音乐演奏程序设计

音乐演奏

1 总体要求与分析

1.1设计要求

本文主要编写一段音乐程序，该程序可以进行如下操作：按大写字母“A”，奏一首歌曲；按大写字母“B”；奏另一首歌曲，曲目自选，可重复操作。按Q 退出程序。

1.2设计思路分析

在IBM-PC/XT机中都带有8253-5定时/计数器，IBM-PC/AT中带有8254定时/计数器，这两种芯片功能十分类似。本文通过对8253-5定时/计数器芯片的操作实现音乐演奏。该声音接口通过汇编语言对8253-5的端口直接进行操作，可以不必要过多的使用BIOS的调用和DOS的调用。

计数器芯片有3个通道，各自具有专用功能。通道0时系统的始终节拍计时器，通道1专用于产生动态RAM的定时刷新信号，通道2用来控制计算机的扬声器的声音频率。该音乐演奏主要用到通道2的功能，使通道2工作在“方波发生器”方式，产生相应频率的音调送至喇叭驱动电路，使喇叭发出不同音调的声音。使用8255A的PB0控制通道2的计数，PB1控制通道2的输出对扬声器产生控制的时间。

人机交互包括屏幕显示提示语以及人工输入相应参数，主要应用到BIOS的10H号中断调用以及DOS的21H号中断调用。BIOS的10H号中断调用用于显示器驱动，设置显示模式和光标位置；DOS的21H号中断调用用于单字符输入以及多字符输出显示。

音乐演奏实现的一个主要步骤是乐谱编程。通过相应的频率表将乐谱中对应的音符转化为计数器的计数初值，节奏通过延时程序转化为对喇叭发音时间的控制，从而实现音符和节拍的数字化。

2 方案设计

音乐的实现主要是对乐谱中的单音符按照一定的音符频率表转化为计数器的计数频率以及喇叭发声的控制时间，通过计数产生相应的控制动作。由此可以有两种方案比较和选择。

2.1 方案一

通过编程使用软件来实现计数和喇叭发声的时间设置，控制8255A并行I/O 接口驱动喇叭发声。CPU每执行一条指令需要耗费一定的时间，这样可以通过循环的方式设置好循环次数，实现软件计数，然后输出相应的高低电平，驱动喇叭发出对应频率和节拍的声音。

利用软件编程方式实现该功能的优点是可以减少硬件开支，便于调试和问题的查找。缺点是CPU开支太大，利用率不高，而且时间不够精准。

2.2 方案二

利用硬件实现频率计数和延时时间的控制，利用8253-5定时/计数器芯片和8255A并行I/O接口芯片。使8253的一个通道工作在“方波发生器”模式，实现对频率的计数；利用8255A的PB3端口实现发声时间的计数控制。这样可以精确的控制时间，减少CPU的开支。

该方案的优点是控制精度提高，同时也减少CPU的开支。缺点是硬件开销比较多。

2.3 方案选择

本文要实现的功能所需要的硬件电路并不是太复杂，一般的IBM-PC/XT/AT 机家族都带有相应的硬件电路。在提高精度与简易程度的比较下，决定采用方案二，这样可以大大提高时间控制精度，同时减少软件程序的复杂度。

3 硬件电路

IBM-PC/XT内部8253电路图如图3-1所示。

图3-1 8253电路连接图

8253的通道0用于产生固定频率的始终节拍，通道1用于产生固定频率的的刷新信号，通道2用于产生频率信号，工作在方式3，计数值为6A4H=1190，方波输出频率为1.19MH Z。此信号频率决定扬声器的音调，通道2的控制字为0B6H。音乐产生主要用到通道2。

