蘇曙光　曹華　袁力　付運(yùn)然

摘要：針對(duì)微機(jī)原理與接口現(xiàn)行主流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)和缺點(diǎn)，提出一種采用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)的新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的思路與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理與接口；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；FPGA

1 背景

微機(jī)原理與接口是眾多高校計(jì)算機(jī)學(xué)科的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)核心課程，也是嵌入式技術(shù)最重要的入門(mén)課程和技術(shù)基礎(chǔ)。該課程概念抽象、實(shí)踐性很強(qiáng)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)是兩個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)不僅可以直接提高學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步加深對(duì)微機(jī)結(jié)構(gòu)、匯編語(yǔ)言及指令系統(tǒng)的理解，還能使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部原理和芯片的工作流程有更直接的感性認(rèn)識(shí)。因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)在對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)方面起著理論教學(xué)不可替代的作用，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的好壞對(duì)學(xué)生真正掌握微機(jī)原理和接口技術(shù)有非常大的影響。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀

目前微機(jī)原理與接口課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在著實(shí)驗(yàn)平臺(tái)落后、教學(xué)難度大、內(nèi)容多、課時(shí)不足、學(xué)生缺乏積極性等問(wèn)題，造成這些問(wèn)題的最大原因就是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用硬件環(huán)境和教材所講的硬件環(huán)境不完全一樣，從而導(dǎo)致所學(xué)和所用脫節(jié)。

目前絕大多數(shù)高校所采用的微機(jī)原理與接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從技術(shù)角度來(lái)講，主要有下面4種。（1）利用軟件來(lái)模擬硬件環(huán)境，學(xué)生在虛擬環(huán)境中實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。該方法因?yàn)橥耆寣W(xué)生在虛擬環(huán)境中實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法接觸真正的硬件，所以實(shí)驗(yàn)效果很差。（2）通過(guò)PC機(jī)的PCI總線(xiàn)或ISA總線(xiàn)模擬產(chǎn)生8086的指令系統(tǒng)、總線(xiàn)和時(shí)序，以DB62形式提供給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用。該方法缺點(diǎn)一是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能脫離PC機(jī)的控制，二是由于其硬件結(jié)構(gòu)所限不支持操作系統(tǒng)加載、BIOS編程等一些高級(jí)實(shí)驗(yàn)。（3）利用單片機(jī)或其他非8086CPU類(lèi)型簡(jiǎn)單替代或模擬8086CPU。該方法缺點(diǎn)和前一方法類(lèi)似。（4）直接利用8086CPU芯片和相關(guān)輔助芯片（如8284芯片）構(gòu)造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于該CPU早已停產(chǎn)，只能使用拆機(jī)的二手芯片，因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)質(zhì)量無(wú)法保證，也無(wú)法量產(chǎn)。

面對(duì)上述問(wèn)題，絕大多數(shù)高校都采取“避繁就簡(jiǎn)”的策略，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，選取模擬的硬件環(huán)境。由于這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)的局限，導(dǎo)致愛(ài)思考的學(xué)生會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：既然實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是8086微機(jī)系統(tǒng)，為何需要PC機(jī)的支持而不能獨(dú)立運(yùn)行呢？為什么不支持加電自檢的實(shí)驗(yàn)?zāi)?？為什么不支持操作系統(tǒng)（如FreeDOS）的實(shí)驗(yàn)?zāi)?？總之，目前主流的?shí)驗(yàn)平臺(tái)不利于學(xué)生充分掌握微機(jī)原理和接口技術(shù)。

