全国大学生计算机系统能力大赛：MIPS FPGA微系统设计

"第三届系统能力培养大赛技术方案1主要关注FPGA开发，性能测试，网络和功能测试。大赛旨在推动大学生在计算机系统能力方面的培养，鼓励创新和综合运用各种技术，如流水线、超标量、预测和Cache等。初赛阶段，参赛队伍需构建一个基于MIPS指令集的微系统，使用FPGA内部资源，包括至少8KB的指令存储器和8KB的数据存储器，以及一个计数器和7段数码管显示，用于性能测试。功能测试根据正确执行的MIPS指令数量评分，性能测试则基于执行基准测试程序所需的时间。决赛阶段，设计可扩展，但必须包含至少一个计数器和数码管显示，并可能需要运行操作系统或特定应用来展示系统的综合能力。" 在本次大赛中，参赛队伍需要掌握以下关键知识点： 1. **FPGA开发**：FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，允许参赛者根据需求定制硬件逻辑。在初赛阶段，参赛者需要在FPGA内部构建MIPS微系统，利用片上存储器和计数器等资源。 2. **MIPS指令集**：MIPS是一种精简指令集(RISC)架构，广泛用于教学和嵌入式系统。参赛队伍需要设计并实现支持MIPS指令集的CPU核心，确保其能正确执行各种MIPS指令。 3. **存储器设计**：指令存储器至少8KB，用于存放程序代码；数据存储器同样不少于8KB，用于数据的存储和处理。这要求参赛者理解内存层次结构和访问机制。 4. **计数器和性能测试**：计数器用于测量执行时间和性能，参赛者需要设计计数器并优化其性能，以在有限的时钟周期内完成更多操作。 5. **流水线技术**：为了提高CPU性能，参赛者可能需要实现指令流水线，将处理过程划分为多个阶段，使得指令在不同阶段并行处理。 6. **超标量技术**：通过同时处理多条指令来提升性能，可能需要设计多发射或超长指令字(VLIW)架构。 7. **预测技术**：分支预测和数据预取可以减少由于等待指令或数据而产生的延迟，提高处理器效率。 8. **Cache**：理解和设计Cache以减少主存访问延迟，是提高系统性能的关键。 9. **功能测试**：测试CPU是否能正确执行所有MIPS指令，这是评估设计功能完备性的重要标准。 10. **性能测试**：通过对基准测试程序的运行时间进行测量，评估CPU的执行效率，优化设计以达到最佳性能。 11. **决赛挑战**：决赛阶段允许设计上的变化，可能需要更复杂的功能，如运行操作系统，这需要深入理解操作系统原理和系统级设计。 通过这个比赛，参赛者不仅能够提升FPGA编程技能，还能锻炼在实际系统设计中的创新能力，以及对计算机系统性能优化的理解。