蘇曙光　曹華　袁力　付運然

摘要：針對微機原理與接口現(xiàn)行主流實驗平臺的特點和缺點，提出一種采用FPGA技術(shù)設(shè)計的新型實驗平臺的思路與實踐。

關(guān)鍵詞：微機原理與接口；實驗平臺；FPGA

1 背景

微機原理與接口是眾多高校計算機學(xué)科的一門重要專業(yè)核心課程，也是嵌入式技術(shù)最重要的入門課程和技術(shù)基礎(chǔ)。該課程概念抽象、實踐性很強，上機實驗和課程設(shè)計是兩個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。通過實驗不僅可以直接提高學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，進一步加深對微機結(jié)構(gòu)、匯編語言及指令系統(tǒng)的理解，還能使學(xué)生對計算機內(nèi)部原理和芯片的工作流程有更直接的感性認(rèn)識。因此實驗教學(xué)在對學(xué)生能力培養(yǎng)方面起著理論教學(xué)不可替代的作用，實驗平臺的好壞對學(xué)生真正掌握微機原理和接口技術(shù)有非常大的影響。

2 實驗教學(xué)和實驗平臺現(xiàn)狀

目前微機原理與接口課程的實驗教學(xué)普遍存在著實驗平臺落后、教學(xué)難度大、內(nèi)容多、課時不足、學(xué)生缺乏積極性等問題，造成這些問題的最大原因就是現(xiàn)有實驗平臺所用硬件環(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)高校所采用的微機原理與接口實驗平臺從技術(shù)角度來講，主要有下面4種。（1）利用軟件來模擬硬件環(huán)境，學(xué)生在虛擬環(huán)境中實驗操作過程。該方法因為完全讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中實驗，學(xué)生無法接觸真正的硬件，所以實驗效果很差。（2）通過PC機的PCI總線或ISA總線模擬產(chǎn)生8086的指令系統(tǒng)、總線和時序，以DB62形式提供給實驗平臺用。該方法缺點一是實驗平臺不能脫離PC機的控制，二是由于其硬件結(jié)構(gòu)所限不支持操作系統(tǒng)加載、BIOS編程等一些高級實驗。（3）利用單片機或其他非8086CPU類型簡單替代或模擬8086CPU。該方法缺點和前一方法類似。（4）直接利用8086CPU芯片和相關(guān)輔助芯片（如8284芯片）構(gòu)造實驗平臺。由于該CPU早已停產(chǎn)，只能使用拆機的二手芯片，因此實驗平臺質(zhì)量無法保證，也無法量產(chǎn)。

面對上述問題，絕大多數(shù)高校都采取“避繁就簡”的策略，實驗過程中利用簡單的實驗，選取模擬的硬件環(huán)境。由于這些實驗平臺硬件結(jié)構(gòu)的局限，導(dǎo)致愛思考的學(xué)生會產(chǎn)生疑問：既然實驗平臺是8086微機系統(tǒng)，為何需要PC機的支持而不能獨立運行呢？為什么不支持加電自檢的實驗?zāi)?？為什么不支持操作系統(tǒng)（如FreeDOS）的實驗?zāi)?？總之，目前主流的實驗平臺不利于學(xué)生充分掌握微機原理和接口技術(shù)。

3 基于FPGA SOC的8086CPU實驗平臺

根據(jù)上述問題，筆者提出基于FPGA技術(shù)的新型架構(gòu)的實驗平臺。該實驗平臺可以脫離PC機獨立運行，構(gòu)成真正意義上的“微機”。實驗平臺具有豐富接口，在滿足課程基本實驗要求的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以進行BIOS編程、操作系統(tǒng)編寫、加電自檢等一系列高級實驗。

該實驗平臺主要包括4個組成部分。首先利用FPGA SOC片上系統(tǒng)技術(shù)模擬實現(xiàn)8086CPU最小系統(tǒng)。該最小系統(tǒng)上實現(xiàn)了8086CPU指令系統(tǒng)、總線和時序，還實現(xiàn)了4K RAM、256字節(jié)ROM和一個串口。其次，實現(xiàn)了實驗平臺擴展板。擴展板上擴充了鎖存器、緩沖器、外部存儲、各種典型接口芯片和外設(shè)。第三，設(shè)計了兼容PC機的簡單BIOS系統(tǒng)，以支持系統(tǒng)加電自檢和用戶加載應(yīng)用程序。第四，實現(xiàn)了8086源程序的編輯、編譯和調(diào)試集成開發(fā)環(huán)境IDE。

3.1 8086CPU最小系統(tǒng)lP軟核設(shè)計

8086CPU最小系統(tǒng)由8086CPU核、UART核、ROM和SRAM組成，這4個部分通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線連在一起。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。XC3S500E芯片共有208個引腳，其中可供用戶使用的I/O有172個，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，可以實現(xiàn)40K字節(jié)的SRAM，內(nèi)部500K邏輯門足夠?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、數(shù)據(jù)總線、控制總線、串口通信引腳以及時鐘線等。圖1是最終實現(xiàn)的8086CPU最小系統(tǒng)IP軟核的外部引腳。

