[发明专利]基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机接口实验平台，尤其是能够让学生自主设计、探索和创新的开放式多用途实验平台。本发明属于微机接口技术和嵌入式系统领域。

背景技术

传统的微机原理与微机接口实验多采用X86架构下16位的平台，已经不能满足当今技术发展和本专科及研究生教学与研究的需要。国外相关计算机课程，已采用通过HDL语言来介绍硬件电路，输入与输出以及真值表，学生在学习传统接口电路的同时，也学习了如何运用HDL语言设计接口电路逻辑。

在已有的实验平台专利中，200620096822.7武汉大学的嵌入式电子设计自动化多功能创新性实验平台，采用Altera公司的EP2C35F672 FPGA芯片和200710121373.4清华大学的可编程片上系统实验平台，采用Cypress公司双CY8C21001 FPGA芯片所设计的实验，都是通过JTAG下载逻辑设计到FPGA芯片，脱机运行实现FPGA直接控制I/O部件，此方式与微机接口实验中采用的CPU通过接口芯片控制I/O的运行方式不相符，不适用于微机接口实验。

2006年硕士论文《基于PCI总线的微机接口技术实验设备研制》中没有用到FPGA做接口芯片逻辑，它的实验设备只能工作在DOS和Win98环境中，不支持C/C++编程。本发明通过总线桥接电路将PC机的PCI总线I/O读写时序转换成ISA总线的I/O读写时序，接口芯片与FPGA芯片与ISA总线相连。PC机不仅可以对接口芯片(包括8255、8253、8251、8259、8279等)进行读/写访问，同时可对FPGA上的运用HDL语言编写的接口逻辑组件(如：8253、8255的接口逻辑)进行读/写控制。在此基础上可以实现对原有接口芯片的逻辑功能进行自定义的扩展设计。本发明采用“乐高”思想搭建平台，总线桥接电路、接口芯片电路、FPGA芯片电路、外设电路通过排线跨接，能组成面向不同层次的实验平台，且易于维护与升级。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服目前国内微机接口实验平台不支持接口芯片逻辑的编程与PC机在线编程，缺乏开展创新实验条件，扩展性和维护性差的不足，提供一种新型开放式微机接口创新实验平台，能够使学生深刻的理解微机接口实验原理，开展自主的接口实验电路设计，充分开拓学生的创造性，锻炼学生的研发能力和实际动手能力。

本发明的解决方案是：开放式微机接口创新性实验平台，其特点在于：以开放性为设计原则，以使学生能实时直观的了解实验过程、轻松的进行电路设计与扩展为要求，以达到最大限度地发挥学生的创造性为目标，采用了总线(PCI总线与ISA总线)、多平台(PC平台与FPGA平台)、多模块(接口芯片模块和IO模块)的架构，PC机通过PCI/ISA桥接卡与实验平台相连，将PC机的PCI总线I/O读写时序转换成ISA总线的I/O读写时序，可以直接对实验平台上的所有芯片(包括FPGA中的仿真接口逻辑组件)进行读写控制，实现PC机在线编程与调试。同时PC机也可以通过FPGA配置电路与FPGA相连对其进行配置，在FPGA芯片上实现多种接口芯片电路的逻辑组合。核心电路作为接口芯片区，主要包括接口芯片组和FPGA芯片，FPGA与接口芯片组可以相互通信。外设电路包括LED拨码开关模块，数码管模块，键盘区，直流电机，步进电机，AD，DA模块，扬声器模块，时钟模块，电源模块。以上外设模块可以被FPGA芯片与接口芯片组访问。

本发明的工作原理是：新型开放式微机接口创新实验平台以“微型计算机接口技术与应用”、“微机计算机原理”等课程的配套教学实验为主，兼顾通用的软硬实现手段，密切结合课程要求和实际应用研发而成，可完成多种16位/32位微机接口的实验。实验平台采用PCI/ISA总线桥接技术，PC机可以直接通过I/O读写命令来控制实验平台上各个接口芯片和FPGA芯片中的仿真接口逻辑组件，最后在外设上验证实验结果。实验平台提供基于8255，8253接口芯片逻辑的由Verilog语言实现的参考设计。另外，还可在FPGA中安装不同的CPU逻辑组件(如：PowerPC、MicroBlaze、8051等IP核)，与实验平台上的接口芯片和I/O电路组成不同架构下的嵌入式实验环境，供教学和实践活动中灵活选择。