Tang Nano 9K是一款基于高云半導體小蜜蜂系列GW1NR-LV9 FPGA芯片的高性價比、入門級開發板。其豐富的邏輯資源（約8640個LUT4）、嵌入式塊狀RAM（B-SRAM）和靈活的I/O，使其成為在單芯片上實現并運行完整PicoRV32 RISC-V軟核及其外圍硬件系統的絕佳選擇。

一、核心優勢：為何選擇Tang Nano 9K？

1. 充足的邏輯資源：GW1NR-LV9 FPGA提供了足夠的可編程邏輯單元，能夠輕松容納PicoRV32這樣的精簡RISC-V內核（通常僅需1000-2000個LUTs），并為后續擴展復雜的自定義外設或加速器預留了廣闊空間。
2. 集成存儲與PLL：板載的嵌入式存儲塊可用于實現軟核的指令與數據存儲器（如RAM或ROM），而片內鎖相環（PLL）則能生成系統所需的各種時鐘頻率，確保了系統的高效與穩定運行。
3. 豐富的外設接口：開發板自帶RGB LED、按鍵、用戶IO擴展接口、SPI Flash（用于存儲FPGA配置文件和軟核程序）等，為連接和模擬各類外設提供了硬件基礎。

二、系統設計：模擬PicoRV32軟核與完整外設生態

在Tang Nano 9K上構建一個完整的微處理器系統，通常包含以下核心模塊，全部通過硬件描述語言（如Verilog）設計并集成：

1. PicoRV32 RISC-V CPU軟核：作為系統的中央處理器。這是一個高度可配置、最小化的32位RISC-V實現，支持RV32IMC指令集。設計時需將其作為一個模塊實例化，并連接至系統總線。
2. 片上存儲器系統：

• 指令存儲器（IMEM）：通常使用FPGA的塊RAM實現，用于存儲CPU執行的程序代碼。

• 數據存儲器（DMEM）：同樣使用塊RAM，作為CPU運行時的工作RAM。

• 內存映射：設計一個地址解碼器，為不同的外設（如UART、GPIO、定時器）分配唯一的地址空間。

1. 系統總線：通常采用簡單的Wishbone或AXI4-Lite等總線協議，作為CPU與所有外設之間通信的標準化通道，實現模塊化的設計。
2. 關鍵外設IP核（硬件設計）：

• 通用異步收發器（UART）：用于與PC進行串行通信，是調試和輸入輸出的關鍵。

• 通用輸入輸出（GPIO）：控制板載LED、讀取按鍵狀態，并連接外部擴展設備。

• 系統定時器（Timer）：提供精確的時間基準，用于任務調度、延時等。

• SPI控制器：用于讀寫板載SPI Flash，可以實現“程序存儲于Flash、上電后加載至RAM運行”的典型嵌入式工作流程。

• 脈沖寬度調制（PWM）：可用于控制LED亮度或電機速度。

三、開發流程與工具鏈

1. 硬件設計與綜合：使用高云云源軟件（Gowin EDA）進行Verilog編碼、綜合、布局布線和生成比特流文件。將PicoRV32源碼與自編寫的外設模塊一同集成到頂層設計中。
2. 軟件程序開發：利用RISC-V GNU工具鏈（如riscv-gcc）編寫C/C++應用程序。通過鏈接腳本，將程序代碼定位到設計好的存儲器地址空間中。
3. 系統集成與調試：

• 將編譯好的軟件程序（.bin或.hex文件）初始化到FPGA設計中的ROM/BRAM里，或通過UART引導加載。

• 通過Gowin EDA的邏輯分析儀工具進行內部信號抓取調試。

• 最終將完整的比特流文件下載到Tang Nano 9K的SPI Flash中，實現上電自啟動運行。

四、應用與展望

成功在Tang Nano 9K上運行PicoRV32及全套外設，標志著一個真正意義上的片上系統（SoC）的實現。開發者可以在此基礎上：

• 深入學習計算機體系結構：理解CPU、總線、存儲與外設如何協同工作。
• 進行嵌入式開發實踐：編寫驅動程序，控制各種硬件。
• 實現定制化加速：利用富余的FPGA資源，為PicoRV32添加專用的硬件加速引擎（如算法加速器），探索軟硬件協同設計的魅力。

Tang Nano 9K以其親民的價格和恰到好處的資源，為FPGA和RISC-V愛好者提供了一個從零開始搭建并理解一個完整、可實際運行的計算系統的完美沙盒。通過將PicoRV32軟核與所有必需的外設硬件集成于一體，開發者能夠獲得從底層硬件到上層軟件的端到端設計體驗。