一種基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板的制作方法
【專利摘要】一種基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板，由包含x86處理器、時鐘發(fā)生器、總線收發(fā)器、地址鎖存器構成的x86CPU單元電路，包含SRAM存儲器、固化有FORTH基本系統(tǒng)固件的FLASH存儲器、雙端口SRAM存儲器構成的存儲單元電路，包含固化有串口通信固件的51單片機、地址鎖存器、TTL與RS232電平轉換器、RS232接口插座構成的51MCU串口終端通信單元電路以及總線接口插座組成，通過連接PC或串口終端以及各類實驗模塊，構成x86交互式教學實驗環(huán)境，在PC或終端上以交互方式進行FORTH高級語言、FORTH匯編語言的編程、在線調試、運行以及程序固化，不再依賴x86匯編工具和x86C編譯工具，提高教學實驗效率。
【專利說明】—種基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板，屬計算機教學與實驗【技術領域】。
【背景技術】
[0002]多年來，全國高校均開設有《微機原理》課程或相近課程，如《微機原理與接口技術》、《微機原理與應用》等，這類課程往往是大學電子、自動化、通信、計算機等相關專業(yè)的重要專業(yè)基礎課和非計算機電類專業(yè)硬件技術的主干課程。課程基本上都是以當今主流微處理器80x86為結合點，基礎性強，概念抽象，如芯片內部結構、時序、尋址方式、工作模式、地址譯碼、中斷等；內容繁多，包括硬件體系及其工作原理、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設計、存儲器系統(tǒng)、各種總線以及接口設計等。同時，還具有很強的工程實踐性，是一門軟硬件相結合的課程，實踐性較強，力圖使學生通過實踐環(huán)節(jié)加深和提高對課程內容的理解。
[0003]FORTH語言作為一種交互式、具有簡單性哲學思想的計算機編程語言和環(huán)境，其以可延伸的詞典為核心，采用兩個堆棧為基礎的高度模塊化結構，是一種將解譯程序和編譯程序合并運用的雙態(tài)系統(tǒng)。使用FORTH，可在編譯過程中檢測差錯，并且逐步擴充編譯程序代碼。利用標準FORTH所寫的程序幾乎不必進行大的修改，就能在各類計算機運行，甚至在特別設計的電腦上可以完全放棄組合語言，直接由FORTH轉化成機器語言，就好像現(xiàn)代的Java機一樣。FORTH語言本身就是一種過程控制語言和一種快速開發(fā)環(huán)境，具有很強的交互性、構造性、移植性和自擴展能力，其生成代碼非常高效，甚至可以快速構造出一個實時多任務操作系統(tǒng)，往往作為國外大公司競爭系統(tǒng)開發(fā)周期、生產成本和系統(tǒng)可靠性的秘密武器之一，被廣泛應用于天文、軍事、航空、航天、工業(yè)自動化、圖形、儀器儀表、工作站等領域。然而，F(xiàn)ORTH在我國長期以沒有得到重視，目前，在高校中沒有開設FORTH課程的實例。
[0004]在《微機原理》及相近課程的教學實驗中，通常是針對實驗項目，在實驗系統(tǒng)主機上，采用x86匯編語言或C語言編寫源程序，然后通過x86匯編程序或x86的C程序編譯工具，將匯編程序源碼或C程序源碼進行編譯、鏈接，生成x86可執(zhí)行的機器碼，然后在實驗主機上運行與調試或將可執(zhí)行代碼傳送到試驗箱或實驗板上進行運行與調試，在調試或運行過程中，一旦發(fā)現(xiàn)程序存在問題，則又需要返回修改匯編程序源碼或C語言程序源碼，修改完畢后，再次進行編譯、鏈接和傳送與運行調試，如此反復，直到實現(xiàn)預期實驗目標為止。在進行較為復雜的實驗項目時，整個實驗和開發(fā)過程通常需要進行多次反復，耗費大量時間。因此，這種教學實驗方式使得整個實驗過程繁瑣和效率不高。

【發(fā)明內容】

