沈阳工程学院微机原理及应用课程设计
1 设计思路
本次微机原理设计的题目是交通信号灯，它是通过对8255芯片和LED发光二极管的连接设置来模拟交通信号灯的控制，使红黄绿三色灯按照正常交通规则规律地亮灭。交通信号灯由8255芯片控制的，用发光二极管来模拟实际生活中的交通灯，当出现紧急情况时将红灯设置为全亮，以限制路况，及时解决交通事故；当出现交通高峰期时还可以延长信号灯控制的时间。
8255芯片包括四个口，即A口、B口、C口和一个控制口。通过对其控制端口赋予一定的控制字，来设定8255的工作方式，在本设计中，使8255工作于方式0，即基本输入输出方式，并将A口和B口都设置为输入，C口设置成输出。其中，A口与模拟紧急情况的开关连接，当发生紧急情况时将开关关合，红灯全亮，处理事故；当事故解除后，将开关断开，又恢复正常交通情况。B口控制黄灯的亮灭，黄灯闪烁时，红灯亮，绿灯全灭，闪烁的黄灯的位置与绿灯保持一致。C口控制红绿灯，红绿灯分东西南北四个方向，通过将控制字写入到控制口中，强制使与C口相连的LED显示管亮或灭，也就是模拟了实际情况中交通信号灯的控制。
而且，本次课设，我将8255芯片以及LED晶体管相结合，完成了可控制通断的的实际运行程序，在实际运行过程中可以做到故障停止，故障完成后据需通行的完善程序，可以在实际应用过程中，做到有备无患。
通过这次对交通灯的设计，不仅对汇编语言的基础知识掌握的更熟悉，还自己尝试着编写了一些语句，修改，运行，并验证了程序的正确性。真正把微机原理书本中的基础知识应用在了实践中！
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2 系统流程图
开始 1234红灯全亮 调查车流量情况并设置延时 紧急情况？ 调查车流量情况并设置延时 24红灯亮13绿灯亮 紧急情况？ 调查车流量情况并设置延时 24红灯亮绿灯全灭 紧急情况？ 24红灯亮13黄灯闪 调查车流量情况并设置延时 紧急情况？ 13红灯亮24绿灯亮 调查车流量情况并设置延时 紧急情况？ 13红灯亮绿灯全灭 调查车流量情况设置延时 紧急情况？ 初始化 8255红灯全亮 13红灯亮24黄灯闪 调查车流量情况设置延时 紧急情况？ 图 2.1 设计原理流程图
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3 主要元器件介绍
3.1 8255 简介
8255是一种通用的可编程多功能并行输入输出接口。
图3.1 可编程并行通信接口芯片8255的内部结构
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8255的内部接口
8255内部有3个8位的并行I/O端口，即An,Bn,Cn,面向外设一侧各有8根I/O端口数据线。
其中A口输出有锁存能力，输入亦有锁存能力。B口输入输出均有锁存能力。C口输出有锁存能力，输入没有锁存能力。
为了控制方便，将8255的3个口分成A,B两组。其中A组包括A口的8条线PA0~PA7和C口的高4位PC4~PC7。B组包括B口的8条线PB0~PB7和C口的低四位PC0~PC3. A组和B组分别由软件编程来加以控制
在片选信号CS=0的条件下：
A1A0=00，选中A口数据寄存器；A1A0=01，选中B口数据寄存器；A1A0=00，选中C口数据寄存器；A1A0=11，选中控制寄存器。如下表所示。
表3.1.
