2019年8月19-21日，2018-2019第三届全国大学生集成电路创新创业大赛全国总决赛（以下简称“大赛”）在南京江北新区研创园成功举办。作为大赛杯赛单位，Arm中国特设Arm片上系统设计挑战赛赛题。
大赛自开赛以来，共有来自全国七大赛区的197支队伍报名Arm杯赛题，经过企业评审和分赛区初赛，有27支团队晋级全国总决赛。经过8月20日一天的现场演示和评审，Arm杯赛产生了一等奖4名、二等奖7名、三等奖10名、优秀奖5名，此外，一等奖团队中的WNS<0队脱颖而出，获得了Arm杯企业专项奖。
为了让大家更深入的了解同学们优秀的作品，促进同学们之间的交流和学习，鼓励更多的同学参与到竞赛中，以赛促学，Arm中国学堂将把部分获奖团队作品分享给大家。
Arm杯-Arm片上系统设计挑战赛
杯赛题目：Arm 片上系统设计挑战赛
参赛要求：本科生组/无限制组
赛题内容：
利用Arm Cortex-M3 DesignStart处理器在可编程逻辑平台上构建片上系统，实现图像采集，图像处理和人机交互功能，观察并优化系统的性能。
使用ArmCortex-M3 DesignStart Eval提供的处理器IP，在你的可编程逻辑平台上构建简单的Cortex-M3片上系统。
团队介绍
参赛单位：复旦大学
队伍名称：芯生力量
指导老师：陈更生
参赛队员：丁路昶、高朋、王欢
总决赛奖项：一等奖
项目简介
这次Arm赛杯，芯生力量队按照赛杯题目要求，正确的完成了三个子题目，并且额外加入了赛杯没有要求的DMAC以及操作系统移植的内容，对于车牌识别速度和精度方面都做出了很好的成绩。整个SoC除了处理器软核以及特殊IP比如TIMER、GPIO以及AHB2APB以外，其余均是纯RTL设计，并且由此设计出了专门针对赛杯任务的高效SoC架构。
芯生力量队使用模板匹配算法，通过三级移位寄存器自动判断PPT是否切换，通过设计加速器中断，并分配最高优先级快速响应PPT切换动作，MCU软件在中断服务程序中及时将加速器识别结果捕获到DTCM，实现了高效的软硬件协同机制，极大提高了车牌识别速度。此外，通过熟练的RTL设计验证能力并且充分挖掘了模板匹配算法中潜在的并行性，利用FPGA天然的并行计算能力设计了大规模并行架构，使用寄存器堆避免了片上存储器以及片外DDR数据带宽产生性能瓶颈的所谓“存储墙”的问题，将加速器运行时间降低到了50ns左右，并且建立了完备的带有自我判断能力的SystemVerilog验证平台，进行了十几万组随机激励测试，同HLS综合的参考模型对比，均通过测试。最终在极快速度的前提下，达到了极高的准确率。
系统框架
芯生力量队使用rtl设计通用dmac，该dmac可以实现SoC系统任意两地址处的数据突发传输，扩展了Arm Cortex-M3的高效数据传输机制，为了配合总线的突发传输，在原Arm官方给出的外设ip基础上，修改源代码，扩展了总线功能，使能了各种形式的传输模式。值得一提的是，芯生力量队的整个SoC系统全部为手工rtl设计，包括软件驱动以及操作系统，全部为底层代码搭建起来的。为该次任务设计了定制化的SoC系统。
作品展示
技术创新点
No.1
利用模板匹配算法的大规模潜在并行性运算，设计了针对性的大规模硬件并行架构，该设计前半部分使用rtl设计以应对复杂控制流程，后半部分由于主要是数据通道，故使用hls加快开发速度，仿真结果显示，我们的加速器单次运行仅仅用了10个周期左右。
No.2
扩展了ahb总线系统，加入主设备仲裁模块，引入了优先级仲裁算法，扩展了各个外设的ahb从设备接口的功能，使能了官方ip所没有的各类传输模式。
No.3
该设计中包含了大量异步数据传输操作，包括豪威传感器、液晶显示器以及加速器和SoC处理器部分，均属于不同时钟域，我们使用计数器延长单比特脉冲长度，使用握手传输多比特数据，实现了高效异步单、多比特数据传输。
No.4
使用片上寄存器资源存储帧数据，避免片上有限的sram以及片外ddr低数据带宽的问题，可充分发挥fpga并行运算的优势，有效防止数据传输瓶颈，这使得我们的加速器单次运行时间极快。
No.5
从底层结合C语言和Arm汇编语言设计了简易FreeRTOS内核，该内核虽然简单，但是基本上具有完整的多任务优先级调度机制。
No.6
为了验证rtl设计的加速器，往往需要参考模型，我们充分利用了vivado hls工具的快速设计能力，设计了一个功能同rtl加速器完全相同的参考模型，仿照uvm验证思想，使用random-access的随机事务，经过长达一天多的modelsim运行时间，通过了数十万随机激励。
参赛体会
很怀念当初参赛的萌新们加入Arm赛杯群里讨论的日子，我们互相帮助解决那些卡了几天都解决不了的问题，那种一个问题卡好几天的痛苦经历^\_^还在记忆里没有抹去，为了这次比赛，我们的课程成绩很惨，因为有时候忙比赛就不去听课了。师弟在有毕设的压力下还奋斗在一线，队长在两次决赛前通宵熬夜，身体出了些问题，过去的惨痛经历现在回想起来还是可以笑着说出来的。
分赛区决赛前，我们的系统总是在PPT切换到中途就停了，不动了，这可快急死我们了。第二天就要出发去无锡，后天就要演示了，而且中途停掉的概率随着我们测试的进行越来越频繁，这可怎么办，如果演示的时候碰到这种事情，那可就几个月前功尽弃了。于是开始想到底是哪里出了问题，是摄像头过热烧了？是摄像头配置出了问题？还是摄像头那几个引脚悬空的问题呢......时间一点点过去，马上就晚上了，还是没有头绪。最后我们用vivado的ila查看了下传感器的帧数据波形，好吧，帧数据正常的，那就是我设计的rtl出了问题（感谢xilinx强大的工具哈），通过一宿通宵，发现是一个@(posedge clk)中的clk被我马虎写错了，异步传输发生了问题，好吧，毕竟我们的系统都是自己rtl搭起来的，就这样我们带着一宿没睡的困倦去了无锡……
想起了那句“你经历过绝望吗”，在这次比赛中，我们经历过很多这种绝望，不知道哪里出的问题，系统就是不对，传感器就是不按预期工作。但是我们都坚持下来了，在这次比赛中，我们学到了很多知识，hls如何设置位宽，深刻的感受到了软件的灵活性和硬件的并行性，并且为后续使用mcu设计灵活cnn加速器以提高网络的映射覆盖率提供了灵感。感谢竞争对手的优秀让我们有提高自己的动力，感谢Arm中国给我们这次机会。
<作品视频详见附件>
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