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3DP3时时彩杀码软件: 微機原理與接口技術之SOC實驗系統(型號: KX-MCD55)

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什么足彩软件好 www.psqlmz.com.cn            微機原理與接口技術之SOC實驗系統

           型號:KX-MCD55         

   

  

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SOCSystem 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EDASOC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:



       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;第三部分的內容是將此SOC微機系統的結構和功能進一步升級,從而構建一個完整的經典的微型計算機,但卻是一個整體構建和工作于一片FPGA中的計算機系統(結構如圖1所示)。其基本功能與傳統微機十分接近:除了能進行單任務的匯編程序執行外,同樣能啟動傳統MS-DOS,操作系統,和通過VGA彩顯和PS2鼠標與鍵盤進行控制。

 

一、??榛⒒磧虢涌詡際跏笛橛隨OC設計綜合開發系統


??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。

80881.png

型號:KX-MCD55完成以下實驗:

▲ 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。

▲具體提供實驗有:

 8255 接口IP核實驗

 8254/53 接口IP核實驗

 8259接口IP核中斷控制實驗

 8237DMA接口IP核控制實驗

 8250串口通信IP核控制實驗

 8088IP核綜合控制實驗,包括AD/DA,GPS等。

SOC片上實現系統實驗,包括WIN DOS 游戲控制

 

KX-MCD55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。 



FPGA???/strong>


CycloneIII EP3C55F484(484腳BGA封裝),內部資源極其豐富:5萬6千個邏輯宏單元、240萬RAM bit;4個鎖相環(超寬超高鎖相環輸出頻率:1300MHz至2kHz)。其他內部資源和技術指標好于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。此系統能運行完整的8086微機SOC片上系統,其內部SRAM能放下BIOS啟動ROM、顯示緩存、PS2緩存等,能啟動MS-DOS操作系統,在VGA顯示器上用PS2鍵盤能完成MS-DOS命令和WINDOWS及運行傳統軟件,如TURBO C,QBASIC等等。為SOC片上系統的學習與創新設計提供了絕好的平臺。

???、4X4+8個單脈沖綜合鍵盤???/strong>

???、32位輸出/輸人顯示HEX???/span>

???、普通A/D與D/A???/strong>

???、字符式20X4液晶顯示???/strong>

???、SD+PS2+RS232+VGA顯示接口???/strong>

???、電機接口???/strong>

???、GPS實驗開發???/strong>

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。

◇ 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系統游戲運行。

◇ 基于8086/8088和其他所有接口??櫚淖災鞔蔥率笛?。… …等等

8

088核運行的DOS操作界面

有8088核運行的QESIC軟件調試界面


8088核運行的游戲界面

8088核運行的WINDOWS界面






由清華大學出版社最新推出的《微機原理與接口技術—基本原理、實用技術和基于FPGA的SOC技術》一書首先系統地講解了微型計算機系統的結構、工作原理、接口技術及其應用,其整體結構和基本內容與傳統《微機原理與接口技術》有很好的吻合和銜接;同時,這些內容又與現代EDA技術,FPGA開發技術和SOC有機地融合起來,全方位強化和拓展了這一傳統教學領域中的知識與技能傳授的深度與廣度,為這一傳統課程注入了全新的生命元素,從而能與國外高校同類課程有良好接軌。

微機原理.jpg


相比于同類型的教材,本書的特色明顯,主要有如下4點:

1EDA的時序仿真技術全方位融入其中,利用時序仿真和在系統測試技術多角度展示接口器件及其電路的工作細節和時序特性,動態實時地展示接口電路的工作方式,并包含了對應的實驗;

2所有談及接口技術的章節都安排了針對本章內容的SOC技術和相應的實驗項目,使讀者從這些新穎的內容和極具啟發的實驗中高效率地掌握課程給出的接口技術和及其基本原理;

3各章顯示了良好的階梯承接關系,從最簡8088 SOC微機??櫚墓菇ǎㄍ?/span>2)、仿真和硬件測試,到隨章節的深入逐步加入的不同接口器件,如8255、8254、8259、16550、8237IP軟核的SOC微機系統的創建、軟硬件調試,直至將整個完整的可運行不同操作系統的類IBM PC/AT8086 SOC系統(圖8)在單一FPGA中呈現給讀者;

4. 全書內容在SOC技術與讀者0距離的伴隨下,奉獻給讀者的已不僅僅是書名所示的“微機原理和接口技術”,還有基于FPGA開發技術、SOC技術、及相應的接口電路設計技術!

