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基于 8086 软核的 微机原理教学改革交流

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

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基于 8086 软核的 微机原理教学改革交流

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  1. 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

  2. 《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

  3. 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 • 。。。

  4. 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

  5. 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）

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 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

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