2021龙芯杯游记

第一次参加龙芯杯，报名的是团队赛，感受到了前排大佬的实力碾压…

一切的开始

这学期有计算机组成原理的课程设计实验，要求实现一个简单的（中断都没有）RISC-VCPU，考虑到课程设计实验的难度不大，我和几个同学很早便完成了实验。

老师看我们的进度快便推荐我们参加龙芯杯比赛。我们早在四月便完成了报名。

开始动手

当时我们正在上操作系统课程实验，老师突然发了一条消息

虽然说四月报名参加比赛，但我们三个人一直到七月上旬才开始动手😑

我们花了一周的时间讨论并设计我们CPU的微结构，确定为做一个带Cache的顺序双发射、五级流水线的朴素的CPU。接下来我们用两周的时间完成了初赛作品的设计（ddl永远是第一驱动力）

Git commits by month:

        month   sum
        Jan     0       |
        Feb     0       |
        Mar     0       |
        Apr     0       |
        May     4       |█
        Jun     5       |█
        Jul     81      |████████████████████████████████
        Aug     112     |████████████████████████████████████████████
        Sep     0       |
        Oct     0       |
        Nov     0       |
        Dec     0       |

在初赛提交的晚上，我们临时发现最新的版本有Bug，会导致无法通过系统测试部分功能，并且性能测试有一定的几率出现极低的分数。我们三个人立即开始回滚版本，但是由于没有保存以前综合的bitstream，只能立即综合，与时间赛跑。这时候，学校的后勤不知道在想什么，没有任何预告的把宿舍的电闸拉了….

最后有惊无险的赶在截止前几分钟把作品提交了上去

准备复赛

初赛提交完成后，我们开始看复赛的要求，我们的基本目标是跑起来一个PMON，这样复赛演示起评分能有10分。

首先不得不吐槽一下PMON，这个上古世纪的东西，只能用GCC4编译，我一开始编译了一个mipsel版本的GCC11尝试用于编译PMON，结果报出各种花里胡哨的错误，有一些能够手动修改，但是PMON里面有很多宏定义的东西，涉及类型转换、判断等，这些由于我实力不足，实在没办法修改，只能安装一个GCC4

解决编译工具链的问题后，要考虑阉割功能，首先是Cache指令，这个实现起来相对复杂，我们全局搜索并删除了它们。

接着是TLB相关指令，我们考虑到如果复赛不加点功能好像说不过去，于是参照A13手册实现了简易的TLB功能。TLB是一个大坑，它堵在关键路径上：一条TLB表项就是90位，并且考虑到PageMask这个东西，在确定那些位要保留上是一个十分深的逻辑。我们一开始做了32个表项，没想到连50MHz都上不去了….最后通过拆分TLB功能所在的流水级（我们没有加流水级）并且降低表项到4，勉强保证了75MHz的频率（初赛时有88MHz）

接下来是十分无语的问题，我们使用自己编译定制的PMON，在上电后解压内核时发生了CRC校验错误😓，此时距离复赛提交的时间不多了，我们怀疑是gzip版本过于先进，导致PMON自带的解压代码无法识别（未验证）。我们只好使用IDA，对着龙芯提供的PMON二进制进行逆向修改。

我们在跑通PMON后想着能否更近一步，跑一个uCore，接着发现uCore需要使用到32个TLB表项，并且需要TLBWR指令支持（我们只实现了三个基本的TLB指令）。我把uCore的源代码进行了魔改，用TLBR和TLBWI模拟了TLBWR指令。但是上电后发现uCore在卡在等待中断上了，一时间找不到问题的源头，只好放弃了uCore。此时距离复赛提交只有两天了。

我们马上讨论，准备演示程序自己复刻一个Ping Pong（Pong - Wikipedia)。我们使用到了两块FPGA，一块是龙芯实验箱，另一块是计组实验用的Nexys4DDR，N4DDR上运行了我计组实现写的带串口的简易RISC-VCPU，当作手柄和实验箱通信。实验箱上运行着团队大佬手写的汇编Pong，他用汇编实现了一个线程调度，中断注册等功能的简易操作系统内核，然后在内核上实现了Pong的主程序。

现场加指令

这一部分听学长讲一般都是很简单的指令，比如说max或者min之类的，没想到我们这一次要求加一个filter指令：记录所有filter的数据，去除两个最大值、两个最小值，返回剩下的和，难度比往年有所增加。

这个也不是很难，只要维护最大值、最小值以及和总和即可。

答辩

答辩还算顺利。答辩前，我们猜想了几个问题：“为什么没有跑uCore”，没想到还真被问到了 …

评委只问了三个问题：“为什么没有跑uCore”、“游戏怎么写的”、“怎么逆向的代码”，感觉和CPU完全不擦边，估计是我们的作品没什么亮点

对我们而言，就是奔着三等奖去的（过了初赛的保底三等），毕竟我们投入的时间太少，前前后后只有一个月。

总结

这个比赛越来越难打了

1. 要想进复赛一定得有一个Cache
2. 得保证充足的时间，理想的情况是在初赛时就要把复赛准备做的东西完成
3. 要想拿名次，操作系统至少跑一个uCore，最好是Linux，这个基本上来说是二三等奖的分水岭

=== Update(2021.8.25) ===

今天正好有空，继续完善了一下之前的项目，跑通了uCore：

1. 修复时钟中断产生时没有将IP[7]置1的问题
2. 添加TLBWR指令：如果不做的话可以手动模拟TLBWR过程
3. 增加特权级（uCore代码里面使用了KSU，但可以偷懒不做Supervisor，只做UM即可）：这个一定要实现，在处理TLB REFILL时会根据特权级进行不同的操作。最简单的“取巧做法”就是单让UM位可写，其它不管

=== Update(2021.9.10) ===

顺手移植了一下RT-Thread操作系统（My Fork）

这里主要修改了以下几个地方：

1. 基于ls1b和ls1c的代码进行精简，创建新的NSCSCC板级支持包
2. 删除EHB指令（一个侵入式的修改，将MIPS通用启动过程中的EHB指令替换成NOP）
3. 自定义编译工具链（GCC11 + Newlib，编译时不产生Branch Likely指令）

目前遗憾的是没能驱动网卡 :cry: