东京大学版一生一芯：自制CPU，成功运行类Unix系统( 三 )

xv6...cpu0: starting...与此同时，这意味着这时候 Ucc 已经成长到足以编译大部分 Xv6 代码了。真是太棒了！
二月：我们的 CPU GAIA 诞生！
在 MIPS 移植过程中，我完成了 PIC 的初始化，这个过程很痛苦。另外，我还完成了实现中断处理程序的任务。结果， Xv6 向 MIPS 的移植工作刚完成，第一个用户程序就开始开发了。
在这一经历的基础上，我为我们的自制 CPU 编写了中断和虚拟地址转译的规范草稿。为了简单，我们决定忽略 Ring 保护等硬件特权机制。至于虚拟地址转译，我们决定使用 x86 那样的硬件页面游走法（hardware page-walking method）。看起来可能很难在硬件中实现这个功能，但我们认为如果我们牺牲掉速度并忽视 TLB 实现，可能就不会那么难。毕竟 Yuichi 后来做了一个很棒的 CPU 内核，不过它一开始就安装了 TLB 。
Yuichi 完成了我们的 CPU 的 ISA（指令集架构）的整体设计。他将我们的 CPU 命名为 GAIA 。在典型的 CPU 实验项目中，我们既不会实现中断，也不会实现 MMU 。但是， Yuichi 开始为 Xv6 实现它们，他是基于第 3 组的 CPU 的重构版本开发的。
接下来，进度加快了，所以我将开始按周进行说明。
第一周
Masayoshi 开始为我们的 CPU 实现真正的初始化，而不只是将引导顺序注释掉；而 Shohei 将 Xv6 的 x86 汇编重写进了我们自制的架构中。我为我们的模拟器添加了中断模拟，而这个模拟器是 Wataru 在 CPU 实验的核心任务部分开发的；另外我还完成了对虚拟地址转译的支持。这能让模拟器有足够的功能来运行 OS 。
第二周
我为我们的架构构建了一个原语链接器，以集成 Xv6 及其 binary blobs 。 Shohei 正在实现中断处理程序，这部分很难。中断很难理解，难以弄清流程、难以调试、难以开发。
当我将 Xv6 移植到 MIPS 时，我有 GDB ，所以还能应付，但我们自己的模拟器没有任何调试功能，所以调试起来肯定非常难。
Shohei 也顶不住这样的难度，所以他为模拟器添加了一个反汇编器和调试 dump 函数。之后， OS 团队又对这个模拟器的调试功能进行了快速升级，最后得到的模拟器看起来是这样。

本文插图
第三周
克服了许多困难之后， Xv6 的移植工作有所进展，但 Xv6 还是无法工作。
尤其是 Ucc 的规范为 char 和 int 都是 32 位，这带来了许多问题。这不是 Ucc 的错。事实上， C 规范仅要求 sizeof(char) == 1 且 sizeof(char) <= sizeof(int) ，因此这是符合规范的。
但是， Xv6 是为 x86 编写的，所以它假设 sizeof(int) == 4 并会将常量添加到指针的值，这会导致大量不一致。由这个问题带来的漏洞很难查找，而且数量也很多，所以最后我们决定将 Ucc 的 char 规范改为 8 位。
在将 char 32 位问题委托给 Ucc 团队之后，我为首次进入阶段写了初始化页面，并尝试通过试错方法让中断能够有效工作。
最重要的是，我们努力解决了第 4 个难题：Xv6 的可移植性差。
2 月 27-28 日
当我回头看 Slack 时，我发现这一天我们进展颇丰。在 Ucc 团队很快完成将 char 改为 8 位的工作之后，我们进行了大量调试。最后，我们的第一个用户程序 init 可以工作了！
之后，我们在移植用户过程应用方面的成果越来越多，这是我在移植到 MIPS 时没有做过的事情。在这个过程中，很多漏洞都很难重现，中断规范之中的不足之处也显现了出来，但我们最终克服了困难，找到并修复了这些漏洞。
我们修复的一个有趣问题是缓存别名问题。 GAIA CPU 选择了虚拟地址作为缓存索引，而非物理地址。这让 CPU 在查找缓存时能够跳过虚拟地址转译。但是，由于这样的设计，我们发现缓存之间会出现不一致问题，因为虚拟地址的多个缓存可以指向同一个物理地址。当一个虚拟地址的缓存更新之后，其它指向同一物理地址的虚拟地址的缓存却没有更新。