计算机组成原理实验报告，硬件结构设计，RISC-V，SoC，picoRV32

本次课程设计要求基于开源的RISC-V 核——picoRV32 搭建一个完整的 SoC（片上系统），并在自己搭建的 SoC 之上进行软件编程，体会硬件设计与软件编程的结合。 RISC-V-On-PYNQ Overlay实现了在PYNQ-Z2板上的RISC-V处理器及工具链集成，并提供了完整的RISC-V源码与设计流程，得益于PYNQ软件框架，其支持在Jupyter Notebook对RISC-V进行编译、调试与验证，即可以在Jupyter Notebook上编写一段C/C++/RISC-V汇编程序，将编译后的二进制文件放到picoRV32上运行。 《硬件结构设计》综合实验报告主要探讨了如何利用开源RISC-V核——picoRV32构建一个完整的SoC（System on Chip）系统，并在该系统上进行软件编程，以理解硬件设计与软件编程的相互关系。实验的核心是RISC-V架构的实现，特别是picoRV32这一轻量级的RISC-V处理器核心，它被用于PYNQ-Z2开发板上，以展示嵌入式系统的设计与应用。 RISC-V-On-PYNQ Overlay是实验的关键组成部分，它集成了RISC-V处理器和工具链，允许用户在PYNQ的Jupyter Notebook环境中进行编译、调试和验证。通过这种方式，开发者可以直接在笔记本上编写C/C++或RISC-V汇编代码，然后将编译后的二进制文件运行在picoRV32处理器上，这极大地简化了开发流程。 实验的硬件设计方案涉及以下几个关键步骤： 1. **嵌入式系统设计流程**：理解并掌握嵌入式系统的设计过程，包括需求分析、体系结构设计、模块划分、IP核选择和集成、系统联调等步骤。 2. **硬件方案**：选用picoRV32作为处理器核心，构建SoC需要考虑外围设备接口，如存储器、输入/输出（I/O）端口、总线协议等。这些组件需要通过VHDL或Verilog等硬件描述语言来实现，并在FPGA（Field Programmable Gate Array）上配置。 3. **软件方案**：使用RISC-V的交叉编译工具链，将高级语言代码编译为能在RISC-V架构上运行的机器代码。同时，利用PYNQ软件框架提供的便利，实现在Jupyter Notebook中的代码编辑、编译和调试。 在实验过程中，具体操作包括： - **模块设置与IP核包装**：设计和封装必要的硬件模块，如内存控制器、中断控制器等，确保它们能与picoRV32核心正确交互。 - **连接IP与其他组件**：通过总线系统（如AXI）将各个IP核连接起来，实现数据和控制信号的传输。 - **生成文件**：利用硬件描述语言完成设计后，通过EDA工具（如Xilinx Vivado）生成比特流文件。 - **oDisk解压文件**：将生成的比特流文件上传到PYNQ-Z2开发板的文件系统中。 - **放置指定文件夹**：将编译好的RISC-V程序放入开发板的特定目录，以便处理器可以访问。 - **验证RISC-V功能**：在PYNQ-Z2云平台上运行测试程序，确认RISC-V处理器能够正常执行指令。 实验的成功在于不仅构建了一个功能完备的SoC系统，而且能够在该系统上运行用户自定义的软件，这充分体现了硬件设计与软件开发的紧密协作。通过这次实验，参与者不仅能深入理解RISC-V架构的特性，还能掌握SoC设计的基本流程和技术，同时对FPGA开发和嵌入式系统有更直观的认识。 在实验心得部分，学生通常会分享他们在实验过程中的学习体验、遇到的问题以及解决问题的方法，强调团队合作的重要性，以及对未来硬件设计和嵌入式系统开发的展望。通过这样的实践，他们将具备更强的工程能力和问题解决能力，为今后的IT职业生涯奠定坚实基础。