#香山调试直播# 香山芯片调试目标完成!

记录一些流水账:

2021年6月22日,香山在RISC-V中国峰会上第一次亮相,这是当时公开的国际上性能最高的开源RISC-V处理器核设计,受到国内外的很多关注,如今在GitHub上已有近2500个Star,250多个Fork。虽然我们的报告是中文的,但却有不少英文报道,甚至还有来自俄罗斯的关注。可以说,香山成为国际上最受关注的开源芯片项目之一。

2021年7月15日,第一代香山“雁栖湖”流片。但接下来由于受到全球芯片产能影响,我们不得不经历漫长的等待期。因为许久没有回片后的消息,有一些关注香山的朋友发来小心翼翼的询问:“香山是不是流片失败了?”流片失败,就是指香山无法点亮,也就意味着它就是一块石头。

2022年1月20日,等待了整整半年,香山终于回片了。硬件调试存在很大不确定性,很可能1个bug就会需要耗上1-2个月才能解决。而硬件问题解决不了,软件调试就会受到影响。尽早发现硬件问题,此时的香山就如同刚从医院拿回来的一份尚未打开的检查报告——面对它心中充满忐忑,不知道结果是好是坏。如果要等春节假期结束后才能看报告,这个年我们会过得心里很不踏实。另外,还存在一个不确定性,就是疫情防控。前段时间北京出现疫情,导致不少同学无法回家。但另一方面,由于冬奥会、两会等一系列活动,如果其他地方出现疫情,也可能导致离京后一段时间内甚至整个2月不能返京,那就会再空耗一个月。

我们希望能尽早消除一些不确定性,否则过年心里也不踏实。时间,对于香山调试非常宝贵。于是,香山团队的多位小伙伴(徐易难、李作骏、王诲喆、勾凌睿、张紫飞、蔺嘉炜、李乾若、甄好)决定留在北京攻关调试,加上唐丹和我,组成了一支攻关调试小分队。其中有几位是因为老家疫情而留在了北京,也有本来就是北京人,除了这些这些线下的小伙伴,还有全国各地的老师和同学一起在线参与。

1月26日开始,采用香山枫叶红底色的主板陆续从深圳寄到北京。此前,1月22-24日,深圳团队的蔡晔老师、刘彤、何伟等已经在深圳焊好主板,完成了初步的调试,包括系统时钟、串口、Flash等,验证IO通路正确。

1月29日,调试攻坚战正式打响了。调试过程一开始出乎意料地顺利,虽然有些小曲折,但都很快解决。到1月30日,我们取得了不错的战果:
•CPU频率从24MHz切到1GHz;
•DDR4-2400初始化成功,并稳定运行;
•Linux正常启动进入Shell;
•CoreMark成功运行,5.3分,与仿真完全一致。

1月30日晚上,收到了中国科学院大学公共管理学院刘继安老师的消息,是她和博士后徐艳茹希望观摩香山调试。晚上9点,徐博士先来到了调试现场,拍了几张照片,然后便跟我们说,她春节也不能回去过年,希望能全程观摩香山的调试过程。我们觉得应该很快就可以结束调试了,便欣然答应。但任何事情都不要高兴太早!

1月31日,大年夜。就在我们认为可以“牛年事、牛年毕”,可以在牛年就能跑出SPEC CPU2006分值、初步完成调目标时,现实狠狠地打了我们的脸——在运行SPEC CPU2006时,DDR4-2400稳定性存在问题,会导致返回数据出现随机错误。DDR是芯片调试过程最麻烦的问题,看来我们终究还是要面对。

我们分头吃年夜饭。下午2点,唐丹老师回家和家人一起吃了顿年夜饭;下午4:30,唐老师又过来和我们一起吃了一顿年夜饭,然后回到调试作战室放松:春晚,PS5,瓜子……晚上7点,我再回家和家人又吃了一顿年夜饭。一个难忘的大年夜!

