CN104680901A - 一种8051单片机原理可视化演示的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种8051单片机原理可视化演示的系统及方法，属于实验教学仪器领域。所述系统包括：演示架、三屏显示器、面板、PC机、单元模型和导线。三屏显示器和面板固定在演示架上，面板上有滑槽和端孔，用于固定单元模型和导线，面板背面有电源和通信总线。PC机包括三屏输出显卡和通信接口，连接三屏显示器和面板。单元模型顶面有触屏LCD。所述方法包括：在三屏显示器上依次显示8051软核的时序图、结构图和源代码；使用单元模型和导线，在面板上搭建指令执行路径模型，虚实结合演示单片机原理。本发明解决了现有实验仪器难以全面、直观、实时地演示8051单片机内部组成及工作原理的问题，可作为高校单片机原理与应用课程的实验教学仪器。

Description

一种8051单片机原理可视化演示的系统及方法

技术领域   

本发明涉及一种8051单片机原理可视化演示的系统及方法，属于实验教学仪器领域。

背景技术

目前的单片机实验教学仪器大部分基于“单片机+各种接口和外设”的架构，突出单片机丰富的应用功能，但在演示单片机内部组成和工作原理方面存在瓶颈。学生仅能从编程模型角度理解和使用单片机，缺乏对于单片机内部结构和工作原理深层次的理解，导致专业人才知识结构存在的“偏软怕硬”的缺陷。随着集成电路技术的飞速发展，未来的核心技术将逐渐从集成电路芯片的应用转向为设计。因此，从原理上弄懂单片机的组成和工作机制，比掌握某一型号单片机的应用更加重要。现有单片机实验教学仪器在对单片机原理的理解、单片机建模方法和原理演示手段等方面存在问题。

在2013年9月11日授权公告的实用新型专利CN203192291中，公开了一种单片机原理实验箱，其摘要如下：“本实用新型公开了一种单片机原理实验箱，属于教学仪器技术领域。其包括箱体和电源，所述箱体中设有主控制器模块、矩阵键盘模块、存储器模块、液晶显示器模块、数模模数转换模块、LED电平显示电路、逻辑电平开关电路、步进电机模块、可调模拟输入电路、蜂鸣器输入电路、串口通信模块、温度采集模块、红外遥控模块、继电器模块、无线通信模块、SIM300s彩信模块、各模块通过标准的电源接口与电源连接，各模块上设有连接端孔。本实验新型由于采用以上结构，同现有技术相比具有不仅可以提供传统的教学实验项目、还可以提供无线环境的红外遥控、无线环境彩信传送实验项目的优点。”

这一发明以增加外设模块的形式，丰富了传统单片机教学实验项目。但对单片机的原理和应用没有明确区分，未包含支持单片机内部组成和工作原理演示的软硬件模块和实验，在单片机原理展示方面有待改进。

2011年1月由潘明、黄继业等编著，清华大学出版社出版的《单片机原理与应用技术》一书讲解了基于单片机IP软核的片上系统构建及应用的知识。从片上系统构建的角度，运用单片机IP软核建模实现8051单片机功能，从而更进一步理解单片机原理。该书及配套的“单片机SOC实验开发系统”使用的单片机软核“CPU8051V1”是8052单片机CPU核且只给出软核的VQM（Verilog Quartus Mapping）文件，虽可用例化的方式直接调用，但看不到底层的Verilog源码，无法深层次地展示8051单片机内部结构和工作原理。

国外多家大学及开源组织提供了使用硬件描述语言编写的8051 代码，如：i8051、MC8051、oc8051。这些代码均开源，但其功能与Intel标准8051核存在一定差异，如汇编指令周期不匹配、模块功能被裁剪等。要通过学习这些IP核来完全掌握8051单片机原理存在一定技术门槛，不适合初学者学习。

针对现有单片机实验教学仪器在单片机原理演示方面存在的问题，本发明提供一种8051单片机原理可视化演示的系统及方法，利用虚实结合建模手段，全面、直观、实时地演示8051单片机内部组成及工作原理。

发明内容

本发明的目的是提供一种8051单片机原理可视化演示的系统及方法，利用虚实结合建模手段，全面、直观、实时地演示8051单片机内部组成及工作原理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现，结合附图，进行说明：

一种8051单片机原理可视化演示的系统包括：演示架（1）、三屏显示器（2）、面板（3）、PC机、单元模型（4）和导线。

所述的演示架（1）用于固定三屏显示器（2）和面板（3），搭建多媒体演示平台。

所述的三屏显示器（2）由3个独立的LCD显示器组成，从上到下依次是上屏、中屏和下屏。LED显示器具有支持一机三屏配置的接口，用于显示8051软核的时序图、结构图和源代码。

