微機(jī)原理與接口技術(shù)之SOC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

               型號(hào)：KX-MCD4E22         

盡管在最近三十年中，大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，特別是微處理器和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)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(chǔ)課，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方式仍停留在上世紀(jì)80年代。我們不妨打開(kāi)幾乎任何一本上世紀(jì)80年代和2012年最近的同名教材《微機(jī)原理與接口技術(shù)》，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這里，時(shí)間是凝固的，內(nèi)容是穿越的。這是因?yàn)樗鼈兊暮诵膬?nèi)容，基本技術(shù)，硬件形式和實(shí)驗(yàn)方法沒(méi)有發(fā)生任何變化�？梢韵胂�，讀者根本無(wú)法從中感受到這一課程與外部世界信息技術(shù)進(jìn)步的風(fēng)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(shí)驗(yàn)方式顯得過(guò)于陳舊，已不能完全適應(yīng)現(xiàn)代的微機(jī)技術(shù)了，有必要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母母锱c補(bǔ)充；

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

◆ 現(xiàn)代微機(jī)中早已沒(méi)有了早期PC機(jī)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(xué)和實(shí)驗(yàn)中就不應(yīng)僅僅圍繞這些早期的離散器件來(lái)進(jìn)行，而是應(yīng)該把它們作為微機(jī)SOC整體中的一個(gè)部分來(lái)認(rèn)識(shí)和討論；

◆ 與上世紀(jì)80年代的電子技術(shù)水平完全不同，現(xiàn)在已進(jìn)入了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的時(shí)代，不僅諸如8255、8237、8254這樣的接口器件可以利用EDA技術(shù)進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，即使是CPU這樣的大規(guī)模芯片，乃至整個(gè)SOC微機(jī)系統(tǒng)，用戶也同樣能自主構(gòu)建。所有這些也應(yīng)該在教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)中有所反應(yīng)，因?yàn)檫@些內(nèi)容將使學(xué)生深化對(duì)微機(jī)原理和接口器件的認(rèn)識(shí)。

◆ 對(duì)于這門課程，現(xiàn)在仍然沿襲早期的孤立和被動(dòng)地認(rèn)知微機(jī)原理和學(xué)習(xí)接口技術(shù)的教學(xué)方法。所謂孤立，就是不與其他的學(xué)科，如計(jì)算機(jī)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(wú)法與其他學(xué)科體系進(jìn)行有機(jī)融合；所謂被動(dòng)，就是只是單向地學(xué)會(huì)使用一些現(xiàn)成的接口器件和接口技術(shù)，而無(wú)法主動(dòng)地自主設(shè)計(jì)新的接口器件和給出新的接口技術(shù)。這勢(shì)必極大地限制了學(xué)生的視野，約束了他們的創(chuàng)新意識(shí)。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(duì)以上的討論， 清華大學(xué)出版社將于2013年推出《微機(jī)原理與接口技術(shù)——原理、技術(shù)與SOC實(shí)現(xiàn)》一書，作者是杭州電子科技大學(xué)與桂林電子科技大學(xué)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(jī)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(jiǎn)。作者將EDA與SOC技術(shù)有機(jī)地融入了相關(guān)章節(jié)中，并在各對(duì)應(yīng)章節(jié)后增加了有良好針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)及自主設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目。例如，在涉及接口技術(shù)的各章中，除了按習(xí)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(duì)應(yīng)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(diǎn)；然后在EDA工具平臺(tái)上介紹8088/8086 CPU IP核與8255核的接口方法以及8255核與外設(shè)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(gè)能夠執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)匯編指令的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)的微機(jī)系統(tǒng)（包括必要的嵌入式存儲(chǔ)器）。詳細(xì)討論通過(guò)仿真測(cè)試并下載于一片F(xiàn)PGA中之后，利用各種實(shí)時(shí)測(cè)試工具對(duì)下載于FPGA中“微機(jī)”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(gè)過(guò)程中，學(xué)生不僅是被動(dòng)的學(xué)習(xí)者和應(yīng)用者，尤其了成為能動(dòng)的自主設(shè)計(jì)者！這一切反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了對(duì)微機(jī)接口技術(shù)的深入掌握。

最后還要增加三個(gè)部分或三個(gè)逐步升級(jí)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(shí)用要求，介紹自主設(shè)計(jì)與應(yīng)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(shè)計(jì)接口模塊與SOC微機(jī)系統(tǒng)的軟硬件接口技術(shù)以及與外設(shè)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(gè)個(gè)簡(jiǎn)易微機(jī)系統(tǒng)整合成一個(gè)完整的，功能全面的SOC微機(jī)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(shè)計(jì)的接口模塊和各類存儲(chǔ)器等，以及對(duì)此SOC系統(tǒng)的軟硬件測(cè)試技術(shù)和系統(tǒng)實(shí)用方法；

一、模塊化微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)與SOC設(shè)計(jì)綜合開(kāi)發(fā)系統(tǒng)

SOC片上系統(tǒng)8088完成的實(shí)驗(yàn)：

 ◇ 8255可編程I/O核的構(gòu)建，硬件實(shí)驗(yàn)，以及8088 CPU與8255接口的硬件構(gòu)建及軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，和相關(guān)接口實(shí)驗(yàn)；

◇ 8253定時(shí)器核的構(gòu)建，硬件實(shí)驗(yàn)，以及8088 CPU與8253接口的硬件構(gòu)建及軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，和相關(guān)接口實(shí)驗(yàn)；

◇ 8237 DMA核的構(gòu)建，硬件實(shí)驗(yàn)，以及8088 CPU與8237接口的硬件構(gòu)建及軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，和相關(guān)接口實(shí)驗(yàn)；

