实验部分

课程的实验基于一个物理嵌入式系统，核心硬件是 Espressif ESP32-C3 开发板（搭载 RISC-V 微处理器），配合一块含 6 个按钮和 8 个开关的定制 PCB，以及一个 8×32 的 LED 点阵显示屏。LED 显示屏被用来可视化内存中的数据：一个包含 8 个 unsigned 32-bit int 元素的数组，每个元素对应显示屏的一行，每个 bit 对应一行中的一个像素，最左边的 LED 是 MSB，最右边是 LSB。

每周有一个 Lab（课内 2.5 小时完成）和一个 Postlab（课后独立完成）。

Lab 1 入门——GPIO 与位运算

核心概念：位运算、指针

学生实现三个操作 GPIO 引脚的 C 函数：pinSetup（配置引脚为输入或输出）、pinWrite（向输出引脚写入数字值）、pinRead（从输入引脚读取数字值）。这三个函数的功能等同于 Arduino 的 pinMode、digitalWrite、digitalRead，但本课程要求学生从底层实现它们，直接操作微控制器特定内存地址中的 bit。

以 pinRead 为例：ESP32-C3 的地址 0x6000403C 保存了一个 32 位值，每一位对应一个 GPIO 输入引脚的状态。要读取某个引脚，需要先用指针访问该地址，再用位移和位掩码提取对应的那一位。

验证方式：把两个 LED 接到两个输出引脚上观察效果，用按钮输入和串口监视器验证输入引脚功能，最后用两个按钮的逻辑运算（如异或 XOR）控制两个 LED 输出。

Postlab 1 打位游戏——移位与位运算

核心概念：位移、位运算、回绕

基于经典游戏"Kill the Bit"。8 个相邻 LED 中有一个被点亮，持续向右移动并在最右端回绕到最左端。8 个开关分别对应 8 个 LED。每一步，将开关状态与 LED 状态逐位比较：开关"上"匹配 LED"亮"，开关"下"匹配 LED"灭"；不匹配的位置 LED 在下一步亮起，匹配的则灭掉。玩家目标是通过翻转开关使所有 LED 熄灭。

学生需要实现的三个关键部分：用 unsigned 8-bit int 表示 LED 状态并实现右移回绕行为；用 pinRead 和位移把 8 个开关状态存入另一个 unsigned 8-bit int；写一行位运算代码比较 LED 状态和开关状态。

Lab 2 ASCII 字符显示——数组与字符串

核心概念：ASCII 编码、空终止字符串、数组、屏幕缓冲区

学生用 7 个开关输入一个 8 位值（MSB 固定为 0），解释为 ASCII 字符并在串口打印。加入按钮后，每次按下按钮采样一次开关值，追加到字符数组中形成字符串；输入空字符 '\0' 时打印整个字符串并重置数组。

然后学生在 LED 显示屏上渲染字符。课程提供了一个 ascii.h 头文件，包含每个 ASCII 字符的 8×8 位图（bitmap），存为二维数组。学生写一个函数，把字符串的前 4 个字符的位图放入屏幕缓冲区数组，让数据传输到 LED 显示屏后正确显示文字。这要求操作数组元素整体以及元素内部的单个 bit。

Postlab 2 滚动文字——数组与位操作进阶

核心概念：数组操作、位操作、帧（frame）渲染

在 Lab 2 的基础上实现文字在 LED 显示屏上的滚动效果：每隔约 100 毫秒把内容整体左移一列。

学生先实现一个类似 strlen 的函数计算字符串长度，据此算出总共需要渲染的帧数（即消息的总列数）。核心函数需要根据当前循环次数，确定应该显示消息的哪一段、每个字符显示完整还是只显示一部分，再把对应的位图数据正确地写入屏幕缓冲区。与 Lab 2 不同，滚动时首尾字符可能只显示一部分，需要处理对齐问题。

Lab 3 贪吃蛇之结构体与编码设计

核心概念：结构体、位编码设计、位操作、指针

实现贪吃蛇游戏的基础框架。游戏棋盘就是 8×32 的 LED 显示屏。

位置编码设计：每个位置用一个 unsigned 8-bit int 表示，高 5 位编码 x 坐标（列，0–31），低 3 位编码 y 坐标（行，0–7）。这种设计只用一半内存（相比分别用两个 8-bit int 存 x 和 y），而且因为没有多余的未使用 bit，取模行为是天然内建的——坐标溢出时自动回绕，不需要额外代码实现。