A1 A0 选择
0 0 A口
0 1 B口
1 0 C口
通常，进行系统设计时，一片8255A占用4个连续的口地址。8255有3种工作方式，A口可以工作在方式0，方式1，方式2；B口可以工作在方式0，方式1；C口仅能工作在方式0。
8255的控制字由8位二进制数构成，8255在应用过程中，将不同的控制字装入芯片中控制寄存器，即可确定8255的工作方式。，各位的控制功能如图6.1.1
说明:当控制字bit7＝1时,控制字的bit6～bit3这4位用来控制A组,即A口的8位和C口的高4位,而控制字的低3位bit2～bit0用来控制B组,包括B口的8位和C口的低4位。
1 1 控制寄存器
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7 6 5 4 3 2 1 0 控制C口抵4位 1：输入 0：输出 控制B口8位 1：输入 0：输出 方式选择 0：方式0 1：方式1 功能控制 0：位操作 1：方式选择 图 3.2 8255的控制字格式
控制C口高4位 0：输出 1：输入 控制A口8位 0：输出 1：输入 方式选择 00：方式0 01：方式1 1X：方式2 8255初始化，8255可编程接口芯片的初始化十分简单，只要将控制字写入8255的控制寄存器即可实现。
8255的引脚功能
图3.3 8255引脚图
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RESET:复位输入信线。此端上的高电平可使8255复位。复位后，8255的A口，B口和C口均被定为输入状态。
CS:片选信号线，当他为低电平（有效时）时，才能选中8255芯片，也才能对8255进行操作。
RD:读信号线，与其他信号一起实现对8255接口的读操作。通常接系统总线的IOR。 WR:写信号线，与其它信号一起实现对8255的写操作，通常接系统总线的IOW。 D0～D7:双向数据信号线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。
PA0～PA7:端口A的8条输入输出信号线，该口的这8条线是工作于输入、输出还是双向（输入、输出）方式可由软件编程来决定。
PB0～PB7:端口B的8条输入输出信号线，利用软件编程可指定这8条是输入还是输出。
PC0～PC7:端口C的8条输入输出信号线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。
A1、A0:口地址选择信号线，8255中有端口A、B、C和一个内部控制字寄存器，共4个端口，可由程序寻址。通常A0,A1分别接系统总线的A0和A1，它们与CS一起来决定8255的接口地址。
表3.2 8255的各种操作功能组合 A1 0 0 1 0 0 1 1 1 X X 0 1 0 0 1 0 1 1 X X A0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 X RD 1 1 1 0 0 0 0 1 1 X WR 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 CS 操作功能 端口A数据总线 端口B数据总线 端口C数据总线 数据总线 端口A 数据总线 端口B 数据总线 端口C 数据总线 控制寄存器 非法操作（控制口不能读） 数据总线浮空 未选中8255
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8255的三种工作方式
a.方式0
①进行数据传送时不需要联络信号。
②任一设置成方式0的端口均可设置成输入或输出。
③输出具有锁存功能。 ④输入没有锁存功能。
⑤每一个8位口和4位口均可设置成方式0。如果所有的8位口和4位口都设置成方式0，则可以有16种不同的输入／输出组合
表3.3 8255方式0之下的输入输出组合 A组 A口（PA0—PA7） 入 入 入 入 入 入 入 入 出 出 出 出 出 出 出 出 C口（PC4—PC7） 入 入 入 入 出 出 出 出 入 入 入 入 出 出 出 出 B口（PB0—PB7） 入 入 出 出 入 入 出 出 入 入 出 出 入 入 出 出 B组 C口（PC0—PC3） 入 出 入 出 入 出 入 出 入 出 入 出 入 出 入 出