8253通道2的计数由8255A的PB0控制，当PB0输出为高电平时，使门控GATE2为高电平。此时，8253通道2允许计数，故通道2的输出方波受PB0的控制，从而控制扬声器的音调高低。通道2的输出能否对扬声器产生持续控制还取决于8255A的PB1。当PB1为“0”时，OUT2不能通过“与门”；反之，则可以通过“与门”控制扬声器。所以，扬声器发音时间的长短取决于8255A的PB1信号。另外CPU通过读8255A的C口，得知8253通道2的状态和扬声器驱动器的状态。

4 软件设计

4.1 屏幕显示设计

程序运行时，屏幕显示第一界面如下：

~~~~~Assembly Music Player~~~~~

---------------------

|PLEASE SELECT A MUSIC|

---------------------

A LIANGZHILAOHU

B ZHENGFU

Q EXIT

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

选择A、B分别演奏相应的音乐，选择Q键结束程序运行。

当输入别的按键信号时，显示出错提示信息，界面如下：

ERROR! CHOOSE A B Q

PLEASE INPUT AGAIN!

~~~~~Assembly Music Player~~~~~

---------------------

|PLEASE SELECT A MUSIC|

---------------------

A LIANGZHILAOHU

B ZHENGFU

Q EXIT

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

按照提示信息重新输入正确字符即可。

上述提示信息在数据段定义，类型为字节型。首先调用BIOS中断的10H号功能设置文本模式。程序如下：

MOV AH,00H ；BIOS 10子功能

MOV AL,02H ；80*25彩色文本模式

INT 10H ；BIOS 10功能调用

然后调用背景清屏子程序使文本屏幕清空，为输入信息作准备，清屏子程序如下：

CLR PROC NEAR

MOV BH,0 ；第0页

MOV BL,00011010B ；字符属性，蓝底绿字不闪烁

MOV DX,0000H ；0行0列

MOV AL,' ' ；输出的字符

MOV CX,80*25 ；循环次数

MOV AH,02H ；BIOS 10H子功能调用，置光标位置

INT 10H

MOV AH,09H ；BIOS 10H子功能调用，输出字符

INT 10H

RET

CLR ENDP

最后输出提示语字符。输出提示语字符时，需要多次使用一段相同的输出代码，将该代码定义为宏，可以避免多次重复书写相同的代码。不定义为子程序是为了避免多次调用使执行速度减慢。相应宏定义语句为：

SHOW MACRO b

LEA DX, b ；将相应字符段的偏移地址装入DX

MOV AH, 9 ；DOS 21H号中断9子功能输出多字符

INT 21H

ENDM

则相应的字符提示信息输出代码为：

CALL CLR

show INFO1

show INFO2

show INFO3

show INFO4

show MUSLIST

4.2 音乐发声控制

一首乐曲由若干音符组成，一个音符对应一个频率。将与一个频率对应的计数器初值写入2号计数器（端口地址为42H），扬声器就发出相应的音调，计数器初值的计算公式：

计数器初值=1193182/输出频率

其中，1193182Hz转换成十六进制为12348CH，因此在打开扬声器的条件下，执行下列程序段即可发出与输出频率对应的音调。

MOV AL,0B6H ；写入方式控制字

OUT 43H,AL ；写入控制端口

MOV DX,12H

MOV AX,348CH

DIV 频率值；频率转换成计数初值

OUT 42H,AL ；低8位送2号计数器

MOV AL,AH

OUT 42H,AL ；高位送2号计数器

接下来设计发声程序，发声系统受8255A芯片（端口地址为60H-63H）的两根输出线PB0和PB1的控制，PB0输出的高电平使2号计数器正常工作，PB1输出高电平打开输出控制门。发声程序代码如下：

IN AL,61H ；读取8255A的PB端口原输出值

MOV AH,AL ；将原输出值保存于AH中

OR AL,3 ；使PB0、PB1、均为1

OUT 61H,AL ；打开GATE2门，输出方波到扬声器

4.3 节拍时间的实现

下面控制音符的演奏时间，这是设计音乐程序的关键问题。最直观的方法是按照谱为每一个音符规定一个演奏时间。在遇到一首不熟悉歌曲时，初期很难确定每个音符的演唱时间，而调试程序的需大量的时间。为每一个音符规定“单位时间”：

