一种基于FORTH的x86教学实验系统核心板的制作方法
【专利摘要】一种基于FORTH的x86教学实验系统核心板，由包含x86处理器、时钟发生器、总线收发器、地址锁存器构成的x86CPU单元电路,包含SRAM存储器、固化有FORTH基本系统固件的FLASH存储器、双端口SRAM存储器构成的存储单元电路,包含固化有串口通信固件的51单片机、地址锁存器、TTL与RS232电平转换器、RS232接口插座构成的51MCU串口终端通信单元电路以及总线接口插座组成，通过连接PC或串口终端以及各类实验模块，构成x86交互式教学实验环境，在PC或终端上以交互方式进行FORTH高级语言、FORTH汇编语言的编程、在线调试、运行以及程序固化，不再依赖x86汇编工具和x86C编译工具，提高教学实验效率。
【专利说明】—种基于FORTH的x86教学实验系统核心板
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于FORTH的x86教学实验系统核心板，属计算机教学与实验【技术领域】。
【背景技术】
[0002]多年来，全国高校均开设有《微机原理》课程或相近课程，如《微机原理与接口技术》、《微机原理与应用》等，这类课程往往是大学电子、自动化、通信、计算机等相关专业的重要专业基础课和非计算机电类专业硬件技术的主干课程。课程基本上都是以当今主流微处理器80x86为结合点，基础性强，概念抽象，如芯片内部结构、时序、寻址方式、工作模式、地址译码、中断等；内容繁多，包括硬件体系及其工作原理、指令系统、汇编语言程序设计、存储器系统、各种总线以及接口设计等。同时，还具有很强的工程实践性，是一门软硬件相结合的课程，实践性较强，力图使学生通过实践环节加深和提高对课程内容的理解。
[0003]FORTH语言作为一种交互式、具有简单性哲学思想的计算机编程语言和环境，其以可延伸的词典为核心，采用两个堆栈为基础的高度模块化结构，是一种将解译程序和编译程序合并运用的双态系统。使用FORTH，可在编译过程中检测差错，并且逐步扩充编译程序代码。利用标准FORTH所写的程序几乎不必进行大的修改，就能在各类计算机运行，甚至在特别设计的电脑上可以完全放弃组合语言，直接由FORTH转化成机器语言，就好像现代的Java机一样。FORTH语言本身就是一种过程控制语言和一种快速开发环境，具有很强的交互性、构造性、移植性和自扩展能力，其生成代码非常高效，甚至可以快速构造出一个实时多任务操作系统，往往作为国外大公司竞争系统开发周期、生产成本和系统可靠性的秘密武器之一，被广泛应用于天文、军事、航空、航天、工业自动化、图形、仪器仪表、工作站等领域。然而，FORTH在我国长期以没有得到重视，目前，在高校中没有开设FORTH课程的实例。
[0004]在《微机原理》及相近课程的教学实验中，通常是针对实验项目，在实验系统主机上，采用x86汇编语言或C语言编写源程序，然后通过x86汇编程序或x86的C程序编译工具，将汇编程序源码或C程序源码进行编译、链接，生成x86可执行的机器码，然后在实验主机上运行与调试或将可执行代码传送到试验箱或实验板上进行运行与调试，在调试或运行过程中，一旦发现程序存在问题，则又需要返回修改汇编程序源码或C语言程序源码，修改完毕后，再次进行编译、链接和传送与运行调试，如此反复，直到实现预期实验目标为止。在进行较为复杂的实验项目时，整个实验和开发过程通常需要进行多次反复，耗费大量时间。因此，这种教学实验方式使得整个实验过程繁琐和效率不高。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于FORTH的x86教学实验系统核心板，能够不依赖传统的x86汇编语言或x86 C语言源码的编写、编译、目标代码传送、运行调试的循环反复方式，而是通过基于FORTH的x86教学实验系统核心板连接一台运行终端仿真软件的PC控制台或一个串行终端控制台，在此PC或终端上以交互方式进行FORTH高级语言、FORTH汇编语言的编程、在线调试、运行以及程序固化，不再需要x86汇编工具和x86 C编译工具，能够有效提升教学实验效率，为学生的课程学习提供更大的自主发挥空间。
[0006]本发明中，基于FORTH的x86教学实验系统核心板的组成结构如图1所示，它是由x86 CPU单元、存储单元、51MCU串口终端通信单元和总线接口 4个单元电路构成，其中:
