一转眼，已经是八月的最后一天了，暑假也快结束了。这段时间里，我主要的任务就是贵系的专业实践小学期，我们组的选题是参与第三届“龙芯杯”全国大学生系统能力培养大赛。忙活了一个暑假，最终不负众望得到了第一名。按照惯例，比赛后还是想回顾一下整个过程。
缘起
最早听说龙芯杯其实是两年以前的事情，宇翔、坏人和昌老师参加了第一届龙芯杯。在当时大家几乎只能写出一个简单的 MIPS CPU 的情况下，他们成功地用上了实验板上的大部分外设，还移植了 Linux（可以参见 GitHub 上的代码和报告）。毫无疑问地，当年的特等奖被他们摘得。当时才大一的我听说奖金整整有五万，立刻心动了起来。去年暑假，我和 miskcoo 决定提前完成计原的项目，于是在 ThinPad 实验板上写了一个双发射的 MIPS32 CPU（代码在 GitHub。暑假里，我也一直在关注参加龙芯杯的同学们的动向。去年的成员是唐适之、蔡子熙和刘熙航，他们做的是双核 MIPS CPU。然而，由于性能测试只能在一个核心上跑，而双核也不可避免地影响了 CPU 的频率，因此最终他们在性能测试上吃了大亏，最后拿了第二名。
去年的比赛刚结束，宇翔就找到我们，说吴老板当了教指委的主任，想要把这个奖拿回来。一方面出于兴趣和对输掉的不甘心，也冲着五万的奖金，我答应了下来，也就算正式开始准备比赛了。
赛前准备
由于我们已经有了一个双发射 CPU 的原型，我们原本打算从今年春季的操作系统课程上就开始进行比赛的准备，但是由于与老师有一些方向上的争议，所以事实上课程中并没有进行任何龙芯杯的准备工作，而是专心地在做 rCore 教学操作系统在 MIPS 平台上的移植。当然，这并不意味着我们毫无进展，至少过程中我们修复了 CPU 的好几个 bug，并且越来越清晰地认识到，它已经有点积重难返了，恐怕不得不需要全部重写了。
过了一阵子出了正式的比赛通知，今年初赛还是功能和性能两部分分别计分，测例都没有换，性能测试也还是只看相对于龙芯 GS132 的加速比。但是决赛的评分方式有了一些调整，指令集答题 20%（基本是送分），性能分占 40%，展示和答辩表现各 20%。其中性能分中，主频和 IPC 各占 20 分，这与前两届单独计算加速比或者运行时间都不一样。事实上，主频和 IPC 基本在一个翘翘板的两端（两者分别和逻辑复杂程度基本呈负相关/正相关），很难同时取得进步。或许主办方这样做就是想要遏制一下去年疯狂提频的做法（在 这里 可以看到去年所有队伍的展示 PPT，还有北理的参赛总结文档，可以看到西工大的主频还是比较恐怖的），但这也给我们的准备带来了新的难题。
四月底比赛就开始报名了，我又拉上了刘晓义和我们一起参赛。因为系里想让我们出两个队，思来想去我又找了杰哥和一位大二同学、一位大一同学一起组了一个队（事后证明其实不是非常明智）。报名完一段时间以后我们就拿到了实验箱，不过我一直把它扔在 308，直到期末考试前都没摸过。
暑假小学期的第一节课，我们讨论了一下究竟要做些什么。因为去年在性能上丢了分，因此刘卫东老师要求我们要把这部分分数抢回来；而在功能展示上，康总指出我们可以跑图形界面（X Window），宇翔提到了有 Qt Embedded 可以直接工作在 Framebuffer 上写比较 fancy 的 GUI 程序。杰哥则一心想把实验板上的 USB 接口用起来，然后也需要用 Linux 来演示。确定了小目标以后，我们的比赛就算正式开始了。
初赛
