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)方法沒有發(fā)生任何變化�？梢韵胂�，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(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：

圖1 構(gòu)建于FPGA內(nèi)的基于8086 CPU核的微型計(jì)算機(jī)片上系統(tǒng)SOC模塊圖

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)討論通過仿真測(cè)試并下載于一片FPGA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！這一切反過來又促進(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；第三部分的內(nèi)容是將此SOC微機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)一步升級(jí)，從而構(gòu)建一個(gè)完整的經(jīng)典的微型計(jì)算機(jī)，但卻是一個(gè)整體構(gòu)建和工作于一片F(xiàn)PGA中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)如圖1所示）。其基本功能與傳統(tǒng)微機(jī)十分接近：除了能進(jìn)行單任務(wù)的匯編程序執(zhí)行外，同樣能啟動(dòng)傳統(tǒng)MS-DOS，操作系統(tǒng)，和通過VGA彩顯和PS2鼠標(biāo)與鍵盤進(jìn)行控制。

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)綜合開發(fā)系統(tǒng)

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硬件描述語言應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、SOPC開發(fā)和各類IP應(yīng)用等。

型號(hào):KX-MCD55完成以下實(shí)驗(yàn)：

▲ 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。

▲具體提供實(shí)驗(yàn)有：

8255 接口IP核實(shí)驗(yàn)

8254/53 接口IP核實(shí)驗(yàn)

8259接口IP核中斷控制實(shí)驗(yàn)

8237DMA接口IP核控制實(shí)驗(yàn)

8250串口通信IP核控制實(shí)驗(yàn)

8088IP核綜合控制實(shí)驗(yàn)，包括AD/DA,GPS等。

SOC片上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，包括WIN DOS 游戲控制

KX-MCD55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USB與FPGA串行通信，實(shí)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(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USB對(duì)STC等系列單片機(jī)進(jìn)行直接編程開發(fā)，無需電平轉(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)乒乓開關(guān)，揚(yáng)聲器�！� DDS信號(hào)輸出口及幅度、偏移調(diào)諧。

FPGA模塊

CycloneIII EP3C55F484(484腳BGA封裝)，內(nèi)部資源極其豐富：5萬6千個(gè)邏輯宏單元、240萬RAM bit；4個(gè)鎖相環(huán)(超寬超高鎖相環(huán)輸出頻率：1300MHz至2kHz)。其他內(nèi)部資源和技術(shù)指標(biāo)好于EP3C40；接口器件有32MB SDRAM、1GB并行Flash、2M串行Flash 16M配置Flash、256KSRAM，20MHz有源晶振等，板上還有3032 CPLD。FPGA板包含 8051/52 IP核。提供商業(yè)級(jí)全兼容MCS-51單片機(jī)IP核。利用此核，實(shí)驗(yàn)者可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無法達(dá)到的SOC(片上系統(tǒng))設(shè)計(jì)。即將單片機(jī)CPU、RAM、ROM以及其它各類接口電路模塊設(shè)計(jì)在同一片F(xiàn)PGA中。此類技術(shù)對(duì)于對(duì)于面向高新技術(shù)企業(yè)的就業(yè)十分必要。 8088、8086 CPU IP核。 8255A IP核模塊；8255A IP核(I/O接口)；8253/8254 IP核(定時(shí)器)；8250 IP核(UART串行通信)；8237 IP核(DMA控制器)；8259 IP核(可編程中斷控制器)，以及基于FPGA的RAM/ROM核、鎖相環(huán)核等。這些IP核與8088CPU核相結(jié)合就能在單片F(xiàn)PGA中構(gòu)成一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)，從而學(xué)習(xí)到實(shí)用的SOC設(shè)計(jì)工程技術(shù)。FPGA中的8088核與MCS-31單片機(jī)核及其中的各種模塊和核都能與以下各模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同類型的實(shí)驗(yàn)開發(fā)。此系統(tǒng)能運(yùn)行完整的8086微機(jī)SOC片上系統(tǒng)，其內(nèi)部SRAM能放下BIOS啟動(dòng)ROM、顯示緩存、PS2緩存等，能啟動(dòng)MS-DOS操作系統(tǒng)，在VGA顯示器上用PS2鍵盤能完成MS-DOS命令和WINDOWS及運(yùn)行傳統(tǒng)軟件，如TURBO C，QBASIC等等。為SOC片上系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了絕好的平臺(tái)。

