三个本科生的国赛一等奖，藏着江南大学RISC-V产学研的密码

“分工只是主攻方向

联调时所有人一起上”

“海底大纵队”由微电子科学与工程专业大三本科生李佳、付云鹏、高源阳组成，指导教师为虞致国。三位同班同学，因对FPGA与处理器设计的共同兴趣走到了一起。此前，他们曾斩获全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛FPGA创新设计赛道全国一等奖，彼此熟悉各自的技术特长与协作模式。

但这一次，他们面对的是从零设计一颗处理器。

组队之初，三人对RISC-V的认知各有侧重。付云鹏擅长CPU内部指令执行逻辑，拥有小型CPU设计经验；李佳具备嵌入式开发功底，熟悉程序、驱动与外设之间的联动关系；高源阳深耕FPGA实现，对硬件调试有着浓厚兴趣。

但如何把指令流水线、中断机制、操作系统、外设驱动串联成完整系统，仍是摆在三人面前的全新挑战。

“分工只是主攻方向，系统联调的时候，硬件握手、驱动读取、操作系统调度任何一环出问题，所有人都要一起对照波形、核对代码。”团队约定统一接口规范，共用验证程序，修改完成后同步校验功能与中断逻辑，保障硬件、加速模块、软件生态真正打通。

谈及初次接触RISC-V的感受，付云鹏觉得“既新鲜又畏难”。数据相关、分支跳转、访存时序，都需要逐一处理。“当在仿真波形中亲眼看见一条指令完整走完流水线、正确写回寄存器时，真切感受到处理器不再是书本上的概念。”他说，“那一刻，课本上抽象的流水线，变成了屏幕上可观测的波形。”

“再跑一遍，别只成功这一次”

真正的考验出现在RT-Thread命令行串口联调阶段——电脑终端仅输入单个字符，FPGA端却会出现字符重复，命令无法正常识别。此时，处理器与操作系统的主体功能已经完成，系统却卡在了最基础的输入交互环节。

团队也曾闪过暂时绕过交互、自动运行程序的想法，但很快否定了这个念头——回避现象不等于解决根源，后续传感器、外设链路都依赖串口交互，演示环节同样需要命令输入，必须彻底定位问题。

最初测试完整命令，大量字符混杂在一起，很难区分故障发生在哪一环。团队果断停下其他优化工作，将测试收敛到单个字符，逐段排查，核对每一处的数据内容与接收次数。

付云鹏梳理软件读取逻辑，李佳比对硬件接收信号波形。查来查去，软件逻辑没问题，硬件信号也没错，可偏偏就是跑不通。

多次尝试，根源终于浮出水面——串口接收有效信号会持续维持高电平，并非理想的单周期脉冲；跨时钟域握手完成之后，持续的高电平信号仍会被反复识别为新的数据请求，同一个字节被多次送入队列，最终造成字符重复。

找到原因后，团队在硬件入口增加上升沿识别逻辑，确保一次事件仅触发一次数据传递；软件侧则等待硬件缓冲区状态更新之后，再执行读取操作。当终端终于稳定响应输入，几个人松了一口气。但付云鹏没急着高兴，而是补了一句：“再跑一遍，别只成功这一次。”

于是，团队反复开展单字符、连续完整命令的多轮复现测试，直到故障不再出现。这次经历让团队深刻明白：仿真通过不等于系统可用，缩小问题范围、依靠重复测试确认结果，远比急于修改代码更加重要。

“开放指令集不等于整颗芯片开源”

本次参赛作品以RV32IM+Zicsr指令集为基础，拓展轻量Zba/Zbb指令子集，实现机器态定时器中断、异常处理，满足RT-Thread运行条件。流水线分支预测、受限条件双指令发射、乘法与独立指令重叠执行等优化，借鉴开源RISC-V核的设计思路，但团队没有直接复用开源代码，而是吃透原理之后，结合FPGA资源约束自主编写RTL代码，完成仿真与板级全流程验证。

谈及为何选择自研RISC-V处理器作为参赛方向，团队表示，赛题本身围绕RISC-V SoC展开，同时契合团队的研究兴趣。RISC-V公开的指令规范，让开发者能够直接研究指令编码、异常机制，依托成熟工具链生成程序，完成从指令到硬件实现的全链路探索。团队也了解Arm生态的优势，但本次项目核心目标是探究CPU微架构内部实现，因此选择聚焦RISC-V开展方案迭代。

“开放指令集不等于整颗芯片开源，自主可控仍需工具链、制造和应用生态共同支撑。”这是付云鹏在项目实践中生出的感悟。

RISC-V公开规范降低了处理器入门门槛，但指令集开放，不代表流水线、存储系统等具体实现天然开源。项目实操中，团队真切体会到工具链与生态的分量：GCC编译选项必须匹配处理器支持的指令扩展，编译参数的差异，会直接改变指令布局，影响分支预测效果、程序运行周期；移植RT-Thread时，即便操作系统源码可获取，定时器、中断、驱动、链接脚本，依旧需要和自研硬件逐项适配对齐。不同模块各自逻辑合理，握手时序不匹配，依旧会引发故障。

FPGA原型开发尚且如此，如果走向流片落地，工艺制造、封装测试、上层软件应用，每一环都不可或缺。自主可控，意味着要积累从设计、验证到适配生态的完整系统能力。

亲自走完RISC-V处理器完整开发流程，团队感慨：RISC-V开放规范给了学生动手实现处理器的机会，但一套可用的系统，离不开无数细节打磨。优化性能不能只看跑分数字，需要明确适用场景、配置条件与验证边界；能够稳定复现结果、定位失败根源，才是更加扎实的工程能力。

“我不会直接给出答案”

指导老师虞致国认为，竞赛是连接课堂与真实工程的“第二课堂”，重点在于培养系统思维和解决问题的能力，不能替代基础学习。

日常指导中，他先让学生理解成熟架构、掌握设计工具，完成“学会”；再引导他们查手册、看报告、定位瓶颈，比较方案，逐步“会学”；最后从实际问题出发提出改进，评估代价，用仿真和上板数据验证，走向“创新”。

“我不会直接给出答案，而是鼓励学生试错。”在他看来，有依据、能落地的小改进同样有价值，自主学习与持续改进的能力比奖项更重要。

当前，国家对集成电路产业高度重视，产教融合已成为人才培养的关键路径。虞致国认为，像全国大学生集成电路创新创业大赛这样的学科竞赛，用具体工程任务连接了教学、科研和产业。企业命题让学生理解实际需求，综合运用课程知识，在方案比较、测试和迭代中学习用实验与数据检验判断。企业评价也能反馈到课程和实训。

“我更关注学生能否独立分析问题、合作完成系统，并用可靠数据说明设计的合理性，这些能力是走向科研和产业的重要基础。”虞致国说。

江南大学集成电路学院依托二十余年办学积累，持续深耕学科建设，深化产教融合、科教融汇育人模式，以高水平学科竞赛赋能人才培养，不断提升学生创新实践能力与核心竞争力，为集成电路行业高质量发展持续培育高素质应用型、创新型专业人才。