b.方式1
①A组和B组都可以设置为该方式，并且可以同时设置。
②每一个设置成方式1的端口(组)包含8位数据线和3条联络线，并提供中断逻辑。 ③任一端口均可作输入或输出，输入和输出均有锁存功能。 c.方式2——双向选通输入输出方式，可以用中断方式,也可以用查询方式与CPU联系。 方式2只有8255的A口才能采用，在A口工作于双向输入输出方式时,固定利用C口
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的5条线作为联络信号线，此时,B口只能工作在方式0或方式1。而C口剩下的3条线可作为输入输出线使用或用作B口方式1之下的联络线。PC7——输出缓冲器满信号OBFA；PC6——响应信号ACKA 输出；PC5——输入缓冲器满信号IBFA；PC4——选通信号STBA
输入；PC3——中断请求信号INTRA输入设备。
3.2 8086简介
8086 CPU简介
由于此系统最终要在西安唐都科教仪器出品的32位微机机教学实验系统TD-PITE/PITC上进行实验，故设计硬件配置时采用Intel8086，整个实验的硬件配置都以此为原则进行设计选用。Intel8086是16位的微处理器（理论学习中为8088，其内部总线为16位，外部总线为8位，故称为准16位微处理器），它采用HMOS工艺40条引脚封装。8086工作时使用5V电源，时钟频率5MHz（8086-1为10MHz，8086-2为8MHz）它有20根地址线，故可寻址的内存空间为1MB。
8086主要特性
Intel8086/8088CPU是Intel公司推出的高性能的微处理器，具体如下主要特性： (1) 8086CPU数据总线为16位，8088CUP数据总线为8位。
(2) 地址总线都是20位，低16位用于数据总线复用，可直接寻址为1MB的存储空间。
(3) 有16位的端口地址，可以寻址64KB的I/O端口。 (4) 有99条基本指令，指令功能强大 (5) 有9种基本寻址方式。
(6) 可以处理内部和外部中断，外部中断源多达256个。 (7) 兼容性好，与80*86，8085在源程序一级兼容。
(8) 8086/8088标准主频为5MHz，8086/8088-2主频为8MH。 (9) 支持单处理器或多处理器系统工作。
实验中是以Intel386EX微处理器为核心，来模拟8086处理器来进行系统的测试工作。
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执行单元(EU) 地址加法器 AH AL BH BL CH CL DH DL SP BP DI SI AX BX CX DX 地址总线 通用寄存器CS DS SS ES IP 暂存器 数据总线 总线 逻辑 控制 外部 总线 ALU数据总线 暂存器T ALU 指令预取队列缓冲器 EU 控制器 队列 总线 1 2 3 4 标志寄存器FR 总线接口单元(BIU)
图3.4 CPU8086内部结构图
8086CPU寄存器结构
8086CPU中有14个16位的寄存器,其中有4个16位的通用寄存器,2个16位指针寄存器,2个16位变址寄存器,1个16位指令指针及1个16位标志寄存器(仅用9位)。
● 通用寄存器
通用寄存器包括累加器AX，基址寄存器BX，计数寄存器CX，数据寄存器DX四个寄存器，位于CPU的EU中，每个数据寄存器可存放16位操作数，也可拆成两个8位寄存器，用来存放8位操作数。
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表3.4 通用寄存器的特殊用途和隐含属性 寄存器名称 AX AH AL 特殊用途及隐含性质 在输入输出指令中作数据寄存器，不能隐含 在乘法指令中存放被乘数或乘积，在除法指令中存放被除数或商，能隐藏 在LAHF指令中，作目标寄存器，能隐藏 在输入/输出指令中作数据寄存器，不能隐藏 在十进制运算指令中作累加器，能隐含 在XLAT指令中作累加器，能隐含 BX CX CL DX
在间接寻址中作基址寄存器，不能隐含 在XLAT指令中作基址寄存器，能隐含 在串操作指令和LOOP指令中做计数器，能隐含 在移位/循环移位指令中作移位次数计数器，不能隐含 在字乘法/除法指令中存放乘积高位或被除数高位或余数，能隐含 在间接寻址的输入/输出指令中作地址寄存器，不能隐含 ● 指针和变址寄存器