单位时间*N=音符的延长时间

其中，N为调试参数，一首歌曲只有一个调试参数。设计程序时可以用EQU

伪指令定义调试参数，初值现行估算，调试时在修改它。

节拍时间设置好以后，就可以利用延时程序，通过PB1端口控制发声的时间长短。

80x86的各种处理器采用6-66MH Z的工作频率，LOOP治理的执行时间在这些处理器上也不同。为了建立一个与处理器无关的时间延迟，IBM采用了一个利用硬件产生时间延迟的方法，即通过监控端口61H的PB4，使PB4每15.08us触发一次，以产生一个固定不变的时间基准，在IBM-PC/XT 中的BIOS中的WAITF子程序，就是一个产生N*15.08us时间延迟的程序，调用WAITF子程序时，CX寄存器必须装入15.08us的倍数N。

本程序延时程序参考上面的原理，代码如下：

waitf proc near ；延时保护程序

push ax ；保护寄存器

waitf1:

in al,61h ；读取PB端口地址

and al,10h ；低四位清零

cmp al,ah ；检查是否改变

je waitf1 ；等待改变

mov ah,al ；改变，保护新端口值

loop waitf1 ；继续，直到CX=0

pop ax ；恢复寄存器

ret

waitf endp

4.4 音乐乐谱编程

组成音乐的每个音符的频率值和持续时间是音乐程序发声所需要的两个数据，根据音调与频率和时间之间的关系，把要编辑的音乐的每个音符的频率和持续时间定义成两个数据表，进而把它们写入通用发声程序。音符频率表示见表1所示，编程产生各种音符的频率时可参照此表。

表1音符频率表（单位：赫兹）

4.5 程序流程图

主程序流程图如图4-1。

图4-1 主流程图

MUSIC子程序流程图如图4-2。

图4-2 MUSIC子程序流程图

GENSOUND子程序流程图如图4-3所示：

图4-3 GENSOUND子程序流程图

5 程序调试及运行结果

程序编写完成后在MF2KP集成软件环境中运行，刚开始编译时，出现了很多的变量未定义的错误，经过反复检查，将拼写错误的地方一一改正，再次运行时出现了图5-1所示的错误。

图5-1 运行错误界面

一开始不知道哪里出现错误，反复检查程序后仍为发现错误。于是上网搜索“NTVDM”的意思，明白了它是一个虚拟进程运行时一个必要的程序。猜想可能是某个参数的设置超出了该进程的参数范围。于是重新调试程序，终于发现时调用BIOS 10H号中断0子功能中AL设置的文本模式设置错误，其中AL的值不能大于3。修改后将AL值改为02H后，该错误得以解决。

随后发现在按照提示正确输入时，可以演奏音乐，但是当输入错误的字符时，发现屏幕并不显示错误提示语，经过多次检查和调试，发现是没有清屏程序重新设置文本显示模式，加上该段代码后程序运行正常。

调试过程中声音的节拍调试时间比较长，多次取值后得到一个可以识别的演奏声音。

解决完程序中的问题后，按提示语输入相应的字符命令，可以播放相应的歌曲或是退出，输入错误时会出现错误提示语句。基本能实现要求的功能。

6 小结与体会

本文编写的音乐演奏程序可以满足设计要求，能够播放音乐，并且能够有屏幕显示，极大地方便了人机交互。

这次微机原理课程设计历时两个星期，在整整两星期的日子里，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

在这次的课程设计中，对于汇编语言的各种功能终于有了一个比较全面和具体的认识，在亲自动手编写程序的过程中，发现了很多读程序时不能发现的漏洞。虽然上课学过很多的理论，平时也看了一些辅导书上的程序，但是真正自己动手才发现以前对于编程工具的使用还处于一知半解的状态上，各种指令和伪指令代码间的联系还不会应用，这次经过一段上机的实践，对于怎么去排错、查错，怎么去看每一步的运行结果，怎么去了解每个寄存器的内容以确保程序的正确性上都有了很大程度的提高。

在这次课程设计中，把以前学的支离破碎的指令代码相互的功能结合起来，使它们共同组成一个具有一定功能的小程序，这样大大提高了对于汇编语言的功能的认识，同时也极大地提高了我的兴趣。

通过这次课程设计使我更加体会到了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，在实践中可能会遇到各种各样的问题，不多经历就无法感受到这一点。要在实践中提高自己的动手能力和解决问题的能力，从而学以致用。

参考文献

[1] 沈美明、温冬蝉.《IBM-PC汇编语言程序设计（第2版）》.北京：清华大学出版社，2001

[2] 周明德.《微型计算机系统原理及应用（第4版）》.北京：清华大学出版社，2005

[3] 陈章龙、陈泽文.《IBM-PC机软硬件接口及实验》.北京：人民邮电出版社，1993

[4] 王爽.《汇编语言（第2版）》.北京：清华大学出版社，2008

[5] 周佩玲、彭虎、傅中谦.《微机原理与接口技术》.北京：电子工业出版社，2005

附录1 程序源代码

DATA SEGMENT

INFO1 DB 0DH,0AH,' ~~~~~Assembly Music Player~~~~~$' INFO2 DB 0DH,0AH,' ---------------------$'

INFO3 DB 0DH,0AH,' |PLEASE SELECT A MUSIC|$' INFO4 DB 0DH,0AH,' ---------------------$' INFO5 DB 0DH,0AH,' ERROR! CHOOSE A B Q$' INFO6 DB 0DH,0AH,' PLEASE INPUT AGAIN!$' MUSLIST DB 0DH,0AH,' A LIANGZHILAOHU'

DB 0DH,0AH,' B ZHENGFU'

DB 0DH,0AH,' Q EXIT'

DB 0DH,0AH,' ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~' DB 0DH,0AH,' $'

;********************************************* 两只老虎

MUS_FREG1 DW 262,294,330,262

DW 262,294,330,262

DW 330,350,393

DW 330,350,393

DW 393,441,393,350,330,262

DW 393,441,393,350,330,262

DW 262,441,262

DW 262,441,262,-1

MUS_TIME1 DW 4*15, 4*15,4*15,4*15

DW 4*15, 4*15,4*15,4*15

DW 4*15, 4*15,8*15

DW 4*15, 4*15,8*15

DW 2*15,1*15,2*15,1*15,4*15,4*15

DW 2*15,1*15,2*15,1*15,4*15,4*15

DW 4*15, 4*15,8*15

DW 4*15, 4*15,8*15

;********************************************* 征服

MUS_FREG2 DW 392,392,523,523,587,587,523,587,659,784,659,392,392,415 DW 659,659,698,659,587,523,523,415,415,523,659,587

DW 392,392,523,523,587,587,659,659,784,784,392,415,523

DW 659,659,698,659,587,523,415,659,784,784,523,587,523,523 DW 784,1046,988,784,784,880,784

DW 784,1046,988,784,880,659,880

DW 880,880,880,784,659,659,698

DW 698,698,698,784,880,659,698,587

DW 784,1046,988,784,784,880,784

DW 784,1046,988,784,880,659,880

DW 880,880,880,784,659,659,698

DW 698,698,698,659,523,523,587,523,-1

MUS_TIME2 DW 8 DUP(50),3 DUP(100),50,100,250

DW 50,50,100,50,100,50,50,200,50,50,100,250

DW 7 DUP(50),100,50,150,50,100,200

DW 50,50,3 DUP(100),125,25,50,125,25,50,50,150,250

DW 50,100,50,50,100,50,250

DW 50,100,50,50,100,50,250

DW 50,50,100,50,100,50,250

DW 50,50,100,50,50,200,50,250

DW 50,100,50,50,100,50,250

DW 50,100,50,50,100,50,250

DW 50,50,100,50,100,50,300

DW 50,50,100,4 DUP(50),200

;*********************************************

DATA ENDS

STACK SEGMENT

DB 200 DUP ('STACK')