3 基于FPGA SOC的8086CPU實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)上述問(wèn)題，筆者提出基于FPGA技術(shù)的新型架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以脫離PC機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，構(gòu)成真正意義上的“微機(jī)”。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有豐富接口，在滿(mǎn)足課程基本實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以進(jìn)行BIOS編程、操作系統(tǒng)編寫(xiě)、加電自檢等一系列高級(jí)實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括4個(gè)組成部分。首先利用FPGA SOC片上系統(tǒng)技術(shù)模擬實(shí)現(xiàn)8086CPU最小系統(tǒng)。該最小系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了8086CPU指令系統(tǒng)、總線(xiàn)和時(shí)序，還實(shí)現(xiàn)了4K RAM、256字節(jié)ROM和一個(gè)串口。其次，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擴(kuò)展板。擴(kuò)展板上擴(kuò)充了鎖存器、緩沖器、外部存儲(chǔ)、各種典型接口芯片和外設(shè)。第三，設(shè)計(jì)了兼容PC機(jī)的簡(jiǎn)單BIOS系統(tǒng)，以支持系統(tǒng)加電自檢和用戶(hù)加載應(yīng)用程序。第四，實(shí)現(xiàn)了8086源程序的編輯、編譯和調(diào)試集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE。

3.1 8086CPU最小系統(tǒng)lP軟核設(shè)計(jì)

8086CPU最小系統(tǒng)由8086CPU核、UART核、ROM和SRAM組成，這4個(gè)部分通過(guò)地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)連在一起。8086CPU最小系統(tǒng)的IP軟核采用Xilinx公司的Spartan一3E系列的XC3S500E芯片設(shè)計(jì)。XC3S500E芯片共有208個(gè)引腳，其中可供用戶(hù)使用的I/O有172個(gè)，這些I/O足夠分配8086CPU最小系統(tǒng)所使用的I/O資源。XC3S500E片內(nèi)360K blockRAM，可以實(shí)現(xiàn)40K字節(jié)的SRAM，內(nèi)部500K邏輯門(mén)足夠?qū)崿F(xiàn)8086CPU軟核、UART軟核以及256字節(jié)ROM等所有硬件邏輯。8086CPU最小系統(tǒng)的外部引腳主要包括8086地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、串口通信引腳以及時(shí)鐘線(xiàn)等。圖1是最終實(shí)現(xiàn)的8086CPU最小系統(tǒng)IP軟核的外部引腳。

3.2 擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)

平臺(tái)的外圍芯片主要有74LS138譯碼器、可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8253、可編程并行I/O接口8255、中斷控制器8259、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。最小系統(tǒng)將所有的總線(xiàn)都引出，使用插接件的方式和這些芯片接口，外圍電路還可以根據(jù)用戶(hù)要求擴(kuò)充LED流水燈、按鍵、點(diǎn)擊、蜂鳴器、電位器等。這樣既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)基本功能，也能保證良好的可擴(kuò)充性。無(wú)論教師還是學(xué)生，都可以利用此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)豐富的資源完成自己的設(shè)計(jì)。

3.3 基本輸入輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)缺省的基本輸入輸出系統(tǒng)（BIOS），其功能有3個(gè)：一是用于系統(tǒng)加電自啟動(dòng)；二是完成和用戶(hù)的交互，包括控制應(yīng)用程序的下載、運(yùn)行和調(diào)試；三是提供兼容標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)的BIOS中斷和DOS INT 2lH中斷功能，便于用戶(hù)在應(yīng)用程序調(diào)用。

3.4 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)一個(gè)支持“編輯一編譯一運(yùn)行一調(diào)試一下載”的軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）。IDE環(huán)境提供的強(qiáng)大功能可以幫助師生方便、迅速地編輯、編譯和調(diào)試匯編源代碼，從而讓學(xué)生將主要精力放在微機(jī)原理與接口的理解和應(yīng)用上。IDE支持匯編語(yǔ)法的彩色顯示，圖2是集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）的主工作界面。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一系列的基本實(shí)驗(yàn)、操作系統(tǒng)和BIOS底層實(shí)驗(yàn)。基本實(shí)驗(yàn)參照教材的章節(jié)和進(jìn)度來(lái)安排，讓大部分學(xué)生能較好地理解和應(yīng)用原理，操作系統(tǒng)和BIOS底層實(shí)驗(yàn)適合學(xué)生更深入地掌握微機(jī)和操作系統(tǒng)的核心工作原理。endprint