大年初一到初三,大家休息了三天。

初四,重新整装上阵。内存专家李作骏全力攻占DDR稳定性问题,其他人全力配合。全志D1-H项目负责人孙彦邦提到当时在全志时DDR调试也是难点,他推荐了在Linux下的memtester来测试内存。

初五,徐易难很快便在Linux下编译好memtester,并开始测试。初步测试访存确实不稳定,内存在作Bit Flipping时会出现8KB数据不正确。于是开始尝试修改CPU频率,1GHz提高到1.1GHz,1.26GHz,但都不稳定;那就给CPU降频,降到800MHz、600MHz,似乎访存稳定性好一些,但还是会随机出错。

唐丹老师查看DDR PHY手册,发现PHY和DIMM的VRef配置不同步,修改后稳定性得到改善,但memtester还是会出现随机访存出错,只是出现概率降低了。但是,哪怕概率再低,也不可接受——对于理论上1GHz频率下每秒可运行60亿条指令的香山来说,哪怕是亿分之一的随机出错概率,也意味着每秒会出现几十次访存数据错误,这是不可接受的。我们必须要把访存调稳定。

初六,大家继续尝试——修改DDR Trainimg参数,修改Linux启动时内存容量,改变DDR供电电压……始终无法消除DDR访存的随机出错问题。我们怀疑DDR信号完整性问题,希望看一下DDR信号的眼图。开始一通打电话借设备,我们借到了一台DDR逻辑分析仪。这这台设备和HMTT很像,也是插在DIMM槽,但它内部提供高频采样时钟,可以直接抓DDR访存数据信号。我们花了半天的时间研究如何使用,当搞清楚后,发现在DDR-2400配置下采不到预想的信号。晚上9点多,打电话给设备代理商,被告知这台设备采购时没有选支持2400的模块,现在还支持DDR-1600。燃起的希望又熄灭了。

初七,唐丹老师又开始打一轮电话,又向郝沁汾老师借来一台示波器。有人建议看一下电源是否稳定,波动幅度是否太大,可以换一下精密电源。唐老师、徐易难立刻开始测试电源稳定性,发现真的会出现上下60-80mV的波动。那时,看到这个几十毫伏的波动,似乎大家心里涌出一丝欣喜,希望这就是DDR访存不稳定的问题所在。唐丹马不停蹄地区采购精密电源,不幸的是在换电源后,我们使用最多、相对最稳定的一块板卡“牺牲”了——烧了!来不及难过,立刻又切换到另一块板卡开始测试起来。结果有点沮丧,换了精密电源后依然无法消除访存随机性问题。

李作骏通过对DDR信号进行仿真,发现DDR DQS信号的ODT参数设置存在问题,同时把所有的访存性能相关的参数调到最保守设置。大家又寄希望于这次DDR参数修改。

此时,于是另一条调试网卡的战线开始启动,由王诲喆担任主攻手:测试网卡时钟信号、调整GMAC频率,设置设备树,修改驱动——网卡很快就被识别出来了,能看到网卡能收包了,但是问题是不能发包。

初八,跑了一个晚上的memtester,连续运行了12个小时,只有一个访存出错。这次稳定性得到了极大的提高,但还没有彻底解决,运行SPEC CPU依然出错。这时,大家决定尝试一下将DDR降频到1600。DDR-1600配置下,李作骏又对DDR Training做了优化,调高了Refresh Burst数量,激动人心的时刻发生了——之前跑不过的SPEC CPU应用都能跑完了!DDR访存稳定性问题终于解决了!

从初八开始,勾凌睿便开始用SPEC CPU2006程序烤机,香山频率设置为1GHz,DDR设置为1600,连续几十个小时的运行,再也没有出现过错误了。当然,这并不是最终目标,我们知道DDR访存性能对整个香山芯片的性能至关重要,接下来我们还继续优化DDR性能。

另一条战线,王诲喆仍然在调试网卡。在香山上用tcpdump能看到从另一台机器发过来的网络包,对比发送端的wireshark,内容正确。但是发送始终存在问题,ping依然不通。

初九,跑了一天的SPEC CPU,再也没有出错了,大家开始期待香山的SPEC CPU 2006分值了。网卡调试那边,手动修改了mac地址后,香山能收到ping,但是发送依然有问题。

初十,在修复了一个串口驱动小问题后,终于得到SPEC CPU 2006分值了,香山在1GHz频率、DDR-1600配置下,分值为5.97。这个数字对于香山来说,是一个里程碑。但我们知道,这并不是香山的真实性能,因为这是把DDR-2400降频为DDR-1600后得到的结果,从数据来看,很多访存密集型应用性能受到了很大的影响。如果把DDR进一步优化,香山性能还将进一步提升。我们根据Roofline模型推演访存性能优化目标。

正月十二,王诲喆也终于将网卡调通,香山功能基本完备。有了网络,大家就可以远程访问香山了。

正月十五,李作骏对DDR-1600时序进行了初步优化,之前受DDR访存的应用性能得到了大幅提升,比如bzip2-liberty的运行时间从483s降到了265s。这也意味着SPEC CPU2006分值即使在DDR降频的情况下还可以有很大的提升。

至此,历时近3个星期的香山攻关调试取得了圆满成功。香山调试直播完毕。

衷心感谢所有关注和支持香山的朋友!后续我们仍然会向大家介绍香山后续的性能优化进展。

—————

图1:调试攻关任务清单完成!
图2:与DDR访存稳定性战斗
图3:稳定运行SPEC CPU2006程序
图4:网卡正常工作
图5:SPECCPU 2006分值与对应配置
图6:Roofline模型推演访存性能优化目标
图7-9:香山调试现场

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登金陵凤凰台
李白 〔唐代〕

凤凰台上凤凰游,凤去台空江自流。
吴宫花草埋幽径,晋代衣冠成古丘。
三山半落青天外,二水中分白鹭洲。
总为浮云能蔽日,长安不见使人愁。

作者生平
李白(701年-762年) ,字太白,号青莲居士,又号“谪仙人”,唐代伟大的浪漫主义诗人,被后人誉为“诗仙”,与杜甫并称为“李杜”,为了与另两位诗人李商隐与杜牧即“小李杜”区别,杜甫与李白又合称“大李杜”。据《新唐书》记载,李白为兴圣皇帝(凉武昭王李暠)九世孙,与李唐诸王同宗。其人爽朗大方,爱饮酒作诗,喜交友。李白深受黄老列庄思想影响,有《李太白集》传世,诗作中多以醉时写的,代表作有《望庐山瀑布》《行路难》《蜀道难》《将进酒》《明堂赋》《早发白帝城》等多首。

创作背景
  《登金陵凤凰台》的创作背景说法不一。此诗一说是天宝(唐玄宗年号,742~756年)年间,作者被排挤离开长安,南游金陵时所作;一说是作者流放夜郎遇赦返回后所作;也有人称是李白游览黄鹤楼,是想与崔颢的《黄鹤楼》争胜。

译文
凤凰台上曾经有凤凰来悠游,凤去台空只有江水依旧奔流。
吴国宫殿的鲜花芳草遮没荒凉小径,晋代多少王族已成荒冢古丘。
三山云雾中隐现如落青天外,江水被白鹭洲分成两条河流。
那些悠悠浮云总是遮蔽太阳的光辉,登高不见长安城,怎么不让人内心沉痛忧郁。

