含原理图+电路图+程序的波形发生器:在工作中，我们常常会用到波形发生器，它是使用频度很高的电子仪器。现在的波形发生器都采用单片机来构成。单片机波形发生器是以单片机核心，配相应的外围电路和功能软件，能实现各种波形发生的应用系统，它由硬件部分和软件部分组成，硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上，对其合理的调配和使用，从而完成波形发生的任务。 波形发生器的技术指标：（1） 波形类型：方型、正弦波、三角波、锯齿波；（2） 幅值电压：1V、2V、3V、4V、5V；（3） 频率值：10HZ、20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1KHZ；（4） 输出极性：双极性操作设计1、 机器通电后，系统进行初始化，LED在面板上显示6个0，表示系统处于初始状态，等待用户输入设置命令，此时，无任何波形信号输出。2、 用户按下“F”、“V”、“W”，可以分别进入频率，幅值波形设置，使系统进入设置状态，相应的数码管显示“一”，此时，按其它键，无效；3、 在进入某一设置状态后，输入0~9等数字键，（数字键仅在设置状态时，有效）为欲输出的波形设置相应参数，LED将参数显示在面板上；4、 如果在设置中，要改变已设定的参数，可按下“CL”键，清除所有已设定参数，系统恢复初始状态，LED显示6个0，等待重新输入命令；5、 当必要的参数设定完毕后，所有参数显示于LED上，用户按下“EN”键，系统会将各波形参数传递到波形产生模块中，以便控制波形发生，实现不同频率，不同电压幅值，不同类型波形的输出；6、 用户按下“EN”键后，波形发生器开始输出满足参数的波形信号，面板上相应类型的运行指示灯闪烁，表示波形正在输出，LED显示波形类型编号，频率值、电压幅值等波形参数；7、 波形发生器在输出信号时，按下任意一个键，就停止波形信号输出，等待重新设置参数，设置过程如上所述，如果不改变参数，可按下“EN”键，继续输出原波形信号；8、 要停止波形发生器的使用，可按下复位按钮，将系统复位，然后关闭电源。硬件组成部分通过综合比较，决定选用获得广泛应用，性能价格高的常用芯片来构成硬件电路。单片机采用MCS-51系列的89C51（一块）,74LS244和74LS373（各一块）,反相驱动器 ULN2803A（一块）,运算放大器 LM324（一块） 波形发生器的硬件电路由单片机、键盘显示器接口电路、波形转换（D/ A）电路和电源线路等四部分构成。1.单片机电路功能：形成扫描码，键值识别，键功能处理，完成参数设置；形成显示段码,向LED显示接口电路输出；产生定时中断；形成波形的数字编码,并输出到D/A接口电路；如电路原理图所示： 89C51的P0口和P2口作为扩展I/O口，与8255、0832、74LS373相连接，可寻址片外的寄存器。单片机寻址外设，采用存储器映像方式，外部接口芯片与内部存储器统一编址，89Ｃ51提供16根地址线P0（分时复用）和P2，P2口提供高8位地址线，P0口提供低8位地址线。P0口同时还要负责与8255，0832的数据传递。P2.7是8255的片选信号，P2.6是0832（1）的片选，P2.5是0832（2）的片选，低电平有效，P0.0、P0.1经过74LS373锁存后，送到8255的A1、A2作，片内A口，B口，C口，控制口等寄存器的字选。89C51的P1口的低4位连接4只发光三极管，作为波形类型指示灯，表示正在输出的波形是什么类型。单片机89C51内部有两个定时器/计数器，在波形发生器中使用T0作为中断源。不同的频率值对应不同的定时初值，定时器的溢出信号作为中断请求。控制定时器中断的特殊功能寄存器设置如下：定时控制寄存器TCON＝（０００１００００）工作方式选择寄存器（TMOD）＝（００００００００）中断允许控制寄存器（IE）＝（１０００００１０）2、键盘显示器接口电路功能：驱动6位数码管动态显示； 提供响应界面； 扫面键盘； 提供输入按键。由并口芯片8255，锁存器74LS273，74LS244，反向驱动器ULN2803A，6位共阴极数码管（LED）和4×4行列式键盘组成。8255的C口作为键盘的I/O接口，C口的低4位输出到扫描码，高4位作为输入行状态，按键的分布如图所示。8255的A口作为LED段码输出口，与74LS244相连接，B口作为LED的位选信号输出口，与ULN2803A相连接。8255内部的4个寄存器地址分配如下：控制口:7FFFH , A口:7FFFCH , B口:7FFDH , C口:7FFEH 3、D/A电路功能：将波形样值的数字编码转换成模拟值；完成单极性向双极性的波形输出；构成由两片0832和一块LM324运放组成。