整个七月份我们都在准备初赛，miskcoo 负责写 CPU（这次称为 NonTrivialMIPS），刘喵喵写 cache，而我在折腾 Vivado 和 CI 这些比较杂的东西。于是事实上我并没有写几行 RTL，而是不停在和 Vivado 进行着斗争。我遇到的 bug 之多简直 罄竹难书，尤其是有一段时间 Vivado 经常由于奇怪的原因崩溃，或者表现奇怪（比如所有时钟都消失然后综合出错误的东西来）。这让我的心态也不太好，因此没有什么太实质的进展。虽然参考了宇翔的设计，但是我还是没法用起来板子上的外接 Flash，这让我也比较沮丧。杰哥由于并没有 CPU 的基础，拉上了两个队友一起写 CPU。但是其实大家都知道，CPU 基本没法切开成几个人实现；外加杰哥的队友总是很忙（比如参与了 NOI 相关工作），因此实际上主力还是杰哥，不过开会的时候也还能看到他队友。
另一方面，和我并行进行的 CPU 设计倒是比较顺利。miskcoo 把 CPU 的取指和译码阶段重新设计了，使得双发射的逻辑控制更清晰了，而后面的执行等部分基本都用的原来的代码（这也埋下了一些隐患）。刘喵喵也实现了听起来比较科学的三级流水 cache，指令部分比较简单，数据部分实现成了 write-back 和 write-allocate，带一个简单的写缓冲。7/19，我们第一次把带着 cache 的 CPU 接入到了龙芯的测试环境中，还是 50MHz 的默认主频，得到了大概 33 左右的性能分（和去年清华队的最终成绩持平）。这时候杰哥的 CPU 已经实现完了，正在努力攻克 USB（此时已经只剩下杰哥一个人了）。他的调试过程要比我们困难，用上了物理的逻辑分析仪一个一个抓信号，说是使用了开源代码，实际上是重写了大部分。
接下来的两周每次和康总开会的时候，我们总是能够提升一点性能分（包括直接提升频率，或者优化一点路径）。到 7/29，我们的频率达到了 110MHz，性能分在 71 左右。这已经超过了前一届的最高性能分（也就是西工大的分数）。7/30 是一个神奇的日子，我去了一趟沈阳面谈美签，在回来的路上看了一眼我们的讨论群，发现性能分突然猛涨到了 80 分！一问才知道 miskcoo 进行了比较本质优化，把一些指令的执行延迟到访存阶段（也就是 dcache 的三级流水阶段），这样能够让流水线的阻塞大幅减少，自然提高了性能。这时候杰哥也实现了一个使用 AXI System Cache 的版本，性能大概在 4 分左右。
8/5 是初赛提交的日子，考虑到诸多因素，我们最终提交的版本并不是现有的最快版本，而是一个主频 80MHz，分数大概在 50 左右的保守版本。不得不提的是，从 QQ 群中的交流来看，这一届大家的实力的确都很强，性能分达到数十分的人比比皆是。甚至还有人匿名在群里散布一些耸人听闻的消息，比如性能分已经达到了89分；这让几乎所有人都吃了一惊，我虽然觉得并不怎么可信，但也产生了隐隐的担心。八月初我把现状转告了杰哥以后，他决定抛弃 AXI System Cache 自己写。于是在也就是提交截止那一天，他也成功地完成了一个大约 15 分的版本（速度实在是让人钦佩）。
决赛准备
交完初赛以后，我顺理成章地摸了几天鱼，而后宇翔打听到了一个消息：今年的初赛门槛会比较高。由于教指委设定了获奖比例的限制，因此进入决赛的队伍从往年的 25 支减少到了 21 支。经过两年的经验积累，大家对于性能优化也有了一定的概念。于是我们很遗憾地得知，杰哥并没有进入决赛（相较去年只要能够运行性能测试都能进入决赛）。我们提交的版本性能是初赛第五名（在我们前面的有国科大、北邮、哈工大两支队伍），第一名的分数依旧在 70 左右。得知这一消息，我们心情也是喜忧参半：高兴的是我们的实际性能其实已经超过了初赛的第一；担心的是是否也有别的队伍像我们一样并没有提交最好的结果，或者他们在这两周时间中也取得大的突破。