4.1 微機(jī)原理與接口基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

微機(jī)原理與接口基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和目前大多數(shù)高校主流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持的實(shí)驗(yàn)基本一致，包括8086匯編程序?qū)嶒?yàn)、數(shù)據(jù)和地址鎖存實(shí)驗(yàn)、8255并口實(shí)驗(yàn)、單/雙色燈實(shí)驗(yàn)、A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、8251串行通信實(shí)驗(yàn)、8253定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)以及8259中斷實(shí)驗(yàn)等。

學(xué)生在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE中編輯編譯源程序，在IDE環(huán)境中模擬運(yùn)行和調(diào)試，也可以通過(guò)串口把程序下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過(guò)BIOS來(lái)控制應(yīng)用程序在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的運(yùn)行和調(diào)試，通過(guò)BIOS交互命令控制程序下載的地址和調(diào)試過(guò)程。

4.2 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生可以自己編寫(xiě)最簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上運(yùn)行，來(lái)體會(huì)操作系統(tǒng)對(duì)硬件的控制和對(duì)應(yīng)用程序提供的支持。最簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)可以只實(shí)現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，假定進(jìn)程數(shù)目固定，且按分時(shí)輪轉(zhuǎn)原則進(jìn)行調(diào)度。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)提供源代碼供學(xué)生參考，學(xué)生也可以移植網(wǎng)上開(kāi)源的小型操作系統(tǒng)到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，如FreeDOS或MON88等。

4.3 BIOS實(shí)驗(yàn)

學(xué)生自己編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本輸入輸出系統(tǒng)以取代平臺(tái)配置的缺省BIOS。BIOS系列實(shí)驗(yàn)包括：開(kāi)機(jī)第一條指令的實(shí)驗(yàn)、開(kāi)機(jī)自檢實(shí)驗(yàn)、BIOS中斷的設(shè)計(jì)、串口交互程序設(shè)計(jì)以及操作系統(tǒng)加載實(shí)驗(yàn)等。

BIOS實(shí)驗(yàn)除了需要學(xué)生使用IDE環(huán)境編輯和編譯源程序獲得BIOS二進(jìn)制代碼之外，還需要學(xué)生通過(guò)Xilinx ISE Design Suite 12.2開(kāi)發(fā)環(huán)境將前面獲得的BIOS二進(jìn)制代碼嵌入到8086CPU最小系統(tǒng)的IP軟核中。最后使用下載線(xiàn)將包含BIOS二進(jìn)制代碼的IP軟核下載到8086CPU最小系統(tǒng)的電路板中。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于PC機(jī)上的BIOS刷新過(guò)程。

5 實(shí)施效果

從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)第一個(gè)版本實(shí)現(xiàn)到目前已有2屆4個(gè)專(zhuān)業(yè)6名教師和480名學(xué)生的課堂使用，以及30名各層次的大三學(xué)生利用暑假進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)各種渠道獲得的反饋信息總結(jié)如下：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件和軟件工作穩(wěn)定；實(shí)驗(yàn)指南和相關(guān)參考資料能有效幫助學(xué)生快速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容全面，能夠囊括微機(jī)原理和接口的全部?jī)?nèi)容，還能支持操作系統(tǒng)原理和BIOS底層的部分實(shí)驗(yàn)；能幫助學(xué)生真正掌握微機(jī)的工作原理、BIOS工作原理、操作系統(tǒng)基本原理等。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在硬件結(jié)構(gòu)上與主流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)PCI或ISA總線(xiàn)模擬8086CPU的方式不同，而是采用FPGA IP軟核方式來(lái)設(shè)計(jì)。此方法不僅能夠提供真實(shí)的8086CPU運(yùn)行環(huán)境，而且方便將來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能擴(kuò)充或升級(jí)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠脫離PC機(jī)控制獨(dú)立運(yùn)行，學(xué)生不僅能完成微機(jī)原理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，還能完成編寫(xiě)簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)、BIOS等底層實(shí)驗(yàn)?？傊?，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能較好幫助學(xué)生掌握微機(jī)原理、操作系統(tǒng)和BIOS等一系列相關(guān)原理和技術(shù)。

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（編輯：郭田珍）endprint