0832（1）是参考电压提供者，单片机向0832（1）内的锁存器送数字编码，不同的编码会产生不同的输出值，在本发生器中，可输出1V、2V、3V、4V、5V等五个模拟值，这些值作为0832（2）的参考电压，使0832（2）输出波形信号时，其幅度是可调的。0832（2）用于产生各种波形信号，单片机在波形产生程序的控制下，生成波形样值编码，并送到0832（2）中的锁存器，经过D/A转换，得到波形的模拟样值点，假如N个点就构成波形的一个周期，那么0832（2）输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，就是波形信号的一个周期。重复输出N个点后，由此成第二个周期，第三个周期……。这样0832（2）就能连续的输出周期变化的波形信号。运放A1是直流放大器，运放A2是单极性电压放大器，运放A3是双极性驱动放大器，使波形信号能带得起负载。地址分配：0832（1）：DFFFH ，0832（2）：BFFFH4、电源电路：功能：为波形发生器提供直流能量；构成由变压器、整流硅堆，稳压块7805组成。220V的交流电，经过开关，保险管（1.5A/250V），到变压器降压，由220V降为10V，通过硅堆将交流电变成直流电，对于谐波，用4700μF的电解电容给予滤除。为保证直流电压稳定，使用7805进行稳压。最后，＋5V电源配送到各用电负载。
上传时间： 2013-11-08
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82C59A-2是为简化微处理机系统中断接口而实现的LSI外围芯片。也叫做PIC（Programmable Interrupt Controller）。是高性能高速度芯片。在多级优先级中断系统内82C59A-1402已经把CPU从对任务的轮询中解救出来。PCI可由软件进行控制，使用于各种不同的环境，联级可接受8~64个中断输入。 管脚与NMOS8259A-2兼容单片8级优先级，级联可扩64级多种可编程中断方式各自专用的请求屏蔽能力与Intel系列机兼容全部采用静态设计低功耗5V的电源供电。
上传时间： 2013-10-30
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高性能可编程DMA控制接口82C37A-54.1 概述对象实体：直接存储器访问（DMA）控制接口芯片82C37A-5芯片的特点：1、管脚引线与NMOS 8237A-5兼容。2、允许/禁止单独DMA请求控制。3、频率从0~5MHz区间全静态设计。4、低电平操作。 5、4个各自独立的DMA通道并独立的进行初始化。6、存储器到存储器之间传送。7、存储器模块初始化处理。8、地址的增量和减量。9、传送速率可达1.6MB/s.10、可直接扩展成任意数量的通道。11 、终止传送的过程即输入结束。12、软件请求。13、独立信号DREQ和信号DACK的极性控制。4.2 82C37A-5的体系结构4.2.1 基本结构描述1. 82C37A-5内部配备了规模为344位的内部存储器，它是以寄存器的形式出现的。2. 配有3个基本的控制模块： （1）定时及控制模块； （2）优先级编码及循环优先级控制模块；（3）命令控制模块； 3. 12个不同类型的寄存器 。图 4-1 82C37A-5结构图EOP# A0~A3RESETCS#. IOW# DREQ0~DREQ3HLDAHRQ DB0~DB7DACK0~DACK3
上传时间： 2013-10-21
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82C54是专为Intel系列微处理机而设计的一种可编程时间间隔定时器/计数器，它是一种通用芯片，在系统软件中可以把多级定时元素当成输入/输出端口中的一个阵列看待。1. 与所有Intel系列兼容2. 操作速度高，与8MHz的8086、80186一起可实现“零等待状态”的操作。3. 可处理从直流到10M频率的输入。4. 适应性强5. 三个独立的16位计数器6. 低功耗的CHMOS7. 与TTL完全兼容8. 6 种可编程的计数模式9. 以二进制或BCD计数10. 状态读返回命令
上传时间： 2013-11-16
