;数据缓冲区送BX

MOV dx,PC_ADD ;PC口端口地址

IN al,dx ;读八位开关量

MOV

ah,al ;AH=AL 保存数据,下面的操作会改变al的值

AND ax,0f70h ;选取5 6 7进行输入选择判断，并保留ah中的低四位

MOV si,offset len0

;ah=要设置的具体的值，al=对哪位进行设置

loop0: MOV cl,byte ptr [si]

CMP al,cl

JNE loop00 ;不是要

修改的位

MOV byte ptr [bx],ah ;读入的开关量低四位存入缓冲

CALL display1 ;调用显示子程序 JMP loop3 loop00: INC si

;指针指

向下一个需要修改的位

INC bx

;指针指

向下一个需要修改的数值 JMP loop0 ;*********************************************************************

display1 PROC ;显示子程序

PUSH si ;保护SI

PUSH dx ;保护DX

PUSH cx ;保护CX PUSH bx ;保护BX PUSH ax ;保护AX PUSH di ;保护DI

MOV di,50h ;控制1s 的计时

loop1: MOV si,offset time ;数据缓冲区首地址送SI

MOV cx,6 MOV ah,0feh ;设置位选 选中秒的个位

loop2: MOV al,byte ptr [si] ;位移量

MOV bx,offset len ;查表转换

XLAT ;查数据段表，[al+bx]->al

MOV dx,PB_ADD ;PB 口地址

OUT dx,al ;送段选码

MOV al,ah ;位选码AL

MOV dx,PA_ADD ;PA 口地址

OUT dx,al CALL delay ;调用延时子程序

MOV al,0ffh ;禁止显示 OUT dx,al

ADD si,1 ;

ROL ah,1 ;选中前一位

进行操作

LOOP loop2

DEC di ;控制显示一秒

JNE loop1 ;总共循环

50h 次每次是一个delay 时间

POP di POP ax POP bx POP cx POP dx POP si RET display1 ENDP

;********************************************************************

alter PROC ;数据缓冲区子程序 PUSH si PUSH ax PUSH bx PUSH dx

MOV si,offset time ;数据缓冲区首值送BX

MOV bx,offset len1 ;将每位

要借位后下一次的初值读入bx

loop7:MOV ax,[si] ;缓冲区中的秒值取入ax

MOV dx,[bx]

SUB al,1

CMP al,-1

JG loop6

MOV al,dl

SUB ah,1

CMP ah,-1

JG loop6

MOV ah,dh

MOV [si],ax

INC si

INC si

INC bx

INC bx

JMP loop7

loop6:MOV [si],ax ;修改后的值再保存回缓冲区

POP dx

POP bx

POP ax

POP si

RET

alter ENDP

;******************************* ******************************** *****

delay PROC ;延

时子程序

PUSH cx

MOV cx,0ffffh

loop5: LOOP loop5

POP cx

RET

delay ENDP

;******************************* ******************************** *****

InitPCI PROC NEAR

MOV AH,00H

MOV AL,03H

INT 10H ;清屏

MOV AH,0B1H

MOV AL,01H

INT 1AH

CMP AH,0

JZ InitPCI2

LEA DX,msg0

InitPCI1: MOV AH,09H

INT 21H

JMP Exit

InitPCI2: MOV AH,0B1H

MOV AL,02H

MOV CX,Device_ID

MOV DX,Vendor_ID

MOV SI,0

INT 1AH

JNC InitPCI3 ;是否存在Star PCI9052板卡

LEA DX,msg1

JMP InitPCI1

InitPCI3: MOV DI,PCIBAR3

MOV AH,0B1H

MOV AL,09H

INT 1AH ;读取该卡

PCI9052基地址

JNC InitPCI4

LEA DX,msg2