基于emu806的虛擬機床系統(tǒng)實驗設計

基于emu806的虛擬機床系統(tǒng)實驗設計

虛擬化是當今信息技術最受歡迎的趨勢之一，并非偶然。當各種技術都包羅在虛擬化之中時,它們都正在以顯著的方式改變著IT世界。從經濟學角度來說,它主要有節(jié)約成本的優(yōu)點。虛擬技術的分類很多,具有代表的學者DavidChappell認為,虛擬技術分為硬件虛擬化、展示虛擬化和應用程序虛擬化3個領域。還有一些學者將虛擬技術分為硬件虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化和編程虛擬化。微機原理與接口技術課程的主要內容是微機系統(tǒng)的工作原理。在實際的教學中,實驗設備昂貴,造成實驗環(huán)節(jié)比重過少,不能充分發(fā)揮學習者的創(chuàng)造性和能動性。而實踐證明,做中學是一種非常高效的現(xiàn)代教育理論,做中學理論即“從活動中學”和“從經驗中學”。本文介紹一些基于仿真軟件EMU8086的虛擬微機系統(tǒng)實驗,使學習者容易達到做中學的目的。1基于emu8065的實現(xiàn)以Intel8086為CPU的微型計算機系統(tǒng)IBMPC/XT是16位計算機的代表性機型,它是學習32位乃至64位計算機原理的基礎。EMU8086是基于8086CPU和DOS操作系統(tǒng)的虛擬軟件,屬于硬件虛擬技術。EMU8086是交互式學習匯編語言(AssemblyLanguage)、計算機結構(ComputerArchitecture)和逆向工程(ReverseEngineering)的完整仿真體系。其內部集成了匯編程序匯編器、參考資料、程序實例、學習指南和虛擬硬件等。EMU8086是學習Intel8086微型計算機的虛擬工具。它模擬真實微處理器的每一步驟,并顯示內部寄存器、存儲器、堆棧、變量和標志寄存器,而且其中任何一個值都可通過鼠標雙擊來改變。同時它還可虛擬I/O接口,以及屏幕、電機、紅綠燈、LED等外部設備。微型系統(tǒng)實驗包括匯編語言實驗、硬件接口實驗、硬件中斷實驗、軟盤實驗以及操作系統(tǒng)實驗等幾個部分。1.1指令跟蹤運行界面要完成匯編語言實驗,可利用EMU8086中集成的編輯器、匯編器、連接器和跟蹤執(zhí)行器等模塊來實現(xiàn)。新建一個匯編語言源程序時,EMU8086自動給出了匯編語言的基本框架,在框架的基礎上,只用寫出匯編語言的核心語句,之后點擊相應按鈕,系統(tǒng)完成編譯、連接,無錯誤后即自動進入到指令跟蹤運行界面。該平臺具有單步和連續(xù)運行方式,連續(xù)運行每條指令的執(zhí)行間隔從0～400ms可調節(jié)。通過此界面還可以觀察CPU內部寄存器的值,觀察指令機器碼和對應的反匯編指令。跟蹤執(zhí)行器還可以顯示算術邏輯單元(ALU)的二進制數(shù)值和CPU內部標志寄存器(FLAGS)的值,用來供學習者全面理解CPU的工作機理和監(jiān)視內部運行狀態(tài)。1.2emu8065的虛擬表面處理8086微型計算機采用典型的總線結構,包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。CPU訪問內存和I/O外設都是通過地址來進行的,而且均采用獨立編址。訪問內存的方法較簡單,在此不做贅述。在此重點介紹訪問I/O外設的方法,EMU8086虛擬外設跟實際8086一樣,采用16位地址譯碼,共有65536個(地址范圍0000H～0FFFFH)I/O地址可供使用。EMU8086虛擬外設的機理是,使用一個純二進制文件EMU8086.io來存放所有端口的值,每個端口都存放著一個8位二進制數(shù),字節(jié)的序號與端口序號一一對應,即第0字節(jié)存放0000H端口的數(shù)據(jù),0100H存放0100H端口的數(shù)據(jù),以此類推?；谏鲜鲈?在EMU8086系統(tǒng)中,理論上可生成任何有效地址的用戶自定義外設,對于這些虛擬外設,可通過輸入輸出指令來訪問。EMU8086虛擬外設可由任何語言,如JAVA、VB、VC++、DELPHI、C#、.NET等來生成,或由其他可訪問文件的語言來生成。例如,用VB虛擬出一個輸出外設,其端口地址是200H,則在匯編語言中使用OUT指令往文件EMU8086.io的第200H字節(jié)處寫入數(shù)值“55H”,虛擬外設讀取該字節(jié),就會實時得到“55H”這個值,這樣就完成了輸出數(shù)據(jù)到外設。輸入的方法與之類似。EMU8086自帶了幾個虛擬外設,包括液晶顯示器、交通燈系統(tǒng)、機器人、打印機、步進電機等外設,可以完成基本的I/O實驗,每個外設對應一個或多個固定端口地址。