STACK ENDS

CODE SEGMENT

ASSUME DS:DATA,SS:STACK,CS:CODE

MAIN:

MOV AX,DATA

MOV DS,AX

MOV AH,00H ;BIOS 10子功能

MOV AL,02H ;80*25彩色文本模式

INT 10H ;BIOS 10功能调用

CALL CLR

;********************************************* 定义宏SHOW MACRO b

LEA DX,b ;将提示语的偏移地址送入DX

MOV AH,9 ;调用中断，输出多字符

INT 21H

ENDM

;********************************************* 音乐地址宏ADDRESS MACRO A,B

LEA SI,A ;将频率表的偏移地址送入SI LEA BP,DS:B ;将节拍时间表的偏移地址送入BP ENDM

;******

show INFO1

show INFO2

show INFO3

show INFO4

show MUSLIST

INPUT: MOV AH,01H ;等待输入一个字符

INT 21H

CMP AL,'Q' ;比较字符

JZ retu ;是，返回

CMP AL,'A' ;与A比较

JNZ B0 ;不等再比较

ADDRESS MUS_FREG1,MUS_TIME1 ;取数据 CALL MUSIC ;调用音乐子程序

JMP EXIT1

B0: CMP AL,'B'

JNZ exit

ADDRESS MUS_FREG2,MUS_TIME2

CALL MUSIC

EXIT1: JMP INPUT ;继续等待输入

EXIT:

MOV AH,00H ;BIOS 10子功能

MOV AL,02H ;80*25彩色文本模式

INT 10H ;BIOS 10功能调用

CALL CLR ;背景清屏

show INFO5 ;输入错误，显示提示语 show INFO6

show INFO1

show INFO2

show INFO3

show INFO4

show MUSLIST

jmp input

RETU: MOV AH,4CH ;返回

INT 21H

;*********************************************

;背景清屏

CLR PROC NEAR

MOV BH,0 ;第0页

MOV BL,011010B ;字符属性

MOV DX,0000H ;0行0列

MOV AL,' ' ;要输出的字符

MOV CX,80*25 ;循环次数

MOV AH,02H ;置光标位置

INT 10H

MOV AH,09H ;BIOS 10子功能调用，输出字符 INT 10H

RET

CLR ENDP

;******************************************发声GENSOUND PROC NEAR

PUSH AX ;保护寄存器

PUSH BX

PUSH CX

PUSH DX

PUSH DI

MOV AL,0B6H ;写入方式控制字

OUT 43H,AL ;输出到控制端口

MOV DX,12H

MOV AX,348ch

DIV DI ;得到发声频率

OUT 42H,AL ;发送低字节

MOV AL,AH

OUT 42H,AL ;发送高字节

IN AL,61H ;读取8255A的PB端口原输出值

MOV AH,AL ;将原输出值保存于AH中

OR AL,3 ;使PB1、PB0均为1

OUT 61H,AL ;打开GATE2门，输出方波到扬声器

WAIT1: MOV CX,3314 ;延时

call waitf

DELAY1: DEC BX ;节拍时间值减1

JNZ WAIT1

MOV AL,AH ;取回AH中的8255A的PB端口原输出值 OUT 61H,AL ;恢复8255A的PB端口

POP DI ;恢复寄存器

POP DX

POP CX

POP BX

POP AX

RET

GENSOUND ENDP

;********************************************

waitf proc near ;延时子程序

push ax ;保护寄存器

waitf1:

in al,61h ;读取PB端口值

and al,10h ;低4位清零

cmp al,ah ;检查PB3是否改变

je waitf1 ;等待改变

mov ah,al ;改变，保护新端口值