基于FPGA的微機原理與接口新型實驗平臺

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技術設計的新型實驗平臺的思路與實踐。

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

2 實驗教學和實驗平臺現(xiàn)狀

目前微機原理與接口課程的實驗教學普遍存在著實驗平臺落后、教學難度大、內容多、課時不足、學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，從而導致所學和所用脫節(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，學生在虛擬環(huán)境中實驗操作過程。該方法因為完全讓學生在虛擬環(huán)境中實驗，學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，二是由于其硬件結構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芯片和相關輔助芯片（如8284芯片）構造實驗平臺。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構的局限，導致愛思考的學生會產(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呢？為什么不支持操作系統(tǒng)（如FreeDOS）的實驗呢？總之，目前主流的實驗平臺不利于學生充分掌握微機原理和接口技術。

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技術的新型架構的實驗平臺。該實驗平臺可以脫離PC機獨立運行，構成真正意義上的“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上，學生可以進行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。第三，設計了兼容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用程序。第四，實現(xiàn)了8086源程序的編輯、編譯和調試集成開發(fā)環(huán)境IDE。

3.1 8086CPU最小系統(tǒng)lP軟核設計

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360K blockRAM，可以實現(xiàn)40K字節(jié)的SRAM，內部500K邏輯門足夠實現(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)轉換器、DAC0832數(shù)模轉換器等。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。無論教師還是學生，都可以利用此實驗平臺豐富的資源完成自己的設計。

3.3 基本輸入輸出系統(tǒng)的設計

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，包括控制應用程序的下載、運行和調試；三是提供兼容標準PC機的BIOS中斷和DOS INT 2lH中斷功能，便于用戶在應用程序調用。

3.4 集成開發(fā)環(huán)境的設計

實現(xiàn)一個支持“編輯一編譯一運行一調試一下載”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、編譯和調試匯編源代碼，從而讓學生將主要精力放在微機原理與接口的理解和應用上。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 實驗設計和實驗方法

實驗平臺設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，讓大部分學生能較好地理解和應用原理，操作系統(tǒng)和BIOS底層實驗適合學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實驗

微機原理與接口基礎實驗和目前大多數(shù)高校主流實驗平臺支持的實驗基本一致，包括8086匯編程序實驗、數(shù)據(jù)和地址鎖存實驗、8255并口實驗、單/雙色燈實驗、A/D轉換實驗、D/A轉換實驗、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來控制應用程序在實驗平臺上的運行和調試，通過BIOS交互命令控制程序下載的地址和調試過程。

4.2 操作系統(tǒng)實驗

學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)進程調度，為簡化起見，假定進程數(shù)目固定，且按分時輪轉原則進行調度。實驗平臺已經(jīng)提供源代碼供學生參考，學生也可以移植網(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中斷的設計、串口交互程序設計以及操作系統(tǒng)加載實驗等。

BIOS實驗除了需要學生使用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名學生的課堂使用，以及30名各層次的大三學生利用暑假進行測試，通過各種渠道獲得的反饋信息總結如下：實驗平臺硬件和軟件工作穩(wěn)定；實驗指南和相關參考資料能有效幫助學生快速進入實驗；實驗設計內容全面，能夠囊括微機原理和接口的全部內容，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 結語

實驗平臺在硬件結構上與主流實驗平臺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，學生不僅能完成微機原理基礎實驗，還能完成編寫簡單操作系統(tǒng)、BIOS等底層實驗?？傊搶嶒炂脚_能較好幫助學生掌握微機原理、操作系統(tǒng)和BIOS等一系列相關原理和技術。

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（編輯：郭田珍）endprint