第八届集创赛“龙芯杯”赛题解析（含具体实现思路）_集创赛龙芯杯

第八届集创赛“龙芯杯”赛题解析（含具体实现思路）

0 致读者

我选取了第八届集创赛芯片设计赛道——SoC系统设计中的 “龙芯杯”，为各位读者做了这期赛题解析，希望能给您一些帮助。

我将从行业热度与发展趋势、技术难度分析、赛题实现思路这三个方面来进行 “龙芯杯” 的赛题解析，内容超级详细，建议大家收藏精读，干货满满~

鉴于笔者的研究方向主要为FPGA相关领域，对于处理器架构和计算机组成原理等领域仍在学习当中，此文章的内容仅供参考，欢迎各位读者联系我进行深度交流，一起进步！

欢迎各位读者关注我的专栏 《Ryan的FPGA学习笔记》 、《紫光同创FPGA开发笔记》，超级详细的 FPGA 入门指南！！

1 “龙芯杯”赛题内容

2 行业热度和发展趋势

这个板块旨在通过分析行业热度和发展趋势，告诉大家在第八届集创赛的 22 个杯赛中 选择“龙芯杯” 的优势。

行业热度

• 自主创新的追求：随着全球科技冲突和贸易壁垒的加剧，国内对自主可控的核心技术开发投入越来越多的关注和资源，LoongArch作为国产自主研发的处理器架构，其研究和应用受到了国家层面的重视和支持。
• 广泛的应用场景：从云计算、大数据处理到边缘计算、物联网，乃至人工智能的各个领域，智能处理器的应用场景日益扩大。基于LoongArch架构的智能处理器原型设计，具有在多样化应用需求中提供优化解决方案的潜力。

发展趋势

• 边缘计算的兴起：随着物联网和5G技术的发展，数据在边缘的处理需求急剧增加。智能处理器在边缘设备中的应用，能够实现数据的快速处理和响应，减少数据传输的延迟和成本。LoongArch架构的处理器在这一趋势下，有望在边缘计算领域获得更广泛的应用。
• 能效比的重要性日益凸显：随着对环保和可持续发展的重视，以及计算需求的增加，如何在保证性能的同时降低能耗成为设计智能处理器时的重要考虑因素。基于LoongArch架构设计的处理器原型，需要在能效比优化上进行创新和突破。
• 向开源和平台化发展：开源硬件和软件的兴起，为智能处理器的研发提供了更为广阔的协作平台和资源。LoongArch架构的未来发展，可能会更多地依赖于开源社区的贡献和协作，以及与国产操作系统和开发平台的深度集成。
• 安全性成为关键考量：在智能处理器的应用领域，尤其是在关键基础设施和敏感数据处理方面，安全性成为设计的重要指标。LoongArch架构的智能处理器原型设计，需要重视安全功能的集成和加密技术的应用。

综上所述，基于LoongArch架构的智能处理器原型设计，正处于行业热点和技术发展趋势的交汇点。未来的发展方向，既需要关注技术创新和性能优化，也需要适应市场和应用需求的变化，特别是在边缘计算、能效比优化、安全性增强等方面展现出更大的潜力和价值。

3 技术难度分析

我将从LoongArch架构理解、FPGA开发与集成、智能算法的硬件实现、设计验证与优化这四个方面来分析参加“龙芯杯”的技术难度。

3.1 LoongArch架构理解

• 指令集特性：LoongArch架构的指令集与主流的x86或ARM架构有显著差异，这要求设计者不仅要掌握其基本指令集，还要深入理解其特有的指令和扩展，如向量处理、加密解密指令等。这对于优化智能处理功能的实现具有关键意义。
• 硬件接口兼容性：设计者需要确保LoongArch处理器核IP能够与选定的国产FPGA平台上的硬件资源（如I/O端口、内存接口等）无缝对接。这可能涉及到复杂的接口适配和信号同步问题，特别是在高速数据处理和大容量数据交换的场景下。

