|东京大学版一生一芯：自制CPU，成功运行类Unix系统( 四 )

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。
这个漏洞很难在硬件层面上低成本地修复，所以为了解决它，我们为我们的 Xv6 引入了 Page Coloring 。这会为每个缓存行引入「颜色」并重新分配页面，使得指向同一物理地址的虚拟地址总会有一样的颜色。这意味着指向同一物理地址的虚拟地址总是仅有一个缓存。这能让 Xv6 确保 GAIA 永远不会让多个缓存共用同一个物理地址。
三月：Xv6 跑起来！
3 月 1 日， Xv6 移植工作完成。现在 Xv6 已经运行在模拟器上了！

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娱乐少不了
一开始，移植 Xv6 是因为这很有趣，现在 Xv6 已经成功运行在模拟器上，那我们就要加把劲让它更有趣。
首先， Masayoshi 用大约 4 个小时做了一个小火车以及运行在 Xv6 上的 sl 命令。

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Shohei 则想做一个扫雷游戏。

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在这期间， Yuichi 完成了 Group X 的 CPU 实现工作。真正的 CPU 的运行速度比模拟器快多了，这能让我们更轻松地玩耍和开发游戏。这时候，我们创建了一个非常高质量的应用：2048 。

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这个 2048 的质量很高。 Yuichi 老是在玩。顺便提一句，这个 2048 使用的是 non-line buffering 输入，这是 Xv6 原本没有的功能。为了支持这一功能， ioctl 被添加进来作为 read 和 write 之外的另一个 devsw 动作，另外还添加了用来控制 ICANON 和 echo 的与 termios 相关的新功能。因此，唯一能以如此高的完成度玩 2048 的 Xv6 就运行在 GAIA 上。
另外，毕竟 Xv6 是由 Unix v6 启发的，因此我猜想，添加 gtty 和 stty 系统调用是更像 Unix v6 的方法。不过，因为 Xv6 没有 tty 的概念，所以我采用了 ioctl；而且事实上 Unix v7 就引入了 ioctl ，所以这与历史情况也接近。
现在，更酷的是， Keiichi 又为 Xv6-GAIA 做了一个小型汇编器， Shohei 还做了一个 mini vi 。想想看你能用这两个工具做什么。

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这就是基于 FPGA 的交互式编程！这是 CPU 实验的一个出色演示，因为其中一般不包括任何交互式程序。
最棒的演示
CPU 实验实践课程的原始任务是「在自制 CPU 上运行给定的光线追踪程序」。现在我们的 CPU 上有操作系统了，你知道该怎么做了吗？我们决定在我们的 CPU 的 OS 上运行这个光线追踪程序。我们遇到了一些问题，但我们在最终展示前一个小时里成功解决了它们。

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因此，我们做了我们这个系的学生开玩笑时说的话：在一个 CPU 上运行一个操作系统，然后再在上面运行光线追踪程序。
来自 2020 年的回顾
这段故事发生在 2015 年，本文也是我自己的博文的翻新稿。尽管现在读来，我看到了当时自身技术经验的不足，但我们当时做的事情实在很激动人心。