基于emu806的虚拟机床系统实验设计

基于emu806的虚拟机床系统实验设计

虚拟化是当今信息技术最受欢迎的趋势之一，并非偶然。当各种技术都包罗在虚拟化之中时,它们都正在以显著的方式改变着IT世界。从经济学角度来说,它主要有节约成本的优点。虚拟技术的分类很多,具有代表的学者DavidChappell认为,虚拟技术分为硬件虚拟化、展示虚拟化和应用程序虚拟化3个领域。还有一些学者将虚拟技术分为硬件虚拟化、操作系统虚拟化和编程虚拟化。微机原理与接口技术课程的主要内容是微机系统的工作原理。在实际的教学中,实验设备昂贵,造成实验环节比重过少,不能充分发挥学习者的创造性和能动性。而实践证明,做中学是一种非常高效的现代教育理论,做中学理论即“从活动中学”和“从经验中学”。本文介绍一些基于仿真软件EMU8086的虚拟微机系统实验,使学习者容易达到做中学的目的。1基于emu8065的实现以Intel8086为CPU的微型计算机系统IBMPC/XT是16位计算机的代表性机型,它是学习32位乃至64位计算机原理的基础。EMU8086是基于8086CPU和DOS操作系统的虚拟软件,属于硬件虚拟技术。EMU8086是交互式学习汇编语言(AssemblyLanguage)、计算机结构(ComputerArchitecture)和逆向工程(ReverseEngineering)的完整仿真体系。其内部集成了汇编程序汇编器、参考资料、程序实例、学习指南和虚拟硬件等。EMU8086是学习Intel8086微型计算机的虚拟工具。它模拟真实微处理器的每一步骤,并显示内部寄存器、存储器、堆栈、变量和标志寄存器,而且其中任何一个值都可通过鼠标双击来改变。同时它还可虚拟I/O接口,以及屏幕、电机、红绿灯、LED等外部设备。微型系统实验包括汇编语言实验、硬件接口实验、硬件中断实验、软盘实验以及操作系统实验等几个部分。1.1指令跟踪运行界面要完成汇编语言实验,可利用EMU8086中集成的编辑器、汇编器、连接器和跟踪执行器等模块来实现。新建一个汇编语言源程序时,EMU8086自动给出了汇编语言的基本框架,在框架的基础上,只用写出汇编语言的核心语句,之后点击相应按钮,系统完成编译、连接,无错误后即自动进入到指令跟踪运行界面。该平台具有单步和连续运行方式,连续运行每条指令的执行间隔从0～400ms可调节。通过此界面还可以观察CPU内部寄存器的值,观察指令机器码和对应的反汇编指令。跟踪执行器还可以显示算术逻辑单元(ALU)的二进制数值和CPU内部标志寄存器(FLAGS)的值,用来供学习者全面理解CPU的工作机理和监视内部运行状态。1.2emu8065的虚拟表面处理8086微型计算机采用典型的总线结构,包括数据总线、地址总线和控制总线。CPU访问内存和I/O外设都是通过地址来进行的,而且均采用独立编址。访问内存的方法较简单,在此不做赘述。在此重点介绍访问I/O外设的方法,EMU8086虚拟外设跟实际8086一样,采用16位地址译码,共有65536个(地址范围0000H～0FFFFH)I/O地址可供使用。EMU8086虚拟外设的机理是,使用一个纯二进制文件EMU8086.io来存放所有端口的值,每个端口都存放着一个8位二进制数,字节的序号与端口序号一一对应,即第0字节存放0000H端口的数据,0100H存放0100H端口的数据,以此类推。基于上述原理,在EMU8086系统中,理论上可生成任何有效地址的用户自定义外设,对于这些虚拟外设,可通过输入输出指令来访问。EMU8086虚拟外设可由任何语言,如JAVA、VB、VC++、DELPHI、C#、.NET等来生成,或由其他可访问文件的语言来生成。例如,用VB虚拟出一个输出外设,其端口地址是200H,则在汇编语言中使用OUT指令往文件EMU8086.io的第200H字节处写入数值“55H”,虚拟外设读取该字节,就会实时得到“55H”这个值,这样就完成了输出数据到外设。输入的方法与之类似。EMU8086自带了几个虚拟外设,包括液晶显示器、交通灯系统、机器人、打印机、步进电机等外设,可以完成基本的I/O实验,每个外设对应一个或多个固定端口地址。