ARM的I/O口實驗

一、 實驗目的
1． 學習LED 顯示方法
2． 學習并掌握基于ARM 開發板對I/O 編程的方法。
二、 實驗內容
在數碼管上，顯示的鍵盤輸入的鍵值（靜態顯示方式）。
三、 預備知識
1. 掌握在ARM SDT 2.5 集成開發環境中編寫和調試程序的基本過程。
2. 會使用Source Insight 3 編輯C 語言源程序。
3. 了解ARM 應用程序的框架結構。
4. 了解UC/OS-II 多任務的原理。
四、 實驗設備及工具
硬件：ARM嵌入式開發板、擴展板，用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機Pentumn100
以上。
軟件：PC 機操作系統win98、ARM SDT 2.51 集成開發環境、仿真器驅動程序、Source
Insight 3.0
五、 實驗原理
1．I/O 接口
I/O 接口電路也簡稱接口電路。它是主機和外圍設備之間交換信息的連接部件（電路）。
它在主機和外圍設備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。
設置接口電路的必要性：
a) 解決主機CPU 和外圍設備之間的時序配合和通信聯絡問題。
b) 解決CPU 和外圍設備之間的數據格式轉換和匹配問題。
c) 解決CPU 的負載能力和外圍設備端口選擇問題。
I/O 接口的編址方式：
① I/O 接口獨立編址：
這種編址方式是將存儲器地址空間和I/O 接口地址空間分開設置，互不影響。設有專門
的輸入指令（IN）和輸出指令（OUT）來完成I/O 操作。
② I/O 接口與存儲器統一編址方式：
這種編址方式不區分存儲器地址空間和I/O 接口地址空間，把所有的I/O 接口的端口都
當作是存儲器的一個單元對待，每個接口芯片都安排一個或幾個與存儲器統一編號的地址
號。也不設專門的輸入/輸出指令，所有傳送和訪問存儲器的指令都可用來對I/O 接口操作。
兩種編址方式有各自的優缺點，獨立編制方式的主要優點是內存地址空間與I/O 接口地
址空間分開，互不影響，譯碼電路較簡單，并設有專門的I/O 指令，所以編程序易于區分，
且執行時間短，快速性好。其缺點是只用I/O 指令訪問I/O 端口，功能有限且要采用專用I/O
周期和專用I/O 控制線，使微處理器復雜化。統一編制方式的主要優點是訪問內存的指令都
可用于I/O 操作，數據處理功能強；同時I/O 接口可與存儲器部分共用譯碼和控制電路。其
缺點一是I/O 接口要占用存儲器地址空間的一部分；二是因不用專門的I/O 指令，程序中較
難區分I/O 操作。
ARM 系統完成I/O 功能的標準方法是使用存儲器映射I/O。這種方法使用特定的存儲器
地址。當從這些地址加載或向這些地址存儲時，它們提供I/O 功能。典型情況下，從存儲器
映射I/O 地址加載用于輸入，而向存儲器映射I/O 地址存儲用于輸出。
S3C44B0X 有71 個多功能輸入\輸出管腳，構成了7 個I/O 接口：

􀁺 兩個9 位的輸入/輸出接口（E 和F）
􀁺 兩個8 位的輸入/輸出接口（D 和G）
􀁺 一個16 位的輸入/輸出接口（C）
􀁺 一個10 位的輸出接口（A）
􀁺 一個11 位的輸出接口（B）
每一個管腳都可以通過軟件按各種系統的要求和設計需要進行設置。每一個要用到的管
腳的功能要在系統主程序啟動前進行設置。初始化管腳的狀態，可以避免一些潛在的錯誤。

在S3C44B0X 芯片中，由于每個管腳是多路復用的，所以要確定每個管腳的功能。
PCONn（接口控制寄存器）能夠定義管腳的功能。如果接口定義為輸入功能，則輸入的數
據可以從PDATn 讀入；如果接口定義為輸出功能，則可通過寄存器PDATn 輸出數據。

2． LED
在單片機的應用系統中，為了便于人們觀察和監視單片機的運行情況，常常需要用顯示
器顯示運行的中間結果及狀態等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設備之一。顯示器的
種類很多，從液晶顯示、發光二極管顯示到CRT 顯示器，都可以與微機配接。在單片機應
用系統中常用的顯示器主要有發光二極管數碼顯示器簡稱LED 顯示器。LED 顯示器具有耗
電省、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命長等優點。但顯示內容有限，不
能顯示圖形，因而其應用有局限性。近年來對某些要求較高的單片機應用系統也開始配置
簡易形式的CRT 顯示器接口，但應用最多的還是LED 顯示器。
① LED 結構
7 段LED 由7 個發光二極管按“日”字形排列，所有發光二極管的陽極連在一起稱共陽極接法，陰極連在一起稱為共陰極接法。一般共陰極可以不需外接電阻，但共陽極接法中
發光二極管必須外接電阻。LED 的結構及連接圖見圖5-1。