◇ 8259中斷控制核的構(gòu)建，硬件實(shí)驗(yàn)，以及8088 CPU與8259接口的硬件構(gòu)建及軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，和相關(guān)接口實(shí)驗(yàn)；

◇ 8250 UART串行通信核的構(gòu)建，硬件實(shí)驗(yàn)，以及8088 CPU與8250接口的硬件構(gòu)建及軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，和相關(guān)接口實(shí)驗(yàn)；

◇ 8088與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)以及軟件實(shí)驗(yàn)：多首歌曲演奏設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；

◇ 8088與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)以及軟件實(shí)驗(yàn)：GPS應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；

◇ 8086與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)以及軟件實(shí)驗(yàn)，BIOS ROM建立，MS-DOS操作系統(tǒng)啟動(dòng)；

◇ 8086與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)以及軟件實(shí)驗(yàn)，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(yùn)行；◇ 8086與所有IP核構(gòu)建綜合系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)以及軟件實(shí)驗(yàn)，8086嵌入式系統(tǒng)TURBO C調(diào)試實(shí)驗(yàn)。

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

模塊化微機(jī)原理與接口技術(shù)SOC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)KX_MCD55的結(jié)構(gòu)框圖。通常，諸如微機(jī)原理與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、EDA技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)或SOPC實(shí)驗(yàn)等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多數(shù)是整體結(jié)構(gòu)型的，雖也可完成多種類型實(shí)驗(yàn)，但由于整體結(jié)構(gòu)不可變動(dòng)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和類型是預(yù)先設(shè)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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。如果學(xué)生的創(chuàng)新思想與創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不吻合，便無(wú)法在此平臺(tái)上獲得驗(yàn)證。 

模塊化結(jié)構(gòu)給出了最好的解決方案：

○ 在實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐中，能提供用于構(gòu)建微機(jī)系統(tǒng)中必須的邏輯和存儲(chǔ)器資源，豐富到足以涵蓋微機(jī)系統(tǒng)任何邏輯規(guī)模的結(jié)構(gòu)以及學(xué)生的創(chuàng)造力所及的任何形式的設(shè)計(jì)項(xiàng)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(yǔ)音處理、AD/DA等等現(xiàn)成的模塊外，還提供能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)者隨時(shí)根據(jù)自己的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需要，自主安排和設(shè)計(jì)新功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口。

○ 從微機(jī)原理與接口技術(shù)這一課程的性質(zhì)可以看出，將實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)定位于大規(guī)模邏輯容量的Cyclone III系列FPGA，在硬件測(cè)試，軟件調(diào)試，軟硬件聯(lián)合測(cè)試與驗(yàn)證方面是十分必須的，特別是基于Quartus II平臺(tái)的強(qiáng)大的測(cè)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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和自主設(shè)計(jì)性實(shí)踐項(xiàng)目外，還能很專業(yè)地包涵諸如數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)、VHDL/Verilog硬件描述語(yǔ)言應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、SOPC開(kāi)發(fā)和各類IP應(yīng)用等。 

與《微機(jī)原理與接口技術(shù)——原理、技術(shù)與SOC實(shí)現(xiàn)》教材配套的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的設(shè)備是：

 型號(hào):KX-MCD4E22完成以下實(shí)驗(yàn)：

▲ 基于狀態(tài)機(jī)控制指令的16位CISC CPU設(shè)計(jì)與測(cè)試,包括CPU創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽實(shí)踐項(xiàng)目；

▲ 基于流水線架構(gòu)的16位RISC 精簡(jiǎn)指令CPU設(shè)計(jì)，與相關(guān)實(shí)驗(yàn)；

▲ 基于32位Nios II嵌入式處理器和Qsys開(kāi)發(fā)環(huán)境的SOPC實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)；

▲ 基于Open RISC 1200系列的32位RISC處理器嵌入式SOC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)；

▲ 基于8088/8086 IP核的微機(jī)SOC系統(tǒng)，以及8253定時(shí)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(jī)系統(tǒng)；此FPGA內(nèi)部SRAM中含BIOS啟動(dòng)ROM、顯示緩存、PS2緩存等；能啟動(dòng)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(biāo)完成DOS和部分Windows命令及運(yùn)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(jī)IP核的SOC片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)。  

 KX-MCD4E22配置如下：  

一、基本平臺(tái) 編號(hào):A 主系統(tǒng)

☆此平臺(tái)最多可同時(shí)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(duì)FPGA/CPLD進(jìn)行配置或編程；2、對(duì)配置器件EPCSx編程；3、訪問(wèn)和編輯FPGA內(nèi)部RAM；4、調(diào)試Nios2，完成SOPC設(shè)計(jì)；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(guò)USB與FPGA串行通信，實(shí)現(xiàn)PC與FPGA的串行通信，且無(wú)需RS232電平轉(zhuǎn)換；2、通過(guò)USB與單片機(jī)的串行通信，實(shí)現(xiàn)PC與通用單片機(jī)的UART串行通信；3、通過(guò)USB對(duì)STC等系列單片機(jī)進(jìn)行直接編程開(kāi)發(fā)，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。

☆ ByteBlasterMV編程器一個(gè)（可對(duì)isp單片機(jī)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(hào)。注意有“高阻態(tài)”測(cè)試功能。☆ 獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率20個(gè)。20MHZ-0.5HZ�！� 電源有自動(dòng)保護(hù)的+5V，+12V、-12V、、+3.3V、2.5V+、1.2V�！� 8個(gè)LED放光二級(jí)管，8個(gè)乒乓開(kāi)關(guān)，揚(yáng)聲器�！� DDS信號(hào)輸出口及幅度、偏移調(diào)諧。