微机原理与接口实验 41 IO端口扩展-8255 赖晓铮

微机原理与接口实验系列一、IO端口扩展(8255)二、定时器/计数器(8253)三、串口通信(8251)四、模数转换(ADC0809)五、数模转换(DAC0832)六、液晶屏显示(LCD1602)七、中断控制器(8259)赖晓铮博士华南理工大学laixz@QQ:68046508（一）IO端口扩展(8255)实验实验内容：●构建一个“CPU+8255”的微型计算机系统，通过8255芯片扩展微程序版CPU的I/O端口功能。编写机器语言程序，通过8255芯片实现可定制的循环“流水灯”功能；进而编写机器语言程序，通过8255芯片实现记录4×4键盘按键触发位置（行/列）的功能。实验目的：●理解可编程并行接口芯片8255的基本工作原理。●掌握CPU使用8255芯片外扩IO端口的硬件架构及编程方法。微程序版“CPU+8255”电路图初始化过程时钟信号CLK接手动开关MANUAL，启动仿真，使能复位信号#RESET=0；手动按钮MANUAL开关“010”，然后令信号#RESET=1.注：初始化完成后，若时钟信号CLK继续接开关MANUAL，则CPU进入手动模式，手动MANUAL开关，生成时钟信号CLK，程序单步执行；若时钟信号CLK接信号源AUTO-CLK（主频10Hz），则CPU进入自动模式，程序自动运行，直到HLT指令的“断点”处暂停。重启过程（跳出“断点”）时钟信号CLK接开关MANUAL，手动令复位信号端#RESET的状态“101”变化，即重启完成，跳出“断点”继续执行

。注：跳出“断点”后，CPU进入HLT指令的后续下一条指令的取指周期。8255应用电路图可编程并行IO接口芯片8255A结构图8255A控制字示意图#CS#RD#WRA1A0操作数据传送方式00100读

A口A口数据→数据总线00101读

B口B口数据→数据总线00110读

C口C口数据→数据总线01000写

A口数据总线数据→A口01001写

B口数据总线数据→B口01010写

C口数据总线数据→C口01011写控制口数据总线数据→控制口1XXXX禁止访问数据总线接口高阻态8255A控制端口功能图8255A工作方式1(选通)输入组态8255A工作方式1(选通)输入时序图8255A工作方式1(选通)输出组态8255A工作方式1(选通)输出时序图8255A工作方式2（双向传送）应答联络线定义8255A工作方式2（双向传送）时序图实验步骤（可编程的循环流水灯）：1）可编程的循环流水灯程序8255_Cycle_LED.asm存放在实验4.1项目的子文件夹test里，其功能实现了CPU从8255芯片的A口读入拨码开关设置的8位数值，从B口输出该数值到8位LED灯。然后，该数值不断循环移位，在8位LED灯上形成“循环流水灯”效果。具体代码如后页所示。2）编译、烧写、自动运行8255_Cycle_LED源程序，在程序自动运行过程中，观察B口连接的8位LED灯变化。

（编译和烧写asm文件的方法参见“2.6存储器实验：ROM批量导入数据”）3）修改8255_Cycle_LED源程序，A口连接的拨码开关设置不同的数值，观察自动执行过程中B口连接的8位LED灯变化。汇编助记符注释(M地址：机器指令)SETR0,86H选8255地址[1000xxxx]控制端A1A0=1100H:0011000001H:10000110OUTAR0,AR02H:01010010SETR0,99H控制字：PA输入/PB输出/PC输入03H:0011000004H:10011001OUTR0,PORT005H:01010000SETR0,80H选PA口：A1A0=0006H:0011000007H:10000000OUTAR0,PORT008H:01010010INR1,PORT0PA口输入09H:01000100HLT停机0AH:000000018255_Cycle_LED汇编助记符注释(M地址：机器指令)SETR0,82H选PB口：A1A0=010BH:001100000CH:10000010OUTAR0,PORT00DH:01010010OUTR1,PORT0PB口输出0EH:01010100LRCR10FH:10100111HLT10H:00000001JMP0EH循环移位11H:0001000012H:000011108255_Cycle_LED实验步骤（矩阵键盘测试）：1）矩阵键盘测试程序keyboard.asm存放在实验4.1项目的子文件夹test里，其实现的功能如下（代码如后页所示）：

