基于FPGA的微机原理与接口新型实验平台.pdf

微机原理与接口课程作为高校计算机专业重要的专业核心课程，主要涵盖计算机内部结构、汇编语言和指令系统的教学，其学习的深度与学生的实践能力息息相关。然而，当前微机原理与接口实验教学面临若干问题，其中包括实验平台落后、教学难度大、内容多而课时不足、学生缺乏积极性等，这些问题主要源于现有实验平台硬件环境与课程要求的不匹配。 在传统实验平台上，存在以下四种主流技术方式： 1. 软件模拟硬件环境：通过计算机程序模拟硬件实验，但因缺乏真实的硬件接触，实际操作效果欠佳。 2. 使用PC机总线模拟：通过PC的PCI总线或ISA总线模拟8086指令系统、总线和时序，虽能提供接口，但实验平台不能脱离PC机控制，且硬件结构限制不支持更高级的实验。 3. 利用单片机或其他非8086CPU替代：这种方式的问题与第二种相似，也是通过模拟而非真实硬件环境操作。 4. 直接利用8086CPU芯片和辅助芯片构造：由于8086CPU已停产，使用拆机的二手芯片，实验平台的稳定性和质量无法保证，且无法量产。 为了解决上述问题，华中科技大学的研究人员提出了一种基于FPGA技术的新架构实验平台。FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可以反复编程的集成电路，能够模拟任何数字系统，支持复杂的并行处理和实时系统，非常适合于实验教学平台的设计。基于FPGA的实验平台可独立于PC机运行，能够实现更接近真实硬件环境的操作，同时提供更大的灵活性和可扩展性，以支持高级的实验需求。 基于FPGA的8086CPU实验平台能够实现以下特点： - 完全脱离PC机独立运行，不受外部控制影响。 - 支持更高级的实验，如操作系统和BIOS底层实验，提高学生对微机核心工作原理的掌握。 - 提供基本实验和操作系统实验，如8086汇编程序实验、并口实验、串行通信实验等。 - 允许学生通过IDE（集成开发环境）编译和模拟运行源程序，再通过串口将程序下载到实验平台进行调试。 - 提供BIOS底层实验，让学生通过编程实现对实验平台基本输入输出的控制。 实验平台的创新之处在于： - 能够运行自编或开源的操作系统，如FreeDOS或MON88等，让学生观察操作系统对硬件的控制过程。 - 允许学生深入研究BIOS编程，实现更加灵活和全面的学习。 该实验平台的推出对于高校计算机教学具有重要意义。通过利用FPGA的高灵活性和可扩展性，能够克服传统实验平台的局限，提高学生的实践操作能力，加深对计算机原理的理解，推动计算机教育的发展。