【正文】 微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義主編 衛(wèi)迎輝2013年9月5日目錄前言 1預(yù)備實(shí)驗(yàn) PCI設(shè)備查詢和配置空間的讀取實(shí)驗(yàn) 3實(shí)驗(yàn)一 I/O地址譯碼實(shí)驗(yàn) 6實(shí)驗(yàn)二 中斷控制器實(shí)驗(yàn) 8實(shí)驗(yàn)三 可編程定時器／計數(shù)器（8253）實(shí)驗(yàn) 12實(shí)驗(yàn)四 可編程并行接口（8255）實(shí)驗(yàn) 14實(shí)驗(yàn)五 可編程串行接口（8251）實(shí)驗(yàn) 16實(shí)驗(yàn)六 數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn) 18附錄一 IO方式讀PCI配置空間的參考程序 22附錄二 中斷方式讀PCI配置空間的參考程序 251前言一、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成TPC2003A通用32位微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件件部分主要由一塊PCI總線接口卡、實(shí)驗(yàn)臺（箱）兩部分組成，兩者之間通過50線扁平電纜相連。PCI總線接口卡可以插入PC系列微機(jī)中任意一個PCI擴(kuò)展插槽，該卡的主要功能是使用PLX9054和CPLD把PCI總線時序轉(zhuǎn)換成50芯ISA總線時序，并將與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的總線信號加以驅(qū)動后引到實(shí)驗(yàn)臺上提供給實(shí)驗(yàn)臺使用，同時引出信號還有與“中斷”和“DMA”實(shí)驗(yàn)操作有關(guān)的信號及+5V、+12V、12V電源。二、實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺上設(shè)有I/O地址譯碼電路、總線插孔、接口實(shí)驗(yàn)常用集成電路、外圍電路及通用IC插座等部分組成。外圍電路包括邏輯電平開關(guān)電路、LED顯示電路、時鐘電路、單脈沖電路、邏輯筆、復(fù)位電路、七段數(shù)碼管顯示電路、基本門電路、繼電器及步進(jìn)電機(jī)、小直流電機(jī)的驅(qū)動電路。下面是我們做實(shí)驗(yàn)涉及到的且在實(shí)驗(yàn)中不再說明的電路：總線插孔采用“自鎖緊”插座在標(biāo)有“總線”區(qū)引出數(shù)據(jù)總線D7～D0；地址總線A9～A0；讀、寫信號IOR、IOW；中斷請求信號IRQ；DMA請求信號DRQ1；DMA響應(yīng)信號、DACK1；及AEN信號，供學(xué)生搭試各種接口實(shí)驗(yàn)電路使用。時鐘電路可以輸出1MHZ、2MHZ兩種信號，供A/D轉(zhuǎn)換器、定時器/計數(shù)器、串行接口實(shí)驗(yàn)使用。邏輯電平開關(guān)電路如圖5所示，實(shí)驗(yàn)臺右下方設(shè)有8個開關(guān)K7～K0，開關(guān)撥到“1”位置時開關(guān)斷開，輸出高電平，向下打到“0”位置時開關(guān)接通輸出低電平，電路中串接了保護(hù)電阻，使接口電路不直接同+5V、GND相連，可有效地防止學(xué)生因誤操作、誤編程損壞集成電路現(xiàn)象。LED顯示電路實(shí)驗(yàn)臺上設(shè)有8個發(fā)光二極管及相關(guān)驅(qū)動電路（輸入端L7～L0），當(dāng)輸入信號為“1”時發(fā)光，為“0”時滅。單脈沖電路采用RS觸發(fā)器產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)者每按一次開關(guān)即可以從兩個插座上分別輸出一個正脈沖及負(fù)脈沖，供“中斷”、“DMA”、“定時器/計數(shù)器”等實(shí)驗(yàn)使用。