所述的面板（3）包括滑槽（5）和端孔（6），用于固定单元模型（4）和导线，面板（3）背部有电源和485通信总线，从面板右侧引入，延伸到各滑槽中。

所述的PC机包括支持一机三屏的显卡。运行Ubuntu操作系统，装有Modelsim、Debussy和上位机软件。

所述的单元模型（4）采用通用化设计，其外形是长方体结构，内含STM32系列ARM控制器，顶面有触屏LCD（7），背端引出电源接口和485总线通信接口。触屏LCD（7）分为配置区，用于接收外部配置；模块名称区，用于显示模块名称；端口名称区，用于显示端口名称；端口状态区，用于显示端口状态。根据触屏LCD（7）的大小，每个单元模型（4）包含指定数量的端口名称区。当要构建模块的实际端口数少于或等于单元模型能显示的端口数时，使用1个单元模型可完成模块构建；当要构建模块的实际端口数大于单元模型能显示的端口数时，使用多个单元模型，固定在面板上相邻的滑槽上，可完成模块构建；

一种8051单片机原理可视化演示方法，在多个开源8051软核源码基础上重构出用于演示的8051软核，再从汇编指令的硬件实现入手，采用三屏显示和虚实建模的手段协同对8051单片机原理进行演示，其特征在于包括以下步骤：

1）重构用于演示的8051软核，过程包括：按照Intel官方8051的组成框图划分软核模块，并作适当修正；严格按照三层次的结构组织各个模块，顶层和中间层使用原理图输入文件建模，底层使用Verilog硬件描述语言建模；严格按照Intel官方提供的汇编指令时序周期模型编写8051软核代码；底层使用行为级代码书写风格，便于理解和展示；

2）使用上位机软件，选择演示激励文件；

3）使用EDA软件，三屏依次显示时序图、结构图和源代码；

4） 使用单元模型和导线在面板上构建汇编指令的执行路径模型；

5）使用上位机软件，将配置信息（包括：模块名称，端口名称），发送给面板上的汇编指令的执行路径模型；

6）使用上位机软件，将各端口在指令周期内某一机器周期的逻辑状态发送给汇编指令的执行路径模型，结合模型展示时序；

7）使用上位机软件，发送指令周期内不同机器周期的逻辑状态至汇编指令的执行路径模型，动态演示8051单片机原理。

本发明对现有开源8051 IP核进行重构，得到用于演示的8051软核，从汇编指令的硬件实现入手，采用三屏显示和虚实建模的手段协同演示8051单片机原理，演示形式新颖，演示效果全面、直观、实时性好，提高实验教学效果。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统流程图；

图2为本发明一实施例的系统框图；

图3为本发明一实施例中演示架的结构示意图；

图4为本发明一实施例中面板的正面结构示意图；

图5为本发明一实施例中面板的背面结构示意图；

图6为本发明一实施例中面板的整体结构示意图；

图7为本发明一实施例中单元模型的外部结构示意图；

图8为本发明一实施例中单元模型的内部硬件框图；

图9为本发明一实施例中单元模型的内部结构示意图；

图10为本发明一实施例中取指阶段涉及的主要模块；

图11为本发明一实施例中取指阶段涉及的关键端口时序；

图12为本发明一实施例中上位机人机交互界面；

其中，1-演示架，2-三屏显示器，3-面板，4-单元模块，5-滑槽，6-端孔，7-触屏LCD。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容作进一步说明：

本发明从255条汇编指令的硬件实现出发说明单片机的内部组成和工作原理。

由于每条汇编指令具体实现所涉及8051软核内部的模块各异，但在取指阶段涉及的模块相同，这里以MOV A ,11H指令为例，机器码74 11，对应程序存储器地址30 31，说明取指阶段涉及的主要模块和关键端口时序，具体见图10和图11。

取指在每条指令周期的C1S1P2（C：指令周期；S：状态；P：相位；C1S1P2即第一个指令周期的第二个状态的第二个相位）完成，工作原理如下：

、C1S1，PCCtrl模块的PROGRAM_ADDR端口输出当前执行指令的地址；localout模块使用PROGRAM_ADDR信号驱动顶层的地址总线端口M；

、C1S1P1，Port模块的MOEI端口输出读控制信号；prog_mem_strobes模块使用MOEI信号驱动顶层的控制总线读端口NMOE；muxiromd模块使用MD信号驱动内部的IROMD信号，该信号为指令的操作码和操作数；