模塊1、4X4+8個(gè)單脈沖綜合鍵盤模塊

模塊2、32位輸出/輸人顯示HEX模塊

模塊3、普通A/D與D/A模塊

模塊4、字符式20X4液晶顯示模塊

模塊5、SD+PS2+RS232+VGA顯示接口模塊

模塊6、電機(jī)接口模塊

模塊7、GPS實(shí)驗(yàn)開發(fā)模塊

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)。

◇ 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)游戲運(yùn)行。

◇ 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

088核運(yùn)行的DOS操作界面

有8088核運(yùn)行的QESIC軟件調(diào)試界面

8088核運(yùn)行的游戲界面

8088核運(yùn)行的WINDOWS界面

由清華大學(xué)出版社最新推出的《微機(jī)原理與接口技術(shù)—基本原理、實(shí)用技術(shù)和基于FPGA的SOC技術(shù)》一書首先系統(tǒng)地講解了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、接口技術(shù)及其應(yīng)用，其整體結(jié)構(gòu)和基本內(nèi)容與傳統(tǒng)《微機(jī)原理與接口技術(shù)》有很好的吻合和銜接；同時(shí)，這些內(nèi)容又與現(xiàn)代EDA技術(shù)，F(xiàn)PGA開發(fā)技術(shù)和SOC有機(jī)地融合起來，全方位強(qiáng)化和拓展了這一傳統(tǒng)教學(xué)領(lǐng)域中的知識(shí)與技能傳授的深度與廣度，為這一傳統(tǒng)課程注入了全新的生命元素，從而能與國(guó)外高校同類課程有良好接軌。

微機(jī)原理.jpg

相比于同類型的教材，本書的特色明顯，主要有如下4點(diǎn)：

1．將EDA的時(shí)序仿真技術(shù)全方位融入其中，利用時(shí)序仿真和在系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)多角度展示接口器件及其電路的工作細(xì)節(jié)和時(shí)序特性，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地展示接口電路的工作方式，并包含了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；

2．所有談及接口技術(shù)的章節(jié)都安排了針對(duì)本章內(nèi)容的SOC技術(shù)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使讀者從這些新穎的內(nèi)容和極具啟發(fā)的實(shí)驗(yàn)中高效率地掌握課程給出的接口技術(shù)和及其基本原理；

3．各章顯示了良好的階梯承接關(guān)系，從最簡(jiǎn)8088 SOC微機(jī)模塊的構(gòu)建（圖2）、仿真和硬件測(cè)試，到隨章節(jié)的深入逐步加入的不同接口器件，如8255、8254、8259、16550、8237等IP軟核的SOC微機(jī)系統(tǒng)的創(chuàng)建、軟硬件調(diào)試，直至將整個(gè)完整的可運(yùn)行不同操作系統(tǒng)的類IBM PC/AT的8086 SOC系統(tǒng)（圖8）在單一FPGA中呈現(xiàn)給讀者；

4. 全書內(nèi)容在SOC技術(shù)與讀者0距離的伴隨下，奉獻(xiàn)給讀者的已不僅僅是書名所示的“微機(jī)原理和接口技術(shù)”，還有基于FPGA開發(fā)技術(shù)、SOC技術(shù)、及相應(yīng)的接口電路設(shè)計(jì)技術(shù)！

因此，針對(duì)這一教材的實(shí)驗(yàn)也有對(duì)應(yīng)的兩大部分，即利用傳統(tǒng)的微機(jī)系統(tǒng)完成的實(shí)驗(yàn)和利用大規(guī)模FPGA實(shí)現(xiàn)的SOC微機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)。以下分三部分對(duì)后者作簡(jiǎn)要介紹。

一、微機(jī)原理與接口的初級(jí)SOC實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)

此部分涉及第5章（半導(dǎo)體存儲(chǔ)器）和第6章（輸入輸出接口）。由第5章開始，分別介紹最簡(jiǎn)SOC微機(jī)系統(tǒng)（構(gòu)建于FPGA中由一個(gè)8088 CPU軟核和一個(gè)存儲(chǔ)器組成的系統(tǒng)）的構(gòu)建、時(shí)序仿真和硬件測(cè)試方法。在FPGA中構(gòu)建一個(gè)最簡(jiǎn)8088微機(jī)SOC系統(tǒng)有助于讀者排除其它無關(guān)部件的干擾，深入了解微機(jī)的底層結(jié)構(gòu)，了解CPU與存儲(chǔ)器之間、硬件系統(tǒng)與軟件指令執(zhí)行之間的時(shí)序關(guān)系，以及了解SOC系統(tǒng)中軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試的方法，同時(shí)也為后續(xù)的更復(fù)雜和完整的SOC微機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建和調(diào)試打下基礎(chǔ)，更加有利于深入了解微機(jī)原理，掌握微機(jī)接口技術(shù)，乃至系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。