注释
凤凰台:在金陵凤凰山上。
江:长江。
吴宫:三国时孙吴曾于金陵建都筑宫。
晋代:指东晋,南渡后也建都于金陵。衣冠:指的是东晋文学家郭璞的衣冠冢。现今仍在南京玄武湖公园内。一说指当时豪门世族。衣冠,士大夫的穿戴,借指士大夫、官绅。成古丘:晋明帝当年为郭璞修建的衣冠冢豪华一时,然而到了唐朝诗人来看的时候,已经成为一个丘壑了。现今这里被称为郭璞墩,位于南京玄武湖公园内
三山:山名。今三山街为其旧址,明初朱元璋筑城时,将城南的三座无名小山也围在了城中。这三座山正好挡住了从城北通向南门──聚宝门的去路。恰逢当时正在城东燕雀湖修筑宫城,于是将这三座山填进了燕雀湖。三山挖平后,在山基修了一条街道,取名为三山街。半落青天外:形容极远,看不大清楚。
二水:一作“一水”。指秦淮河流经南京后,西入长江,被横截其间的白鹭洲分为二支。白鹭洲:古代长江中的沙洲,洲上多集白鹭,故名。今已与陆地相连,位于今南京市秦淮区武定门北侧。
浮云蔽日:比喻谗臣当道障蔽贤良。浮云:比喻奸邪小人。日:一语双关,因为古代把太阳看作是帝王的象征。
长安:这里用京城指代朝廷和皇帝。

赏析
《登金陵凤凰台》是唐代的律诗中脍炙人口的杰作。

  “凤凰台上凤凰游,凤去台空江自流。”开头两句写凤凰台的传说,十四字中连用了三个凤字,却不嫌重复,音节流转明快,极其优美。凤凰台故址在今南京市凤凰山。相传,南朝刘宋元嘉年间有凤凰集于此山,乃筑台,山和台也由此得名。凤凰是一种祥瑞。当年凤凰来游象征着王朝的兴盛;如今凤去台空,六朝的繁华也一去不复返了,只有长江的水仍然不停地流着,大自然才是永恒的存在!

  “吴宫花草埋幽径,晋代衣冠成古丘。”由眼前之景进一步生发,联想到六朝的繁华。三国时期的吴以及后来的东晋,南朝的宋、齐、梁、陈,先后在金陵定都,故金陵有“六朝古都”之称。六朝时期,金陵达到空前的繁荣,成为世界上最大的、人口超过百万的城市。绵长的秦淮河横贯城内,两岸汇聚六朝的经济中心和文化中心以及市民的居住中心,其繁华可见一斑。可是,六朝虽繁荣却也短命,每个王朝的寿命平均大约55年,轮转之速,令人恍惚。如今看来,吴国曾经繁华的宫廷已经荒芜,东晋时代的风流人物也早已作古,六朝的繁华也如凤凰台一样消失在历史的淘浪中。

  “三山半落青天外,二水中分白鹭洲。”两句由抒情转为写景。诗人并没有一直沉浸在对历史的凭吊之中,而抽出思绪将目光投向了眼前的河山。“三山半落青天外,二水中分白鹭洲”,三峰并列,矗立在缥缈的云雾之中,若隐若现,好似落在了青天之外;秦淮河西入长江,被白鹭洲横截,江水一分为二,形成两条河流。此二句气象壮丽,境界阔大,为末联“不见长安”作铺垫。

  “总为浮云能蔽日,长安不见使人愁。”这两句诗寄寓着深意。长安是朝廷的所在,日是帝王的象征。李白这两句诗暗示皇帝被奸邪包围,而自己报国无门,他的心情是十分沉痛的。“不见长安”暗点诗题的“登”字,触境生愁,意寓言外,饶有余味。相传李白很欣赏崔颢《黄鹤楼》诗,欲拟之较胜负,乃作《登金陵凤凰台》诗。《苕溪渔隐丛话》、《唐诗纪事》都有类似的记载,或许可信。该诗与崔诗工力悉敌,正如方回《瀛奎律髓》所说:“格律气势,未易甲乙。”在用韵上,二诗都是意到其间,天然成韵。语言也流畅自然,不事雕饰,潇洒清丽。作为登临吊古之作,李诗更有自己的特点,它写出了自己独特的感受,把历史的典故,眼前的景物和诗人自己的感受,交织在一起,抒发了忧国伤时的怀抱,意旨尤为深远。