首先，在程序的第一次HLT“断点”跳出后，用户按下矩阵键盘的某个键，一直持续到第二次HLT“断点”暂停后才松开按键。

然后，CPU通过8255芯片的C口高4位输出不同的电平组合，再从C口低4位读取相应的电平组合，可以判断出矩阵键盘中哪个键被压下。

最后，在8255芯片B口连接的8位LED灯上显示被按下键的行值（高4位代表从上到下的矩阵键盘行信息）和列值（低4位代表从左到右的矩阵键盘列信息）。

实验步骤（矩阵键盘测试）：2）编译、烧写、自动运行keyboard源程序：（编译和烧写asm文件的方法参见“2.6存储器实验：ROM批量导入数据”）3）在程序第一次HLT“断点”跳出后，随机按下矩阵键盘中的某个按键（注：按下的时间要足够长，直到程序在第二次HLT“断点”暂停后才能松开按键），观察和记录程序中三个HLT“断点”暂停时刻，通用寄存器R0~3和8255芯片B口连接的8位LED灯变化。4）为何CPU使用C口的高4位输出测试矩阵键盘的时候，不是逐行拉低电平（即输出0111、1011、1101、1110），而是输出0000、0011、1001？这样设计安排有什么优点？

汇编助记符注释(M地址：机器指令)SETR0,86H选8255地址[1000xxxx]控制端A1A0=1100H:0011000001H:10000110OUTAR0,PORT002H:01010010SETR0,91H控制字：PA输入/PB输出/PC高四位输出低四位输入03H:0011000004H:10010001OUTR0,PORT005H:01010000SETR0,82H选PB口：A1A0=0106H:0011000007H:10000010OUTAR0,PORT008H:01010010SETR0,FFH初始化PB口，LED全灭09H:001100000AH:11111111OUTR0,PORT00BH:01010000keyboard汇编助记符注释(M地址：机器指令)SETR0,84H选PC口：A1A0=100CH:001100000DH:10000100OUTAR0,PORT00EH:01010010SETR2,0FHR2=00001111，列判断用0FH:0011100010H:00001111OUTR2,PORT0PC口置位00001111（高四位输出0000）11H:01011000SETR1,3FHR1=00111111，行判断用12H:0011010013H:00111111HLT该断点后就可以按键，按键要保持到下一个断点才能松开！14H:00000001INR0,PORT0PC口输入;L115H:01000000XORR0,R2无键按下，R0是00001111，R0=R2有键按下，R0低四位：1110/1101/1011/011116H:10110010keyboard汇编助记符注释(M地址：机器指令)JZ,15H无键按下，跳转到

L1（循环监听键盘输入）17H:0001100018H:00010101MOVR3,R0R3=0000yyyy（yyyy是列编码）19H:01101100OUTR1,PORT0PC口置位00111111（高四位输出0011）1AH:01010100INR0,PORT0PC口输入1BH:01000000XORR0,R1无键按下，R0是00111111，R0=R1有键按下，R0低四位1110/1101/1011/01111CH:10110001JZ20H行输出0011无键按下，R2仍是000011111DH:000110001EH:00100000MOVR2,R1行输出0011有键按下，R2赋值001111111FH:01101001SHT(RRC)R1R1=10011111（行判断用）20H:10100101OUTR1,PORT0PC口置位10011111（高四位输出1001）21H:01010100INR0,PORT0PC口输入22H:01000000keyboard汇编助记符注释(M地址：机器指令)HLT按键要保持到此断点后才能松开！23H:00000001XORR0,R1无键按下，R0是10011111，R0=R1有键按下，R0低四位1110/1101/1011/011124H:10110001JZ33H行输出1001无键按下，跳转