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82C55A是高性能，工业标准，并行I/O的LSI外围芯片；提供24条I/O脚线。 在三种主要的操作方式下分组进行程序设计82C88A的几个特点：(1)与所有Intel系列微处理器兼容；(2)有较高的操作速度；(3)24条可编程I/O脚线；(4)底功耗的CHMOS；(5)与TTL兼容；(6)拥有控制字读回功能；（7）拥有直接置位/复位功能；（8）在所有I/O输出端口有2.5mA DC驱动能力；（9）适应性强。方式0操作称为简单I/O操作，是指端口的信号线可工作在电平敏感输入方式或锁存输出。所以，须将控制寄存器设计为：控制寄存器中:D7=1; D6 D5=00; D2=0。D7位为1代表一个有效的方式。通过对D4 D3 D1和D0的置位/复位来实现端口A及端口B是输入或输出。P56表2-1列出了操作方式0端口管脚功能。
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P C B 可测性设计布线规则之建议― ― 从源头改善可测率PCB 设计除需考虑功能性与安全性等要求外，亦需考虑可生产与可测试。这里提供可测性设计建议供设计布线工程师参考。1. 每一个铜箔电路支点，至少需要一个可测试点。如无对应的测试点，将可导致与之相关的开短路不可检出，并且与之相连的零件会因无测试点而不可测。2. 双面治具会增加制作成本，且上针板的测试针定位准确度差。所以Layout 时应通过Via Hole 尽可能将测试点放置于同一面。这样就只要做单面治具即可。3. 测试选点优先级：A.测垫(Test Pad) B.通孔(Through Hole) C.零件脚(Component Lead) D.贯穿孔(Via Hole)(未Mask)。而对于零件脚，应以AI 零件脚及其它较细较短脚为优先，较粗或较长的引脚接触性误判多。4. PCB 厚度至少要62mil(1.35mm)，厚度少于此值之PCB 容易板弯变形，影响测点精准度，制作治具需特殊处理。5. 避免将测点置于SMT 之PAD 上，因SMT 零件会偏移，故不可靠，且易伤及零件。6. 避免使用过长零件脚(>170mil(4.3mm))或过大的孔(直径>1.5mm)为测点。7. 对于电池(Battery)最好预留Jumper，在ICT 测试时能有效隔离电池的影响。8. 定位孔要求：(a) 定位孔(Tooling Hole)直径最好为125mil(3.175mm)及其以上。(b) 每一片PCB 须有2 个定位孔和一个防呆孔(也可说成定位孔,用以预防将PCB反放而导致机器压破板)，且孔内不能沾锡。(c) 选择以对角线，距离最远之2 孔为定位孔。(d) 各定位孔(含防呆孔)不应设计成中心对称,即PCB 旋转180 度角后仍能放入PCB,这样,作业员易于反放而致机器压破板)9. 测试点要求：(e) 两测点或测点与预钻孔之中心距不得小于50mil(1.27mm)，否则有一测点无法植针。以大于100mil(2.54mm)为佳，其次是75mil(1.905mm)。(f) 测点应离其附近零件(位于同一面者)至少100mil，如为高于3mm 零件，则应至少间距120mil，方便治具制作。(g) 测点应平均分布于PCB 表面，避免局部密度过高，影响治具测试时测试针压力平衡。(h) 测点直径最好能不小于35mil(0.9mm)，如在上针板，则最好不小于40mil(1.00mm)，圆形、正方形均可。小于0.030”(30mil)之测点需额外加工，以导正目标。(i) 测点的Pad 及Via 不应有防焊漆(Solder Mask)。(j) 测点应离板边或折边至少100mil。(k) 锡点被实践证实是最好的测试探针接触点。因为锡的氧化物较轻且容易刺穿。以锡点作测试点，因接触不良导致误判的机会极少且可延长探针使用寿命。锡点尤其以PCB 光板制作时的喷锡点最佳。PCB 裸铜测点，高温后已氧化，且其硬度高，所以探针接触电阻变化而致测试误判率很高。如果裸铜测点在SMT 时加上锡膏再经回流焊固化为锡点，虽可大幅改善，但因助焊剂或吃锡不完全的缘故，仍会出现较多的接触误判。
上传时间： 2014-01-14