接口集成電路實(shí)驗(yàn)臺上有微機(jī)原理硬件實(shí)驗(yàn)最常用接口電路芯片，包括：可編程定時器/計數(shù)器（8253）、可編程并行接口（8255）、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC0832）、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC0809），這里芯片與CPU相連的引線除片選信號CS外都已連好，與外界連接的關(guān)鍵引腳在芯片周圍用“自鎖緊”插座引出，供學(xué)生實(shí)驗(yàn)時使用。其中數(shù)/模轉(zhuǎn)換器附有雙極性輸出，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器附有雙極性輸入插座。具體電路可見相應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的說明。通用集成電路插座實(shí)驗(yàn)臺上設(shè)有4個通用數(shù)字集成電路插座，其中插座A、B為20P，插座D為40P，插座D可以插入一個24～40腳的集成電路芯片或者2個8～20腳的集成電路芯片。每個插座引腳附近都有相應(yīng)的“自鎖緊”插座，部分實(shí)驗(yàn)（如串行通訊）電路是利用這些插座搭試的。自鎖緊插座插入導(dǎo)線時，應(yīng)稍加力并延順時針方向旋轉(zhuǎn)一下，才能保證接觸良好，拔出時，應(yīng)先逆時針方向旋轉(zhuǎn)待插頭完全松開后，再向上拔出。七段數(shù)碼管顯示電路實(shí)驗(yàn)臺上設(shè)有兩個共陰極七段數(shù)碼管及驅(qū)動電路，段碼為同相驅(qū)動器，輸入端加高電平選中的數(shù)碼管亮，位碼加反相驅(qū)動器，位碼輸入端高電平選中，從段碼與位碼的驅(qū)動器輸入端（段碼輸入端：a、b、c、d、e、f、g、dp，位碼輸入端：ss2）輸入不同的代碼即可顯示不同數(shù)字或符號。七段數(shù)碼管的字型代碼表如下表：數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)驗(yàn)臺上有一塊數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)區(qū)，設(shè)有三種基本門電路（與、或、非）及D觸發(fā)器，供學(xué)生在接口實(shí)驗(yàn)或數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)時直接使用。*在此約定：在實(shí)驗(yàn)電路圖連線在圖中均用虛線表示，實(shí)線為已連好電路。三、實(shí)驗(yàn)用的軟件系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中所有的程序用匯編語言編寫。為了能夠匯編386以上的代碼，其他的軟件和和操作與學(xué)習(xí)匯編語言時一樣，請同學(xué)們事先復(fù)習(xí)一下匯編語言的相關(guān)知識。具體操作在實(shí)驗(yàn)時由指導(dǎo)老師告知。四、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求在每次實(shí)驗(yàn)前要盡最大努力預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，有參考程序的一定要理解透，沒有參考程序的一定要事先編寫好，如出現(xiàn)來實(shí)驗(yàn)室不知做什么的情況，要扣除相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成績，由此產(chǎn)生的一切后果，由實(shí)驗(yàn)者自負(fù)?。?！五、實(shí)驗(yàn)報告要求在實(shí)驗(yàn)報告中要求有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)論，在實(shí)驗(yàn)步驟中應(yīng)重點(diǎn)體現(xiàn)出在實(shí)驗(yàn)過程中自己所做的工作（用文字或圖表表示出來），實(shí)驗(yàn)結(jié)論要回答每次實(shí)驗(yàn)的思考題，及自己收獲的東西。實(shí)驗(yàn)報告要字跡工整，讓別人看了賞心閱目。