圖2 所示的是利用Quartus II在FPGA內(nèi)構(gòu)建的含8088 CPU軟核、嵌入式存儲(chǔ)器和簡(jiǎn)單輸入輸出接口電路的最簡(jiǎn)SOC微機(jī)系統(tǒng)電路。針對(duì)匯編程序可以對(duì)此電路進(jìn)行時(shí)序仿真，其部分仿真波形如圖3 所示。波形清晰顯示了這個(gè)電路中CPU的指令讀取和執(zhí)行時(shí)序，輸入輸出控制時(shí)序，存儲(chǔ)器讀寫時(shí)序等。如此透明的電路操作過程和詳細(xì)的時(shí)序信息，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中是絕無可能獲得的！

如果仿真沒有發(fā)現(xiàn)問題，則可將此設(shè)計(jì)下載到FPGA中進(jìn)行硬件系統(tǒng)測(cè)試。圖4 的上下二圖是利用Quartus II中的在系統(tǒng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器讀寫工具In-System Memory Content Editor，通過FPGA的JTAG口，經(jīng)由USB線顯示于屏幕上的。此圖顯示了CPU執(zhí)行程序前后，存儲(chǔ)器內(nèi)容的實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果。顯然In-System Memory Content Editor對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存儲(chǔ)器十分有用！

為了實(shí)時(shí)硬件驗(yàn)證仿真波形圖圖3，可以利用Quartus II中的In-System Sources and Probes Editor對(duì)電路系統(tǒng)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)硬件測(cè)試，并通過FPGA的JTAG口和USB線，上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察(圖5)。

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圖2 含8088 CPU軟核、嵌入式存儲(chǔ)器和簡(jiǎn)單輸入輸出接口電路的最簡(jiǎn)SOC微機(jī)系統(tǒng)電路

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圖3 圖2電路針對(duì)特定匯編程序的部分時(shí)序仿真波形

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圖4 利用In-System Memory Content Editor對(duì)圖2電路中的存儲(chǔ)器內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試的（比較）結(jié)果

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圖5 利用In-System Sources and Probes Editor對(duì)載入FPGA中圖2電路系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)試情況

二、微機(jī)原理與接口技術(shù)的中級(jí)SOC實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)

這部分內(nèi)容包含在第7章至第12章中，在這六章中，各章分別介紹了接口器件8255、8254、8259、16550、8237及A/D與D/A，而它們所對(duì)應(yīng)的SOC實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)內(nèi)容是在電路圖圖2的基礎(chǔ)上逐級(jí)加入與各章介紹的可編程器件對(duì)應(yīng)的IP核。例如第6章的SOC設(shè)計(jì)電路中包含了8255 IP軟核，電路如圖6所示，也包含了對(duì)此電路的仿真與硬件系統(tǒng)的測(cè)試示例。又如到了第9章，其中的SOC設(shè)計(jì)電路中，在原來已含8255，8254 IP軟核的基礎(chǔ)上又增加了可編程中斷控制器8259軟核，電路如圖7所示。

于是在每一章的對(duì)應(yīng)內(nèi)容中，詳細(xì)討論通過仿真測(cè)試并下載于一片F(xiàn)PGA中之后，利用各種實(shí)時(shí)測(cè)試工具測(cè)試FPGA中的SOC微機(jī)系統(tǒng)的硬件功能及其軟件程序執(zhí)行情況。在這個(gè)過程中，學(xué)生已不僅僅是被動(dòng)的知識(shí)接納者和應(yīng)用者，而是變成了能動(dòng)的自主設(shè)計(jì)者！這一切反過來又促進(jìn)了對(duì)微機(jī)接口技術(shù)的深入掌握。

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圖6 含8255 IP軟核接口器件的最簡(jiǎn)8088 SOC系統(tǒng)電路

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圖7 含有8259、雙8255、8254 IP軟核、總線控制邏輯模塊、嵌入式存儲(chǔ)器的8088 SOC微機(jī)系統(tǒng)電路

三、微機(jī)原理與接口技術(shù)的高級(jí)SOC實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)

第13章的內(nèi)容是將此SOC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)一步升級(jí)，從而構(gòu)建一個(gè)完整經(jīng)典的微型計(jì)算機(jī)，但卻是一個(gè)整體構(gòu)建和工作于一片FPGA中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示）。其基本功能與傳統(tǒng)微機(jī)十分接近：除了能進(jìn)行單任務(wù)的匯編程序執(zhí)行外，同樣能啟動(dòng)傳統(tǒng)MS-DOS，并在此環(huán)境中完成傳統(tǒng)IBM機(jī)的所有運(yùn)行操作（圖9），或啟動(dòng)Windows操作系統(tǒng)，并通過VGA和PS2鼠標(biāo)與鍵盤進(jìn)行控制操作各類軟件運(yùn)行(圖10)。