1.3中断号对应的请求标志硬件中断是微机系统的重要组成部分。硬件中断通常由外设触发,执行特定的中断服务程序。硬件中断严格受硬件中断控制标志IF位的控制,当IF为0时禁止中断,为1时打开中断。EMU8086实现硬件中断的机理是,它将256个中断(0～255号)的中断请求标志存放于一个256字节的二进制文件EMU8086.hw,一个中断号对应的请求标志,此标志占用一个字节,该字节为0表示该中断无请求,为非零时表示该中断有请求。在中断打开的情况下,系统不断扫描保存在EMU8086.hw中的请求标志,当某个中断号对应的标志字节为非零时,系统自动到中断向量表(内存0000～003FH)查找该中断的中断向量,转向该中断服务程序执行,并且将EMU8086.hw中的对应标志字节清零。CLI指令用来关闭中断,STI用来打开中断,无论在整个程序还是硬件中断程序执行过程中,硬件中断都可设置为打开或关闭状态。例如,主程序初始化代码用STI打开中断,主程序在执行过程中,如果某虚拟外设将EMU8086.hw中第2个字节触发为01H,这时第02H号中断就被触发,假设02号中断向量为1200H:0100H,则CPU保护好主程序的现场,转向1200H:0100H处执行中断服务程序,之后恢复现场,返回主程序。1.4软磁盘的虚拟应用EMU8086能够生成纯二进制代码文件(*.bin)和基于软磁盘的启动程序。纯二进制代码文件类似于com文件,但没有1MB的限制。由软磁盘启动时CPU读取软盘0面、0磁头、0扇区代码到内存0000H:7C00H处。软磁盘是8086微机系统的主要组成部分,EMU8086可虚拟最多4个软磁盘,分别命名软磁盘0～软磁盘3,虚拟软磁盘与标准的1.4寸软磁盘一样,容量为1474560字节。通过EMU8086的菜单可添加或删除软磁盘的数量,软磁盘的格式与IBM/MS-DOS的软磁盘格式完全兼容。可使用BIOS的11H号软中断来获取虚拟软磁盘的数量,该中断返回值保存在累加器AX中,其值的第6、7位决定了虚拟软磁盘的数量,具体对应关系如下:00单个软磁盘012个软磁盘103个软磁盘114个软磁盘访问软磁盘可通过13H号中断实现,2号功能用于读软磁盘,3号功能用于写软磁盘。寄存器DL用于定位访问哪个软磁盘,DH用于定位磁头,CH用于定位柱面号,CL用于定位扇区号,AL用于保存读写扇区的数量。内存缓冲区的位置由指针ES:BX来决定,这样就可完成软磁盘的读写操作。2虚拟实验的不足之处EMU8086是基于Windows操作系统的仿真软件,同其他仿真软件一样,它的仿真对象与真实对象有着部分功能或属性上的差异,由于仿真系统需要处理大量的功能仿真数据,没有对时间严格的监控,导致大部分仿真系统只侧重功能仿真,轻视或忽略时间的真实性,这些差异需要在实践过程中不断改善和克服,才能保证仿真对象的真实度。通过实践,虚拟实验的不足之处体现在以下几个方面。首先,EMU8086的仿真系统的运行速度与真实的8086系统不一样,而且由于运行仿真软件的计算机的性能有差异,导致仿真8086系统与实际的8086微机系统差异也不一致,在虚拟8086中代码运行1s,对应成真实的8086系统其运行时间可能是数ms,简言之,虚拟实验的时序与实际时序有差异。其次,EMU8086的编译系统不支持ORG、SEG等伪指令;对部分指令反汇编也不正确,如将指令LEABX,[200H]编译再反汇编后成了MOVBX,200H。第三,系统提供的接口和外设不能完全满足教和学的要求,部分硬件功能过于简单,在接口和硬件中断实验中,采用了端口地址及中断号固定位置映射的方法,没有涉及系统总线的硬件仿真。如果能够虚拟出系统总线,将总线加以开放并图形化,让使用者完成系统总线与虚拟接口之间的连线,这样更利于学习者理解微机系统的硬件工作原理。第四,在实际应用过程中,需要避免具有同一端口地址多个接口或外设同时运行,否则会造成数据冲突,出现错误。3虚拟的鞣来语基于EMU8086可完成多项微机原理及接口实验,主要有汇编语言、并行I/O接口、硬件中断、软盘读写、系统启动代码、操作系统等实验。虚拟的外设主要有五位七