微机原理课程设计电子琴的设计之欧阳化创编.docx
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微机原理课程设计电子琴的设计之欧阳化创编
课程设计任务书
时间：
2021.02.06
创作：
欧阳化
学生姓名：
刘沛专业班级：
电气0901
指导教师：
张锐工作单位：
自动化学院
题目:
计算机电子琴软件软件设计
初始条件：
1.用于调试程序的IBM兼容PC机一台；
2.安装DOS/WIN98操作系统或运行于DOS/WIN98兼容方式；
3.EDIT等文本编辑器输入80x86汇编程序，MASM5.0编译及链接程序。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1.使用汇编语言设计一个运行于计算机的电子琴软件，软件应实现弹奏功或演奏。
其中弹奏：
用户每按一琴键弹奏相应音符；演奏：
按下某键后自动弹奏预存琴谱功能；还可以附加变调、变速和记录创作等其它功能。
2.说明书撰写格式应符合《课程设计说明书统一书写格式》。
时间安排：
1.程序框图设计，3天
2.编程，4天
3.调试，3天
4.编写设计报告，4天
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要································································
1设计任务和思路····················································1
1.1设计任务······················································1
1.2设计思路······················································1
2更件部分工作原理··················································2
2.18255工作原理·················································2
2.28253工作原理·················································2
3程序流程图························································4
3.1主程序流程图··················································4
3.2演奏子程序流程················································5
3.3音乐播放子程序流程············································6
3.4弹奏子程序流程图··············································6
3.5发音子程序流程图·············································7
4各部分功能实现说明················································7
4.1发音部分功能实现··············································7
4.2变调功能的实现················································8
4.3弹奏功能的实现················································8
4.4演奏功能的实现················································9
4.4.1歌曲选择功能实现········································9
4.4.2音乐播放功能实现········································9
5程序运行结果·····················································10
结束语·····························································12
参考文献···························································13
附录程序清单······················································14
成绩评定表·························································19
摘要
汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。
利用汇编语言能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口，从而最大限度地发挥硬件的功能。
本文主要介绍了利用汇编语言设计一个运行于计算机的电子琴软件，软件能够实现弹奏,演奏的功能,当按下弹奏键时,实现弹奏功能,发出音符对应频率的声音,按下演奏键时,实现演奏功能,播放预存的音乐,按下指定的音调选择按键后,选择低音,中音或高音,则分别用低音,中音或高音进行弹奏或演奏。
