FPGA的微机原理实验系统设计(2)
《微机原理》课程的主要内容为以Intel8088/8086为例介绍微机基础，结合8255、8259等接口芯片介绍接口技术，以及汇编语言程序设计等。该课具有综合性强、知识面广、抽象性较强和学习难度大等特点。无论从课程本身的特点，还是从专业素质的培养来看，加强该课程的实验教学都是很重要的。有关基础知识、基本原理、基本方法，必须靠大量的上机实践和动手实验，才能加深理解并且较好地掌握。其内容主要包含以下几部分：(1)原理部分。包括8086/8088指令系统与汇编语言程序设计、存储器与I/O机理的认知等。 (2)接口部分。包括典型的可编程接口芯片的扩展、性能验证及输入输出应用等内容，主要包括可编程中断控制器8259、可编程定时器8253、可编程外围接口芯片8255和8251以及模数(A/D)和数模(D/A)转换等。 (3)综合应用包括多种接口芯片的组合、自动实时控制等方面的内容[2]。
通过微机原理与接口技术实验可以培养学生利用计算机技术和编程手段分析、解决专业领域的各种问题的能力和意识，并进一步感受微机发展的新技术和新方法。因此微机实验教学是整个微机教学中重要的环节，它与理论课程相得益彰，是课堂教学内容的补充、延伸和深化。
为了增强实验系统的功能，提高系统的灵活性，降低实验成本，采用FPGA芯片技术。该技术可根据用户要求为芯片载入由VHDL语言所编写出的不同的硬件逻辑，FPGA芯片具有重复编程能力，使得系统内硬件的功能可以像软件一样被编程，这种称为“软”硬件的全新系统设计概念，使实验系统具有极强的灵活性和适应性[3]。他不仅使该系统性能的改进和扩充变得十分简易和方便，而且使学生自己设计不同的实验变为可能。VHDL设计的微处理器能够让学生从设计的角度深入理解处理器内部结构、工作原理、数据的流向以及控制信号的作用等。学生可以改变微处理器的部分参数以进行比较观察，激发其兴趣并使其获得更深入的了解。当了解各部分器件的工作原理后，学生可以创造更复杂的综合应用。
这种相对开放的实验系统，在帮助学生深入了解微机原理的同时，更对学生提出了更高的要求，强调动手和思考。学生要摆脱以往单纯下载程序验证结果的模式，积极主动地思考。并尝试通过更改程序，连接线路或部分参数等条件，改变实验系统的工作，解决自己心中的疑惑。
1.2 国内发展现状
1.3 本课题主要研究内容
鉴于以上分析，为了改变这种现况，更新现有的微机原理实验系统，本文主要工作在于探讨并制作基于FPGA的微机原理实验系统。详细讨论系统的设计原理、方法以及实现途径，包括CPU软核指令系统的功能仿真，微机原理实验系统各模块电路的设计，系统整体电路的设计及PCB图。
首先分析8088CPU结构，指令系统，总线时序等，结合现有VHDL软核，以FPGA为载体，利用Modelsim软件进行仿真，使用Quartus II软件开发，完成8088与FPGA的结合。然后再与8253，8259，8284等接口芯片，键盘显示电路，FPGA电源电路，配置电路等外围电路相连，最终组成一台可用于实验教学的完整的实验系统。该实验系统通过编写VHDL代码并烧写FPGA来完成实验。本实验系统能够让学生完成有关微机原理的部件实验和整机实验：部件实验包括加法器、乘法器、除法器、算术逻辑运算单元、控制器、存储器等；整机实验可以独立实现各部件的功能描述。
1.4 开发环境及应用工具
1.4.1 FPGA芯片
FPGA 是英文Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。它是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级时，不需额外地改变PCB 电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐。