微機原理與系統設計筆記8 | 可編程並行介面晶元8255A&&可編程定時器、計時器晶元8253、8254

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本部分介紹可編程並行介面晶元8255A&&可編程定時器、計時器晶元8253、8254，增加了一些具體系統的設計案例。 ...


  • 打算整理彙編語言與介面微機這方面的學習記錄。本部分介紹可編程並行介面晶元8255A&&可編程定時器、計時器晶元8253、8254，增加了一些具體系統的設計案例。

  • 參考資料

    • 西電《微機原理與系統設計》周佳社
    • 西交《微機原理與介面技術》
    • 課本《彙編語言與介面技術》王讓定
    • 小甲魚《彙編語言》

Part1 8255A

1. 有關並行介面

第一章就已經提過，外設和CPU之間不能直接進行數據交換，要增加介面電路，並行介面就是數據在多根線上同時傳送。並行介面的特點：

  • 具有埠寄存器
  • 與CPU和外設進行聯絡的控制端
  • 中斷控制端
  • 可編程器件提供多種工作方式供編程選擇。
1

常用的並行介面晶元是Intel 8255A。串列介面晶元是8250和8251。

2. 8255A的結構及其功能

2

  • PA0~PA7：埠A，連接外設

  • PC0~PC7：埠C，連接外設

  • PB0~PB7：埠B，連接外設

    這幾個埠輸入還是輸出是可編程的。

  • D0~D7：數據匯流排（雙向），連接CPU

  • VCC、GND、CSfei、RDfei、WRfei耳熟能詳了

  • 工作方式控制寄存器，可以OUT數據線寫，控制晶元工作方式

  • A0、A1：埠地址線，連接CPU

    有四個埠，A B C埠+ 工作方式控制寄存器

    CSfei A0 A1 埠
    0 0 0 PA
    0 0 1 PB
    0 1 0 PC
    0 1 1 內部控制寄存器
    1 / / /

    因此也可以看出8086系統中，8255A的A1接地址線A2，A0接A1，高12位參加解碼。

    如果地址是偶地址，地址線A0也參加解碼，D0D7連接低八位數據線。奇地址則BHEfei參加解碼，D0D7連接高8位數據線。

  • RESET，複位端，高電平有效

    設備複位應當早於CPU複位。

3. 8255A工作方式及其控制字

3.1 工作方式

  • 工作方式0：無聯絡信號的輸入/輸出方式，等效於無條件輸入輸出方式，PA PB PC三個埠均可工作在工作方式0。

  • 工作方式1：有聯絡信號的輸入輸出方式，相當於查詢法、中斷法。只有PA和PB可工作在工作方式1。PC口來作聯絡信號線（A組使用高四位的PC，B組使用低四位PC）

  • 工作方式2：有聯絡信號的雙向方式，準雙向（半雙工），只有PA口可以工作在工作方式2。PB PC用於聯絡。

    • 註意，工作方式1是單向的。
    • PC可以進行位管理，也就是一位一位的賦值，而PB PA沒有這個功能

3.2 控制字

就是操作8255A內部的工作方式寄存器，類似於8259A的操作：

  • 首先CSfei=0，A0 A1=1 1，選中該寄存器埠

  • D7=1，說明要進行工作方式的選擇，也就是在寫控制字

    如果D7=0，8255A認為正在進行PC埠的位管理。此時D6D4無效，D3D1編碼PC的每一位。D0位表示將編碼PC的位賦予D0的值。

  • D6~D5：控制A組工作方式

    編碼 方式
    0 0 方式0
    0 1 方式1
    1 x 方式2

  • D4：設置A組的輸入輸出方向，0為輸出，1為輸入。

  • D3：控制A組的PC7~PC4的方向，0為輸出，1為輸入。

  • D2：控制B組的工作方式（只有兩種工作方式），0 方式0，1 方式1

  • D1：B組中PB口的方向，0 輸出，1 輸出

  • D0：控制B組的PC3~PC0的方向，0為輸出，1為輸入。

下麵講了P312頁的10.3：

  • A輸出，B輸入，工作在方式1。實現埠C低四位輸入的值從高4位輸出。

    可知控制字 D7~D0 應為：1000_0011

  • ;選中控制寄存器，寫入控制字
MOV DX, 303H 
MOV AL, 83H
OUT DX, AL
; 選中PC埠
MOV DX, 302H
IN AL, DX
MOV CL,4
SHL AL,CL ; 左移4次，低四位移到高四位了
OUT DX, AL; 輸出PC埠值

