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武汉光谷软件园a11: 微機原理與接口技術之SOC實驗系統(型號: KX-MCD10

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什么足彩软件好 www.psqlmz.com.cn  盡管在最近三十年中,大規模集成電路技術和計算機軟硬件技術,特別是微處理器和微型計算機技術的進步有了翻天覆地的變化,然而,作為電子信息類各專業重要的專業基礎課,“微機原理與接口技術”課程的內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》,就會發現,在這里,時間是凝固的,內容是穿越的。這是因為它們的核心內容,基本技術,硬件形式和實驗方法沒有發生任何變化??梢韻胂?,讀者根本無法從中感受到這一課程與外部世界信息技術進步的風馳電騁般的腳步聲有何聯系。顯然這一課程的許多內容及實驗方式顯得過于陳舊,已不能完全適應現代的微機技術了,有必要進行適當的改革與補充:

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

◆ 現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年代的電子技術水平完全不同,現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技術進行自主設計,即使是CPU這樣的大規模芯片,乃至整個SOC微機系統,用戶也同樣能自主構建。所有這些也應該在教學內容和實驗中有所反應,因為這些內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、EDA技術、SOC技術等,有任何相關性,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成的接口器件和接口技術,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。這勢必極大地限制了學生的視野,約束了他們的創新意識。這一切都必須在這門課程中引入全新的內容加以改變。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——原理、技術與SOC實現》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教師。此教材的整體結構和基本內容與傳統《微機原理與接口技術》有很好的吻合,但為了融入新的內容,作了必要的精簡。作者將EDA與SOC技術有機地融入了相關章節中,并在各對應章節后增加了有良好針對性的實驗及自主設計實踐項目。例如,在涉及接口技術的各章中,除了按習慣的流程介紹傳統的基本概念、常用器件(如8088/8086、8255、8259、8237、8253、16550等)和接口技術外,還特別增加了對應的SOC技術的介紹:



圖1 構建于FPGA內的基于8086 CPU核的微型計算機片上系統SOC??橥?/span>

這里以并行接口技術章節的8255為例。此章在完成傳統內容的講解后,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;最后介紹如何將8088/8086 CPU核與接口器件8255核構成一個能夠執行標準匯編指令的簡易結構的微機系統(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FPGA中之后,利用各種實時測試工具對下載于FPGA中“微機”SOC系統的硬件功能及其軟件程序執行的各種情況。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的深入掌握。


最后還要增加三個部分或三個逐步升級的內容,這些內容將之前的章節作整合和歸納,并逐章升華:第一部分根據實用要求,介紹自主設計與應用除傳統接口器件(如8253、8279等)以外的接口??櫚姆椒?,包括自主設計接口??橛隨OC微機系統的軟硬件接口技術以及與外設的接口技術;第二部分討論的內容是將之前介紹的一個個簡易微機系統整合成一個完整的,功能全面的SOC微機系統,其基本結構所包含的IP核主要有8088/8086、8255、8259、8237、8253、16550及自主設計的接口??楹透骼啻媧⑵韉?,以及對此SOC系統的軟硬件測試技術和系統實用方法;

 

一、??榛⒒磧虢涌詡際跏笛橛?/span>SOC設計綜合開發系統

SOC片上系統8088完成的實驗:

 ◇ 8255可編程I/O核的構建,硬件實驗,以及8088 CPU與8255接口的硬件構建及軟件設計實驗,和相關接口實驗;

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

◇ 8237 DMA核的構建,硬件實驗,以及8088 CPU與8237接口的硬件構建及軟件設計實驗,和相關接口實驗;

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

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

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

◇ 8086與所有IP核構建綜合系統的硬件實驗以及軟件實驗,BIOS ROM建立,MS-DOS操作系統啟動;

◇ 8086與所有IP核構建綜合系統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系統及相關軟件運行;

◇ 8086與所有IP核構建綜合系統的硬件實驗以及軟件實驗,8086嵌入式系統TURBO C調試實驗。

◇ 基于8086/8088和其他所有接口??櫚淖災鞔蔥率笛?。        

??榛⒒磧虢涌詡際鮏OC實驗系統KX_MCD55的結構框圖。通常,諸如微機原理與接口技術、計算機組成原理、EDA技術、單片機技術或SOPC實驗等傳統實驗平臺多數是整體結構型的,雖也可完成多種類型實驗,但由于整體結構不可變動,實驗項目和類型是預先設定和固定的,很難有自主發揮的余地,因此主要是完成一些驗證性實驗。如果學生的創新思想與創新設計與實驗系統的結構不吻合,便無法在此平臺上獲得驗證。