3.2 FPGA开发与集成难度

• 资源优化：在FPGA上实现高效的智能处理器原型，需要对FPGA的资源分配和管理有深入的理解，如查找表(LUT)的使用、寄存器的分配、时钟管理等。设计者需要在保证性能的同时，优化资源使用，以满足片上系统的设计指标。
• 并行计算设计：FPGA的一个核心优势是其并行处理能力。设计智能处理功能时，如何充分利用这一特点，通过并行算法设计和硬件加速器的优化，来提升处理性能，是一大挑战。
• 硬件加速器集成：与FPGA上的硬件加速器协同工作，需要在硬件级别对加速算法进行精细的设计和调整。这不仅涉及到硬件设计的复杂性，还需要对目标应用场景下的算法有深刻的理解，以确保加速效果。

3.3 智能算法的硬件实现

• 算法优化：将智能算法从软件转换为硬件实现，需要对算法进行深度优化，包括减少计算复杂度、优化数据路径、降低功耗等。这要求设计者不仅要精通算法本身，还要能够将算法高效映射到硬件上。
• 实时性要求：许多应用场景（如人机交互、智能交通等）对处理器的响应时间有严格要求。设计者需要确保智能处理器原型不仅能够处理复杂的算法任务，还要保证低延迟和高实时性。

3.4 设计验证与优化

• 仿真与调试：在整个开发过程中，需要通过仿真来预测和验证设计的性能。然而，由于智能处理器设计的复杂性，仿真模型的建立和调试过程可能非常耗时耗力。
• 性能评估：在FPGA上实现智能处理器原型后，如何准确评估其性能，特别是在不同应用场景下的表现，需要综合考虑处理速度、功耗、资源使用等多个方面。这要求设计者具备全面的评估和优化能力。

综上，参加“龙芯杯”需要具备一系列跨学科的技术知识和技能，包括但不限于以下关键领域和技术方向：

• 处理器架构和计算机组成原理；
• 硬件描述语言（HDL）和电路设计；
• FPGA开发和调试；
• 嵌入式系统开发；
• 软硬件协同设计。

4 赛题实现思路

要实现基于LoongArch架构的智能处理器原型设计的设计指标和进阶指标，需要逐步深入到每一个要求中。这些指标不仅要求技术的深入理解和应用，还需要具体的实施策略。

我将基于“龙芯杯”赛题每一条具体的设计指标，提供一些实现这些设计指标的思路，仅供参考。

4.1 在国产FPGA平台上搭建片上系统

• 选择合适的国产FPGA平台：首先，需要根据项目需求、资源配置、成本和性能指标来选择适合的国产FPGA平台。由于目前市场上国产FPGA种类繁多，考虑到技术支持工作量，官方目前只验证了高云的平台。经过验证，容量低于GW5AT的FPGA进行应用调试会有困难。因此，本次参赛所选用的国产FPGA开发平台建议使用高云FPGA，也可以根据自己的需求尝试其他品牌FPGA的移植。
• 环境搭建与工具准备：在选定的FPGA平台上，根据LoongArch处理器核IP的接口规范，设计SoC的基本框架。这包括确定处理器核、内存（ROM/RAM）、外设接口等的连接架构。

4.2 龙芯LoongArch处理器核IP与FPGA上的硬件加速器集成

• 获取并研究LoongArch处理器核IP：本次参赛报名成功后会发送此部分资料给参赛团队，需要详细研究其技术文档，了解其接口规范、配置选项和集成方法。
• 基于LoongArch架构的IP核集成：使用FPGA开发工具，按照LoongArch处理器核IP的接口规范，将其集成到你的FPGA设计中。这通常涉及到在FPGA的逻辑单元中实例化处理器核IP，配置必要的参数。

4.3 实现ROM与RAM数据交互

• 设计内存接口：根据LoongArch处理器核IP的技术规范设计内存接口。这包括定义ROM和RAM的大小、类型（比如静态RAM、动态RAM等）和访问方式。
• 实现数据交互逻辑：设计并实现处理器核与内存之间的数据读写逻辑。这通常需要编写硬件描述语言（HDL）代码，如Verilog或VHDL，来描述数据传输的控制逻辑。

4.4 与芯片外部引脚连接的信号接口外设

• 定义外设接口：根据设计的需要和场景需求，定义所需的外设接口类型，如串行通讯接口（UART）、通用输入输出（GPIO）等。
• 实现外设接口：设计并实现这些外设接口与LoongArch处理器核的连接逻辑，确保处理器可以通过这些接口与外界通信。这同样需要在FPGA上编写和配置相应的HDL代码。