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并行接口电路：微处理器与I/O设备进行数据传输时均需经过接口电路实现系统与设备互连的匹配。并行接口电路中每个信息位有自己的传输线，一个数据字节各位可并行传送，速度快，控制简单。由于电气特性的限制，传输距离不能太长。8255A是通用的可编程并行接口芯片，功能强，使用灵活。适合一些并行输入/输出设备的使用。8255A并行接口逻辑框图三个独立的8位I/O端口,口A、口B、口C。口A有输入、输出锁存器及输出缓冲器。口B与口C有输入、输出缓冲器及输出锁存器。在实现高级的传输协议时，口C的8条线分为两组，每组4条线，分别作为口A与口B在传输时的控制信号线。口C的8条线可独立进行置1/置0的操作。口A、口B、口C及控制字口共占4个设备号。8255A并行接口的控制字工作模式选择控制字：口A有三种工作模式，口B有二种工作模式。口C独立使用时只有一个工作模式，与口A、口B配合使用时，作为控制信号线。三种工作模式命名为：模式0、模式1及模式2。模式 0 为基本I/O端口，模式1为带选通的I/O端口，模式 2 为带选通的双向I/O端口。口A可工作在三种模式下，口B可工作在模式 0与模式 1下，口C可工作在模式0下或作为控制线配合口A、口B工作。
上传时间： 2013-11-07
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串行通信的特点串行通信是主机与外设交换信息的一种方式。串行通信中字节数据经一条传输线按位串行发送与串行接收。串行通信节省通信线路，可远距离传送，成本低，广泛应用在通信及计算机网络系统中。串行通信中，数据传输速率低，控制较复杂。光纤技术的出现与发展，为串行通信开辟了美好前景。串行通信的术语全双工、半双工、单工全双工: 通信双方均有发送器和接收器,经两条独立的传输线相连, 双方可同时接收与发送。 全双工、半双工、单工半双工：通信双方均有发送器和接收器,经一条传输线相连, 在某一时刻双方只能一个方向传输信息，线路切换后可改变传输方向。 全双工、半双工、单工单工：通信一方为发送器，另一方为接收器,一条传输线相连, 进行单向传输。同步与异步通信方式同步方式：通信双方用统一时钟控制通信过程, 信息传输组成数据包(数据帧)。每 帧头尾是控制代码,中间是数据块， 可有数百字节。不同的同步传输协 议有不同的数据帧格式。
上传时间： 2013-11-19
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单片机应用技术选编(1) 第一章 单片机系统综合应用技术 11.1 且使用 8098单片机的几点体会 2 1.2 单片机的冷启动与热启动 31.3 大容量动态存储器在单片机系统中的应用111.4 MCS－51单片机系统中动态 RAM的刷新技巧141.5 MCS－51单片机系统中外RAM空间超64KB的扩展方法161.6 8031单片机P0口和P2口的应用开发 181.7 74LＳ164在 8031单片机中的两种用法261.8 用于 8031单片机的快速I/O接口281.9 MCS－51定时器定时常数初值的精确设定法301.10 8253的翻转问题及 MC6840的替代方法321.11 MCS－51单片机外部中断源的扩展设计351.12 MCS－51单片机多外中断扩展方法401.13 用优先权编码器74LＳ348扩展51系列单片机的外中断源421.14 用优先权编码器74LＳ148扩展51系列单片机的外中断源471.15 8031单片机与 BＧ5119A汉字库的接口方法521.16 可背插 ＳRAM的日历时钟 DＳ1216及其应用551.17 实时日历时钟集成电路MＳM5832及其时序601.18 实时日历时钟集成电路MＳM5832的接口技术631.19 实时时钟/日历芯片MC146818及其应用671.20 与 ＳICE仿真器通讯的IBM-PC机通讯程序的改进741.21 代码形式参数汇编子程序的应用821.22 单片机应用系统中的查表程序设计861.23 用状态综合法设计键盘监控程序901.24 单片机系统程序的加密技术961.25 MCS－96单片机程序保密的几种方法1001.26 ＧAL输出宏单元原理及使用105 1.27 通用阵列逻辑 ＧAL应用于步进电机控制实例110 第二章 传感器与前向通道接口技术1172.1 集成温度传感器 LM134及其应用1182.2 AD590集成温度一电流传感器原理及应用1242.3 集成温度传感器 AD590的应用1292.4 GS－800和 GS－130可燃气体传感器1332.5 集成化霍尔开关传感器1352.6 一种新颖实用的氧气/频率转换电路1392.7 MCS－51单片机与数字式温度传感器的接口设计1422.8 数字式温度传感器 ＳWC与 8031的接口及应用1452.9 低成本高精度压力传感器微机接口设计1472.10 峰值检测电路原理及应用1512.11 用 LF398制作的实用峰值和谷值保持电路1532.12 AD637集成真有效值转换器1562.13 传感器信号调理模块 ＺB311622.14 