11預(yù)備實(shí)驗(yàn) PCI設(shè)備查詢和配置空間的讀取實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會使用IO 端口查找TPC 板卡或所有PCI 板卡的硬件資源。學(xué)會使用中斷調(diào)用查找TPC 板卡或所有PCI 板卡的硬件資源。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)配置空間原理使用IO方式編寫一個讀PCI配置空間的程序，該程序能夠獲得本機(jī)上TPC板卡或所有PCI板卡的硬件資源（IO，內(nèi)存，中斷占用情況）。根據(jù)配置空間原理使用中斷方式編寫一個讀PCI配置空間的程序，該程序能夠獲得本機(jī)上TPC板卡或所有PCI板卡的硬件資源（IO，內(nèi)存，中斷占用情況）。三、實(shí)驗(yàn)環(huán)境PC計算機(jī)一臺；TPC2003A實(shí)驗(yàn)箱一套；四、實(shí)驗(yàn)背景知識因?yàn)樵谒械膶?shí)驗(yàn)中，TPC2003A實(shí)驗(yàn)箱是通過一塊插在PC機(jī)內(nèi)PCI總線上的TPC卡實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的信息傳遞，而PCI總線結(jié)構(gòu)支持Pamp。P 即插即用功能，每臺微機(jī)分配給PCI擴(kuò)展板的資源（即IO空間、MEM空間、中斷和DMA）是動態(tài)浮動的，不像ISA總線是固定死的，因此分配給設(shè)備的I/O基地址、內(nèi)存空間基地址、中斷號會因?yàn)椴煌奈C(jī)而變化，本次實(shí)驗(yàn)就是讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何在DOS下確定當(dāng)前微機(jī)中PCI卡的資源。所謂即插即用，其原理就是在每塊支持 PNP 的板卡上都有一組稱為配置空間的寄存器，在這些寄存器中保存有自己對系統(tǒng)資源的需求參數(shù)。當(dāng) Windows 啟動時，其 BIOS引導(dǎo)程序首先讀出這些參數(shù)，然后綜合每塊板卡對資源的需求，統(tǒng)一對整個系統(tǒng)的資源進(jìn)行分配， 從而避免用戶干預(yù)。 為了BIOS引導(dǎo)程序能夠正確的對板卡所需的資源進(jìn)行動態(tài)分配，其配置空間寄存器中存儲的是物理空間大小的相對信息，而不是絕對的物理地址。PCI 配置空間是長度為 256 個字節(jié)的一段內(nèi)存空間，其前 64 個字節(jié)包含PCI接口的信息，我們可以通過它來訪問 PCI 接口。PCI 配置空間是長度為 256 個字節(jié)的一段內(nèi)存空間，其前 64 個字節(jié)包含PCI接口的信息如下表所示，我們可以通過它來訪問 PCI 接口。配置空間地址字節(jié)3字節(jié)2字節(jié)1字節(jié)000H設(shè)備 ID,Device ID 供應(yīng)商 ID,Vendor ID04H狀態(tài),Status 命令,Command08H類代碼Class Code版本 IDRevison ID0CH自測BIST首部類型Header Type延遲定時器Latency TimerCache行容量Cache Line Size10H 基址寄存器 0,Base Address Register014H 基址寄存器 1,Base Address Register118H基址寄存器 2,Base Address Register21CH基址寄存器 3,Base Address Register320H基址寄存器 4,Base Address Register424H基址寄存器 5,Base Address Register528H CardBus 卡信息結(jié)構(gòu)指針,CardBus CIS Pointer2CH 子系統(tǒng) IDSubsystem ID子系統(tǒng)供應(yīng)商 IDSubsystem Vendor ID30H 擴(kuò)展 ROM 基址,Expansion ROM Base Address34H保留,Reserved功能指針CapabilitiesPointer38H 保留,Reserved3CH 優(yōu)先級請求MAX_Lat時間片請求MIN_Gnt中斷引腳Interrupt Pin中斷線Interrupt Line這 64個字節(jié)中，第一個 32 位的雙字包含了 DeviceID 和 VendorID。