指针和变址寄存器包括：堆栈指针SP、基址指针BP、源变址寄存器SI、和目的变址寄存器DI四个16位寄存器，可以来存放数据和地址。
表3.5 指针和变址寄存器的特殊用途和隐含性质 寄存器名称 SI DI BP SP 特殊用途及隐含性质 在字符串运算指令中作源变址寄存器，能隐含 在间接寻址中作变址寄存器，不能隐含 在字符串运算指令中作目标变址寄存器，能隐含 在间接寻址中作变址寄存器，不能隐含 在间接寻址中基址指针，不能隐含 在堆栈操作中作堆栈指针，能隐含
● 段寄存器
段寄存器包括：代码段寄存器CS，用于存放当前代码段的段地址；数据段寄存器DS，用于存放当前数据段的段地址；附加段寄存器ES，用于存放当前附加段的地址；堆栈段寄存器SS，用于存放当前堆栈段的段地址。这些段寄存器彼此不能互换，每个段寄存器在8086存储寻址空间中规定了64KB的存储快。该64KB存储快叫做段寄存 器的当前段。
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● 专用寄存器
包括指令指针寄存器（IP）和标志寄存器（FR）。 指令指针寄存器（IP）：用来存放要取的下一条指令在当前代码段中的偏移地址，程序不能
直接访问IP，在程序运行过程中，BIU可修改IP中内容。指令指针寄存器每执行一次取操作，将自动加1，使它指向下一条要取的内存单元。
标志寄存器（FR）：尽定义了9位，其中6位用作状态标志，3位用作控制标志。
15 0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF
●状态标志位
进位标志CF：当前加法运算有进位，减法运算有借位时，CF=1，否则CF=0。 辅助进位标志AF：在字节操作时，低4位向高4位有进位（加法）或有借位（减法）；在字操作时，低字节向高字节有进位（加法）或有借位（减法）时，则，AF=1，否则AF=0。
奇偶校验标志PF：当运算结果低8位“1”的个数为偶数时，PF=1，否则PF=0。 零标志ZF：当运算结果为0时，ZF=1，否则ZF=0。 溢出标志OF：在有符号数的算术运算时，当运算结果有溢出时，OF=1，否则0F=0。 符号标志SF：在有符号数的算术运算时，当运算结果为负时，SF=1，否则SF=0。 ●控制标志位
方向标志DF：当DF=0时，在串操作指令中，进行自动增址操作；当DF=1时，在串操作指令中，进行自动减址操作。
中断允许标志IF：当IF=0时，禁止响应可屏蔽中断；当IF=1时，允许响应可屏蔽中断。
单步陷阱标志TF：当TF=1时，表示进入单步工作方式；当TF=0时，表示正常执行。
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4 实际硬件接线图 XA1XA2系XD0统单元总线····XD7IOW# IOR#IOY3 D0···· D7___WR ___ RD___CS A0 A1PB7·· PB4 PC08255·单元· PC7 D8·· D11 D0·· D7LED显示单元及开关 PA7 K7
图 4.1 设备实际接线图
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5 源程序清单及注释
DATA SEGMENT ;数据段定义 XX DB 0
DATA ENDS ;数据段定义结束 SSTACK SEGMENT STACK ;堆栈段定义 DW 50 DUP(?)
SSTACK ENDS ;堆栈段定义结束 CODE SEGMENT ;代码段定义 ASSUME CS:CODE,DS:DATA,SS:SSTACK
START: MOV AX,DATA MOV DS,AX
MOV DX,06C6H ;8255初始化:控制口地址送DX MOV AL,90H ;工作方式选择,A入B出 OUT DX,AL ;控制字送入控制口
L1: MOV DX,06C4H ;C口地址送入DX
MOV AL,00001111B ;令从右到左依次为红灯1-4绿灯1-4 OUT DX,AL ;红灯全亮 CALL DELAY1
CALL DELAY1 ;红灯全亮延时时间,2次延时 MOV DX,06C4H ;C口地址送入DX MOV AL,01011010B;
