尽管在最近三十年中，大规模集成电路技术和计算机软硬件技术，特别是微处理器和微型计算机技术的进步有了翻天覆地的变化，然而，作为电子信息类各专业重要的专业基础课，“微机原理与接口技术”课程的内容及实验方式仍停留在上世纪80年代。我们不妨打开几乎任何一本上世纪80年代和2012年最近的同名教材《微机原理与接口技术》，就会发现，在这里，时间是凝固的，内容是穿越的。这是因为它们的核心内容，基本技术，硬件形式和实验方法没有发生任何变化。可以想象，读者根本无法从中感受到这一课程与外部世界信息技术进步的风驰电骋般的脚步声有何联系。显然这一课程的许多内容及实验方式显得过于陈旧，已不能完全适应现代的微机技术了，有必要进行适当的改革与补充

◆ 现代微机系统早已进入了片上系统SOC（System Of a Chip）时代，孤立地讨论微机中各接口部件结构原理的同时，也应该描述微机的整体结构及构建技术，理应给出与现代微机作为SOC整体结构相吻合的整机构建原理及工程技术；

◆ 现代微机中早已没有了早期PC机中离散的接口器件了（如8255、8237等芯片，尽管还保留了它们的功能），但在教学和实验中就不应仅仅围绕这些早期的离散器件来进行，而是应该把它们作为微机SOC整体中的一个部分来认识和讨论；

◆ 与上世纪80年代的电子技术水平完全不同，现在已进入了电子设计自动化的时代，不仅诸如8255、8237、8254这样的接口器件可以利用EDA技术进行自主设计，即使是CPU这样的大规模芯片，乃至整个SOC微机系统，用户也同样能自主构建。所有这些也应该在教学内容和实验中有所反应，因为这些内容将使学生深化对微机原理和接口器件的认识。

◆ 对于这门课程，现在仍然沿袭早期的孤立和被动地认知微机原理和学习接口技术的教学方法。所谓孤立，就是不与其他的学科，如计算机组成、嵌入式系统、EDA技术、SOC技术等，有任何相关性，即无法与其他学科体系进行有机融合；所谓被动，就是只是单向地学会使用一些现成的接口器件和接口技术，而无法主动地自主设计新的接口器件和给出新的接口技术。这势必极大地限制了学生的视野，约束了他们的创新意识。这一切都必须在这门课程中引入全新的内容加以改变。针对以上的讨论，清华大学出版社将于2013年推出《微机原理与接口技术——原理、技术与SOC实现》一书，作者是杭州电子科技大学与桂林电子科技大学的有关教师。此教材的整体结构和基本内容与传统《微机原理与接口技术》有很好的吻合，但为了融入新的内容，作了必要的精简。作者将EDA与SOC技术有机地融入了相关章节中，并在各对应章节后增加了有良好针对性的实验及自主设计实践项目。例如，在涉及接口技术的各章中，除了按习惯的流程介绍传统的基本概念、常用器件（如8088/8086、8255、8259、8237、8253、16550等）和接口技术外，还特别增加了对应的SOC技术的介绍：

图1 构建于FPGA内的基于8086 CPU核的微型计算机片上系统SOC模块图

这里以并行接口技术章节的8255为例。此章在完成传统内容的讲解后，首先介绍8255 IP核的基本概念和使用方法，包括介绍此核与传统8255芯片的异同点；然后在EDA工具平台上介绍8088/8086 CPU IP核与8255核的接口方法以及8255核与外设的接口技术；最后介绍如何将8088/8086 CPU核与接口器件8255核构成一个能够执行标准汇编指令的简易结构的微机系统（包括必要的嵌入式存储器）。详细讨论通过仿真测试并下载于一片FPGA中之后，利用各种实时测试工具对下载于FPGA中“微机”SOC系统的硬件功能及其软件程序执行的各种情况。在这个过程中，学生不仅是被动的学习者和应用者，尤其了成为能动的自主设计者！这一切反过来又促进了对微机接口技术的深入掌握。

最后还要增加三个部分或三个逐步升级的内容，这些内容将之前的章节作整合和归纳，并逐章升华：第一部分根据实用要求，介绍自主设计与应用除传统接口器件（如8253、8279等）以外的接口模块的方法，包括自主设计接口模块与SOC微机系统的软硬件接口技术以及与外设的接口技术；第二部分讨论的内容是将之前介绍的一个个简易微机系统整合成一个完整的，功能全面的SOC微机系统，其基本结构所包含的IP核主要有8088/8086、8255、8259、8237、8253、16550及自主设计的接口模块和各类存储器等，以及对此SOC系统的软硬件测试技术和系统实用方法；第三部分的内容是将此SOC微机系统的结构和功能进一步升级，从而构建一个完整的经典的微型计算机，但却是一个整体构建和工作于一片FPGA中的计算机系统（结构如图1所示）。其基本功能与传统微机十分接近：除了能进行单任务的汇编程序执行外，同样能启动传统MS-DOS，操作系统，和通过VGA彩显和PS2鼠标与键盘进行控制。

一、模块化微机原理与接口技术实验与SOC设计综合开发系统

模块化微机原理与接口技术SOC实验系统KX_MCD55的结构框图。通常，诸如微机原理与接口技术、计算机组成原理、EDA技术、单片机技术或SOPC实验等传统实验平台多数是整体结构型的，虽也可完成多种类型实验，但由于整体结构不可变动，实验项目和类型是预先设定和固定的，很难有自主发挥的余地，因此主要是完成一些验证性实验。如果学生的创新思想与创新设计与实验系统的结构不吻合，便无法在此平台上获得验证。

模块化结构给出了最好的解决方案：

○ 在实验和创新实践中，能提供用于构建微机系统中必须的逻辑和存储器资源，丰富到足以涵盖微机系统任何逻辑规模的结构以及学生的创造力所及的任何形式的设计项目。

○ 在外围接口方面，除大量丰富的接口模块，如VGA、PS2、USB、SD卡、RS232串口、语音处理、AD/DA等等现成的模块外，还提供能适应实验者随时根据自己的创新实验需要，自主安排和设计新功能模块的标准接口。○ 从微机原理与接口技术这一课程的性质可以看出，将实验硬件平台定位于大规模逻辑容量的Cyclone III系列FPGA，在硬件测试，软件调试，软硬件联合测试与验证方面是十分必须的，特别是基于Quartus II平台的强大的测试工具，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，特别要指出的是，KX_MCD55系统在除了适用于此教材中涉及的所有验证性实验和自主设计性实践项目外，还能很专业地包涵诸如数字系统实验、EDA技术实验、VHDL/Verilog硬件描述语言应用实验、SOPC开发和各类IP应用等。

型号:KX-MCD55完成以下实验：

▲ 基于8088/8086 IP核的微机SOC系统，以及8253定时器IP核、8237 DMA IP核、8259中断控制IP核、8255可编程I/O IP核和8250 UART串行通信IP软核构建的SOC微机系统；此FPGA内部SRAM中含BIOS启动ROM、显示缓存、PS2缓存等；能启动MS-DOS操作系统和Windows操作系统，在VGA显示器上用PS2键盘和鼠标完成DOS和部分Windows命令及运行各种基于命令行的传统软件与视窗软件。

▲具体提供实验有：

8255 接口IP核实验

8254/53 接口IP核实验

8259接口IP核中断控制实验

8237DMA接口IP核控制实验

8250串口通信IP核控制实验

8088IP核综合控制实验，包括AD/DA,GPS等。

SOC片上实现系统实验，包括WIN DOS 游戏控制

KX-MCD55配置如下：

一、基本平台 编号:A 主系统

☆此平台最多可同时插12 块模块板。☆ KX_USB-Blaster2型双功能编程器：(1)USB-Blaster编程下载功能(支持AS、PS、JTAG模式):1、对FPGA/CPLD进行配置或编程；2、对配置器件EPCSx编程；3、访问和编辑FPGA内部RAM；4、调试Nios2，完成SOPC设计；5、支持SignalTapII 嵌入式逻辑分析仪。(2)USB到UART串行通信转换：1、通过USB与FPGA串行通信，实现PC与FPGA的串行通信，且无需RS232电平转换；2、通过USB与单片机的串行通信，实现PC与通用单片机的UART串行通信；3、通过USB对STC等系列单片机进行直接编程开发，无需电平转换。☆ ByteBlasterMV编程器一个（可对isp单片机编程）。☆ 5功能智能逻辑笔：可显示高电平、低电平、中电平、高阻态、脉冲信号。注意有“高阻态”测试功能。☆ 独立的标准时钟频率20个。20MHZ-0.5HZ。☆ 电源有自动保护的+5V，+12V、-12V、、+3.3V、2.5V+、1.2V。☆ 8个LED放光二级管，8个乒乓开关，扬声器。☆ DDS信号输出口及幅度、偏移调谐。