DeviceID是一個 16位的數(shù)，如果這個單元沒有安裝，在啟動時，計算機(jī)就會顯示 FFFFH。如果安裝了，在 0000H和 FFFFH 之間就會有一個確定的數(shù)代表它。Base Address，即基址寄存器，是32 位寄存器， 可以是 IO Base Address和 Mem BaseAddress. 這是由第 0位決定的，第 0位由硬件強(qiáng)制置 0或 1。加電后，引導(dǎo)程序通過向基址寄存器中寫入全 1，并且讀返回值以獲得設(shè)備所需的地址空間大小，然后操作系統(tǒng)統(tǒng)一給它分配一塊 I/O 或內(nèi)存空間，并把基地址寫回到基址寄存器。這樣驅(qū)動程序可以通過讀這個基址寄存器就可以取得基地址，再加上設(shè)備寄存器偏址就可以訪問這個寄存器了。Interrupt Line，中斷線寄存器，它是一個 8位寄存器，用來報告中斷的連接情況，它是一個可讀可寫的寄存器，并且凡是使用中斷引腳的設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)它，系統(tǒng)引導(dǎo)程序在進(jìn)行初始化和配置時要將中斷連線的信息寫入該寄存器。這個寄存器的值表示設(shè)備的中斷引腳與系統(tǒng)中斷控制器的哪個輸入端相連。設(shè)備驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)可以利用這個信息來確定中斷優(yōu)先級和向量。 該寄存器的值要受系統(tǒng)體系的支配。對于 X86 體系結(jié)構(gòu)，該寄存器的值和標(biāo)準(zhǔn) 8259 配置中的 IRQ 編號（0－15）相對應(yīng)。255 表示沒有連到任何中斷控制器。15－255 之間的值為保留值。Interrupt Pin，中斷引腳寄存器。該寄存器是一個只讀寄存器，用來表示設(shè)備使用了那一根中斷線。其值的1，2，3，4分別對應(yīng)INTA,INTB,INTC,INTD。0表示沒有使用任何中斷。PCI 配置機(jī)構(gòu)采用兩個 32位 IO端口，位于地址 0xCF8 和 0xCFC。這兩個端口是：（1）32 位配置地址端口,占用 IO 地址的0xCF8 到0xCFB（2）32 位配置數(shù)據(jù)端口,占用 IO 地址的0xCFC 到0xCFF訪問配置寄存器的步驟為：1．將目標(biāo)總線編號，設(shè)備編號，功能編號和雙字編號寫配置地址端口，并設(shè)置使能位為 1。2．讀或?qū)懪渲脭?shù)據(jù)寄存器，北橋?qū)⒅付ǖ哪繕?biāo)總線與 PCI總線范圍做比較，如果目標(biāo)總線在此范圍內(nèi)，則啟動PCI 配置讀或?qū)懖僮?。配置地址口的格式為：在不同的操作系統(tǒng)下，對配置空間有不同的存取方法，在DOS下我們只需要使用簡單的匯編指令 IN 或 OUT 就可了。幸運(yùn)的是 Win9x 下其保護(hù)機(jī)制沒有限制這兩個端口的讀寫， 固也可以使用這樣的辦法。 WinNT下提供 READ_PORT_ULONG以及WRITE_PORT_ULONG函數(shù)來對其讀寫。讀寫配置數(shù)據(jù)寄存器還可以調(diào)用 PCI BIOS 函數(shù)的中斷 INT1AH來實(shí)現(xiàn)。中斷調(diào)用參數(shù)如下表所示：入口參數(shù) 返回值功能描述AX=0B101HEDX=39。PCI39。 ASCII 字符AH=執(zhí)行狀態(tài)代碼AL=硬件機(jī)器BX=主從版本號CL=系統(tǒng)中最大總線號CF=完成狀態(tài)，1=錯誤，0=成功檢 查 PCIBIOS 是否存在，版本號為多少AX=0B102HCX=設(shè)備 ID號(065535)Device IDDX=廠商 ID號(065534)Vendor IDSI=索引號（0N）AH=執(zhí)行狀態(tài)代碼BH=總線號(0255)BL=設(shè)備號(高 5位)， 功能號(低3 位)CF=完成狀態(tài)，1=