因此,針對這一教材的實驗也有對應的兩大部分,即利用傳統的微機系統完成的實驗和利用大規模FPGA實現的SOC微機系統的實驗及設計。以下分三部分對后者作簡要介紹。

       一、微機原理與接口的初級SOC實驗與設計

此部分涉及第5章(半導體存儲器)和第6章(輸入輸出接口)。由第5章開始,分別介紹最簡SOC微機系統(構建于FPGA由一個8088 CPU軟核和一個存儲器組成的系統)的構建、時序仿真和硬件測試方法。在FPGA中構建一個最簡8088微機SOC系統有助于讀者排除其它無關部件的干擾,深入了解微機的底層結構,了解CPU與存儲器之間、硬件系統與軟件指令執行之間的時序關系,以及了解SOC系統中軟硬件設計與調試方法,同時也為后續的更復雜和完整的SOC微機系統的構建和調試打下基礎,更加有利于深入了解微機原理,掌握微機接口技術,乃至系統設計技術。

圖2 所示的是利用Quartus IIFPGA內構建的含8088 CPU軟核、嵌入式存儲器和簡單輸入輸出接口電路的最簡SOC微機系統電路。針對匯編程序可以對此電路進行時序仿真,其部分仿真波形如 圖3 所示。波形清晰顯示了這個電路中CPU的指令讀取和執行時序,輸入輸出控制時序,存儲器讀寫時序等。如此透明的電路操作過程和詳細的時序信息,在傳統實驗中是絕無可能獲得的!

    如果仿真沒有發現問題,則可將此設計下載到FPGA中進行硬件系統測試。圖4 的上下二圖是利用Quartus II中的在系統實時存儲器讀寫工具In-System Memory Content Editor,通過FPGAJTAG口,經由USB線顯示于屏幕上的。此圖顯示了CPU執行程序前后,存儲器內容的實時測試結果。顯然In-System Memory Content Editor對實時監測系統存儲器十分有用!

為了實時硬件驗證仿真波形圖 3,可以利用Quartus II中的In-System Sources and Probes Editor對電路系統中的任何一個節點的信號進行實時硬件測試,并通過FPGAJTAG口和USB線,上傳到計算機進行觀察(5)。

圖片11.png

2 8088 CPU軟核、嵌入式存儲器和簡單輸入輸出接口電路的最簡SOC微機系統電路

圖片22.png 

3 2電路針對特定匯編程序的部分時序仿真波形

 圖片33.png

 

4  利用In-System Memory Content Editor對圖2電路中的存儲器內容進行實時測試的(比較)結果

圖片44.png 

5  利用In-System Sources and Probes Editor對載入FPGA中圖2電路系統的實時測試情況

二、微機原理與接口技術的中級SOC實驗與設計

這部分內容包含在第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、8237A/DD/A,而它們所對應的SOC實驗與設計內容是在電路圖圖2的基礎上逐級加入與各章介紹的可編程器件對應的IP核。例如第6章的SOC設計電路中包含了8255 IP軟核,電路如圖6所示,也包含了對此電路的仿真與硬件系統的測試示例。又如到了第9章,其中的SOC設計電路中,在原來已含8255,8254 IP軟核的基礎上又增加了可編程中斷控制器8259軟核,電路如圖7所示。

于是在每一章的對應內容中,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測試FPGA中的SOC微機系統的硬件功能及其軟件程序執行情況。在這個過程中,學生已不僅僅是被動的知識接納者和應用者,而是變成了能動的自主設計者!這一切反過來又促進了對微機接口技術的深入掌握。

圖片55.png

6 8255 IP軟核接口器件的最簡8088 SOC系統電路

圖片66.png

7  含有8259、雙8255、8254 IP軟核、總線控制邏輯???、嵌入式存儲器的8088 SOC微機系統電路

三、微機原理與接口技術的高級SOC實驗與設計

第13章的內容是將此SOC系統結構和功能進一步升級,從而構建一個完整經典的微型計算機,但卻是一個整體構建和工作于一片FPGA中的計算機系統(內部結構如圖8所示)。其基本功能與傳統微機十分接近:除了能進行單任務的匯編程序執行外,同樣能啟動傳統MS-DOS,并在此環境中完成傳統IBM機的所有運行操作(圖9),或啟動Windows操作系統,并通過VGAPS2鼠標與鍵盤進行控制操作各類軟件運行(10)。

圖片77.png

8 構建于FPGA內的基于8086 CPU核的微型計算機片上系統SOC及其接口設備??橥?/span>


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