4.5 添加智能处理功能、人机交互功能、信号采集功能

• 分析具体应用场景需求：确定处理器原型设计将用于哪些具体的应用场景，分析这些场景对智能处理功能、人机交互和信号采集的具体需求。
• 设计并集成智能处理功能：根据应用场景的需求，设计必要的智能处理算法（如图像识别、语音处理等），并将这些算法通过硬件加速器或软件实现集成到系统中。
• 实现人机交互和信号采集功能：设计人机交互界面（如果需要），如触摸屏接口、LED指示、按钮输入等，并实现信号采集功能，如温度传感、声音采集等。这可能需要额外的硬件模块和相应的驱动程序。

4.6 为智能处理器原型添加国产操作系统的支持

• 选择合适的国产操作系统：首先，需要根据项目的具体需求选择合适的国产操作系统，如RT-Thread、OpenHarmony等。这些操作系统对于嵌入式设备和智能处理器有良好的支持。
• 获取操作系统源代码：从官方网站或仓库获取选定操作系统的源代码。这通常包括内核代码、库文件、工具链等。
• 适配LoongArch架构：对操作系统进行必要的移植和适配工作，使其能在基于LoongArch架构的处理器上运行。这包括编译器（如GCC）的交叉编译设置、启动代码（Bootloader）的适配、内核的配置和编译等。
• 系统集成与测试：将操作系统集成到智能处理器原型中，并进行系统级测试，确保操作系统能够在硬件上正常启动和运行，各种设备驱动正常工作。

4.7 自行设计智能处理加速器

• 需求分析：分析所需智能处理功能的计算需求，确定需要加速的算法或任务，如深度学习推理、图像处理等。
• 加速器设计：根据需求分析的结果，设计相应的硬件加速器。这包括确定加速器的架构、算法的硬件实现方法、以及如何与LoongArch处理器核进行高效的数据交换。
• HDL编码与仿真：使用硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL，编写加速器的代码，并进行仿真测试，验证其功能和性能。
• FPGA实现与集成：将设计好的加速器通过FPGA开发工具实现到FPGA平台上，并与LoongArch处理器核进行集成，确保加速器能够被处理器正确访问和控制。

4.8 自行设计外围接口IP

• 界定接口需求：根据智能处理器原型的应用场景，确定需要哪些外围接口，如传感器接口、通信接口等。
• 接口IP设计：设计这些外围接口的IP核，包括定义接口协议、数据传输机制、控制逻辑等。
• HDL编码与仿真：使用HDL编写外围接口IP的代码，并进行仿真测试，以验证其功能正确性和性能指标。
• FPGA实现与集成：将设计的外围接口IP实现到FPGA平台上，并与LoongArch处理器核以及其他系统组件进行集成，确保系统整体的协同工作。

5 总结

整个设计过程是一个由浅入深，逐步提升的过程，旨在使参赛者能够系统地掌握基于LoongArch架构的智能处理器原型设计。从基础指标的实现到进阶指标的完成，不仅需要技术知识的积累和应用，还需要创新思维和解决问题的能力。通过这个过程，参赛者可以深入理解LoongArch架构的特点，掌握国产FPGA平台的开发技术，同时在实际项目中提升自己的设计和开发能力。

以上是关于赛题的详细解析，其中4.1 ~ 4.5是基础指标的实现路径，4.6 ~ 4.8是进阶指标的实现路径。因此，参加龙芯杯不仅需要深厚的硬件设计和编程能力，还需要对操作系统、硬件加速技术以及外围接口设计有深入的理解。通过这些指标的实现，可以显著提高智能处理器原型的性能、功能丰富性和应用场景的适应性。

鉴于 “龙芯杯” 在集创赛首次设立，没有往届的资料参考。不过往年一直有 全国大学生计算机系统能力培养大赛——“龙芯杯”，我在下方提供两个 Github 仓库，内含丰富的关于此比赛的资料，我认为有一定的借鉴意义，如果还有其他需求欢迎联系我进行深度交流。

https://github.com/loongson-education/nscscc-wiki

https://github.com/Silverster98/bit_nscscc_suggestion

希望以上的内容对您有所帮助，诚挚地欢迎各位读者在评论区或者私信我交流！

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