学生实现的函数：getX、getY、setX、setY（用位移和掩码提取/修改坐标）；setPixel（根据位置设置屏幕缓冲区中对应的 bit）；drawBoard（用 setPixel 渲染蛇和食物）；updateSnake（通过指向 Snake 结构体的指针，移动蛇一步）；随机生成食物的函数。

蛇用一个 C 结构体表示，成员包括：body 数组（每个元素是一个位置编码）、方向、长度。body 数组的第一个元素是蛇头。

Postlab 3 贪吃蛇之游戏逻辑

核心概念：条件判断、结构体指针操作

完成游戏逻辑。实现 snakeAteFood（判断蛇头是否和食物位于同一位置）和 snakeCollisionCheck（判断蛇头是否撞到自己的身体）。加入按下重置按钮后重新开始的功能。

最后学生自选一项增强功能独立实现（不提供任何指导），选项包括：蛇撞到边界时游戏结束；暂停按钮；吃食物加速、不吃减速直到太慢则游戏结束；计分系统；蛇死亡时可视化衰减效果。

Lab 4 汇编入门——C 到 RISC-V 翻译

核心概念：RISC-V 汇编、C 到汇编的手动翻译、寄存器使用

学生把 Lab 1 中写过的 C 函数（pinRead、pinWrite、pinSetup）手动翻译成 RISC-V 汇编。先从 pinRead 开始，因为它的实现不需要控制流指令，学生可以先熟悉计算类指令；然后实现需要条件分支的 pinWrite 和 pinSetup。另外还要把 Lab 3 的 setPixel 也用汇编重写。

关键约束：本周学生尚未学习调用约定和栈，因此只允许使用 x0 和 a0–a7 这些寄存器；所有 procedure 都不调用其他 procedure；每个 procedure 末尾的返回指令已在 starter code 中提供；函数参数放在哪个寄存器、返回值放在哪个寄存器，由实验指导书直接告知。2023 年春季第二学期的版本还禁止使用伪指令（pseudo-instructions），要求学生只用处理器真正能执行的指令。

Postlab 4 冒泡排序——汇编中的数组操作

核心概念：排序算法的汇编实现、指令编码

学生把冒泡排序的 C 实现翻译成 RISC-V 汇编。每次交换（swap）发生时调用一个 C 函数在 LED 显示屏上可视化 8 个元素的数组状态。调用该函数所需的 procedure call 代码和 calling convention 相关指令由课程提供（因为学生此时还没学过）。

额外练习：探索一段汇编 procedure 的反汇编（disassembly），重点关注 RISC-V 指令如何被编码为二进制并存储在内存中。寄存器使用约束和伪指令限制与 Lab 4 相同。

Lab 5 生命游戏——调用约定与栈

核心概念：RISC-V procedure call、调用约定（calling convention）、栈（stack）、寄存器分类

用 RISC-V 汇编实现 Conway's Game of Life。这是第一个要求学生完整遵守调用约定的实验——可以使用全部 32 个寄存器，但必须自己负责 callee-saved 寄存器的保存和恢复。

游戏规则简化为三条：活细胞有 2 或 3 个活邻居则存活；死细胞恰好有 3 个活邻居则复活；其他活细胞死亡，其他死细胞保持死亡。游戏棋盘是 8×32 LED 显示屏，边界回绕。

学生需要翻译的核心函数：checkNeighbors（给定棋盘指针和坐标，返回某个细胞有多少活邻居）。这个函数内部会调用 tallyNeighbors（实际计数活邻居数量的辅助函数），因此学生必须正确处理嵌套 procedure call 中的调用约定——在调用 tallyNeighbors 前保存需要的寄存器到栈上，调用返回后再恢复。

对于 tallyNeighbors，课程提供了完整的汇编实现，但故意没有加入调用约定相关的指令。学生需要在合适的位置添加 sp 的增减、sw（压栈）和 lw（弹栈）指令，使其符合 calling convention。这样学生可以专注于理解调用约定本身，而不用同时操心算法逻辑。

最后学生翻译整个棋盘更新函数（board update function）到汇编，完成后系统就能运行 Game of Life。

Postlab 5 快速排序——综合运用

核心概念：递归 procedure 的调用约定、栈的策略性使用

把快速排序翻译成 RISC-V 汇编。与 Postlab 4 不同的是：学生需要分别实现 partition procedure 和调用它的 quicksort procedure；快速排序是递归的，所以必须策略性地使用栈来保存和恢复寄存器；学生需要自己编写调用可视化函数的代码（包括 procedure call 本身和 calling convention 所需的所有指令），不再由课程提供。这是对第 5 周所学内容（调用约定、栈）的综合考察。