2B31模块在称重智能仪表中的应用1662.15 传感器信号调理模块 2B30/2B31及其应用1692.16 高精度光纤位移测量系统的电路设计1752.17 集成电压一电流转换器 XTR100的工作原理及应用1792.18 传感器信号变送器 F693及其应用1852.19 一种用两片 VFC32构成的隔离放大器电路1912.20 实用线性隔离放大器1922.21 电桥放大电路中 7650的一些应用问题1942.22 A/D转换器 ICL7109的应用研究1962.23 5Ｇ14433模数转换器的启停控制2002.24 ADC1130模数转换器及其使用2042.25 16位 A/D转换器 ADC1143及其与 80C31单片机的接口2082.26 串行 I/O D/A A/D转换器与单片机的接口2132.27 单片机应用系统中的数字化传感器接口技术2162.28 ADVFC32 A/D转换接口技术2202.29 V/F和 F/V转换器 TD650原理与应用2242.30 AD650与 MC－51单片机的接口技术2302.31 利用VCＯ电路与单片机接口实现A/D转换2352.32 LM2907/2917系列F/V变换器在汽车检测中的应用2382.33 单信号多通道输入法改善 A/D转换器性能2412.34 用多片 A们转换芯片提高 A/D转换速度2452.35 实时数控增益调整与浮点 ADC电路2492.36 电荷耦合器件的单片机驱动2532.37 电荷耦合器件的结构原理与单片机的软件定时驱动2582.38 利用模数转换器提高转换信号的线性度2622.39 利用微型机解决转换中的非线性问题2682.40 利用非线性曲线存储实现线性化的方法2702.41 输出无非线性误差的可变电压源单臂电桥274 第三章 控制系统与后向通道接口技术2793.1 DAC1231与单片机 8031的接口技术2803.2 单路及多路 D八的光电隔离接口技术2843.3 光电隔离高压驱动器2903.4 TRAIC型光耦在 8031后向通道接口的应用分析2913.5 ＧD－L型光控晶闸管输出光耦合器2963.6 用于晶闸管过零触发的几种方式3003.7 固态继电器3043.8 固态继电器在交流电子开关中的应用3083.9 JCＧ型参数固态继电器3123.10 JCＧ型参数固态继电器的应用315 3.11 介绍几种适用于印刷电路板的超小型电磁继电器3193.12 用TWＨ8751集成电路构成微机控制的三步进电机驱动电源3223.13 3－4相步进电机控制器 5Ｇ87133253.14 5Ｇ0602报警电路及应用3283.15 两种新型温控光控兀的应用330 第四章 人机对话通道接口技术3334.1 单片机键盘接口设计3344.2 由电话机集成电路构成的单片机键盘接口电路3364.3 用 GAL设计的一种编码键盘接口3384.4 用 CMOS电路构成的非编码触摸键盘3424.5 设计薄膜开关应注意的一些问题3454.6 触摸式电子开关集成电路 5Ｇ673及其应用3504.7 8279用于拨码盘及显示器的接口设计3544.8 LED数码管的构造与特点3584.9 LED数码管的集成驱动器及配套器件3624.10 8279芯片的显示接口分析及32位数码管显示驱动电路设计366 4.11 用三端可调稳压块代替LED显示器的限流电阻3704.12 液晶显示器件的构造与特点3714.13 LCD七段显示器与单片机的接口3744.14 液晶显示器与单片机的接口技术3764.15 可编程LCD控制驱动器PPD72253814.16 微机总线兼容的四位 LCD驱动电路 TSC7211AM3874.17 使用8255的双极性归零脉冲驱动液晶显示器接口3914.18 DMC16230型 LCD显示模块的接口技术3954.19 点阵式液晶显示器原理及应用4034.20 实用液晶显示电路4094.21 8031控制的 CRT显示控制接口4144.22 用 8031控制多台彩色显示器的实现方法4194.23 高级语言处理器--T6668的结构与典型电路4234.24 延长 T6668语言电路录放时间的方法4294.25 T6668高级语音开发站4324.26 语言处理器 T6668在电话报警系统中的应用4354.27 新型语音处理器YYH16439 第五章 网络、通讯控制与多机系统4415.1 IBM－PC/XT和单片机通讯系统的设计4425.2 IBM－PC/XT微机与单片机的两种通讯接口4485.3 MCS－51单片机与 IBMPC微机的串行通讯4525.4 中央控制端与 MCS－51单片机间的数据通讯4595.5 