1.3中斷號對應的請求標志硬件中斷是微機系統(tǒng)的重要組成部分。硬件中斷通常由外設觸發(fā),執(zhí)行特定的中斷服務程序。硬件中斷嚴格受硬件中斷控制標志IF位的控制,當IF為0時禁止中斷,為1時打開中斷。EMU8086實現(xiàn)硬件中斷的機理是,它將256個中斷(0～255號)的中斷請求標志存放于一個256字節(jié)的二進制文件EMU8086.hw,一個中斷號對應的請求標志,此標志占用一個字節(jié),該字節(jié)為0表示該中斷無請求,為非零時表示該中斷有請求。在中斷打開的情況下,系統(tǒng)不斷掃描保存在EMU8086.hw中的請求標志,當某個中斷號對應的標志字節(jié)為非零時,系統(tǒng)自動到中斷向量表(內存0000～003FH)查找該中斷的中斷向量,轉向該中斷服務程序執(zhí)行,并且將EMU8086.hw中的對應標志字節(jié)清零。CLI指令用來關閉中斷,STI用來打開中斷,無論在整個程序還是硬件中斷程序執(zhí)行過程中,硬件中斷都可設置為打開或關閉狀態(tài)。例如,主程序初始化代碼用STI打開中斷,主程序在執(zhí)行過程中,如果某虛擬外設將EMU8086.hw中第2個字節(jié)觸發(fā)為01H,這時第02H號中斷就被觸發(fā),假設02號中斷向量為1200H:0100H,則CPU保護好主程序的現(xiàn)場,轉向1200H:0100H處執(zhí)行中斷服務程序,之后恢復現(xiàn)場,返回主程序。1.4軟磁盤的虛擬應用EMU8086能夠生成純二進制代碼文件(*.bin)和基于軟磁盤的啟動程序。純二進制代碼文件類似于com文件,但沒有1MB的限制。由軟磁盤啟動時CPU讀取軟盤0面、0磁頭、0扇區(qū)代碼到內存0000H:7C00H處。軟磁盤是8086微機系統(tǒng)的主要組成部分,EMU8086可虛擬最多4個軟磁盤,分別命名軟磁盤0～軟磁盤3,虛擬軟磁盤與標準的1.4寸軟磁盤一樣,容量為1474560字節(jié)。通過EMU8086的菜單可添加或刪除軟磁盤的數(shù)量,軟磁盤的格式與IBM/MS-DOS的軟磁盤格式完全兼容?？墒褂肂IOS的11H號軟中斷來獲取虛擬軟磁盤的數(shù)量,該中斷返回值保存在累加器AX中,其值的第6、7位決定了虛擬軟磁盤的數(shù)量,具體對應關系如下:00單個軟磁盤012個軟磁盤103個軟磁盤114個軟磁盤訪問軟磁盤可通過13H號中斷實現(xiàn),2號功能用于讀軟磁盤,3號功能用于寫軟磁盤。寄存器DL用于定位訪問哪個軟磁盤,DH用于定位磁頭,CH用于定位柱面號,CL用于定位扇區(qū)號,AL用于保存讀寫扇區(qū)的數(shù)量。內存緩沖區(qū)的位置由指針ES:BX來決定,這樣就可完成軟磁盤的讀寫操作。2虛擬實驗的不足之處EMU8086是基于Windows操作系統(tǒng)的仿真軟件,同其他仿真軟件一樣,它的仿真對象與真實對象有著部分功能或屬性上的差異,由于仿真系統(tǒng)需要處理大量的功能仿真數(shù)據(jù),沒有對時間嚴格的監(jiān)控,導致大部分仿真系統(tǒng)只側重功能仿真,輕視或忽略時間的真實性,這些差異需要在實踐過程中不斷改善和克服,才能保證仿真對象的真實度。通過實踐,虛擬實驗的不足之處體現(xiàn)在以下幾個方面。首先,EMU8086的仿真系統(tǒng)的運行速度與真實的8086系統(tǒng)不一樣,而且由于運行仿真軟件的計算機的性能有差異,導致仿真8086系統(tǒng)與實際的8086微機系統(tǒng)差異也不一致,在虛擬8086中代碼運行1s,對應成真實的8086系統(tǒng)其運行時間可能是數(shù)ms,簡言之,虛擬實驗的時序與實際時序有差異。其次,EMU8086的編譯系統(tǒng)不支持ORG、SEG等偽指令;對部分指令反匯編也不正確,如將指令LEABX,[200H]編譯再反匯編后成了MOVBX,200H。第三,系統(tǒng)提供的接口和外設不能完全滿足教和學的要求,部分硬件功能過于簡單,在接口和硬件中斷實驗中,采用了端口地址及中斷號固定位置映射的方法,沒有涉及系統(tǒng)總線的硬件仿真。如果能夠虛擬出系統(tǒng)總線,將總線加以開放并圖形化,讓使用者完成系統(tǒng)總線與虛擬接口之間的連線,這樣更利于學習者理解微機系統(tǒng)的硬件工作原理。第四,在實際應用過程中,需要避免具有同一端口地址多個接口或外設同時運行,否則會造成數(shù)據(jù)沖突,出現(xiàn)錯誤。3虛擬的鞣來語基于EMU8086可完成多項微機原理及接口實驗,主要有匯編語言、并行I/O接口、硬件中斷、軟盤讀寫、系統(tǒng)啟動代碼、操作系統(tǒng)等實驗。虛擬的外設主要有五位七