首先介绍了PC机内扬声器的控制电路，接着介绍了相关接口芯片8255和8253的内部结构和工作原理，接着讲述了各部分功能的具体实现方法。
关键词：
汇编语言，8255,8253，扬声器
计算机电子琴软件设计
1设计任务和思路
1.1设计任务
使用汇编语言设计一个运行于计算机的电子琴软件，软件应实现弹奏功能或演奏功能。
其中弹奏：
用户每按一琴键弹奏相应音符；演奏：
按下某键后自动弹奏预存琴谱功能；还可以附加变调、变速和记录创作等其它功能。
软件预想功能为:
按数字1-8为弹奏功能；按字母p为演奏功能；按d选择低音，按z选择中意，按g选择高音。
1.2设计思路
电子琴的设计实际上就是要设计一个程序，能够通过该程序控制PC机内扬声器的发声规律，按下相应的按键后，扬声器能发出指定频率的声音。
PC机内的扬声器是通过并行接口芯片8255和定时芯片8253来控制发音的，其电路连接方式如下图所示。
图1PC机内扬声器控制电路
由图可知，扬声器是由8253通道2产生的方波信号和8255的PB1相与后驱动发声的，且通道2的门信号由8255的PB0提供，要想让扬声器发声，PB0和PB1必须同时为高电平,因此,可以通过对8255的PB0和PB1的设置来控制扬声器的开通和关断,而其发音频率可以通过对8253通道2的计数初值的设置来控制。
所设计程序的任务就是要通过对按键的判断来设置8255的PB0和PB1输出电平的高低,以及8253通道2计数初值的设置。
计数初值N=时钟频率/音阶频率.各音阶的频率如下表所示。
表1各音符频率表
音符
1
2
3
4
5
6
7
频率（低）
131
147
165
175
196
220
247
频率（中）
262
294
330
349
392
440
494
频率（高）
524
588
660
698
784
880
988
2硬件部分工作原理
2.18255工作原理
8255的内部结构图如图2所示,它有3个数据端口,分为两组，A组由A口和C口高四位组成，B组由B口和C口低四位组成。
其方式控制字如图3所示。
图28255内部结构图
PC机内8255的A口，B口，C口和控制口的端口地址分别为：
60H,61H,62H,63H。
2.28253工作原理
8253芯片中有3个计数通道，称为通道0,1,2，它们与外部电路相连的信号线有3根：
CLK,GATE,OUT，CLK是脉冲输入端，GATE是门控信号，OUT是输出信号，计数器工作在减1状态。
其内部结构图和方式控制字格式如图4,图5所示。
其中当计数器工作在方式3时,输出信号为方波信号。
图48253内部结构图
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
图58253控制字格式
PC机内8253的通道0,通道1,通道2，控制口的端口地址分别为：
40H,41H,42,43H。
因为扬声器是由通道2来控制的，故应选择通道2，工作方式选为方式3，输出的信号则为方波信号。
3程序流程图
3.1主程序流程图
主程序的流程图如下图所示:
图6主程序流程图
3.2演奏子程序流程图
当按键为p为时，调用音乐播放子程序，音乐播放子程序的流程图如下图所示。
图7音乐播放子程序流程图
3.3音乐播放子程序流程图
演奏时,通过判断按键为1或2来调用音乐播放子程序1或2,音乐播放子程序流程图如图8所示。
图8音乐播放子程序流程图
3.4弹奏子程序流程图
当按键为1-8时，调用演奏子程序，演奏子程序的流程图如下图所示：
图9演奏子程序流程图
3.5发音子程序流程图
在弹奏和演奏时都需调用发音子程序，发音子程序的作用是控制扬声器的发音，其流程图如下：
图10发音子程序流程图
4各部分功能实现说明
4.1发音部分功能实现
由更件的连接形式可知，扬声器的开断是由8255的PB0和PB1以及8253通道2同时控制的，PB0和PB1同时为高电平时，扬声器开，有一个为低电平时，扬声器关断，又知8255B口地址为61H,8253通道2地址为42H,控制口地址为43H。
具体程序编写如下。
8253初始化程序段：
moval,10110110b；选择8253的通道2，并设置为工作方式3
out43h,al
movax,bx
out42h,al；将计数初值的低8位写入计数通道
moval,ah
out42h,al；将计数初值的高8位写入计数通道
开扬声器程序段：
inal,61h;读入B口数据
oral,03h;将PB0和PB1置1
out61h,al;将设置好的数据送回B口
关扬声器程序段：
inal,61h;读入B口数据
andal,0fch;将PB0和PB1置0
out61h,a;将设置好的数据送回B口
4.2变调功能的实现
扬声器发音的频率是由8253产生方波的频率决定的，而方波频率又是由通道的计数初值来决定的，因此可以通过改变通道的计数初值来实现变调功能。
计数初值N=时钟频率/音阶频率，时钟频率为1.19318MHZ=1234DCH，可以将相应音调对应的时钟频率存入内存单元，当选择相应的音调时，计算计数初值时，采用对应的时钟频率值，具体程序如下。
cmpal,'d'；为d则选择低音
jnej1
movnum2,50
jmpchoice
j1:
cmpal,'z'；为z则选择中音
jnej2
movnum2,12h
jmpchoice
j2:
cmpal,'g'；为g则选择高音
jneloop0
movnum2,06h
其中，num1和num2中存放的是时钟频率值，num1中固定为34DCH，选择低音时，num2值设为50，中音时设为12H，高音时设为06H。
计算计数初值程序如下：
movax,num1
movdx,num2
div音符频率
通过这样的设置，即可实现电子琴的变调功能。
4.3弹奏功能的实现
当按键为数字1-8时，选择弹奏功能，通过对按键的判断，求得其偏移地址，然后通过查表得其相应频率值，再由上述计算计数初值的方法求得计数初值，然后将计数初值送人8253的通道2，最后调用发音子程序即实现弹奏功能。
具体程序段如下：
subal,31h;求偏移量
shlal,1
movbl,al;保存偏移量
movbh,0
movax,num1;计算计数初值
movdx,num2
divwordptr[tab+bx]
movbx,ax;保存计数初值
4.3演奏功能的实现
4.3.1歌曲选择功能实现
当按键为p时，选择演奏功能，播放预存的音乐，由于预存了两首歌曲，因此需进行选择，按下p后，显示输入提示信息，按1或2选择对应的歌曲，然后调用相应的音乐播放子程序，播放完后显示输入提示信息，按q退出，按c继续。
具体程序实现如下：
loop2:
movdx,offsetmesg1;显示输入提示信息
movah,09h
int21h
movah,07h；从键盘读入一个字符
int21h
cmpal,'q'；为q则退出
jechoice
cmpal,'1'；为1则选择歌曲1
jnenext1
callmusic1
jmploop3
next1:
cmpal,'2'；为2则选择歌曲2
jneloop2；不为q，1,2则重新选择
callmusic2
loop3:
movdx,offsetmesg2；播放完后显示输入提示信息
movah,09h
int21h
movah,7；从键盘读入一个字符
int21h
cmpal,'q'；为q则返回
jechoice
cmpal,'c'；为c则继续播放
jeloop2
jmploop3
4.3.2音乐播放功能实现
选择歌曲后，调用对应的音乐播放子程序，音乐播放需用到循环结构，首先将计数器清零，接着计数器自增1，求得偏移量，然后通过查表的到相应的频率，再计算计数初值，将计数初值送人8253计数通道，调用发音子程序，若计数器的值大于歌曲长度，则返回。
具体程序段如下。
movcl,0；将计数器清零
ad:
inccl；计数器值自增1
cmpcl,31；计数器值若大于歌曲长度，则返回
jereturn
moval,cl
subal,1；求偏移量
shlal,1
movbl,al；保存偏移量
movbh,0
movax,num1；计算计数初值
movdx,num2
divwordptr[song2+bx]
movbx,ax
callspeaker；调用发音子程序
jmpad
5程序运行结果
运行程序后，显示如下界面,等待输入字符。
图11程序运行结果图1
按提示输入字符，按q则退出，按d选择低音，按z选择中音，按g选择高音，选择音调后，显示如下界面：
图12程序运行结果图2
等待输入字符，按q则退出，按p则演奏，按数字1-8则弹奏。
按下p后，程序运行如下：
图13程序运行结果图3
按提示输入字符，按下q则返回，按下1或2进行歌曲选择，歌曲播放完后程序运行如下：
图14程序运行结果图4
按提示按下键盘，若按下q，则推出，若按下c，则继续播放歌曲。
下面是按下c后的运行结果：
图15程序运行结果图5
结束语
通过这次课程设计,我从中学到了许多从课本上学不到的东西,锻炼了自己编程的能力,最后程序运行时能够实现目标，我感到很有成就感，从中也获得了很多乐趣，当然，最重要的是加深了我对课本理论知识的理解。
当刚看到这个课设题目时，我感到无从下手，因为我都不知道PC机的内部具体结构，从理论课上只是了解了CPU的结构和工作原理，以及几个接口芯片的工作原理，还有汇编语言的一些基本指令。
但我没有被吓到，我冷静下来思考后，发现其本质就是控制PC机内扬声器的发音，通过查阅资料我了解了PC机内扬声器的电路连接形式，发现它是由接口芯片8255和8253共同控制的，8255的PB0作为8253通道2的门信号，而8255的PB1和8253通道2的输出相与后的信号作为扬声器的驱动信号，了解了其内部接线方式后，思路也就有了，要想让扬声器发声，8255的PB0和PB1必须同时为高电平，其中之一为低电平时，扬声器就不能发声，而发声的音调则可通过改变8253的计数初值来实现，接下来的任务就是通过编程来控制8255和8253，从而间接地控制扬声器的发声规律，而8255和8253这两个接口芯片在理论课上都已介绍过，对其工作原理和编程方法都有一定的了解，看到这些熟悉的内容时，我淡定了很多。
有了思路之后，我并没有急着写程序，因为我怀疑是不是每台PC机的扬声器接线方式都是这样的，所以我开始只编了一段控制扬声器发音的程序，来看看程序运行时扬声器到底发不发音，结果发声了，这让我很惊喜，也很有动力，更加激发了我的兴趣，接下来我就开始编写实现指定功能的程序了，首先是最简单的弹奏功能，通过对按键的判断来发出相应频率的声音，因为要判断按键，所以很自然地就想到了CMP指令，在计算计数初值时，因为要用到相应音符的频率，所以需要将按键转换为音符的频率，我开始想用课本上常见的XLAT换码指令，但AL存放的数最大为128，很明显容量不够，于是我采用了基址+变址的寻址方法，在编程的过程中，由于要程序实现多个功能，所以用子程序的结构会比较方便，需要完成某个功能时，只需调用相应子程序就可以了，这样会使得程序的结构清楚明了；在开扬声器和关扬声器之间需要一定的延时，当把计数器置为0ffffh时，延时还是显得太短，于是延时我采用了AX和CX相配合的方式，使得延时达到预期的目的；在完成基本功能后，我还试着加上一些附加功能，比如变调，录音，通过我的不断尝试，终于把变调功能实现了，但录音功能没能像预期的那样。