L2：25H:0001100026H:00110011SUBIR2,3FH判断：R2是否0011111127H:1100100028H:00111111JZ2FHR2是00111111，即行输出0011有键按下29H:000110002AH:00101111SETR2,20HR2否，行输出0011无键按下且1001有键按下R2赋值XXXX0000（XXXX是行编码）2BH:001110002CH:00100000JMP3DH判断结束，跳转

L3：

2DH:000100002EH:00111101keyboard汇编助记符注释(M地址：机器指令)SETR2,40H行输出0011有键按下且1001有键按下R2赋值XXXX0000（XXXX是行编码）2FH:0011100030H:01000000JMP3DH判断结束，跳转

L3：

31H:0001000032H:00111101SUBIR2,3FHL2：R2是否0011111133H:1100100034H:00111111JZ3BHR2是0011111，即行输出0011有键按下35H:0001100036H:00111011SETR2,10HR2否，行输出0011无键按下且1001无键按下R2赋值XXXX0000（XXXX是行编码）37H:0011100038H:00010000JMP3DH判断结束，跳转

L3：

39H:000100003AH:00111101keyboard汇编助记符注释(M地址：机器指令)SETR2,80H行输出0011有键按下且1001无键按下R2赋值XXXX0000（XXXX是行编码）3BH:001110003CH:10000000HLTL3：3DH:00000001ORR2,R3R2=XXXXyyyy（高四位行编码低四位列编码）3EH:11111011SETR3,82H选PB口：A1A0=013FH:0011110040H:10000010OUTAR3,PORT041H:01011110OUTR2,PORT0PB口输出最终结果42H:01011000HLT43H:00000001keyboard思考题：●请把本实验的微程序版“CPU+8255”电路改成硬布线版和流水线版“CPU+8255”电路，并且运行本实验步骤所示的8255_Cycle_LED和keyboard程序。请问上述程序在硬布线或流水线版本中需要修改么?若需要，请修改并测试。（一）IO端口扩展(8255)实验附录：CPU指令集(OP码表)OP码(I7I6I5I4)指令助记符OP码(I7I6I5I4)指令助记符0111IRET1111OR/ORI0110MOV1110AND/ANDI0101OUT/OUTA1101ADD/ADDI0100IN1100SUB/SUBI0011SET1011XOR/XORI0010SOP(INC/DEC/NOT/THR)1010SHT(RLC/LLC/RRC/LRC)0001JMP/JMPR/Jx/JxR1001STO/PUSH0000NOP/HLT1000LAD/POP一、系统指令：汇编语言功能I7I6I5I4I3I2I1I0NOP;无操作（延时4个T）00000/0x/0HLT;停机（断点）00000/0x/1IRET;中断返回BP_PCPC；BP_PSWPSW01110/0x/x汇编语言注释I7I6I5I4I3I2I1I0MOVRA,RB;(RB)RA0110RARBSETRA,IMM;IMMRA0011RAx/xIMM二、寄存器及I/O操作指令：汇编语言功能I7I6I5I4I3I2I1I0INRA,PORTx;(PORTx)RA0100RAPORTxOUTRA,PORTx;(RA)PORTx0101RA0/PORTxOUTARA,PORTx;(RA)PORTx0101RA1/PORTx汇编语言功能I7I6I5I4I3I2I1I0LADRA,[ADDR];[ADDR]RA1000RA0/0ADDRPOPRA,[RB];[RB]RA1000RARBSTORA,[ADDR];(RA)[ADDR]1001RA0/0ADDRPUSHRA,[RB];(RA)[RB]1001RARB三、存储器及堆栈操作指令：汇编语言功能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、跳转系列指令：五、算术