3.3 工作方式1

這部分好複雜啊，但是不是很難懂。先聽一遍再慢慢梳理。

再詳細講講工作方式1。此時三個埠的信號線分成了A B兩組。PC7PC4用作A組的聯絡信號，PC3PC0用作B組聯絡信號。

A. 輸入

輸入：來看下麵的圖，先以PB埠為例，（其實PA PB兩者除了控制字其他工作方式都一樣）

3

  • 結合下麵圖片中的時序來看。

  • 數據線PB0~PB7上有數據時，還要CPU知道，而外設通過STBfei將有效數據信號（選通信號，一個負脈衝，接在PC2信號線上）到來後，此時8255A將數據拿進來存放到輸入緩衝器。

  • 如果輸入緩衝器滿了，則應該告知設備不能再發送數據了，所以此時IBF信號（緩衝器滿信號，通過PC1輸出）置於高電平，告知設備。

    註意A組和B組各有一個輸入緩衝器。

    4

  • CPU一方可以通過兩種方式得知輸入緩衝器滿了。

    • 查詢法：可以通過RD埠讀IBF（其實是讀PC埠狀態，看PC1），如果IBF=1，則可以實施IN指令讀走數據。IBF變低，此時8255A就可以繼續接收外設的數據。

    • 中斷法：B組通過PC0-INTRB線向CPU發送中斷信號

      需要當8255A處於中斷允許狀態：見上圖結構的INTEB=1則中斷允許。RESET時INTEB清0。

      當IBFB和INTEB同時為1，則通過PC0發送中斷請求（1，高電平了）。CPU響應後進入中斷服務子程式讀出數據，再IRET返回。

      下麵看看INTE如何編程式控制制：

      MOV DX,303H
MOV AL,1XXXX110B;可以當做86H，也就是無效位都當0
OUT DX,AL

;對PC2位置1，達到INTEB=1目的
MOV AL,0xxx0101B
OUT DX,AL;藉助<位管理>達到目的

...;一個小迴圈，等待中斷
; 中斷產生，CPU響應進入服務程式
; 讀出數據
; IRET返回

PA輸入與上面類似。只不過用到的硬體是另一組。值得註意的是，A組的中斷法那一步中，輸出的INTR連接的是PC3（理論上分給了B組）。這是因為A組分到的四根C線，兩根用於方式1的輸入信號通訊（STB和IBF信號），兩根用於方式1的輸出信號通訊，已經用光了。這也是PB埠不能工作在方式2的原因，線不夠用了。