FPGA模块

CycloneIII EP3C55F484(484脚BGA封装)，内部资源极其丰富：5万6千个逻辑宏单元、240万RAM bit；4个锁相环(超宽超高锁相环输出频率：1300MHz至2kHz)。其他内部资源和技术指标好于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，板上还有3032 CPLD。FPGA板包含 8051/52 IP核。提供商业级全兼容MCS-51单片机IP核。利用此核，实验者可以实现传统单片机实验系统无法达到的SOC(片上系统)设计。即将单片机CPU、RAM、ROM以及其它各类接口电路模块设计在同一片FPGA中。此类技术对于对于面向高新技术企业的就业十分必要。 8088、8086 CPU IP核。 8255A IP核模块；8255A IP核(I/O接口)；8253/8254 IP核(定时器)；8250 IP核(UART串行通信)；8237 IP核(DMA控制器)；8259 IP核(可编程中断控制器)，以及基于FPGA的RAM/ROM核、锁相环核等。这些IP核与8088CPU核相结合就能在单片FPGA中构成一个微机系统，从而学习到实用的SOC设计工程技术。FPGA中的8088核与MCS-31单片机核及其中的各种模块和核都能与以下各模块结合，实现不同类型的实验开发。此系统能运行完整的8086微机SOC片上系统，其内部SRAM能放下BIOS启动ROM、显示缓存、PS2缓存等，能启动MS-DOS操作系统，在VGA显示器上用PS2键盘能完成MS-DOS命令和WINDOWS及运行传统软件，如TURBO C，QBASIC等等。为SOC片上系统的学习与创新设计提供了绝好的平台。

模块1、4X4+8个单脉冲综合键盘模块

模块2、32位输出/输人显示HEX模块

模块3、普通A/D与D/A模块

模块4、字符式20X4液晶显示模块

模块5、SD+PS2+RS232+VGA显示接口模块

模块6、电机接口模块

模块7、GPS实验开发模块

SOC片上系统8088完成的实验：

◇ 8255可编程I/O核的构建，硬件实验，以及8088 CPU与8255接口的硬件构建及软件设计实验，和相关接口实验；

◇ 8253定时器核的构建，硬件实验，以及8088 CPU与8253接口的硬件构建及软件设计实验，和相关接口实验；

◇ 8237 DMA核的构建，硬件实验，以及8088 CPU与8237接口的硬件构建及软件设计实验，和相关接口实验；

◇ 8259中断控制核的构建，硬件实验，以及8088 CPU与8259接口的硬件构建及软件设计实验，和相关接口实验；

◇ 8250 UART串行通信核的构建，硬件实验，以及8088 CPU与8250接口的硬件构建及软件设计实验，和相关接口实验；

◇ 8088与所有IP核构建综合系统的硬件实验以及软件实验：多首歌曲演奏设计实验；

◇ 8088与所有IP核构建综合系统的硬件实验以及软件实验：GPS应用设计实验；

◇ 8086与所有IP核构建综合系统的硬件实验以及软件实验，BIOS ROM建立，MS-DOS操作系统启动；◇ 8086与所有IP核构建综合系统的硬件实验以及软件实验，VGA显示，PS2键盘控制，DOS命令控制接口及WINDOWS系统及相关软件运行；◇ 8086与所有IP核构建综合系统的硬件实验以及软件实验，8086嵌入式系统TURBO C调试实验。

◇ 8086与所有IP核构建综合系统的硬件实验以及软件实验，VGA显示，PS2键盘控制，DOS命令控制接口及WINDOWS系统游戏运行。

◇ 基于8086/8088和其他所有接口模块的自主创新实验。… …等等

088核运行的DOS操作界面

有8088核运行的QESIC软件调试界面

8088核运行的游戏界面

8088核运行的WINDOWS界面

由清华大学出版社最新推出的《微机原理与接口技术—基本原理、实用技术和基于FPGA的SOC技术》一书首先系统地讲解了微型计算机系统的结构、工作原理、接口技术及其应用，其整体结构和基本内容与传统《微机原理与接口技术》有很好的吻合和衔接；同时，这些内容又与现代EDA技术，FPGA开发技术和SOC有机地融合起来，全方位强化和拓展了这一传统教学领域中的知识与技能传授的深度与广度，为这一传统课程注入了全新的生命元素，从而能与国外高校同类课程有良好接轨。

微机原理.jpg

相比于同类型的教材，本书的特色明显，主要有如下4点：

1．将EDA的时序仿真技术全方位融入其中，利用时序仿真和在系统测试技术多角度展示接口器件及其电路的工作细节和时序特性，动态实时地展示接口电路的工作方式，并包含了对应的实验；

2．所有谈及接口技术的章节都安排了针对本章内容的SOC技术和相应的实验项目，使读者从这些新颖的内容和极具启发的实验中高效率地掌握课程给出的接口技术和及其基本原理；

3．各章显示了良好的阶梯承接关系，从最简8088 SOC微机模块的构建（图2）、仿真和硬件测试，到随章节的深入逐步加入的不同接口器件，如8255、8254、8259、16550、8237等IP软核的SOC微机系统的创建、软硬件调试，直至将整个完整的可运行不同操作系统的类IBM PC/AT的8086 SOC系统（图8）在单一FPGA中呈现给读者；