 ??榛峁垢雋俗詈玫慕餼齜槳福?/strong>

 ○ 在實驗和創新實踐中,能提供用于構建微機系統中必須的邏輯和存儲器資源,豐富到足以涵蓋微機系統任何邏輯規模的結構以及學生的創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???,如VGA、PS2、USB、SD卡、RS232串口、語音處理、AD/DA等等現成的??橥?,還提供能適應實驗者隨時根據自己的創新實驗需要,自主安排和設計新功能??櫚謀曜冀涌?。

○ 從微機原理與接口技術這一課程的性質可以看出,將實驗硬件平臺定位于大規模邏輯容量的Cyclone III系列FPGA,在硬件測試,軟件調試,軟硬件聯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,還能很專業地包涵諸如數字系統實驗、EDA技術實驗、VHDL/Verilog硬件描述語言應用實驗、SOPC開發和各類IP應用等。


 與《微機原理與接口技術——原理、技術與SOC實現》教材配套的實驗開發與創新設計的設備是:

 型號:KX-MCD10完成以下實驗:


 ▲ 現代計算機組成原理與設計的基礎實驗,包括各組成部件,如ALU、移位寄存器、總線控制器等的設計與測試;▲ 基于微指令的8位CISC模型計算機設計與測試。即將傳統計算機組成原理實驗中的8位模型機完整實現于一片FPGA中,并利用QuartusII的實時測試工具,如Signal Tap II和In-System Sources and Probes進行硬件測試;


▲ 基于狀態機控制指令的16位CISC CPU設計與測試,包括CPU創新設計競賽實踐項目;

▲ 基于流水線架構的16位RISC 精簡指令CPU設計,與相關實驗;

▲ 基于32位Nios II嵌入式處理器和Qsys開發環境的SOPC實驗與開發;

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

▲ 基于8088/8086 IP核的微機SOC系統,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軟核構建的SOC微機系統;此FPGA內部SRAM中含BIOS啟動ROM、顯示緩存、PS2緩存等;能啟動MS-DOS操作系統和Windows操作系統,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軟件與視窗軟件。

▲ 基于8051單片機IP核的SOC片上系統設計系列實驗。 

  KX-MCD10配置如下: 

 一、基本平臺 編號:A 主系統

☆此平臺最多可同時插12 塊??榘??!?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內部RAM;4、調試Nios2,完成SOPC設計;5、支持SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀。(2)USB到UART串行通信轉換:1、通過USB與FPGA串行通信,實現PC與FPGA的串行通信,且無需RS232電平轉換;2、通過USB與單片機的串行通信,實現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,無需電平轉換?!?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、脈沖信號。注意有“高阻態”測試功能?!?獨立的標準時鐘頻率20個。20MHZ-0.5HZ?!?電源有自動?;さ?5V,+12V、-12V、、+3.3V、2.5V+、1.2V?!?8個LED放光二級管,8個乒乓開關,揚聲器?!?DDS信號輸出口及幅度、偏移調諧。

編號:B1、FPGA??橐?/strong>

此FPGA由含100萬門的CycloneIII新型大規模FPGA EP3C10構成,2鎖相環,44萬RAM 位,5千LCs,EPCS4 4M Flash。超寬超高鎖相環輸出頻率1300MHz至2kHz!,提供多種IP核:32位NiosII核、20MHz有源晶振等.FPGA板包含 8051/52 IP核。提供商業級全兼容MCS-51單片機IP核。利用此核,實驗者可以實現傳統單片機實驗系統無法達到的SOC(片上系統)設計。即將單片機CPU、RAM、ROM以及其它各類接口電路??檣杓圃諭黃現PGA中。此類技術對于對于面向高新技術企業的就業十分必要。 8088、8086 CPU IP核。 8255A IP核???;8255A IP核(I/O接口);8253/8254 IP核(定時器);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、鎖相環核等。這些IP核與8088CPU核相結合就能在單片FPGA中構成一個微機系統,從而學習到實用的SOC設計工程技術。FPGA中的8088核與MCS-31單片機核及其中的各種??楹禿碩寄苡胍韻賂髂?榻岷?,實現不同類型的實驗開發

號:C6、MCS-51單片機???/span>

編號:C8、4X4+8個單脈沖綜合鍵盤???/span>

編號:C9、7數碼管串行靜態顯示???/span>

編號:C10、24位輸出顯示HEX???/span>

編號:C13、點陣式128X64液晶顯示???/span>

編號:C14、字符式20X4液晶顯示???/span>

編號:C16、普通A/D與D/A???/span>

編號:C21、SD+PS2+RS232+VGA顯示接口???/span>

編號:C23、電機接口???/span>

編號:C26、雙串行存儲器+邏輯筆設計???/span>

編號:C27、SRAM/EPROM???/span>

編號:C29、GPS實驗開發???/span>

編號:C30、看門狗定時器+時鐘日歷???/span>

編號:C32、交通燈???/strong>

編號:C33、動態掃描???/span>
 






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