总之，这次课程设计让我学到了许多从课本上学不到的知识，加深了对理论知识的理解，激发了我对汇编语言的兴趣。
上理论课时，只是老师讲，我们听，那些指令让我感到很枯燥，因为不知道它到底有什么作用，而这次课程设计刚好把这些指令应用到了实际中来，加深了对各种指令功能的理解，最后功能实现时，感到很有成就感，觉得汇编语言很神奇，激发了我对它的兴趣。
参考文献
[1]彭虎，周佩玲.微机原理与接口技术（第二版）.电子工业出版社,2010
[2]陈慧杰.计算机扬声器发声的控制.内蒙古民族大学出版社，2001
[3]PeterAbel著，沈美明等译.IBMPC汇编语言设计程序.人民邮电出版社，2002
[4]冯继超.微机原理实验指导书.武汉理工大学出版社，2010
附录程序清单
datasegment
mesgdb'pressqtoquit,pressdorzorhtochoseyindiao',0ah,0dh,'$'
mesg1db'pressqtoreturn,press1or2tochosemusic',0ah,0dh,'$'
mesg2db'pressqtoreturn,pressctocontinue',0ah,0dh,'$'
mesg3db'pressqtoreturn,pressptoplaymusic,press1~8tohandplay',0ah,0dh,'$'num1dw34dch
num2dw12h
tabdw262,294,330,347,392,440,494,524
song1dw262,294,330,262,262,294,330,262
dw330,347,392,330,347,392,392,440
dw392,347,330,262,392,440,392,347
dw330,262,392,262,392,392,262,392;两只老虎
song2dw330,330,347,392,392,347,330,294
dw262,262,294,330,330,294,294,330
dw330,347,392,392,347,330,294,262
dw262,294,330,294,262,262;欢乐颂
dataends
codesegment
assumecs:
code,ds:
data
start:
movax,data
movds,ax
loop0:
movdx,offsetmesg；显示输入提示信息
movah,09h
int21
loop1:
movah,07h；读入字符
int21h
cmpal,'q'；为q则退出
jedone
cmpal,'d'；为d，选择低音
jnej1
movnum2,50
jmpchoice
j1:
cmpal,'z'；为z选择中音
jnej2
movnum2,12h
jmpchoice
j2:
cmpal,'g'；为g选择高音
jneloop0
movnum2,06h
choice:
movdx,offsetmesg3
movah,09h
int21h
put1:
movah,07h
int21h
cmpal,'q'；为q则返回
jeloop0
cmpal,'p'；为p选择演奏
jnenext
callplay
jmpput1
next:
cmpal,'1'；为1-8，选择弹奏
jlloop1
cmpal,'8'
jgput1
callhand
jmpput1
handprocnear；弹奏子程序
subal,31h
shlal,1
movbl,al
movbh,0
movax,num1
movdx,num2
divwordptr[tab+bx]
movbx,ax
callspeaker
ret
handendp
playprocnear；演奏子程序
loop2:
movdx,offsetmesg1
movah,09h
int21h
movah,07h；读入字符
int21h
cmpal,'q'；为q则返回
jechoice
cmpal,'1'；为1，播放歌曲1
jnenext1
callmusic1
jmploop3
next1:
cmpal,'2'；为2，播放歌曲2
jneloop2
callmusic2
loop3:
movdx,offsetmesg2
movah,09h
int21h
movah,7；读入字符
int21h
cmpal,'q'；为q则退出
jechoice
cmpal,'c'；为c则继续
jeloop2
jmploop3
ret
playendp
music1procnear；音乐1播放子程序
movcl,0
ad:
inccl
cmpcl,33
jereturn
moval,cl
subal,1；取偏移量
shlal,1
movbl,al；保存偏移量
movbh,0
movax,num1；计算计数初值
movdx,num2
divwordptr[song1+bx]
movbx
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