IBMPC机与 MCS－51单片机的快速数据通讯4665.6 8031单片机与 PC－1500计算机的通讯4735.7 多片 MCS－51系统的一种串行通讯方式4775.8 多单片机处理系统并行通讯的实现4815.9 半双工远距离电流环多机通讯接口电路4855.10 多微机系统共享 RAM电路4905.11 串行通讯中的波特率设置4925.12 在MCS－51单片机的串行通讯中实现波特率的自动整定4965.13 J274和 J275在微机分布式测控系统中的应用5005.14 单电缆传送双向数据5045.15 新颖的多路遥控兀编译码器5055.16 DTMF在单片机无线数据通讯中的应用5085.17 MCS－8031单片机在红外遥控装置中的应用5155.18 一种实用光纤数字遥测系统5185.19 智能仪表通讯系统中一种冗余通道的设计5245.20 EIARＳ－232－C接口使用中的几个问题528 第六章 电源、电源变换与电源监视5316.1 电源扩展电路5326.2 一种简单的直流三倍压电路533 6.3 直流电源变换集成电路5356.4 直流电压变换器ICL7660的应用5376.5 一种廉价高精密基准电压源5406.6 精密可调基准电压源及其应用5416.7 引脚可编程精密基准电压源AD584及其应用5496.8 几种新型恒流源集成电路5536.9 CW334三端可调恒流源及应用5576.10 电源电压监视用芯片TL7705CP简介5606.11 电源电压监视用芯片TL7700简介5646.12 WMＳ7705B电源监视用芯片简介5676.13 具有HMOS结构的MCS－51系列单片机提供后备电源的方法570 第七章 系统抗于扰技术5757.1 微型计算机系统的抗干扰措施5767.2 计算机应用系统抗干扰问题5797.3 微机在工业应用中的抗干扰措施5867.4 利用电源监视TL7705芯片的抗电源于扰新方法5917.5 利用电源监视芯片WMＳ7705的抗电源干扰新方法5947.6 具有浪涌抑制能力的 TVP 6017.7 瞬变电压抑制M极管TVP的特性及应用6047.8 单片机实时控制软件抗干扰编程方法的探讨6077.9 一种简单实用的微机死机自复位抗干扰技术6107.10 单片机程序的监视保护6127.11 软件 WATCHDOG系统615 7.12 一种实用的"看门狗"电路6187.13 高电压下测量系统的抗干扰措施619 第八章 应用实例6218.1 单片机在多功能函数发生器中的应用6228.2 单片机波形发生器6298.3 单片机控制的调幅波发生器6338.4 用 8031单片机解调时统信号6368.5 具有 114DB动态范围的浮点数据采集系统6418.6 电热恒温箱单片微机控制系统6468.7 智能 I一、C丑测试仪的原理及设计6528.8 采用 LMＳ算法的单片机数字交流电桥6568.9 单片微机的数字相位测试仪6598.10 单片机的气体流量测量6628.11 单片机的相关流量仪6688.12 723型可见分光光度计6758.13 多功能微电脑电子秤6798.14 智能路面回弹检测仪6838.15 使用 CCD的单片机动态布面检测系统6878.16 使用 CCD的单片机激光衍射测径系统6908.17 使用 CCD的单片机动态线径测量仪6958.18 使用CCD的单片机中型热轧圆钢直径检测仪7018.19 用 MCS－51单片微机实现织布机的监测7058.20 单片机在工频参量测试中的应用7098.21 单片机 8098在直线电机控制中的应用715?
上传时间： 2014-12-28
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九.输入/输出保护为了支持多任务，80386不仅要有效地实现任务隔离，而且还要有效地控制各任务的输入/输出，避免输入/输出冲突。本文将介绍输入输出保护。 这里下载本文源代码。 <一>输入/输出保护80386采用I/O特权级IPOL和I/O许可位图的方法来控制输入/输出，实现输入/输出保护。 1.I/O敏感指令输入输出特权级(I/O Privilege Level)规定了可以执行所有与I/O相关的指令和访问I/O空间中所有地址的最外层特权级。IOPL的值在如下图所示的标志寄存器中。 标 志寄存器 BIT31—BIT18 BIT17 BIT16 BIT15 BIT14 BIT13—BIT12 BIT11 BIT10 BIT9 BIT8 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 00000000000000 VM RF 0 NT IOPL OF DF IF TF SF ZF 0 AF 0 PF 1 CF I/O许可位图规定了I/O空间中的哪些地址可以由在任何特权级执行的程序所访问。