[0005]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板，能夠不依賴傳統(tǒng)的x86匯編語言或x86 C語言源碼的編寫、編譯、目標代碼傳送、運行調試的循環(huán)反復方式，而是通過基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板連接一臺運行終端仿真軟件的PC控制臺或一個串行終端控制臺，在此PC或終端上以交互方式進行FORTH高級語言、FORTH匯編語言的編程、在線調試、運行以及程序固化，不再需要x86匯編工具和x86 C編譯工具，能夠有效提升教學實驗效率，為學生的課程學習提供更大的自主發(fā)揮空間。
[0006]本實用新型中，基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板的組成結構如圖1所示，它是由x86 CPU單元、存儲單元、51MCU串口終端通信單元和總線接口 4個單元電路構成，其中:
[0007]x86 CPU單元通過x86 CPU經地址鎖存器和收發(fā)器電路進行地址數(shù)據復用總線ADB的分離與驅動，形成x86 CPU連接存儲單元和總線接口獨立的數(shù)據總線DB與地址總線AB，與x86 CPU提供的控制總線CB—起，構成x86 CPU單元的數(shù)據總線DB、地址總線AB和控制總線CB ；
[0008]存儲單元包括SRAM存儲器芯片、FLASH存儲器芯片和雙端口 SRAM存儲器芯片，三種存儲器芯片均與x86 CPU單元的數(shù)據總線DB、地址總線AB和控制總線CB相連接。SRAM存儲器芯片構成X86CPU的主內存空間，F(xiàn)LASH存儲器芯片構成x86CPU的程序存儲空間，雙端口 SRAM存儲器芯片的第一個端口與x86 CPU單元相連接，第二個端口與51MCU串口終端通信單元相連接，構成X86CPU與51MCU的共享存儲空間；
[0009]5IMCU串口終端通信單元包括5IMCU芯片、地址鎖存器芯片、TTL與RS232電平轉換芯片及1?232接口插座，5腿(^的地址數(shù)據復用總線經地址鎖存器芯片進行其地址數(shù)據復用總線的分離，與51MCU的控制總線一起，形成51MCU的數(shù)據總線、地址總線和控制總線，連接至存儲單元雙端口 SRAM存儲器的第二個端口，5IMCU的UART端口信號線通過TTL與RS232電平轉換芯片連接至RS232接口插座，構成一個獨立的串口終端連接接口，提供與PC控制臺或串行終端控制臺的連接；
[0010]總線接口將x86 CPU單元的數(shù)據總線DB、地址總線AB和控制總線CB通過接口插座引出，提供各類實驗模塊與本實用新型基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板的連接。
[0011]本實用新型中，存儲單元的FLASH存儲器中固化有FORTH基本系統(tǒng)固件，當核心板上電后，即啟動運行FORTH系統(tǒng)，在與51MCU串口終端通信單元相連接的PC控制臺或串行終端控制臺上顯示FORTH系統(tǒng)控制界面。
[0012]本實用新型中，51MCU串口終端通信單元的5IMCU中，固化有串口通信固件，該固件通過存儲單元中的雙端口 SRAM存儲器，與X86CPU進行數(shù)據交換，控制51MCU的UART接口信號，完成與51MCU串口終端通信單元相連接的PC控制臺或串行終端控制臺的交互。
[0013]本實用新型的基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板的工作過程為:通過51MCU串口終端通信單元連接至運行終端仿真程序的PC或串口終端，通過總線接口連接相應教學實驗的實驗模塊，當基于FORTH的X86教學實驗系統(tǒng)核心板及實驗模塊上電后，F(xiàn)ORTH基本系統(tǒng)固件在存儲單元的FALSH存儲器中運行啟動，同時，固化于5IMCU串口終端通信單元5IMCU的FLASH中的串口通信固件也同時啟動運行，在x86CPU和5IMCU的協(xié)同