  李白是天才诗人,并且是属于那种充满创造天才的大诗人。然而,惟独李白临黄鹤楼时,没能尽情尽意,“驰志”千里。原因也很简单,所谓“眼前有景道不得,崔颢题诗在上头”。因而,“谪仙诗人”难受、不甘心,要与崔颢一比高低;于是他“至金陵,乃作凤凰台诗以拟之”,直到写出可与崔颢的《黄鹤楼》等量齐观的《登金陵凤凰台》时,才肯罢休。

  这虽然是传言,但也挺恰切李白性格。《登金陵凤凰台》博得了“与崔颢黄鹤楼相似,格律气势未易甲乙”的赞扬。其实,李白的《登金陵凤凰台》,崔颢的《黄鹤楼》,它们同为登临怀古的双璧。

  李白《登金陵凤凰台》的艺术特点,首先在于其中所回荡着的那种充沛、浑厚之气。气原本是一个哲学上的概念,从先秦时代起就被广泛运用。随着魏晋时期的曹丕以气论文,气也就被当做一个重要的内容而在许多的艺术门类里加以运用。虽然,论者对气的理解、认识不完全相同,但对所含蕴的思想性情、人格精神与艺术情调,又都一致认同。李白《登金陵凤凰台》中明显地充溢着一股浑厚博大之气,它使李白观古阅今,统揽四海于一瞬之间,且超然物外,挥洒自如。浑厚博大之气使李白渊深的思想,高妙的见解,阔大的心胸,成为编织巨大艺术境界的核心与精神内含。就像透过“三山半落青天外,二水中分白鹭洲”的巨大立体时空,可以感受到历史的脉搏跳动与诗人的呼吸一样,通过李白的举重若轻,从容自在,以浩然雄大之气充塞整个诗歌境界的努力,也能更进一步感受到他整个诗歌以气夺人的艺术特点。

  李白此诗的艺术特点,又在于对时空观念的完美表达。这既体现在对历史与自然的认识上,也体现在他构造时空艺术境界的表达方法上。李白强调的自然永恒不朽,一方面是宣传他的以自然为中心的“物我为一”的世界观,另一方面也是为了揭露历史上的统治神话。因为从古而来,几乎所有的统治者他们都宣扬自己的世代永存与精神不灭,并且还把这样一种模式灌输到人们的意识形态当中,使人深信不疑。但是,李白则对此不以为然。他认为即或是极为强有力的统治者,就像秦始皇,他可以“挥剑决浮云,诸侯尽西来。明断自天启,大略驾群才”,然而他终归也要“但见三泉下,金棺葬寒灰”(《古风·秦王扫六合》),烟消云散是不可避免的。所以,在李白看来,宇宙万物之中,能够获得永恒存在的只有自然。一切的繁华与骄奢淫逸都会烟消云散;如果说它们还存在,似乎也只是作为自然的反衬而存在的。另外,李白在表现自然力量的雄大与变化的时空观时,则选取了最为典型的事物,即“三山半落”之混茫与“二水中分”之辽阔,从而构造出阔大的境界,并且把历史的变迁,即时间的改变与地点的依旧,即空间的不改整体地表现出来,启发人们作更深的思考。

  《登金陵凤凰台》与《黄鹤楼》在格律气势上不分上下。在用韵上,二诗都是意到其间,天然成韵。语言也流畅自然,不事雕饰,潇洒清丽。作为登临吊古之作,李诗更有自己的特点,它写出了自己独特的感受,把历史的典故,眼前的景物和诗人自己的感受,交织在一起,抒发了忧国伤时的怀抱,意旨尤为深远。


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