I/O许可位图在任务状态段TSS中。 I/O敏感指令 指令 功能 保护方式下的执行条件 CLI 清除EFLAGS中的IF位 CPL<=IOPL STI 设置EFLAGS中的IF位 CPL<=IOPL IN 从I/O地址读出数据 CPL<=IOPL或I/O位图许可 INS 从I/O地址读出字符串 CPL<=IOPL或I/O位图许可 OUT 向I/O地址写数据 CPL<=IOPL或I/O位图许可 OUTS 向I/O地址写字符串 CPL<=IOPL或I/O位图许可 上表所列指令称为I/O敏感指令，由于这些指令与I/O有关，并且只有在满足所列条件时才可以执行，所以把它们称为I/O敏感指令。从表中可见，当前特权级不在I/O特权级外层时，可以正常执行所列的全部I/O敏感指令；当特权级在I/O特权级外层时，执行CLI和STI指令将引起通用保护异常，而其它四条指令是否能够被执行要根据访问的I/O地址及I/O许可位图情况而定(在下面论述)，如果条件不满足而执行，那么将引起出错码为0的通用保护异常。 由于每个任务使用各自的EFLAGS值和拥有自己的TSS，所以每个任务可以有不同的IOPL，并且可以定义不同的I/O许可位图。注意，这些I/O敏感指令在实模式下总是可执行的。 2.I/O许可位图如果只用IOPL限制I/O指令的执行是很不方便的，不能满足实际要求需要。因为这样做会使得在特权级3执行的应用程序要么可访问所有I/O地址，要么不可访问所有I/O地址。实际需要与此刚好相反，只允许任务甲的应用程序访问部分I/O地址，只允许任务乙的应用程序访问另一部分I/O地址，以避免任务甲和任务乙在访问I/O地址时发生冲突，从而避免任务甲和任务乙使用使用独享设备时发生冲突。 因此，在IOPL的基础上又采用了I/O许可位图。I/O许可位图由二进制位串组成。位串中的每一位依次对应一个I/O地址，位串的第0位对应I/O地址0，位串的第n位对应I/O地址n。如果位串中的第位为0，那么对应的I/O地址m可以由在任何特权级执行的程序访问；否则对应的I/O地址m只能由在IOPL特权级或更内层特权级执行的程序访问。如果在I/O外层特权级执行的程序访问位串中位值为1的位所对应的I/O地址，那么将引起通用保护异常。 I/O地址空间按字节进行编址。一条I/O指令最多可涉及四个I/O地址。在需要根据I/O位图决定是否可访问I/O地址的情况下，当一条I/O指令涉及多个I/O地址时，只有这多个I/O地址所对应的I/O许可位图中的位都为0时，该I/O指令才能被正常执行，如果对应位中任一位为1，就会引起通用保护异常。 80386支持的I/O地址空间大小是64K，所以构成I/O许可位图的二进制位串最大长度是64K个位，即位图的有效部分最大为8K字节。一个任务实际需要使用的I/O许可位图大小通常要远小于这个数目。 当前任务使用的I/O许可位图存储在当前任务TSS中低端的64K字节内。I/O许可位图总以字节为单位存储，所以位串所含的位数总被认为是8的倍数。从前文中所述的TSS格式可见，TSS内偏移66H的字确定I/O许可位图的开始偏移。由于I/O许可位图最长可达8K字节，所以开始偏移应小于56K，但必须大于等于104，因为TSS中前104字节为TSS的固定格式，用于保存任务的状态。 1.I/O访问许可检查细节保护模式下处理器在执行I/O指令时进行许可检查的细节如下所示。 (1)若CPL<=IOPL，则直接转步骤(8)；(2)取得I/O位图开始偏移；(3)计算I/O地址对应位所在字节在I/O许可位图内的偏移；(4)计算位偏移以形成屏蔽码值，即计算I/O地址对应位在字节中的第几位；(5)把字节偏移加上位图开始偏移，再加1，所得值与TSS界限比较，若越界，则产生出错码为0的通用保护故障；(6)若不越界，则从位图中读对应字节及下一个字节；(7)把读出的两个字节与屏蔽码进行与运算，若结果不为0表示检查未通过，则产生出错码为0的通用保护故障；(8)进行I/O访问。设某一任务的TSS段如下： TSSSEG SEGMENT PARA USE16 TSS <> ;TSS低端固定格式部分 DB 8 DUP(0) ;对应I/O端口00H—3FH DB 10000000B ;对应I/O端口40H—47H DB 01100000B ;对用I/O端口48H—4FH DB 8182 DUP(0ffH) ;对应I/O端口50H—0FFFFH DB 0FFH ;位图结束字节TSSLen = $TSSSEG ENDS 再假设IOPL=1，CPL=3。