事实上，从初赛结束以后到决赛开始之前这段时间，我在 Linux 移植上已经做了比较多的工作，内核态已经能够比较正常的运行。其中也花了不少时间修 CPU 的 bug，不外乎就是使用 ILA 或者跟着代码，外加一些 printk，定位到每个问题基本上都要花一天左右。好几个问题都是由于 CPU 的实现并不标准（和规范有出入）造成的，也基本都是去年遗留的问题，包括对外部中断的处理、对 TLB 标志位的处理等等，大多来自于 CP0。调了几天之后，我们已经能够正常从 U-Boot 引导起 Linux kernel，并且到达启动用户态程序的阶段了。但是此时 Flash 还是不可用的，于是我们只能用 initramfs，导致每次引导需要传的文件都比较大，因此需要较多的时间（当然，没有修改了 ILA 或者 RTL 之后重新综合布线需要的时间多）。我也找杰哥要来了他的 USB 支持代码并且移植到了我的 SoC 和内核里，但是不知为何也并不工作。
结果一出来，组委会要求我们提交决赛名单，并且说可以更改成员。我得知以后大喜过望，和组委会二次确认了可以增加成员后，立刻把杰哥拉到了我们的队伍中，他花了一天多时间就解决了我们的 Flash 和 USB 的可用性问题，分别是我约束和 IP 配置写得有问题，以及错误地连接了信号导致的（这让我十分愧疚）。
由于使用了标准的 Xilinx IP，所以用上 Framebuffer 并没有什么难度。但我们试图移植宇翔的 frambuffer 加速模块的时候遇到了一些麻烦，一开始它总是完全不工作，后来才发现坏人写的代码其实是错的，只是刚好在旧版 IP 上能工作。修复了这个问题以后以后，终端的滚屏突然变得诡异了起来。我和杰哥研究了好几天也没能发现是什么问题，考虑到我们的滚屏事实上不是很慢，最终我们没有启用它。不过我把 FB Console 默认的 Tux （Linux 小企鹅）换成了清华的校徽，也算是一点特色。
我们用 Buildroot 来编译用户态程序，由于组件非常多（特别是 Qt 体积巨大），最终的 rootfs 体积甚至超过了 100MB，因此 Flash 肯定是没法用了。而我们尝试 U盘 + ext4 也遭遇了很多问题（硬件或者驱动依旧存在 bug），所以最终决定用 NFS 来挂载系统的 rootfs。
运行用户态程序都比较顺利，但是我们发现一些程序偶尔会不明原因地 SIGSEGV，甚至整个内核 panic。我们一开始没有在意这个问题，直到尝试使用 fbdump 来抓 framebuffer 截图的时候，才意识到问题严重到了不得不重视的地步。这个 bug 的解决花了非常久，调试过程也极其艰难。我并没有帮上什么忙，猜测的错误来源也并不是正确的。关于bug 的诱因和解决方案，可以参见 miskcoo 写的这个 知乎回答。非常钦佩他和杰哥的毅力还有想象力，最终没有把这个定时炸弹一样的 bug 带到决赛现场。下面这张图就是在我们的 SoC 上运行的 htop，是使用 fbdump 抓下来的。
这段时间里，喵喵做了一个非常有用的事情：全自动化内卷。事实上，由于我们已经把频率提高到了接近极限（120MHz），因此任何逻辑和参数（包括 cache 尺寸、相连度等）的变化都可能大幅影响最终的时序结果。于是他写了一个脚本，能够生成参数矩阵，并自动在各个频率下综合性能测试的 SoC，并得到最终的时序结果。一旦有了这样的工具，我们就可以安心地把它丢上服务器运行，然后找一个最好的版本继续迭代。同时，喵喵还改进了 cache 替换算法等一些小细节，miskcoo 也对流水线地动态调度和多周期指令等进行了进一步的优化。在这些共同努力之下，我们最终把频率提高到了 123MHz，加速比达到了 89.326（居然真的能到89！），决赛的另一个性能指标（IPC 比）也达到了 36.3 左右。
