微機原理與接口技術(shù)之SOC實驗系統(tǒng)

               型號：KX-MCD40         

盡管在最近三十年中，大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機軟硬件技術(shù)，特別是微處理器和微型計算機技術(shù)的進步有了翻天覆地的變化，然而，作為電子信息類各專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，“微機原理與接口技術(shù)”課程的內(nèi)容及實驗方式仍停留在上世紀80年代。我們不妨打開幾乎任何一本上世紀80年代和2012年最近的同名教材《微機原理與接口技術(shù)》，就會發(fā)現(xiàn)，在這里，時間是凝固的，內(nèi)容是穿越的。這是因為它們的核心內(nèi)容，基本技術(shù)，硬件形式和實驗方法沒有發(fā)生任何變化�？梢韵胂螅�讀者根本無法從中感受到這一課程與外部世界信息技術(shù)進步的風馳電騁般的腳步聲有何聯(lián)系。顯然這一課程的許多內(nèi)容及實驗方式顯得過于陳舊，已不能完全適應現(xiàn)代的微機技術(shù)了，有必要進行適當?shù)母母锱c補充

◆ 現(xiàn)代微機系統(tǒng)早已進入了片上系統(tǒng)SOC（System Of a Chip）時代，孤立地討論微機中各接口部件結(jié)構(gòu)原理的同時，也應該描述微機的整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)建技術(shù)，理應給出與現(xiàn)代微機作為SOC整體結(jié)構(gòu)相吻合的整機構(gòu)建原理及工程技術(shù)；

◆ 現(xiàn)代微機中早已沒有了早期PC機中離散的接口器件了（如8255、8237等芯片，盡管還保留了它們的功能），但在教學和實驗中就不應僅僅圍繞這些早期的離散器件來進行，而是應該把它們作為微機SOC整體中的一個部分來認識和討論；

◆ 與上世紀80年代的電子技術(shù)水平完全不同，現(xiàn)在已進入了電子設計自動化的時代，不僅諸如8255、8237、8254這樣的接口器件可以利用EDA技術(shù)進行自主設計，即使是CPU這樣的大規(guī)模芯片，乃至整個SOC微機系統(tǒng)，用戶也同樣能自主構(gòu)建。所有這些也應該在教學內(nèi)容和實驗中有所反應，因為這些內(nèi)容將使學生深化對微機原理和接口器件的認識。

◆ 對于這門課程，現(xiàn)在仍然沿襲早期的孤立和被動地認知微機原理和學習接口技術(shù)的教學方法。所謂孤立，就是不與其他的學科，如計算機組成、嵌入式系統(tǒng)、EDA技術(shù)、SOC技術(shù)等，有任何相關(guān)性，即無法與其他學科體系進行有機融合；所謂被動，就是只是單向地學會使用一些現(xiàn)成的接口器件和接口技術(shù)，而無法主動地自主設計新的接口器件和給出新的接口技術(shù)。這勢必極大地限制了學生的視野，約束了他們的創(chuàng)新意識。這一切都必須在這門課程中引入全新的內(nèi)容加以改變。針對以上的討論， 清華大學出版社將于2013年推出《微機原理與接口技術(shù)——原理、技術(shù)與SOC實現(xiàn)》一書，作者是杭州電子科技大學與桂林電子科技大學的有關(guān)教師。此教材的整體結(jié)構(gòu)和基本內(nèi)容與傳統(tǒng)《微機原理與接口技術(shù)》有很好的吻合，但為了融入新的內(nèi)容，作了必要的精簡。作者將EDA與SOC技術(shù)有機地融入了相關(guān)章節(jié)中，并在各對應章節(jié)后增加了有良好針對性的實驗及自主設計實踐項目。例如，在涉及接口技術(shù)的各章中，除了按習慣的流程介紹傳統(tǒng)的基本概念、常用器件（如8088/8086、8255、8259、8237、8253、16550等）和接口技術(shù)外，還特別增加了對應的SOC技術(shù)的介紹：