4. 全书内容在SOC技术与读者0距离的伴随下，奉献给读者的已不仅仅是书名所示的“微机原理和接口技术”，还有基于FPGA开发技术、SOC技术、及相应的接口电路设计技术！

因此，针对这一教材的实验也有对应的两大部分，即利用传统的微机系统完成的实验和利用大规模FPGA实现的SOC微机系统的实验及设计。以下分三部分对后者作简要介绍。

一、微机原理与接口的初级SOC实验与设计

此部分涉及第5章（半导体存储器）和第6章（输入输出接口）。由第5章开始，分别介绍最简SOC微机系统（构建于FPGA中由一个8088 CPU软核和一个存储器组成的系统）的构建、时序仿真和硬件测试方法。在FPGA中构建一个最简8088微机SOC系统有助于读者排除其它无关部件的干扰，深入了解微机的底层结构，了解CPU与存储器之间、硬件系统与软件指令执行之间的时序关系，以及了解SOC系统中软硬件设计与调试的方法，同时也为后续的更复杂和完整的SOC微机系统的构建和调试打下基础，更加有利于深入了解微机原理，掌握微机接口技术，乃至系统设计技术。

图2 所示的是利用Quartus II在FPGA内构建的含8088 CPU软核、嵌入式存储器和简单输入输出接口电路的最简SOC微机系统电路。针对汇编程序可以对此电路进行时序仿真，其部分仿真波形如图3 所示。波形清晰显示了这个电路中CPU的指令读取和执行时序，输入输出控制时序，存储器读写时序等。如此透明的电路操作过程和详细的时序信息，在传统实验中是绝无可能获得的！

如果仿真没有发现问题，则可将此设计下载到FPGA中进行硬件系统测试。图4 的上下二图是利用Quartus II中的在系统实时存储器读写工具In-System Memory Content Editor，通过FPGA的JTAG口，经由USB线显示于屏幕上的。此图显示了CPU执行程序前后，存储器内容的实时测试结果。显然In-System Memory Content Editor对实时监测系统存储器十分有用！

为了实时硬件验证仿真波形图图3，可以利用Quartus II中的In-System Sources and Probes Editor对电路系统中的任何一个节点的信号进行实时硬件测试，并通过FPGA的JTAG口和USB线，上传到计算机进行观察(图5)。

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图2 含8088 CPU软核、嵌入式存储器和简单输入输出接口电路的最简SOC微机系统电路

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图3 图2电路针对特定汇编程序的部分时序仿真波形

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图4 利用In-System Memory Content Editor对图2电路中的存储器内容进行实时测试的（比较）结果

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图5 利用In-System Sources and Probes Editor对载入FPGA中图2电路系统的实时测试情况

二、微机原理与接口技术的中级SOC实验与设计

这部分内容包含在第7章至第12章中，在这六章中，各章分别介绍了接口器件8255、8254、8259、16550、8237及A/D与D/A，而它们所对应的SOC实验与设计内容是在电路图图2的基础上逐级加入与各章介绍的可编程器件对应的IP核。例如第6章的SOC设计电路中包含了8255 IP软核，电路如图6所示，也包含了对此电路的仿真与硬件系统的测试示例。又如到了第9章，其中的SOC设计电路中，在原来已含8255，8254 IP软核的基础上又增加了可编程中断控制器8259软核，电路如图7所示。

于是在每一章的对应内容中，详细讨论通过仿真测试并下载于一片FPGA中之后，利用各种实时测试工具测试FPGA中的SOC微机系统的硬件功能及其软件程序执行情况。在这个过程中，学生已不仅仅是被动的知识接纳者和应用者，而是变成了能动的自主设计者！这一切反过来又促进了对微机接口技术的深入掌握。

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图6 含8255 IP软核接口器件的最简8088 SOC系统电路

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图7 含有8259、双8255、8254 IP软核、总线控制逻辑模块、嵌入式存储器的8088 SOC微机系统电路

三、微机原理与接口技术的高级SOC实验与设计

第13章的内容是将此SOC系统结构和功能进一步升级，从而构建一个完整经典的微型计算机，但却是一个整体构建和工作于一片FPGA中的计算机系统（内部结构如图8所示）。其基本功能与传统微机十分接近：除了能进行单任务的汇编程序执行外，同样能启动传统MS-DOS，并在此环境中完成传统IBM机的所有运行操作（图9），或启动Windows操作系统，并通过VGA和PS2鼠标与键盘进行控制操作各类软件运行(图10)。