基于 8086软核的微机原理教学改革交流

方向忠上海交通大学

《微机原理》课程的性质和任务• 电子信息与电气类、自动控制等工科专业最重要的基础课程之一

• 工科非计算机专业后续专业课程、毕业设计的重要技术基础课程

• 涉及的知识范围– CPU体系结构–软件（汇编语言设计）–接口电路

以往的微机原理教学• 以 8086 CPU为蓝本，介绍其体系结构和周边接口芯片

• 缺陷– 与现有计算机系统脱节严重（如双核、指令集优化以及 Cache优化等）

– 8086以及周边芯片缺乏使得实验必须依靠实验室的开发系统，无法充分利用学生个人的计算机资源

– 实验多为简单的验证性实验，没有锻炼学生的创造力，导致学生解决问题的思路很狭隘

– 。。。

现在的微机原理教学改革• 几个方向–采用 CAI教学加深学生对基本概念的理解和认识

–补充 32 位 CPU的内容–加入新型存储器的介绍和 Cache基本知识–通过综合性的软件实践题目来锻炼学生的软件设计能力

目前教学改革仍存在的问题• 32位机内容仅作为 16位机内容的简单补充，只做了一些简单的介绍，并没有从系统的角度对相关内容展开

• 32位机的软件以及接口实验基本没有– 32位汇编设计– 32位机的接口芯片和设计基本没有通用的芯片（现有计算机主要采用南北桥结构）

我们的一些思路• 目前可编程芯片发展迅速–容量：百万门的芯片已不少见–内嵌 CPU ： Xilinx 的 PowerPC 、 Altera 的 NIOS–速度：综合的 8086软核速度可以和 8086媲美–编译以及开发环境有了很大的改善

• 采用较为高端的 FPGA嵌入 CPU软核来开发一些相关实验

国外的相关工作• 8086核代码参见：

http://www.ht-lab.com/freecores/cpu8086/cpu86.html• 可以通过相关软核搭建一个相对完整的 8086计算机系统

微机原理实验系统（初步）• 一些初步的实验安排– 搭建 8086计算机系统

• 移植软核 8086和接口芯片软核构建 8086计算机系统• 采用图形化界面进行芯片间的互连

– 在搭建 8086计算机系统上进行简单的程序设计工作• “Hello, World!”• 排序

– 对已有 8086计算机系统的各个模块进行设置，理解各个参数对计算机性能的影响• 地址总线宽度• 数据总线宽度

– 移植操作系统• 移植简单操作系统如 DOS 、 uCOS• 编写自己的操作系统来完成系统的启动和控制

– 接口电路的设计与程序编写

微机原理实验系统（高级）• 移植更为先进的 CPU，如MIPS• 在 FPGA内移植多个 CPU，进行并行处理• 移植更为复杂的操作系统，理解现代操作系统的新概念和新思路

基于 FPGA的微机原理实验系统• 优点–所有芯片以软核形式加入，无需从市场购买–软核可以定制，通过定制能够让学生进一步理解影响计算机性能的诸多因素

–在该操作系统上移植或者编写简单操作系统，深入理解汇编语言和计算机启动原理

展望• 由于 FPGA的高度可定制性，可以在上面进

行 DSP、信号调制 /解调以及通信原理的相关实验，能够做到一卡多用，完成多个课程实验教学的需要

• 板卡以租借的方式交给学生使用，能够充分激发学生的学习热情和创造力