作用下，F(xiàn)ORTH基本系統(tǒng)啟動完畢，在PC控制臺或串口終端控制臺上顯示出FORTH系統(tǒng)控制操作界面，用戶可以在此界面上進行交互式操作，直接運行FORTH基本系統(tǒng)已有的相關教學實驗FORTH程序；在文本界面下直接編寫相關教學實驗的FORTH高級語言程序或FORTH匯編程序；通過終端仿真軟件導入相關教學實驗的FORTH程序源碼文件；在FORTH解釋態(tài)下執(zhí)行從終端直接輸入的FORTH程序以及在編譯態(tài)下編譯及執(zhí)行從終端直接輸入的FORTH程序或通過終端仿真軟件導入的FORTH程序；在線調試FORTH程序；將調試好的FORTH程序固化到存儲單元的FLASH存儲器；最后，可以撤出PC控制臺或串口終端控制臺，x86教學實驗系統(tǒng)核心板在上電后，能夠獨立運彳丁指定的FORTH程序。
[0014]本實用新型的基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板，能夠在目前高?！段C原理》相關課程的教學實驗中，通過交互方式進行FORTH語言程序的在線編程、調試、運行與固化操作，在傳統(tǒng)的x86匯編語言和C語言之外，提供了一種新的教學實驗方式及手段，有效提高教學實驗效率。本實用新型具有轉變《微機原理》相關課程的教學實驗方式，推動高?！段C原理》相關課程與FORTH課程教學，促進FORTH推廣應用的有益效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的硬件組成結構示意圖。
[0016]圖2是本實用新型的實施例硬件組成結構示意圖。
[0017]圖3是本實用新型組成的教學實驗系統(tǒng)環(huán)境結構示意圖。
[0018]圖4是本實用新型的教學實驗過程示意圖。
【具體實施方式】
[0019]如圖2所示，本實用新型的基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板由包含I片Intel 8086處理器芯片、I片Intel 8284A時鐘發(fā)生器芯片、2片收發(fā)器芯片74LS245、3片地址鎖存器芯片74LS373構成的X86CPU單元，包含2片128Kx8位SRAM芯片IS62C1024、2片128Kx8位FLASH芯片M29F010和I片2Kx8位的雙端口 SRAM芯片構成的存儲單元，包含I片51單片機芯片STC15F2K08S2、1片TTL轉RS232芯片MAX232、I個RS232接口插座構成的51MCU串口終端通信單元，以及I個總線接口插座組成，其中:
[0020]上述X86CPU單元中，x86處理器芯片Intel 8086通過時鐘信號線與時鐘發(fā)生器芯片Intel 8284A相連接；通過20條地址線AD0?AD19與地址鎖存器芯片74LS373的輸入端相連接，輸出端形成X86CPU單元的20位地址總線AB ;通過16條地址數(shù)據復用總線AD(TAD15與收發(fā)器芯片74LS245的輸入端相連接，輸出端形成X86CPU單元的16位數(shù)據總線DB ；x86處理器芯片Intel 8086的16條控制總線形成x86CPU單元的控制總線CB。
[0021]上述x86CPU單元的地址總線AB、數(shù)據總線DB以及控制總線CB與存儲單元中的2片SRAM芯片IS62C1024的地址線、數(shù)據線及控制線相連接，構成本實用新型基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板的主內存存儲空間；與存儲單元中的2片F(xiàn)LAH芯片M29R)10的地址線、數(shù)據線及控制線相連接，構成本實用新型基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板的程序存儲空間，提供FORTH基本系統(tǒng)和用戶程序的存儲固化；存儲外部FORTH源碼程序文件存儲或應用數(shù)據存儲。與存儲單元中的I片雙端口 SRAM芯片CY7C136的第一端口的地址線、數(shù)據線和控制線相連接，構成與51MCU串口終端通信單元進行數(shù)據交換的共享存儲空間。
[0022]上述51MCU串口終端通信單元中的51單片機芯片STC15F2K08S2通過PO 口與地址鎖存器芯片74LS373的輸入端相連接，分離出獨立的8位數(shù)據總線和低8位地址總線，與51單片機芯片STC15F2K08S2的P2 口高8位地址總線、讀寫控制線一起連接至存儲單元中的雙端口 SRAM芯片CY7C136的第二端口的地址線、數(shù)據線和控制線，構成51單片機芯片STC15F2K08S2的擴展RAM存儲空間，同時構成與x86CPU單元的x86處理器芯片Intel8086進行數(shù)據交換的共享存儲空間；51單片機芯片STC15F2K08S2的UART串信號線經I片TTL轉RS232芯片MAX232后連接至I個RS232接口插座，提供I個RS232接口，用于連接PC控制臺或串口終端控制臺；在51單片機芯片STC15F2K08S2的內部FLASH中，固化有串口通信固件，該固件通過存儲單元中的雙端口 SRAM芯片CY7C136，與X86CPU單元的Intel8086處理器芯片進行數(shù)據交換，控制51單片機芯片STC15F2K08S2的UART接口信號，完成與5IMCU串口終端通信單元相連接的PC控制臺或串行終端控制臺的交互。
[0023]上述X86CPU單元的數(shù)據總線DB、地址總線AB以及控制總線CB直接連接至I個總線接口插座，構成本實用新型的基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板的總線接口，用于連接各種教學實驗模塊，進行各類教學實驗項目的實驗。
[0024]如圖3所示，本實用新型所述基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板，在進行教學實驗時，通過5IMCU串口終端通信單元的RS232接口 I連接至一臺PC的RS232串行接口，通過總線接口連接至各種實驗模塊，構成本實用新型的教學實驗系統(tǒng)環(huán)境。
[0025]當本實用新型的基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板加電后，x86CPU單元的Intel 8086處理器從存儲單元的FLASH芯片M29F010中啟動運行FORTH基本系統(tǒng)固件；同時，51MCU串口終端通信單元的51單片機芯片STC15F2K08S2也從其內部FLASH啟動運行串口通信固件，以“115200，N，8，I”的參數(shù)初始化UART，通過存儲單元的雙端口 SRAM芯片CY7C136與X86CPU單元的Intel 8086處理器進行數(shù)據交換，共同完成FORTH基本系統(tǒng)的啟動，建立起串口控制臺。PC上可以運行SecureCRT、串口助手等串口終端仿真軟件，串口終端仿真軟件同樣以“ 115200，N，8，I”的串口參數(shù)，與x86教學實驗系統(tǒng)核心板建立通信連接，當通信連接建立后，串口終端仿真軟件即顯示FORTH系統(tǒng)控制界面，至此，交互式操作環(huán)境建立，用戶可以在FORTH系統(tǒng)控制界面上進行交互式操作，進行各類教學實驗項目實驗工作:直接運行FORTH基本系統(tǒng)已有的相關教學實驗FORTH程序；在文本界面下直接編寫相關教學實驗的FORTH高級語言程序或FORTH匯編程序；通過終端仿真軟件導入相關教學實驗的FORTH程序源碼文件；在FORTH解釋態(tài)下執(zhí)行從終端直接輸入的FORTH程序以及在編譯態(tài)下編譯及執(zhí)行從終端直接輸入的FORTH程序或通過終端仿真軟件導入的FORTH程序；在線調試FORTH程序；將調試好的FORTH程序固化到存儲單元的FLASH存儲器；最后，可以撤出PC控制臺或串口終端控制臺，x86教學實驗系統(tǒng)核心板在上電后，能夠獨立運打指定的FORTH程序。