x86 CPU单元通过x86 CPU经地址锁存器和收发器电路进行地址数据复用总线ADB的分离与驱动，形成x86 CPU连接存储单元和总线接口独立的数据总线DB与地址总线AB，与x86 CPU提供的控制总线CB —起，构成x86 CPU单元的数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB ；
存储单元包括SRAM存储器芯片、FLASH存储器芯片和双端口 SRAM存储器芯片，三种存储器芯片均与x86 CPU单元的数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB相连接。SRAM存储器芯片构成X86CPU的主内存空间，FLASH存储器芯片构成x86CPU的程序存储空间，双端口SRAM存储器芯片的第一个端口与x86 CPU单元相连接，第二个端口与51MCU串口终端通信单元相连接，构成X86CPU与51MCU的共享存储空间；
5IMCU串口终端通信单元包括5IMCU芯片、地址锁存器芯片、TTL与RS232电平转换芯片及RS232接口插座，51MCU的地址数据复用总线经地址锁存器芯片进行其地址数据复用总线的分离，与51MCU的控制总线一起，形成51MCU的数据总线、地址总线和控制总线，连接至存储单元双端口 SRAM存储器的第二个端口，51MCU的UART端口信号线通过TTL与RS232电平转换芯片连接至RS232接口插座，构成一个独立的串口终端连接接口，提供与PC控制台或串行终端控制台的连接；
总线接口将x86 CPU单元的数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB通过接口插座引出，提供各类实验模块与本发明基于FORTH的x86教学实验系统核心板的连接。
[0007]本发明中，存储单元的FLASH存储器中固化有FORTH基本系统固件，当核心板上电后，即启动运行FORTH系统，在与51MCU串口终端通信单元相连接的PC控制台或串行终端控制台上显不FORTH系统控制界面。
[0008]本发明中，51MCU串口终端通信单元的5IMCU中，固化有串口通信固件，该固件通过存储单元中的双端口 SRAM存储器，与X86CPU进行数据交换，控制51MCU的UART接口信号，完成与5IMCU串口终端通信单元相连接的PC控制台或串行终端控制台的交互。
[0009]本发明的基于FORTH的x86教学实验系统核心板的工作过程为:通过51MCU串口终端通信单元连接至运行终端仿真程序的PC或串口终端，通过总线接口连接相应教学实验的实验模块，当基于FORTH的X86教学实验系统核心板及实验模块上电后，FORTH基本系统固件在存储单元的FALSH存储器中运行启动，同时，固化于51MCU串口终端通信单元5IMCU的FLASH中的串口通信固件也同时启动运行，在x86CPU和5IMCU的协同作用下，FORTH基本系统启动完毕，在PC控制台或串口终端控制台上显示出FORTH系统控制操作界面，用户可以在此界面上进行交互式操作，直接运行FORTH基本系统已有的相关教学实验FORTH程序；在文本界面下直接编写相关教学实验的FORTH高级语言程序或FORTH汇编程序；通过终端仿真软件导入相关教学实验的FORTH程序源码文件；在FORTH解释态下执行从终端直接输入的FORTH程序以及在编译态下编译及执行从终端直接输入的FORTH程序或通过终端仿真软件导入的FORTH程序；在线调试FORTH程序；将调试好的FORTH程序固化到存储单元的FLASH存储器；最后，可以撤出PC控制台或串口终端控制台，x86教学实验系统核心板在上电后，能够独立运彳丁指定的FORTH程序。
[0010]本发明的基于FORTH的x86教学实验系统核心板，能够在目前高校《微机原理》相关课程的教学实验中，通过交互方式进行FORTH语言程序的在线编程、调试、运行与固化操作，在传统的x86汇编语言和C语言之外，提供了一种新的教学实验方式及手段，有效提高教学实验效率。本发明具有转变《微机原理》相关课程的教学实验方式，推动高校《微机原理》相关课程与FORTH课程教学，促进FORTH推广应用的有益效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的硬件组成结构示意图。
[0012]图2是本发明的实施例硬件组成结构示意图。
[0013]图3是本发明组成的教学实验系统环境结构示意图。
[0014]图4是本发明的教学实验过程示意图。
【具体实施方式】