A組工作在方式1富餘的PC6和PC7，可以作為兩根單獨的IO線來使用。

還有一點，A組的中斷屏蔽觸發器INTEA設置的位管理還有一點不同：可見輸入輸出的位管理的相應位不同。

5

B. 輸出

輸出：先看圖

6

  • 當CPU將數據輸出到PA埠，輸出緩衝器滿，8255A通過OBFfei埠低電平通知輸出設備緩衝器滿，同時OBFfei作為輸出設備的選通信號（STBfei）。

  • 設備收到選通信號，回答ACKfei信號（一個負脈衝），8255A收到後，OBFfei就又變高了。

    PC7：OBFfei

    PC6：ACKfei

  • 如何得知輸出緩衝器的情況？應當通過測試OBFfei信號是高電平來知道它是空的。這是查詢法。

  • 中斷法則8255A通過PC3（A組）輸出INTRA高電平信號。這個信號的產生過程與前面類似：

    • 編程設置INTEA為1，允許中斷。
    • 當OBFfei為1（空），則向中斷控制器 8259A/CPU 發送中斷

  • 與輸入對稱。空閑的PC5和PC4充當IO信號線。

3.4 工作方式二

只有PA埠可以工作在工作方式2：雙向方式。這就是方式1中A組輸入和輸出的綜合。

7

還剩PC0~PC2三根線，可以作為空閑IO線。

3.5 讀埠C狀態

方式0中，PC是數據埠，而在方式1和方式2中，C部分作為聯絡信號，所以讀取埠C，可以的值聯絡信號線的狀態，進而確定8255A當前的狀態。

8

4. 8255A與系統匯流排的連接

五種系統匯流排：8086最大模式、最小模式，8088最大模式、最小模式，PC/XT系統。

4.1 8086最小方式/最大方式

9
  • 少了RESET，與CPU的reset相連
10
  • 註意，上圖10.13的解碼電路少了IOR和IOW，應該加上（否則存儲器和IO的數據打架）
  • 註意，上面兩個圖預設都是偶地址

4.2 PC/XT匯流排

基本相同，可以略過。

11

5. 8255A的應用

  • A、B、C都工作在方式0輸出時，則相當於3片74LS374
  • A、B、C都工作在方式0輸入時，相當於3片74LS245/74LS244。

講解了P306 例10.1。

12

  • 假設採用A埠輸入，B埠輸出，且採取方式0。與匯流排連接關係如下：

    13

    解碼電路的地址為:0000_0010_1000_0xx，a0，同時還加上了M/IOfei

    上圖少畫了RESET。

  • A：方式0輸入，B：方式0輸出

    ; 輸入
MOV DX，287H
MOV AL,10010000B
OUT DX, AL
; 輸出
MOV DX,281H
IN AL,DX
NOT AL;二極體的電路決定0亮1滅，所以取個反
MOV DX,285H
OUT DX,AL
;如果加上延時再迴圈，就是亮滅亮滅...

P307的例10.3：

14

  • 首先設計硬體電路：

    15

  • 解碼電路的地址：0000_0000_0010_0XX0

  • 上圖缺少了IOR和IOW的解碼。應當與一下一起進入或門。

  • PA工作在方式0輸出，產生波形其實就是給0給1再加迴圈罷了。

; 設置A組方式0輸出
MOV AL,1000XXXX;可以用80H
;可以間接定址也可以直接定址
OUT 26H,AL

L2： 
	XOR AL,AL ;清零
	OUT 20H,AL;0000輸出
	MOV CX, 6
L1：
	INC AL
	OUT 20H, AL;0001輸出
	LOOP L1
	MOV AL,0FH
	OUT 20H,AL;1111H
	JMP L2

Part2 8253、8254

可編程計數器8253，8254的編程和應用。

1. 8253引腳功能

一個8253內部有3個16位計數器（計數器0~2），各有3個引腳：GAT0，CLK0，OUT0。

  • CLK是輸入的計數時鐘信號，用來分頻，GAT用來控制是否計數，OUT 定時時間到後，輸出（或者說分頻輸出）。
  • 8253對時鐘信號CLK是在下降沿同步計數的。
  • 三個計數器可以級聯工作，以達到更大的分頻。
  • 16位計數器可以當8位計數器，可以選擇高8位或低8位。
  • 每個計數器6個工作方式。

下麵是埠的問題：每個計數器都對應1個狀態控制寄存器，所以一共3個寄存器埠，但這3個埠共用一個地址。

16 17

  • A1 A0：片內定址

  • CSfei：片選信號

    CSfei A1 A0 功能
    0 0 0 對計數器0操作
    此時OUT寫，就是計數器0的計數初值
    此時IN讀，則可以讀當前的計數值
    0 0 1 對計數器1操作
    0 1 0 對計數器2操作
    0 1 1 對內部方式控制寄存器操作

    • 註意，這裡 1 1 表示選中控制寄存器，而8253內部有3個控制寄存器，所以需要額外的標誌位來確定。

    • D7 D6：

      D7 D6 標誌
      0 0 控制寄存器1
      0 1 控制寄存器2
      1 0 控制寄存器3
      1 1 非法（8253）
      鎖存當前狀態值（8254）

8253和8254的區別：

  • 可接受的時鐘頻率不同，8254更大
  • 8254內部有狀態寄存器（因此上面表中需要鎖存），8253沒有
  • 沒有RESET.

