计算机系统能力培养综合实践之蓝牙小车

目录

• 前言
• 实验1：自定制接口模块的设计
• 实验2：Rocket Chip在ZYNQ上的实现
• 实验3：在Rocket Chip上添加对蓝牙小车的支持

前言

面向计算机系统能力培养的蓝牙小车实验平台是在FPGA开发板上，采用CPU+FPGA的SoC技术进行开发的，其目的是通过搭建实用的处理器系统（在“计算机组成原理”课程中同学们已经亲手实现过自己的CPU，“接口技术”课程中学习搭建过具有简单接口设备的处理器系统）、定制的操作系统的设计与实现、以及结合实际的蓝牙小车应用，将之前在“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”和“接口技术”等课程中所学到的知识，在“计算机系统能力培养综合实践”课程中进行系统性融合，使其成为一个更加完整的整体，从而达到计算机系统能力培养的目标、提升综合能力。

面向计算机系统能力培养的蓝牙小车实验平台提供了处理器软核、自主操作系统、多种硬件模块设备接口、蓝牙小车典型应用、硬件加速（智能）模块等，满足“计算机系统能力培养综合实践”课程教学要求。

面向计算机系统能力培养的蓝牙小车实验平台具有以下特点：

1. 是一个以实践为主导、具有一定展示度的实验平台。基于该实验平台开发的蓝牙小车应用具有可展示度，能够激发读者的创新性和想象力；在实验平台上通过渐进式、积木式的实验方法，帮助同学们熟练掌握计算机硬件到软件、底层到高层的全套技术，从而使得读者对计算机系统各层次的技术有更加深刻的理解。
2. 强化智能应用、实验创新性强。实验平台基于CPU+FPGA的SoC技术开发，在现有基于计算机系统能力培养视角的基础上，通过充分利用现成资源、独立开发和实践创新的方式，强化系统的智能性，是对现有计算机系统能力培养的拓展与深化。
3. 实验具有可扩展性。同学们可借助开发板所提供的硬件设备资源（如麦克风和喇叭、SD卡控制器等）以及PMOD或ARDUINO扩展，添加新的外部设备（如摄像头、红外模块、超声波或激光测距模块等），通过硬、软件协同设计实现创新的功能（如音乐播放、避障、寻迹、视频录制、智能控制等）。
4. 有效突破传统硬件实验对实验时间、实验空间的限制。实现课内课外协同化，大大提升实验效率，降低了实验成本。

同学们在课程中将独立或多人协作完成一台蓝牙小车。该蓝牙小车的核心是一块FPGA开发板，通过在该开发板上外接（通过PMOD或ARDUINO接口）的蓝牙模块，将可以通过手机上的蓝牙控制应用（蓝牙串口助手App或者是自己开发的手机App）连接到该蓝牙小车，并通过应用所提供的命令接口（命令协议自己定义）实现对小车的控制（如前进、后退、转向等）。

本课程给出的蓝牙小车的总体架构包含了以下三个层面的设计：

1. 系统硬件层面。在该层面，将在FPGA开发板上构建一个完整的计算机硬件系统，主要包括：处理器、UART接口、存储控制器等通用接口；同时，为了实现蓝牙小车应用，还需要设计蓝牙模块、电机驱动模块等接口（理论上可以添加任意需要的接口）；
2. 操作系统层面。在该层面，需要在上一步所构建的计算机硬件体系上运行一个（自主）操作系统，该操作系统是一个基于开源的多任务操作系统；为了方便对其了解和定制，操作系统的代码规模被控制在尽可能小的规模；同样，为了实现蓝牙小车应用，还需要对该操作系统进行分析了解，完成相应的实验；
3. 应用层面。在该层面，将在上述硬件系统和操作系统支持的基础上，完成蓝牙小车的控制程序设计；在实现基本功能，如读取蓝牙输入、控制电机运转的基础上，实现完整的蓝牙小车应用系统。

在熟悉了整个蓝牙小车系统的基础上，还可以利用平台所提供的扩展性，研究并实现一些更高级的功能。例如，实现对声音的录制、播放，甚至实现对小车的语音控制；实现对摄像头的支持，从而完成录像、播放等功能，并进而在此基础上（部分的）实现小车的智能化。还可以以这个蓝牙小车应用为基础，自行进行扩展，例如：小车运行的过程中播放音乐、自动回避障碍物、自动驾驶等等，以展示我们这个基于蓝牙小车的系统能力综合实践的“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度。

说明

操作系统请详见基于RISC-V代理内核的操作系统课程实验与课程设计