OUT DX,AL ;24红灯亮,13绿灯亮 CALL DELAY2 ;红绿灯延时时间 CMP XX,1
JZ PAUSE ;检查是否有紧急情况 AND AL,00001010B
OUT DX,AL ;24红灯亮,熄灭绿灯
MOV CX,0008H ;设置循环次数,即黄灯闪的次数
L2: MOV DX,06C2H ;B口地址送入DX,控制黄灯 MOV AL,01010000B
OUT DX,AL ;13黄灯亮
CALL DELAY1 ;调用DELAY1 AND AL,00000000B
OUT DX,AL ;熄灭黄灯 CALL DELAY1 ;调用DELAY1 CMP XX,1
JZ PAUSE ;检查是否有紧急情况
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LOOP L2
MOV DX,06C4H ;C口地址送入DX MOV AL,00001111B
OUT DX,AL ;红灯全亮
CALL DELAY1 ;调用DELAY1 MOV AL,10100101B
OUT DX,AL ;13红灯亮,24绿灯亮 CALL DELAY2 ;调用DELAY2 AND AL,00000101B
OUT DX,AL MOV CX,0008H
L3: MOV DX,06C2H MOV AL,10100000B
OUT DX,AL CALL DELAY1 AND AL,00000000B
OUT DX,AL CALL DELAY1 CMP XX,1
JZ PAUSE LOOP L3
MOV DX,06C4H MOV AL,00001111B
OUT DX,AL CALL DELAY1 PAUSE: MOV DX,06C0H IN AL,DX TEST AL,80H JZ L1 MOV DX,06C4H MOV AL,00001111B
OUT DX,AL JMP PAUSE
DELAY1 PROC NEAR PUSH CX PUSH DX
PUSH AX MOV XX,0 MOV CX,8000H ;13红灯亮,熄灭绿灯
;设置循环次数,即黄灯闪的次数 ;B口地址送入DX ;24黄灯亮 ;调用DELAY1 ;熄灭黄灯 ;调用DELAY1 ;检查是否有紧急情况 ;C口地址送入DX ;红灯全亮 ;调用DELAY1 ;A口地址送入DX ;读A口数据
;测试最高位是否为1,最高位模拟紧急情况, ;1为紧急情况,0为一般情况
;为0紧急情况结束转移到L1,红绿灯重新正常工作 ;C口地址送入DX ;紧急情况,红灯全亮
;紧急情况时,无限循环运行PAUSE,红灯一直保持全亮 ;DELAY1定义 ;压入堆栈,保存数据
;为XX赋值0，只有在非紧急情况需要延时，紧急情况;忽略此延时时间,马上进入PAUSE检查是否有紧急情况 ;设置循环次数,控制延时时间
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L4: MOV DX,06C0H ;A口地址送人DX IN AL,DX ;读A口数据
TEST AL,80H ;测试最高位,检查是否有紧急情况
JZ L5 ;为0循环执行L4,有非0跳出程序返回, ;之后进入PAUSE检查是否有紧急情况 MOV XX,1 ;为XX赋值1,出现紧急情况 JMP L6 ;无条件转移到L6 L5: LOOP L4 ;循环执行L4 L6: POP AX POP DX
POP CX RET DELAY1 ENDP DELAY2 PROC NEAR PUSH CX PUSH DX
PUSH AX MOV DX,06C0H IN AL,DX TEST AL,40H JZ L7 MOV AL,3FH L7: AND AL,3FH ADD AL,30H MOV AH,00H MOV CX,AX L8: CALL DELAY1 LOOP L8 POP AX POP DX
POP CX RET DELAY2 ENDP CODE ENDS END START
;弹出保存的数据 ;返回
;DELAY1定义结束 ;DELAY2定义 ;压入堆栈,保存数据 ;A口地址送入DX
;读A口数据,用数字量模拟车辆模拟量 ;测试次高位数据 ;为0跳到L7
;为1即超过最大数据3FH,取最大值
;屏蔽A口最高位和次高位数据,最高位为紧急情况控制, ;次高位如果加上则延时时间过长,与现实实际情况不符 ;红绿灯基值为30H次循环, ;根据路况适当增加红绿灯时间 ;AX为00AL