[0026]如圖4所示，在本實用新型所述基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板的FORTH系統(tǒng)交互式操作實驗環(huán)境中，實驗過程描述如下:
[0027]在FORTH系統(tǒng)交互式操作環(huán)境下，用戶可以通過兩種方式加載實驗FORTH源程序，第一種方式是直接在FORTH系統(tǒng)控制界面上編寫FORTH高級語言程序或FORTH匯編語言程序源碼；第二種方式是通過串口終端軟件的文件發(fā)送功能將已保存在PC機上的FORTH高級語言或FORTH匯編語言程序源碼文件發(fā)送至教學實驗系統(tǒng)核心板。兩種方式加載的FORTH高級語言程序或FORTH匯編語言程序源碼都存儲在教學實驗系統(tǒng)核心板的主內存存儲空間中。
[0028]通過上述兩種方式加載并存儲于教學實驗系統(tǒng)核心板主內存存儲空間的FORTH程序源碼可通過FORTH系統(tǒng)控制界面利用FORTH基本系統(tǒng)提供的編輯器進行程序源碼的編輯修改，排除錯誤。只要教學實驗系統(tǒng)核心板不斷電，程序源碼始終保存在主內存中。
[0029]當FORTH程序源碼編輯修改完成后，可在FORTH控制臺上，利用FORTH基本系統(tǒng)提供的FORTH編譯器對FORTH程序源碼進行編譯，如果編譯出錯，則可以返回上述FORTH程序源碼編輯修改過程，進行FORTH程序源碼的編輯修改。
[0030]當編譯正確后，可在FORTH系統(tǒng)控制界面上，執(zhí)行已編譯的FORTH程序，并能夠進行在線進行單步調試和斷點調試，發(fā)現(xiàn)FORTH程序的運行時錯誤。如果發(fā)現(xiàn)運行時錯誤，則可以返回FORTH程序源碼的編輯修改過程，再次進行FORTH程序源碼的編輯修改，重復編譯與運行調試過程，如此反復，直到FORTH程序正確無誤。
[0031]當FORTH程序運行調試完成后，可在FORTH系統(tǒng)控制界面上，利用FORTH基本系統(tǒng)提供的程序固化功能，將編譯調試好的FORTH程序從教學實驗系統(tǒng)核心板的主內存中固化到存儲單元的FLASH存儲器中。
[0032]此時，可以在教學實驗系統(tǒng)核心板斷電情況下，撤出與教學實驗系統(tǒng)核心板連接的PC或串口終端。當再次對教學實驗系統(tǒng)核心板上電后，教學實驗系統(tǒng)核心板即能夠脫機運行固化于存儲單元FLASH存儲器中的教學實驗程序，實現(xiàn)對應教學實驗目標功能。
【權利要求】
1.一種基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板,其特征在于由包含x86處理器、時鐘發(fā)生器、總線收發(fā)器、地址鎖存器構成的X86CPU單元電路，包含SRAM存儲器、固化有FORTH基本系統(tǒng)固件的FLASH存儲器、雙端口 SRAM存儲器構成的存儲單元電路，包含固化有串口通信固件的51單片機、地址鎖存器、TTL與RS232電平轉換器、RS232接口插座構成的51MCU串口終端通信單元電路以及總線接口插座組成；其中，X86CPU單元電路通過數(shù)據總線、地址總線和控制總線與存儲單元電路以及總線接口插座相連接，51MCU串口終端通信單元電路與存儲單元電路相連接。
2.如權利要求1所述的基于FORTH的x86教學實驗系統(tǒng)核心板，其特征在于x86教學實驗系統(tǒng)核心板通過RS232接口插座連接PC或串口終端以及實驗模塊，構成x86交互式教學實驗環(huán)境，實現(xiàn)交互式FORTH高級語言和FORTH匯編語言的編程、編譯、運行、調試及軟件固化。
【文檔編號】G09B19/00GK203733351SQ201320617279
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權日:2013年10月9日
【發(fā)明者】周永錄, 楊為民, 代紅兵, 王麗清, 安紅萍, 楊艷華 申請人:云南大學