那么如下I/O指令有些能正常执行，有些会引起通用保护异常： in al,21h ;(1)正常执行 in al,47h ;(2)引起异常 out 20h,al ;(3)正常实行 out 4eh,al ;(4)引起异常 in al,20h ;(5)正常执行 out 20h,eax ;(6)正常执行 out 4ch,ax ;(7)引起异常 in ax,46h ;(8)引起异常 in eax,42h ;(9)正常执行 由上述I/O许可检查的细节可见，不论是否必要，当进行许可位检查时，80386总是从I/O许可位图中读取两个字节。目的是为了尽快地执行I/O许可检查。一方面，常常要读取I/O许可位图的两个字节。例如，上面的第(8)条指令要对I/O位图中的两个位进行检查，其低位是某个字节的最高位，高位是下一个字节的最低位。可见即使只要检查两个位，也可能需要读取两个字节。另一方面，最多检查四个连续的位，即最多也只需读取两个字节。所以每次要读取两个字节。这也是在判别是否越界时再加1的原因。为此，为了避免在读取I/O许可位图的最高字节时产生越界，必须在I/O许可位图的最后填加一个全1的字节，即0FFH。此全1的字节应填加在最后一个位图字节之后，TSS界限范围之前，即让填加的全1字节在TSS界限之内。 I/O许可位图开始偏移加8K所得的值与TSS界限值二者中较小的值决定I/O许可位图的末端。当TSS的界限大于I/O许可位图开始偏移加8K时，I/O许可位图的有效部分就有8K字节，I/O许可检查全部根据全部根据该位图进行。当TSS的界限不大于I/O许可位图开始偏移加8K时，I/O许可位图有效部分就不到8K字节，于是对较小I/O地址访问的许可检查根据位图进行，而对较大I/O地址访问的许可检查总被认为不可访问而引起通用保护故障。因为这时会发生字节越界而引起通用保护异常，所以在这种情况下，可认为不足的I/O许可位图的高端部分全为1。利用这个特点，可大大节约TSS中I/O许可位图占用的存储单元，也就大大减小了TSS段的长度。 <二>重要标志保护输入输出的保护与存储在标志寄存器EFLAGS中的IOPL密切相关，显然不能允许随便地改变IOPL，否则就不能有效地实现输入输出保护。类似地，对EFLAGS中的IF位也必须加以保护，否则CLI和STI作为敏感指令对待是无意义的。此外，EFLAGS中的VM位决定着处理器是否按虚拟8086方式工作。 80386对EFLAGS中的这三个字段的处理比较特殊，只有在较高特权级执行的程序才能执行IRET、POPF、CLI和STI等指令改变它们。下表列出了不同特权级下对这三个字段的处理情况。 不同特权级对标志寄存器特殊字段的处理 特权级 VM标志字段 IOPL标志字段 IF标志字段 CPL=0 可变(初POPF指令外) 可变 可变 0 不变 不变 可变 CPL>IOPL 不变 不变 不变 从表中可见，只有在特权级0执行的程序才可以修改IOPL位及VM位；只能由相对于IOPL同级或更内层特权级执行的程序才可以修改IF位。与CLI和STI指令不同，在特权级不满足上述条件的情况下，当执行POPF指令和IRET指令时，如果试图修改这些字段中的任何一个字段，并不引起异常，但试图要修改的字段也未被修改，也不给出任何特别的信息。此外，指令POPF总不能改变VM位，而PUSHF指令所压入的标志中的VM位总为0。 <三>演示输入输出保护的实例(实例九)下面给出一个用于演示输入输出保护的实例。演示内容包括：I/O许可位图的作用、I/O敏感指令引起的异常和特权指令引起的异常；使用段间调用指令CALL通过任务门调用任务，实现任务嵌套。 1.演示步骤实例演示的内容比较丰富，具体演示步骤如下：(1)在实模式下做必要准备后，切换到保护模式；(2)进入保护模式的临时代码段后，把演示任务的TSS段描述符装入TR，并设置演示任务的堆栈；(3)进入演示代码段，演示代码段的特权级是0；(4)通过任务门调用测试任务1。测试任务1能够顺利进行；(5)通过任务门调用测试任务2。测试任务2演示由于违反I/O许可位图规定而导致通用保护异常；(6)通过任务门调用测试任务3。测试任务3演示I/O敏感指令如何引起通用保护异常；(7)通过任务门调用测试任务4。测试任务4演示特权指令如何引起通用保护异常；(8)从演示代码转临时代码，准备返回实模式；(9)返回实模式，并作结束处理。
上传时间： 2013-12-11
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