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節。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有實驗平臺所用硬件環境和教材所講的硬件環境不完全一樣，從而導致所學和所用脫節。

目前絕大多數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境，學生在虛擬環境中實驗操作過程。該方法因為完全讓學生在虛擬環境中實驗，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總線模擬產生8086的指令系統、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，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。

面對上述問題，絕大多數高校都采取“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生疑問：既然實驗平臺是8086微機系統，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（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片上系統技術模擬實現8086CPU最小系統。該最小系統上實現了8086CPU指令系統、總線和時序，還實現了4K RAM、256字節ROM和一個串口。其次，實現了實驗平臺擴展板。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，以支持系統加電自檢和用戶加載應用程序。第四，實現了8086源程序的編輯、編譯和調試集成開發環境IDE。

3.1 8086CPU最小系統lP軟核設計

8086CPU最小系統由8086CPU核、UART核、ROM和SRAM組成，這4個部分通過地址總線、數據總線和控制總線連在一起。8086CPU最小系統的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最小系統所使用的I/O資源。XC3S500E片內360K blockRAM，可以實現40K字節的SRAM，內部500K邏輯門足夠實現8086CPU軟核、UART軟核以及256字節ROM等所有硬件邏輯。8086CPU最小系統的外部引腳主要包括8086地址總線、數據總線、控制總線、串口通信引腳以及時鐘線等。圖1是最終實現的8086CPU最小系統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/計數器8253、可編程并行I/O接口8255、中斷控制器8259、ADC0809模數轉換器、DAC0832數模轉換器等。最小系統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。這樣既實現了系統基本功能，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 基本輸入輸出系統的設計

實驗平臺實現了一個缺省的基本輸入輸出系統（BIOS），其功能有3個：一是用于系統加電自啟動；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 集成開發環境的設計

實現一個支持“編輯一編譯一運行一調試一下載”的軟件集成開發環境（IDE）。IDE環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是集成開發環境（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、操作系統和BIOS底層實驗?；緦嶒瀰⒄战滩牡恼鹿澓瓦M度來安排，讓大部分學生能較好地理解和應用原理，操作系統和BIOS底層實驗適合學生更深入地掌握微機和操作系統的核心工作原理。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、數據和地址鎖存實驗、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/計數器實驗以及8259中斷實驗等。

學生在集成開發環境IDE中編輯編譯源程序，在IDE環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 操作系統實驗

學生可以自己編寫最簡單的操作系統在實驗平臺上運行，來體會操作系統對硬件的控制和對應用程序提供的支持。最簡單的操作系統可以只實現進程調度，為簡化起見，假定進程數目固定，且按分時輪轉原則進行調度。實驗平臺已經提供源代碼供學生參考，學生也可以移植網上開源的小型操作系統到實驗平臺上，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加載實驗等。

BIOS實驗除了需要學生使用IDE環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開發環境將前面獲得的BIOS二進制代碼嵌入到8086CPU最小系統的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到目前已有2屆4個專業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、BIOS等底層實驗。總之，該實驗平臺能較好幫助學生掌握微機原理、操作系統和BIOS等一系列相關原理和技術。

參考文獻：

[1]古麗米拉，張婧婧，海拉提.微機原理與接口技術的開放型實驗設計[J].計算機教育，2012（9）：72-74.

[2]雷艷靜，古輝，陳琦.微機接口技術課程教學改革與實踐[J].計算機教育，2013（10）：27-31.

[3]劉民岷.“微機原理及接口技術”課程教學及實驗改革實踐[J].實驗科學與技術，2013（2）：64-66.

[4]李珍香，李全福.基于CD10模式的微機原理與接口技術課程實驗教學改革與實踐[J].實驗室科學，2013（1）：66-68.

（編輯：郭田珍）endprint