[0015]如图2所示，本发明的基于FORTH的x86教学实验系统核心板由包含I片Intel8086处理器芯片、I片Intel 8284A时钟发生器芯片、2片收发器芯片74LS245、3片地址锁存器芯片74LS373构成的X86CPU单元，包含2片128Kx8位SRAM芯片IS62C1024、2片128Κχ8位FLASH芯片M29F010和I片2Kx8位的双端口 SRAM芯片构成的存储单元，包含I片51单片机芯片STC15F2K08S2、1片TTL转RS232芯片MAX232、1个RS232接口插座构成的51MCU串口终端通信单元，以及I个总线接口插座组成，其中:
上述X86CPU单元中，x86处理器芯片Intel 8086通过时钟信号线与时钟发生器芯片Intel 8284A相连接；通过20条地址线AD0?AD19与地址锁存器芯片74LS373的输入端相连接，输出端形成X86CPU单元的20位地址总线AB ;通过16条地址数据复用总线AD(TAD15与收发器芯片74LS245的输入端相连接，输出端形成X86CPU单元的16位数据总线DB ；x86处理器芯片Intel 8086的16条控制总线形成x86CPU单元的控制总线CB。
[0016]上述x86CPU单元的地址总线AB、数据总线DB以及控制总线CB与存储单元中的2片SRAM芯片IS62C1024的地址线、数据线及控制线相连接，构成本发明基于FORTH的x86教学实验系统核心板的主内存存储空间；与存储单元中的2片FLAH芯片M29R)10的地址线、数据线及控制线相连接，构成本发明基于FORTH的x86教学实验系统核心板的程序存储空间，提供FORTH基本系统和用户程序的存储固化；存储外部FORTH源码程序文件存储或应用数据存储。与存储单元中的I片双端口 SRAM芯片CY7C136的第一端口的地址线、数据线和控制线相连接，构成与51MCU串口终端通信单元进行数据交换的共享存储空间。
[0017]上述51MCU串口终端通信单元中的51单片机芯片STC15F2K08S2通过PO 口与地址锁存器芯片74LS373的输入端相连接，分离出独立的8位数据总线和低8位地址总线，与51单片机芯片STC15F2K08S2的P2 口高8位地址总线、读写控制线一起连接至存储单元中的双端口 SRAM芯片CY7C136的第二端口的地址线、数据线和控制线，构成51单片机芯片STC15F2K08S2的扩展RAM存储空间，同时构成与x86CPU单元的x86处理器芯片Intel8086进行数据交换的共享存储空间；51单片机芯片STC15F2K08S2的UART串信号线经I片TTL转RS232芯片MAX232后连接至I个RS232接口插座，提供I个RS232接口，用于连接PC控制台或串口终端控制台；在51单片机芯片STC15F2K08S2的内部FLASH中，固化有串口通信固件，该固件通过存储单元中的双端口 SRAM芯片CY7C136，与X86CPU单元的Intel8086处理器芯片进行数据交换，控制51单片机芯片STC15F2K08S2的UART接口信号，完成与5IMCU串口终端通信单元相连接的PC控制台或串行终端控制台的交互。
[0018]上述X86CPU单元的数据总线DB、地址总线AB以及控制总线CB直接连接至I个总线接口插座，构成本发明的基于FORTH的x86教学实验系统核心板的总线接口，用于连接各种教学实验模块，进行各类教学实验项目的实验。
[0019]如图3所示，本发明所述基于FORTH的x86教学实验系统核心板，在进行教学实验时，通过5IMCU串口终端通信单元的RS232接口 I连接至一台PC的RS232串行接口，通过总线接口连接至各种实验模块，构成本发明的教学实验系统环境。
[0020]当本发明的基于FORTH的x86教学实验系统核心板加电后，x86CPU单元的Intel8086处理器从存储单元的FLASH芯片M29R)10中启动运行FORTH基本系统固件；同时，5IMCU串口终端通信单元的51单片机芯片STC15F2K08S2也从其内部FLASH启动运行串口通信固件，以“115200，N，8，l”的参数初始化UART，通过存储单元的双端口 SRAM芯片CY7C136与X86CPU单元的Intel 8086处理器进行数据交换，共同完成FORTH基本系统的启动，建立起串口控制台。PC上可以运行SecureCRT、串口助手等串口终端仿真软件，串口终端仿真软件同样以“ 115200，N，8，I”的串口参数，与x86教学实验系统核心板建立通信连接，当通信连接建立后，串口终端仿真软件即显示FORTH系统控制界面，至此，交互式操作环境建立，用户可以在FORTH系统控制界面上进行交互式操作，进行各类教学实验项目实验工作:直接运行FORTH基本系统已有的相关教学实验FORTH程序；在文本界面下直接编写相关教学实验的FORTH高级语言程序或FORTH汇编程序；通过终端仿真软件导入相关教学实验的FORTH程序源码文件；在FORTH解释态下执行从终端直接输入的FORTH程序以及在编译态下编译及执行从终端直接输入的FORTH程序或通过终端仿真软件导入的FORTH程序；在线调试FORTH程序；将调试好的FORTH程序固化到存储单元的FLASH存储器；最后，可以撤出PC控制台或串口终端控制台，x86教学实验系统核心板在上电后，能够独立运打指定的FORTH程序。