這里以并行接口技術(shù)章節(jié)的8255為例。此章在完成傳統(tǒng)內(nèi)容的講解后，首先介紹8255 IP核的基本概念和使用方法，包括介紹此核與傳統(tǒng)8255芯片的異同點；然后在EDA工具平臺上介紹8088/8086 CPU IP核與8255核的接口方法以及8255核與外設的接口技術(shù)；最后介紹如何將8088/8086 CPU核與接口器件8255核構(gòu)成一個能夠執(zhí)行標準匯編指令的簡易結(jié)構(gòu)的微機系統(tǒng)（包括必要的嵌入式存儲器）。詳細討論通過仿真測試并下載于一片F(xiàn)PGA中之后，利用各種實時測試工具對下載于FPGA中“微機”SOC系統(tǒng)的硬件功能及其軟件程序執(zhí)行的各種情況。在這個過程中，學生不僅是被動的學習者和應用者，尤其了成為能動的自主設計者！這一切反過來又促進了對微機接口技術(shù)的深入掌握。

最后還要增加三個部分或三個逐步升級的內(nèi)容，這些內(nèi)容將之前的章節(jié)作整合和歸納，并逐章升華：第一部分根據(jù)實用要求，介紹自主設計與應用除傳統(tǒng)接口器件（如8253、8279等）以外的接口模塊的方法，包括自主設計接口模塊與SOC微機系統(tǒng)的軟硬件接口技術(shù)以及與外設的接口技術(shù)；第二部分討論的內(nèi)容是將之前介紹的一個個簡易微機系統(tǒng)整合成一個完整的，功能全面的SOC微機系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)所包含的IP核主要有8088/8086、8255、8259、8237、8253、16550及自主設計的接口模塊和各類存儲器等，以及對此SOC系統(tǒng)的軟硬件測試技術(shù)和系統(tǒng)實用方法；

一、模塊化微機原理與接口技術(shù)實驗與SOC設計綜合開發(fā)系統(tǒng)

SOC片上系統(tǒng)8088完成的實驗： 

◇ 8255可編程I/O核的構(gòu)建，硬件實驗，以及8088 CPU與8255接口的硬件構(gòu)建及軟件設計實驗，和相關(guān)接口實驗

；◇ 8253定時器核的構(gòu)建，硬件實驗，以及8088 CPU與8253接口的硬件構(gòu)建及軟件設計實驗，和相關(guān)接口實驗；

◇ 8237 DMA核的構(gòu)建，硬件實驗，以及8088 CPU與8237接口的硬件構(gòu)建及軟件設計實驗，和相關(guān)接口實驗；

◇ 8259中斷控制核的構(gòu)建，硬件實驗，以及8088 CPU與8259接口的硬件構(gòu)建及軟件設計實驗，和相關(guān)接口實驗；

◇ 8250 UART串行通信核的構(gòu)建，硬件實驗，以及8088 CPU與8250接口的硬件構(gòu)建及軟件設計實驗，和相關(guān)接口實驗；

◇ 8088與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實驗以及軟件實驗：多首歌曲演奏設計實驗；

◇ 8088與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實驗以及軟件實驗：GPS應用設計實驗；

◇ 8086與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實驗以及軟件實驗，BIOS ROM建立，MS-DOS操作系統(tǒng)啟動；◇ 8086與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實驗以及軟件實驗，VGA顯示，PS2鍵盤控制，DOS命令控制接口及WINDOWS系統(tǒng)及相關(guān)軟件運行；◇ 8086與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實驗以及軟件實驗，8086嵌入式系統(tǒng)TURBO C調(diào)試實驗。

◇ 基于8086/8088和其他所有接口模塊的自主創(chuàng)新實驗。… …等等        

模塊化微機原理與接口技術(shù)SOC實驗系統(tǒng)KX_MCD55的結(jié)構(gòu)框圖。通常，諸如微機原理與接口技術(shù)、計算機組成原理、EDA技術(shù)、單片機技術(shù)或SOPC實驗等傳統(tǒng)實驗平臺多數(shù)是整體結(jié)構(gòu)型的，雖也可完成多種類型實驗，但由于整體結(jié)構(gòu)不可變動，實驗項目和類型是預先設定和固定的，很難有自主發(fā)揮的余地，因此主要是完成一些驗證性實驗。如果學生的創(chuàng)新思想與創(chuàng)新設計與實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不吻合，便無法在此平臺上獲得驗證。 