为了展示，喵喵还用 Qt 写了一个叫 TrivialDashboard 的程序，能够把系统性能指标绘制出来，也能用 ssh 连接到其他机器抓数据。杰哥当然是顺利地跑起了 Xorg Server，并且运行了 xeys 和 xcalc 之类的小程序，USB 键盘鼠标键盘也都能正常用。值得一提的是，miskcoo 还借助 MIPS 的 CP2 协处理器实现了 AES 运算加速，杰哥修改了 OpenSSL 的代码，得到了 11x 左右的加速比。他还把 TrivialMIPS 的 CP1 浮点处理器（FPU）移植了过来。到这时候，我们终于可以说，我们把想做的部分都实现了。
这段时间里，我们还一直在撰写决赛要求的设计文档，在此按下不表。
决赛现场
决赛 8/19 到 8/22 在青海大学举行，我们一行六个人（含康总和宇翔） 18 号下午一起飞到了西宁。虽然是一个省会城市，西宁还是稍欠发达。我们住的地方离学校有 3 公里多，只能公交车前往；离市中心更是有十多公里，想打车去吃饭都没打到，还是只能坐公交（不过可以用交通互联卡）。第一天晚上我们去老城区（猜测，因为附近有公园、博物馆之类的）吃了一顿炕锅羊肉，还去超市屯了不少零食（因为酒店周围似乎并没有）。晚上我们简单移植了 FPU 的一个 demo，绘制著名的分形图案 Mandelbrot 集；我和杰哥也最后确认了一下第二天演示的程序还有流程。
19号下午才开始比赛，上午康总替我们去报到，也领了比赛的衣服；中午大家一起在酒店楼下吃了一顿牛肉面，比东方宫之类的便宜并且量大，吃完就坐公交车去了学校。下午是比赛的第一个环节：指令集答题，比较简单也比较无聊，所有队伍都成功拿到了这 20 分。而后就是自由演示环节了，趁这个机会我也去各处闲逛了一下。西工大这次的加速比并没有很突出，但是他们实现了乱序四发射地处理器并且运行起来了 Linux，所以 IPC 还是比较突出的，感觉也相当厉害。也有不少队伍做了双发射，比如北邮，与我们之前看性能分的猜测比较类似。在应用展示上，有几个队伍（比如国科大、哈工大）着力于 IoT 硬件，国科大直接搬出了一个 Arduino（用舵机接了一个十分神秘的小毛刷）。我们的展示主要由杰哥主导，有好多人围观，其中龙芯的汪文祥老师显得特别感兴趣，还提了不少问题。晚上在青海大学的食堂吃了一顿（差评！），就回宾馆了。
由于一开始康总抽签比较不巧，我们抽中了第16个答辩，在20号下午两点左右。因此19号晚上我简单修改了一下 PPT，讲了一遍，第二天早上起来又拽着康总讲了一遍。事实上我们原本是按着 15 分钟准备的，到最后几天才得知是 10 分钟，我当时对着 30 页陷入了沉思。好在最后，经过精细的控制和裁剪，我们在没有减少页面的情况下最终把演讲时间控制在了 9 分钟左右，这还包含一个 30s 左右的视频（因为现场并不方便展示，我们就剪了一个小视频把一些比较重要的成果都放了上去）。那天中午吃了一种神奇的叫“炮仗”的面，其实就是切成小段的面条。下午讲得也比较顺利，剩下的 10 分钟时间里面评委也问了不少问题，不过都非常友善，到最后甚至像是在聊天了。
讲完以后才三点多，我们去市中心与出去玩的宇翔会合。他带着我们在人民公园转了一圈，也去了西宁著名的东关清真寺参观。在门口，收到了刘卫东老师发来的喜讯，告诉我要开始准备后天的 talk 了（下面会详述）。这时候，我才真正松了一口气。其实没有想象中的激动的心情，更多的是欣慰吧。
在美食城吃了一些当地特色以后我们就回了宾馆。这时候剩下的三个人已经没有任务了，而我还需要准备一些东西。第二天（22日）的颁奖典礼上，冠军队伍需要发表获奖感言；23日有一个系统类课程教学研讨会，会邀请冠军队伍进行一个分享，这也要准备。于是我简短地摸了一会儿鱼以后，就开始绞尽脑汁思考应该说些什么。最后折腾到一点多，终于勉强算是糊了一些出来。虽然一切都尘埃落定了，那天晚上我直到三点都没有睡着，但并不是因为和比赛相关的原因。