② LED 工作原理
當選用共陰極的LED 顯示器時(如圖5-1(b))，所有發光二極管的陰極連在一起接地，當
某個發光二極管的陽極加入高電平時，對應的二極管點亮。因此要顯示某字形就應使此字形
的相應段的二極管點亮，實際上就是送一個用不同電平組合代表的數據字來控制LED 的顯
示，此數據稱為字符的段碼。字符數據字與LED 段碼關系如下：

說明：共陰的LED，被選中時的段為高電平有效，熄滅的段碼為00H；
共陽的LED，被選中時的段為低平時有效．熄滅的段碼為FFH。
LED 顯示器與單片機的接口一般有靜態顯示與動態顯示接口兩種方式，下面分別加以介
紹。
⑴ LED 數碼管靜態顯示
LED 數碼管采用靜態顯示與單片機接口時，共陰極或共陽極點連接在一起接地或高電
平。每個顯示位的段選線與一個8 位并行口線對應相連，只要在顯示位上的段選線上保持段
碼電平不變，則該位就能保持相應的顯示字符。這里的8 位并行口可以直接采用并行I／O
接口片．也可以采用串入／并出的移位寄存器或是其它具有三態功能的鎖存器等。
⑵ LED 數碼管動態顯示
在多位LED 顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯在一起，由一
個8 位I/O 口控制。而共陰（或共陽）極公共端分別由相應的I/O 線控制，實現各位的分時
選通。由于各個數碼管是共用同一個段碼輸出口，分時輪流通電的，從而大大簡化了硬件線
路，降低了成本。不過這種方式的數碼管接口電路中數碼管不宜太多，一般在8 個以內，否
則每個數碼管所分配到實際導通時間會太少，顯得亮度不足。若LED 位數較多時應采用增
加驅動能力，而提高顯示亮度的措施。
3． 可編程并行輸入輸出接口芯片8255A
⑴ 8255A 具有3 個8 位的數據口（即A 口，B 口和C 口），其中C 口還可作為兩個4 位口
來使用。三個數據口均可用軟件來設置成輸人口或輸出口，與外設相連。
⑵ 8255A 具有3 種工作方式：方式0、方式1、方式2。可適應CPU 與外設間的多種數據
傳送方式，如無條件傳送方式(0 方式，也叫同步傳送)，異步查詢方式和中斷方式，以滿足
用戶的各種應用要求。
⑶ 8255A 具有兩條功能強、內容豐富的控制命令，為用戶根據外界條件使用8255A 構成
多種不同形式的接口電路和編程環境提供方便。8255A 執行命令過程中和執行命令完畢之后
所產生的狀態可保留在狀態字中以便查詢。

⑷ 8255A 的C 口是一個特殊的端口。當8255A 工作在方式1，2 時，利用對C 口的按位控
制可為A，B 口提供專門的聯絡控制信息號；當CPU 讀取8255 狀態時，C 口可作為方式1，
2 時的狀態字。

限于篇幅，這里就不對8255A 進行具體介紹了，感興趣的同學可以找一些微機原理的
書。
擴展板上有兩個8255，分別以8255_A、8255_B 表示，8255_A 的A 口、B 口、C 口、
和控制寄存器的地址分別為0x08008000、0x08008002、0x08008004、0x08008006，8255_B
的A 口、B 口、C 口、和控制寄存器的地址分別為0x08010000、0x08010002、0x08010004、
0x08010006。LED 的段選碼接到8255_A 的A 口，位選碼接到8255_A 的B 口。
六、 實驗步驟
1． 不帶操作系統的實現
① 按鍵盤驅動實驗1 建立工程。
② 定義向LED 發送數據的端口（EXIO_8255A_PORTA）和對LED 進行片選的端
口（EXIO_8255A_PORTB）及相應的控制寄存器：
#define EXIO_8255A_PORTA (*(volatile unsigned short int*)0x08008000)
#define EXIO_8255A_PORTB (*(volatile unsigned short int*)0x08008002)
#define EXIO_8255A_PORTC (*(volatile unsigned short int*)0x08008004)
#define EXIO_8255A_CTRL (*(volatile unsigned short int*)0x08008006)
③ 定義LED 短碼數組：
unsigned char led[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,
0x39,0x5e,0x79,0x71};
④ 定義端口和端口工作方式及初始化：

EXIO_8255A_CTRL=0x80;//輸入方式
EXIO_8255A_PORTB=0xff;//片選
EXIO_8255A_PORTC=0xff;//不讓發光二極管點亮
⑤ 在第一個LED 上靜態顯示按鍵值（十六進制）：
EXIO_8255A_PORTA=led[key];
EXIO_8255A_PORTB=0x7f;
2． 帶操作系統的實現
① 按鍵盤驅動實驗1 建立工程。
② 同不帶操作系統的實現的步驟②~⑤，其中④、⑤在onKey（）函數中實現。
七、 思考題
1． LED 兩種工作方式的區別，及利弊。
2． 嘗試用動態顯示方式實現。
提示：當鍵盤掃描碼小于10 時，在一個LED 上顯示掃描碼；當鍵盤掃描碼大于等
于10 時，在二個LED 上顯示掃描碼。當在二個LED 上顯示掃描碼時，使LED 的
個位和十位交替點亮一段時間。