一种基于FORTH的x86教学实验系统核心板技术方案

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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于FORTH的x86教学实验系统核心板，属计算机教学与实验
 
技术介绍
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。 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。 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。 
技术实现思路
本技术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。 本技术中，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一起，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；51MCU串口终端通信单元包括51MCU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技术基于FORTH的x86教学实验系统核心板的连接。本技术中，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示FORTH系统控制界面。 本技术中，51MCU串口终端通信单元的51MCU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的交互。 本技术的基于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51MCU的FLASH中的串口通信固件也同时启动运行，在x86CPU和51MCU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，能够独立运行指定的FORTH程序。 本技术的基于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、运行与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FORTH的x86教学实验系统核心板，其特征在于由包含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；其中，x86CPU单元电路通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元电路以及总线接口插座相连接，51MCU串口终端通信单元电路与存储单元电路相连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于FORTH的x86教学实验系统核心板，其特征在于由包含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；其中，x86...

【专利技术属性】
技术研发人员：周永录，杨为民，代红兵，王丽清，安红萍，杨艳华，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：新型
国别省市：云南;53