3.2 擴展板的設(shè)計

平臺的外圍芯片主要有74LS138譯碼器、可編程定時器/計數(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)用戶要求擴充LED流水燈、按鍵、點擊、蜂鳴器、電位器等。這樣既實現(xiàn)了系統(tǒng)基本功能，也能保證良好的可擴充性。無論教師還是學(xué)生，都可以利用此實驗平臺豐富的資源完成自己的設(shè)計。

3.3 基本輸入輸出系統(tǒng)的設(shè)計

實驗平臺實現(xiàn)了一個缺省的基本輸入輸出系統(tǒng)（BIOS），其功能有3個：一是用于系統(tǒng)加電自啟動；二是完成和用戶的交互，包括控制應(yīng)用程序的下載、運行和調(diào)試；三是提供兼容標(biāo)準(zhǔn)PC機的BIOS中斷和DOS INT 2lH中斷功能，便于用戶在應(yīng)用程序調(diào)用。

3.4 集成開發(fā)環(huán)境的設(shè)計

實現(xiàn)一個支持“編輯一編譯一運行一調(diào)試一下載”的軟件集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。IDE環(huán)境提供的強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原理與接口的理解和應(yīng)用上。IDE支持匯編語法的彩色顯示，圖2是集成開發(fā)環(huán)境（IDE）的主工作界面。

4 實驗設(shè)計和實驗方法

實驗平臺設(shè)計了一系列的基本實驗、操作系統(tǒng)和BIOS底層實驗?；緦嶒瀰⒄战滩牡恼鹿?jié)和進度來安排，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底層實驗適合學(xué)生更深入地掌握微機和操作系統(tǒng)的核心工作原理。endprint

4.1 微機原理與接口基礎(chǔ)實驗

微機原理與接口基礎(chǔ)實驗和目前大多數(shù)高校主流實驗平臺支持的實驗基本一致，包括8086匯編程序?qū)嶒灐?shù)據(jù)和地址鎖存實驗、8255并口實驗、單/雙色燈實驗、A/D轉(zhuǎn)換實驗、D/A轉(zhuǎn)換實驗、8251串行通信實驗、8253定時/計數(shù)器實驗以及8259中斷實驗等。

學(xué)生在集成開發(fā)環(huán)境IDE中編輯編譯源程序，在IDE環(huán)境中模擬運行和調(diào)試，也可以通過串口把程序下載到實驗平臺上，通過BIOS來控制應(yīng)用程序在實驗平臺上的運行和調(diào)試，通過BIOS交互命令控制程序下載的地址和調(diào)試過程。

4.2 操作系統(tǒng)實驗

學(xué)生可以自己編寫最簡單的操作系統(tǒng)在實驗平臺上運行，來體會操作系統(tǒng)對硬件的控制和對應(yīng)用程序提供的支持。最簡單的操作系統(tǒng)可以只實現(xiàn)進程調(diào)度，為簡化起見，假定進程數(shù)目固定，且按分時輪轉(zhuǎn)原則進行調(diào)度。實驗平臺已經(jīng)提供源代碼供學(xué)生參考，學(xué)生也可以移植網(wǎng)上開源的小型操作系統(tǒng)到實驗平臺上，如FreeDOS或MON88等。

4.3 BIOS實驗

學(xué)生自己編寫實驗平臺的基本輸入輸出系統(tǒng)以取代平臺配置的缺省BIOS。BIOS系列實驗包括：開機第一條指令的實驗、開機自檢實驗、BIOS中斷的設(shè)計、串口交互程序設(shè)計以及操作系統(tǒng)加載實驗等。

BIOS實驗除了需要學(xué)生使用IDE環(huán)境編輯和編譯源程序獲得BIOS二進制代碼之外，還需要學(xué)生通過Xilinx ISE Design Suite 12.2開發(fā)環(huán)境將前面獲得的BIOS二進制代碼嵌入到8086CPU最小系統(tǒng)的IP軟核中。最后使用下載線將包含BIOS二進制代碼的IP軟核下載到8086CPU最小系統(tǒng)的電路板中。這個過程相當(dāng)于PC機上的BIOS刷新過程。

5 實施效果

從實驗平臺第一個版本實現(xiàn)到目前已有2屆4個專業(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)生利用暑假進行測試，通過各種渠道獲得的反饋信息總結(jié)如下：實驗平臺硬件和軟件工作穩(wěn)定；實驗指南和相關(guān)參考資料能有效幫助學(xué)生快速進入實驗；實驗設(shè)計內(nèi)容全面，能夠囊括微機原理和接口的全部內(nèi)容，還能支持操作系統(tǒng)原理和BIOS底層的部分實驗；能幫助學(xué)生真正掌握微機的工作原理、BIOS工作原理、操作系統(tǒng)基本原理等。

6 結(jié)語

實驗平臺在硬件結(jié)構(gòu)上與主流實驗平臺PCI或ISA總線模擬8086CPU的方式不同，而是采用FPGA IP軟核方式來設(shè)計。此方法不僅能夠提供真實的8086CPU運行環(huán)境，而且方便將來對實驗平臺的功能擴充或升級。實驗平臺能夠脫離PC機控制獨立運行，學(xué)生不僅能完成微機原理基礎(chǔ)實驗，還能完成編寫簡單操作系統(tǒng)、BIOS等底層實驗?？傊?，該實驗平臺能較好幫助學(xué)生掌握微機原理、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