东京大学版一生一芯：自制CPU，成功运行类Unix系统

前段时间，中国科学院大学的「一生一芯」计划引发热议，五位本科生带着自己设计的处理器芯片正式毕业，被称为「最硬核毕业证」。其实，东京大学信息科学系也有一个自制 CPU 的实践课程。近日，微软软件工程师 Takaya Saeki 刊文回顾了五年前他们小组的 CPU 实验项目：不仅通过自学自制了 CPU、C 编译器，还成功移植了一个类 Unix 操作系统（Xv6）。虽然回顾的是五年前的往事，但这篇文章应该也能为芯片和操作系统人才培养工作带来一些启发。
选自Fueled by Coffee ，作者：Takaya Saeki ，机器之心编译，编辑：Panda 。
所有这一切都源自一个学生实验项目：CPU Experiment（CPU 实验）。首先说说这个 CPU 实验是什么。
CPU 实验是东京大学信息科学系一个小有名气的实践课程，通常在大三的冬季进行。在该实验中，学生会被分成小组，每组四、五个人。每一组都要设计一种自己的 CPU 架构，在 FPGA 上实现它，为该 CPU 构建一个 OCaml 子集编译器，然后在该 CPU 上运行一个给定的光线追踪程序。通常来说， CPU、FPU、CPU 模拟器和编译器都各由一两个人负责。我负责第 6 组的 CPU 部分。
这个实践课程的有名之处在于对自学能力的高度期望。导师向学生们下达了任务目标：「把这个用 OCaml 写的光线追踪程序运行在你们用 FPGA 实现的 CPU 上」，然后就下课了。对于编写 CPU 和编译器的具体步骤，他不会多说。学生需要自己学习如何将学过的有关 CPU 和编译器的一般知识转化成实际成品，这将涉及到实际的电路和代码。是的，这个实践课程确实很难，但也很激动人心且极具教育意义。
在我们自己的 CPU 上运行操作系统
你可能已经注意到了，我还没谈到操作系统。我来稍微解释一下。
通常来说，这个实验会这样进行。首先，做出一个能可靠工作的 CPU ，不管计算速度如何。如果做出了 CPU 并成功运行了那个光线追踪程序，就能得到这个实践课程的学分。之后，你的团队就自由了。通常来说，这些自由时间会被用于 CPU 提速。在过去的实验中，学生做出过乱序 CPU、VLIEW CPU、多核 CPU 甚至超标量 CPU ，确实很了不起。
但是，有些团队则把更多精力放到了一些有趣任务上，比如运行游戏或将 CPU 与扬声器连接来播放音乐。我们第 6 组也是一个热爱娱乐的小组，而我们决定将目标设定为运行一个操作系统。
结果，其它一些小组也对这个想法产生了兴趣。于是，一个包含 8 个人的联合小组——Group X 成立了。我们的目标是：「在我们自己的 CPU 上运行 OS！」
尽管我负责第 6 组的 CPU 创建工作，但这一次我选择当 Group X 的领导者。因此，本文主要是从 OS 团队角度写作的，不过我也会介绍 Group X 的整体成果。
Xv6
对于要移植的 OS ，我们选择了 Xv6 ，这是一个由 Unix v6 启发的简单操作系统，是 MIT 为教育目的构建的。不同于 Unix v6 ， Xv6 是用 ANSI C 编写的，而且运行在 x86 架构上。 Xv6 是一款教育用 OS ，所以功能有些简陋，但作为一款简单的类 Unix 操作系统，功能已经足够了。有关 Xv6 的更多信息可访问其 github 代码库：https://github.com/mit-pdos/xv6-public
挑战
在移植 Xv6 时，光是软件方面就有一大堆难题，因为我们在尝试从头开始构建一切。
1. 用于 Xv6 的 C 编译器和工具链。
在 CPU 实验中，我们通常会创建一个 ML 编译器。很自然，这样无法编译 Xv6 的 C 代码。
2. 操作系统需要 CPU 具备哪些功能？
特权保护？虚拟地址？中断？是的，我们在课堂上已经获得了对操作系统的整体理解，但那时候我们对各个 CPU 功能的具体作用还没有真正的切身体会。