2. 8253的內部組成與計數原理

以計數器0為例：

17

  • 首先有一個方式控制字寄存器，可以通過數據線寫入來控制。確定工作方式。

  • 計數初值寄存器CR（16位），所以數據線要寫兩次，先寫低八位，後寫高8位

  • 減法計數器CE，在寫入初值後的第一個時鐘下降沿（CLK信號），8253自動將CR值打入CE，如果GATE有效，CE就對外部CLK進行減法計數

    方式0~5，除了方式3，這個減法計數都是-1計數，而方式3是-2計數。

  • OL輸出鎖存器（16位）：其值跟隨CE在變。可以通過IN指令將OL值讀出來（讀兩次），瞭解CE減到多少了。不過讀之前要向8253發送OL鎖存命令。讀走後OL開鎖，繼續跟著CE改變。

  • 狀態寄存器：寄存該計數器當前的狀態。可以IN讀出（也需要先鎖存）。8253內部沒有這個寄存器，8254有。

    小總結：A1-A0-CS 以信號1-1-0選中後，寫是寫到某個（這個某要看D7和D6）計數器的方式控制寄存器，讀讀的是計數器的狀態寄存器

3. 8253工作方式以及內部含義

19

  • 首先D7和D6已經講過了，用於選擇計數器。

    D7 D6 標誌
    0 0 控制寄存器1
    0 1 控制寄存器2
    1 0 控制寄存器3
    1 1 非法（8253）
    鎖存當前狀態值（8254）

  • D3 D2 D1：用於進行工作方式選擇，000101表示方式1方式5，110和111還表示方式2和方式3。（重點就是2和3）

    D3 D2 D1 方式 解釋
    0 0 0 0 CE減到0則停止，請求中斷
    0 0 1 1 單脈衝形成
    x 1 0 2 分頻器
    x 1 1 3 方波產生器
    1 0 0 4 選通信號產生，軟體觸發
    1 0 1 5 選通信號產生，硬體觸發

  • D0：計數進位選擇，D0=1表示計數初值採取BCD格式，D0=0表示二進位格式

  • D4 D5：表示讀寫格式

    D5 D4 解釋
    0 0 向OL發鎖存命令，需要結合D6 D7一起選中某個計數器的OL
    0 1 對低八位進行讀寫，8位計數器
    1 0 對高八位進行讀寫，8位計數器
    1 1 將選中的計數器設置為16位計數器

4. 8253工作方式

4.1 方式0

計數達到終值而發出中斷，舉例。假設占用300H~303H埠地址，以計數器0為例：

MOV DX,303H;方式控制寄存器
MOV AL,00110000B;選中00計數器，設置為16位計數器11，方式000，二進位計數0
OUT DX,AL;30H寫到計數器0的方式控制寄存器了
;寫信號一到來，工作方式確定，OUT引腳隨之確定，變為低電平。
;下麵向計數器0（對應埠300H）寫計數初值0005H
L2：MOV DX,300H
	MOV AX,0005H
	OUT DX, AL; 第二個寫信號，寫CR_LO
	XCHG AH,AL
	OUT DX, AL; 第三個寫信號，寫CR_H0

;初值寫完，OUT保持低電平
;CLK的上升沿時刻採集GATE信息，若為高電平，則可以計數。在下降沿時刻，CR值打入CE減法計數器。
;此後每到一個時鐘下降沿，CE-1
;CE減到0，OUT自動變為高電平，該上升沿可以向8259A提出中斷請求
;如果沒有繼續寫初值，OUT仍為高電平。