模塊化結(jié)構(gòu)給出了最好的解決方案：

○ 在實驗和創(chuàng)新實踐中，能提供用于構(gòu)建微機系統(tǒng)中必須的邏輯和存儲器資源，豐富到足以涵蓋微機系統(tǒng)任何邏輯規(guī)模的結(jié)構(gòu)以及學生的創(chuàng)造力所及的任何形式的設計項目。

○ 在外圍接口方面，除大量豐富的接口模塊，如VGA、PS2、USB、SD卡、RS232串口、語音處理、AD/DA等等現(xiàn)成的模塊外，還提供能適應實驗者隨時根據(jù)自己的創(chuàng)新實驗需要，自主安排和設計新功能模塊的標準接口。

○ 從微機原理與接口技術(shù)這一課程的性質(zhì)可以看出，將實驗硬件平臺定位于大規(guī)模邏輯容量的Cyclone III系列FPGA，在硬件測試，軟件調(diào)試，軟硬件聯(lián)合測試與驗證方面是十分必須的，特別是基于Quartus II平臺的強大的測試工具，如Signal Tap II、In-System Sources and Probes 和In-System Memory Content Editor等具有不可替代的功能。此外，特別要指出的是，KX_MCD55系統(tǒng)在除了適用于此教材中涉及的所有驗證性實驗和自主設計性實踐項目外，還能很專業(yè)地包涵諸如數(shù)字系統(tǒng)實驗、EDA技術(shù)實驗、VHDL/Verilog硬件描述語言應用實驗、SOPC開發(fā)和各類IP應用等。 

與《微機原理與接口技術(shù)——原理、技術(shù)與SOC實現(xiàn)》教材配套的實驗開發(fā)與創(chuàng)新設計的設備是：

 型號:KX-MCD40完成以下實驗：

 ▲ 基于流水線架構(gòu)的16位RISC 精簡指令CPU設計，與相關(guān)實驗；

 ▲ 基于32位Nios II嵌入式處理器和Qsys開發(fā)環(huán)境的SOPC實驗與開發(fā)；

▲ 基于Open RISC 1200系列的32位RISC處理器嵌入式SOC系統(tǒng)實驗與開發(fā)；

▲ 基于8088/8086 IP核的微機SOC系統(tǒng)，以及8253定時器IP核、8237 DMA IP核、8259中斷控制IP核、8255可編程I/O IP核和8250 UART串行通信IP軟核構(gòu)建的SOC微機系統(tǒng)；此FPGA內(nèi)部SRAM中含BIOS啟動ROM、顯示緩存、PS2緩存等；能啟動MS-DOS操作系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)，在VGA顯示器上用PS2鍵盤和鼠標完成DOS和部分Windows命令及運行各種基于命令行的傳統(tǒng)軟件與視窗軟件。

▲ 基于8051單片機IP核的SOC片上系統(tǒng)設計系列實驗。  

 KX-MCD40配置如下： 

 一、基本平臺 編號:A 主系統(tǒng)

☆此平臺最多可同時插12 塊模塊板�！� KX_USB-Blaster2型雙功能編程器：(1)USB-Blaster編程下載功能(支持AS、PS、JTAG模式):1、對FPGA/CPLD進行配置或編程；2、對配置器件EPCSx編程；3、訪問和編輯FPGA內(nèi)部RAM；4、調(diào)試Nios2，完成SOPC設計；5、支持SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀。(2)USB到UART串行通信轉(zhuǎn)換：1、通過USB與FPGA串行通信，實現(xiàn)PC與FPGA的串行通信，且無需RS232電平轉(zhuǎn)換；2、通過USB與單片機的串行通信，實現(xiàn)PC與通用單片機的UART串行通信；3、通過USB對STC等系列單片機進行直接編程開發(fā)，無需電平轉(zhuǎn)換。☆ ByteBlasterMV編程器一個（可對isp單片機編程）�！� 5功能智能邏輯筆：可顯示高電平、低電平、中電平、高阻態(tài)、脈沖信號。注意有“高阻態(tài)”測試功能。☆ 獨立的標準時鐘頻率20個。20MHZ-0.5HZ�！� 電源有自動保護的+5V，+12V、-12V、、+3.3V、2.5V+、1.2V�！� 8個LED放光二級管，8個乒乓開關(guān)，揚聲器�！� DDS信號輸出口及幅度、偏移調(diào)諧。