[0021]如图4所示，在本发明所述基于FORTH的x86教学实验系统核心板的FORTH系统交互式操作实验环境中，实验过程描述如下:
在FORTH系统交互式操作环境下，用户可以通过两种方式加载实验FORTH源程序，第一种方式是直接在FORTH系统控制界面上编写FORTH高级语言程序或FORTH汇编语言程序源码；第二种方式是通过串口终端软件的文件发送功能将已保存在PC机上的FORTH高级语言或FORTH汇编语言程序源码文件发送至教学实验系统核心板。两种方式加载的FORTH高级语言程序或FORTH汇编语言程序源码都存储在教学实验系统核心板的主内存存储空间中。
[0022]通过上述两种方式加载并存储于教学实验系统核心板主内存存储空间的FORTH程序源码可通过FORTH系统控制界面利用FORTH基本系统提供的编辑器进行程序源码的编辑修改，排除错误。只要教学实验系统核心板不断电，程序源码始终保存在主内存中。
[0023]当FORTH程序源码编辑修改完成后，可在FORTH控制台上，利用FORTH基本系统提供的FORTH编译器对FORTH程序源码进行编译，如果编译出错，则可以返回上述FORTH程序源码编辑修改过程，进行FORTH程序源码的编辑修改。
[0024]当编译正确后，可在FORTH系统控制界面上，执行已编译的FORTH程序，并能够进行在线进行单步调试和断点调试，发现FORTH程序的运行时错误。如果发现运行时错误，则可以返回FORTH程序源码的编辑修改过程，再次进行FORTH程序源码的编辑修改，重复编译与运行调试过程，如此反复，直到FORTH程序正确无误。
[0025]当FORTH程序运行调试完成后，可在FORTH系统控制界面上，利用FORTH基本系统提供的程序固化功能，将编译调试好的FORTH程序从教学实验系统核心板的主内存中固化到存储单元的FLASH存储器中。
[0026]此时，可以在教学实验系统核心板断电情况下，撤出与教学实验系统核心板连接的PC或串口终端。当再次对教学实验系统核心板上电后，教学实验系统核心板即能够脱机运行固化于存储单元FLASH存储器中的教学实验程序，实现对应教学实验目标功能。
【权利要求】
1.一种基于FORTH的x86教学实验系统核心板，由包含x86处理器、时钟发生器、总线收发器、地址锁存器构成的X86CPU单元电路，包含SRAM存储器、固化有FORTH基本系统固件的FLASH存储器、双端口 SRAM存储器构成的存储单元电路，包含固化有串口通信固件的51单片机、地址锁存器、TTL与RS232电平转换器、RS232接口插座构成的51MCU串口终端通信单元电路以及总线接口插座组成，通过连接PC或串口终端以及各类实验模块，构成x86交互式教学实验环境，在PC或终端上以交互方式进行FORTH高级语言、FORTH汇编语言的编程、在线调试、运行以及程序固化。
2.如权利要求1所述的基于FORTH的x86教学实验系统核心板，其特征在于x86教学实验系统核心板上电后，在所连接的PC或串口终端上启动FORTH系统控制界面，x86处理器的控制权交予用户，用户能够在PC或串口终端显示的FORTH系统控制界面上交互式地进行操作。
3.如权利要求1所述的基于FORTH的x86教学实验系统核心板，其特征在于FLASH存储器芯片中固化有FORTH基本系统固件，51单片机中固化有串口通信固件，两个固件同时启动运行，x86处理器和51单片机通过双端口 SRAM存储器进行数据交换。
4.如权利要求1所述的基于FORTH的x86教学实验系统核心板，其特征在于x86教学实验系统核心板能够通过FORTH系统控制界面直接编程和通过运行于PC上的串口终端仿真程序发送FORTH源码文件两种方式输入FORTH高级语言和FORTH汇编语言源码程序。
【文档编号】G09B19/00GK103456204SQ201310464260
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】周永录, 杨为民, 代红兵, 王丽清, 安红萍, 杨艳华 申请人:云南大学