;AL无法直接送入DX,需要用AX送入 ;调用DELAY1 ;循环执行L8 ;弹出保存的数据 ;返回
;DELAY2定义结束 ;代码段定义结束 ;程序结束
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设计总结
课设周在紧张忙碌中结束了，通过这一周的设计，我不仅更深刻地理解了微机原理的基础知识，还学会了把所学的知识应用于实践的道理。本次计题目是交通信号灯，虽然交通灯对于我们并不陌生，但实际模拟起来也是有一定的难度。它需要精确的逻辑来控制东西南北四个路口红绿灯的亮灭和黄灯的闪烁。在查阅了一些汇编语言的相关资料后，我终于从一开始的不知道如何入手，到顺利画出了原理流程图，可以说是有了一个成功的开端。
本此次课设用的芯片主要是8255，通过反复研究实验，我对8255的功能有了更多的了解。因为它是可编程芯片，就可以通过初始化命令字赋予它具体的功能，比如工作方式为00，A口做输入，BC口做输出。在熟悉掌握了8255芯片各管脚的功能后，我又画出了实际硬件接线图。将8255分别与系统总线和开关及LED显示系统的连接。用实验箱上的开关及LED显示系统模拟紧急事故开关和红绿灯，直观且清晰。在发挥部分设计时有许多新设想都可以立刻编程运行，通过观察二极管亮灭情况和开关效果检测想法是否可行。与主观印象不同的是模拟时四个路口的红绿灯要分开来看。LED数码管D0~D3从左到右模拟路口东西南北的红灯，D4~D7从左到右模拟路口东西南北的绿灯。在设计时将八位二进制数输出到接口芯片8255的C口，就可以控制8个红绿灯的亮灭情况，此时一定注意与实际情况相符。在绿灯转换为红灯时，先要熄灭，然后黄灯亮，再亮红灯，此时交叉路口的红灯还未转换为绿灯，在此刻就会出现瞬间红灯全亮的情况。
发挥部分的初步设计是交通高峰期出现紧急情况延时，通过A口开关D6置位切换到延时方案2。但考虑车辆数目，可以设计自动选择更多延时方案。车辆越多，延时越长。而数字量就是A口所联开关D0~D6位置位复位操作表示的二进制数，将此数送给延时程序的CX寄存器，车辆越多，使此数越大，循环次数越多，延时时间越长。实际生活中开关情况可由车辆计数器等类似设备自动控制。
这一周的课程设计虽然很累，但它使我学会了如何将学到的理论知识应用到实际当中，同时也使我变得更加充实。不仅增强了我们小组的团队合作精神和人与人之间的沟通，还使我们得到了锻炼，丰富了知识。
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致 谢
课设周结束了，我的交通信号灯闪烁着是辛勤的汗水。但成功并不是我一个人的，首先要感谢我的两位指导老师，曲乐声老师和踪念品老师，他们不仅认真地指导我们设计，还耐心地给我们解答设计中遇到的问题和改正设计中的错误。其次要感谢小组中成员对我的帮助，从设计程序，运行实验，完善设计到最终报告的完成，都离不开他们的帮助和支持。最后才有了完整而又正确的设计，使我在实践中受益匪浅。
一次实验，一种知识的学习，为了能让知识与实践相结合，我进行了交通灯的设计，在其中遇到了很大的问题，实际与想象根本是两件事。之后查阅大量了资料，尤其是曲乐声老师指导，在程序段的循环部分做了很好的指导，我的程序完美完成，感谢老师，我懂得了学习的方法和耐心！
从心而论，是老师的主程序段给了我方向，这个程序让我了解了实际交通灯的控制，让我更了解了社会实际事物之间的联系，更深入了解自动化与生活的紧密相连，也对我以后的学习和工作有了积极的影响。
在接下来的生活中，我将会将这些知识用在生活中，系统化的知识用在系统化生活中，一定会让我的知识更好，一定会让我的学习之路更有意思！感谢老师，我会记住这一周设计之旅！
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参考文献
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[3] 赵全利， 吕建平， 邹雪艳.微型计算机原理及接口技术.北京： 机械工业出版社，2009 [4] 何宏.微型计算机原理与接口技术.陕西：西安电子科技大学出版社，2009
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