要給CR寫初值，下一定時周期才開始（意思是OUT仍保持高電平）。而CE沒有停止計數，繼續向下減。

L1：
	MOV DX,303H
	MOV AL,0000XXXXB
	OUT DX,AL;發OL命令，鎖存OL值
	MOV DX,300H
	IN AL,DX;讀出OL的低八位
	MOV AH,AL
	IN AL,DX;讀出OL的高八位
	XCHG AH,AL;高低位交換，OL此時==AX
	; 這樣可以查看OL是否減到了0
	; 上述過程在CPU內執行，與CE自減非同步，不好找到CE減到0的時刻，可以這麼判斷：
	CMP AX,5;與初值比較，如果該結果>0，即AX>5，說明已經減到0了
	JNA L1;不大於則繼續回去，鎖存查看比較
	
	JMP L2;重新寫初值，L2在上面

如果在方式0工作期間，GATE突然降為低電平，則在上升沿採集到後的下降沿停止CE計數。GATE恢復高電平後恢復計數。這樣可以延長定時時間。

此外，在CE還未減到0時重新寫初值，也能延長定時時間。

定時器可以用於看門狗的設計，設置CR計時初值大於程式運行時間，當CPU代碼的IP指針跑飛引起死機時，就會引起中斷進入中斷服務程式，可以設置重新回到程式起始處/程式某處，重新執行。

4.2 方式1

硬體觸發的單脈衝形成。

MOV DX,303H
MOV AL,00010010B;計數器00，設置為8位計數器01，方式001，二進位計數0
OUT DX, AL;控制寄存器寫入12H,out引腳電平變高
;寫初值
MOV DX,300H
MOV AL,4
OUT DX,AL;CRL=4，初值寫完了，因為是8位計數器
;當GATE上升沿到來（觸發），CLK檢測到後的第一個下降沿，CRL0的值打入CEL0，同時OUT電平降低。！單脈衝開始！
/*註意單脈衝指的是OUT的單脈衝*/
; CLK每來一個下降沿，CE-1，減到0則OUT的低電平結束，繼續變為高電平

可以看出，GATE控制了單脈衝的形成，而初值控制了單脈衝的寬度。

4.3 方式2

分頻器，分頻脈衝形成。還是結合代碼來看。

MOV DX,303H
MOV AL,01110100B;計數器1 16位計數11，方式2 010，二進位0
OUT DX,AL; 寫入74H,OUT引腳變為高電平

MOV DX,301H
MOV AX,0006H;初值需要計算
OUT DX,AL
XCHG AH,AL
OUT DX,AL ;CR初值寫完
;若GATE為高電平，則允許計數，下一個下降沿時CR值打入CE
;此後每個周期CE-1，減到1後OUT自動變低,保持一個周期後，OUT自動變高，此時CE正好到0。
;OUT變高後，CR再次打入CE，也就是重置為6，重覆執行。
;此時是6分頻。

同理，中途GATE變低，CE停止計數，但是當GATE恢復高電平的那個上升沿時，CE重置為初值。

4.4 方式3

方波產生器。

MOV DX,303H
MOV AL,36H;00110110B
OUT DX,AL;out高電平開始
MOV DX,300H
MOV AX,0006H
OUT DX,AL
XCHG AH,AL
OUT DX,AL ;至此初值寫完
;第一個下降沿，CR0打入CE減法器，!若為偶數直接打入!，每來一個時鐘CE-2，減到0則OUT自動降低
;此時CE重置為初值，繼續自減2，再次減到0後，OUT反轉為高電平，重覆進行
;可見如果是偶數，高低電平時間相等，也就是方波了


;如果是奇數。
;奇數變為偶數(-1)再從CR打入CE，但高電平減到0時會向後保持一個周期，造成高電平比低電平多1周期：正方波(n+1)/2，負方波(n-1)/2