22号上午颁奖，宇翔替代李山山老师领了一个优秀指导教师奖，康总甚至充当了送奖品的工作人员。龙芯的 CTO 和我们介绍了当前龙芯的构成和研发进展，可以看到已经慢慢地在追上世界先进水平了。中途拍照的时候，他们也成了全场最突出的人：其他人都分层站在台阶上，他们两个人站在台阶高处，有一种掌控一切的感觉。而后的比赛回顾环节中，我们欣喜地发现不管是主频还是 IPC 比，我们都是所有决赛队伍中最高的！最终的特等奖颁奖环节，汪老师对我们的评价非常高，甚至给了我以重自己真的很厉害的错觉。直到发表感言的时候，我才意识到自己真的很激动，即便对着看了好几遍的稿子，也会紧张地读错字。颁奖的时候也直接发了奖金，有一个小小的遗憾是今年的奖金都是税前的，因此大家最终拿到手的只有四万，不过分起来就很简单了。
22号下午，我和宇翔跟着国科大组织的包车一起去了青海湖（此处有我搞错集合的校门于是两个人咕了一车人十多分钟的故事）。杰哥和喵喵因为第二天要考 Java 晚上先飞回去了，康总也飞走了（我们把奖金交给了他），miskcoo 回宾馆看剧。去的路程花了两个半小时，玩的时间也只有两个多小时。事实上景区并不大，门票却比较贵，我们只好默念四字真言“来都来了”交出了智商税。巧合的是我们在景区了遇到了自己包车旅游的另一拨人，大家还一起拍了合影。回去的路程又花了两个半小时，我们去新城区的万达附近吃了一家烧烤。由于朱老师第二天要开课程研讨会，所以他也到了西宁，我们叫上了他一起吃烧烤。吃完，我们在万达逛了逛就回去休整了。
23号，我们收拾行李去了会议现场，这是教指委第一次组织这类会议，与会的几乎全都是全国各地高校系统类课程（计算机组成原理、操作系统、编译原理）的相关老师。上午是全体大会，主席是刘卫东老师，我的 talk 被安排在大会最后一项，前面是陈文光老师的一个关于编译技术的 talk。虽然比较努力地控制时间，最后还是没有讲完，尤其是在介绍我们的成果后关于杰哥课改的部分。中午吃了（实在是难吃的）会议自助，下午听了关于编译的几个 talk，还在高教社和机械工业出版社的展位上要了几本书。当天的会议结束以后，晚上和朱老师一起跑出去吃了一顿小火锅，就打车去机场了。
原本这一部分到这里应当结束，然而出现了并不令人愉快的小插曲。就在起飞前，机长广播告知我们坐的飞机有两位旅客在登机以后终止了行程，一位是生病，而另一位的原因并没有公开告知。总之，按照民航安全规程需要清舱，所有人重新安检。最终我们的起飞时间比预计的 20:45 晚了将近三个小时，到达北京已经一点多了。等到到达宿舍安顿下来，已经是三点了。我的整个龙芯杯周期，也就随之结束了。
参赛感想
就像我在获奖感言和会议上分享时两次都提到的，这次能赢比赛，兴趣是最关键的。若不然，我们也不会从一年前就开始准备，不会连续数周几乎每天都奋战到天明。很惭愧的是，作为队长，我其实没有多少实质性的工作；如果没有杰哥、喵喵和 miskcoo 高明的构思和过硬的水平，凭我自己绝无可能得到如此成就。当然，我们要感谢宇翔，感谢李山山老师、康总、陈渝老师、向勇老师、陈文光老师等一系列在全过程中指导、帮助、支持我们的人。
作为我个人的博客，我还想感谢更多的人，包括 mvs、lcy、zjq、wxj、wyy。在每一个我“调板子”不顺利的白天或者夜里，你们听着我无尽的抱怨、吐槽、怀疑人生甚至是咒骂，安慰我或者是鼓励我，给我继续努力下去的动力。正如我说的，如果没有你们，大概我真的会自闭的。
写了洋洋洒洒六千多字，其实绝大部分都是流水账，权当是等今后忘记的时候帮助回忆吧。
附录
- 所有相关代码都开源在 GitHub，也包括一份详细的设计报告
- miskcoo 撰写的 关于 CPU 设计的博客
- 我在系统类课程研讨会议上分享的 slides