、C1S1P2 ，OpcLatch模块使用IROMD信号驱动OPC端口，实现指令的锁存。

图1是单片机的内部组成和工作原理演示流程图，具体演示过程为：

在PC机上运行上位机软件，选择演示激励文件，包括波形日志文件（Wave Log File，WLF）和定义时序图中端口显示列表的do文件。

优选的，上述两个文件可由使用者按照规则自定义自行编写。

运行Modelsim软件打开上述文件，将时序图移至三屏显示器（2）的上屏显示。

运行Debussy软件打开软核源代码，使用原理图视图和代码视图在三屏显示器（2）的中屏和下屏显示软核内部结构。其中，中屏显示原理图视图，下屏显示代码视图。

依据三屏显示器（2）上屏和中屏的显示信息，搭建汇编指令的执行路径模型。具体包括：在Modelsim时序图中勾勒出汇编指令周期内输出逻辑状态发生变化的内部模块及其端口，使用单元模型（4）在面板（3）上构建这些模块，使用导线连接面板（3）上单元模型端口旁的端孔表示模块端口之间的连接关系。

开启面板（3）电源，在各单元模型触屏LCD（7）的配置区输入配置信息。

运行上位机软件，配置和演示汇编指令的执行路径模型。配置阶段，读取单元模型（4）顶部触屏LCD（7）配置区的配置信息，将模块名称和端口名称发送到各单元模型（4），单元模型（4）在触屏LCD（7）的模块名称区和端口名称区显示这些信息；演示阶段，选择指令周期的任一机器周期，将软核内部模块端口的逻辑状态发送到执行路径模型中的对应模块端口，单元模型（4）在触屏LCD（7）的端口状态区显示这些信息。

上位机软件包含人机交互接口，点击上位机软件界面上的“下一步”按钮，将下一机器周期的端口逻辑信息发送到执行路径模型；点击“上一步”按钮，将上一机器周期的端口逻辑信息发送到执行路径模型，点击“自动”按钮，将从指令周期的第一个机器周期至最后一个机器周期的端口逻辑信息定期发送到执行路径模型。

Claims (2)

1.一种8051单片机原理可视化演示的系统：包括演示架（1）、三屏显示器（2）、面板（3）、PC机、单元模型（4）和导线，其特征在于：

所述的演示架（1）用于固定三屏显示器（2）和面板（3），搭建多媒体演示平台；

所述的三屏显示器（2）由3个独立的LCD显示器组成，从上到下依次是上屏、中屏和下屏，显示器具有支持一机三屏配置的接口，用于显示8051软核的时序图、结构图和源代码；

所述的面板（3）包括滑槽（5）和端孔（6），用于固定单元模型（4）和导线，面板（3）背部有电源和485通信总线，从面板右侧引入，延伸到各滑槽中；

所述的PC机包括支持一机三屏的显卡，运行Ubuntu操作系统，装有Modelsim、Debussy和上位机软件；

所述的单元模型（4）采用通用化设计，内含STM32系列ARM控制器，顶面有触屏LCD（7），背端引出电源接口和485总线通信接口，触屏LCD（7）分为配置区、模块名称区、端口名称区、端口状态区。

2.一种8051单片机原理可视化演示方法，在多个开源8051软核源码基础上重构出用于演示的8051软核，再从汇编指令的硬件实现入手，采用三屏显示和虚实建模的手段协同对8051单片机原理进行演示，其特征在于包括以下步骤：

1）重构用于演示的8051软核，过程包括：按照Intel官方8051的组成框图划分软核模块，并作适当修正；严格按照三层次的结构组织各个模块，顶层和中间层使用原理图输入文件建模，底层使用Verilog硬件描述语言建模；严格按照Intel官方提供的汇编指令时序周期模型编写8051软核代码；底层使用行为级代码书写风格，便于理解和展示；

2）使用上位机软件，选择演示激励文件；

3）使用EDA软件，三屏依次显示时序图、结构图和源代码；

4）使用单元模型和导线在面板上构建汇编指令的执行路径模型；

5）使用上位机软件，将配置信息，包括：模块名称，端口名称，发送给面板上的汇编指令的执行路径模型；

6）使用上位机软件，将各端口在指令周期内某一机器周期的逻辑状态发送给汇编指令的执行路径模型，结合模型展示时序；

7）使用上位机软件，发送指令周期内不同机器周期的逻辑状态至汇编指令的执行路径模型，动态演示8051单片机原理。