5. 8253的應用

傳統藝能之與匯流排的連接方法其實與前幾個硬體沒什麼不同，所以略過。

P293的9.11題。需要兩個計數通道級聯。

20 
  • MOV DX,83H
MOV AL,00010100B
OUT DX,AL
MOV DX,80H
MOV AL,100
OUT DX,AL

  • 需要級聯，將計數器1的OUT連到計數器2的CLK，計數器1的CLK接系統時鐘1MHZ

    硬體連線程式管不了，需要電路上接好。

    
; 計數器1
MOV DX,83H
MOV AL,011101000B
OUT DX,AL

MOV DX,81H
MOV AX,1000;分頻1000
OUT DX,AL
XCHG AL,AH
OUT DX,AL

;計數器2
MOV DX,AL
MOV DX,83H
MOV AL,10010110B
OUT DX,AL
MOV AL,100;分頻100
OUT DX,AL

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  • 第27篇 sqlserver2022詳細安裝步驟
    話不多說，直接開乾 一.下載 1.官方鏈接下載： https://www.microsoft.com/zh-cn/sql-server/sql-server-downloads 2.在下載目錄中找到下麵這個小的安裝包 SQL2022-SSEI-Dev.exe，運行開始下載SQL server； 二. ...
  • .NET 開源高性能 MQTT 類庫
    前言 隨著物聯網（IoT）技術的迅猛發展，MQTT（消息隊列遙測傳輸）協議憑藉其輕量級和高效性，已成為眾多物聯網應用的首選通信標準。 MQTTnet 作為一個高性能的 .NET 開源庫，為 .NET 平臺上的 MQTT 客戶端與伺服器開發提供了強大的支持。 本文將全面介紹 MQTTnet 的核心功能 ...
  • Serilog文檔翻譯系列（六） - 可用的接收器、增強器、格式化輸出
    Serilog支持多種接收器用於日誌存儲，增強器用於添加屬性，LogContext管理動態屬性，支持多種輸出格式包括純文本、JSON及ExpressionTemplate。還提供了自定義格式化選項，適用於不同需求。 ...
  • 警惕 Visual Studio 屬性求值副作用導致邏輯不符合預期
    目錄簡介獲取 HTML 文檔解析 HTML 文檔測試參考文章 簡介 動態內容網站使用 JavaScript 腳本動態檢索和渲染數據，爬取信息時需要模擬瀏覽器行為，否則獲取到的源碼基本是空的。 本文使用的爬取步驟如下： 使用 Selenium 獲取渲染後的 HTML 文檔 使用 HtmlAgility ...
  • [使用目前最新版]HybridCLR6.9.0+YooAsset2.2.4實現純C# Unity熱更新方案 (一)
    1.前言 什麼是熱更新 游戲或者軟體更新時，無需重新下載客戶端進行安裝，而是在應用程式啟動的情況下，在內部進行資源或者代碼更新 Unity目前常用熱更新解決方案 HybridCLR，Xlua，ILRuntime等 Unity目前常用資源管理解決方案 AssetBundles，Addressable， ...
  • 在 ASP.NET Core Web API 中使用操作篩選器統一處理通用操作
    本文章主要是在C# ASP.NET Core Web API框架實現向手機發送驗證碼簡訊功能。這裡我選擇是一個互億無線簡訊驗證碼平臺，其實像阿裡雲，騰訊雲上面也可以。 首先我們先去 互億無線 https://www.ihuyi.com/api/sms.html 去註冊一個賬號 註冊完成賬號後，它會送 ...
  • 第28篇 如何.net中實現高效可靠數據同步api
    通過以下方式可以高效，並保證數據同步的可靠性 1.API設計 使用RESTful設計，確保API端點明確，並使用適當的HTTP方法（如POST用於創建，PUT用於更新）。 設計清晰的請求和響應模型，以確保客戶端能夠理解預期格式。 2.數據驗證 在伺服器端進行嚴格的數據驗證，確保接收到的數據符合預期格 ...
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