В современном мире технологий, где готовые решения доступны на каждом шагу, очень интересно увидеть примеры глубокого погружения в основы вычислительной техники. Именно такой путь прошла команда студентов Университета Токио, которая за четыре месяца разработала собственную архитектуру процессора, создала компилятор C с нуля и успешно запустила Unix-подобную операционную систему Xv6 на своей платформе. Этот опыт демонстрирует, насколько все взаимосвязано в работе вычислительных систем и как важно понимать каждую ступень — от аппаратного обеспечения до программного обеспечения. История этой команды — вдохновляющий пример исследования и творчества в области компьютерных технологий. В рамках учебного проекта, известного как CPU Experiment, студенты должны были разработать процессорную архитектуру, реализовать её на FPGA и построить компилятор для запуска одного и того же OCaml-программы трассировки лучей.
Но команда под руководством Такаи Саэки решила пойти дальше и поставить амбициозную цель – запустить полноценную операционную систему на своём CPU. Выбор пал на Xv6 — простую Unix-подобную ОС, которая служит образовательной платформой и разработана в MIT. Она вдохновлена Unix Version 6, но адаптирована под современные архитектуры и написана на ANSI C. Несмотря на ограниченный функционал, Xv6 представляет серьёзный вызов, требующий полной реализации поддержки аппаратных механизмов операционной системы. Одной из главных сложностей стала необходимость создания собственного компилятора C.
Обычная практика в CPU Experiment предполагала написание компилятора для ML-подобных языков, не затрагивая C, на котором написан Xv6. Вместо попыток адаптировать существующие сложные компиляторы вроде GCC или LLVM, команда решила написать свой собственный компилятор C, названный Ucc. Этот инструмент разрабатывался на OCaml, что позволило упростить манипуляцию деревьями синтаксического разбора и избежать типичных ошибок работы с указателями. Такой подход продемонстрировал серьезное понимание того, как необходимая связка компиляторов и аппаратного обеспечения должна быть воссоздана целиком с нуля для полноценной поддержки ОС. Важным этапом был перенос Xv6 на архитектуру MIPS.
Этот шаг помог лучше понять внутренние механизмы работы операционной системы на уровне аппаратных особенностей — такие как прерывания, управление памятью и виртуальная адресация. Благодаря этому опыту стали ясны необходимые функции процессора и их взаимодействие с ОС. В итоге была спроектирована архитектура GAIA, которая включала аппаратные прерывания и аппаратную поддержку виртуальной памяти с применением метода аппаратного обхода страниц, упрощая типичную реализацию MMU, но сохраняя её функциональность. Разработка процессора и написание компилятора были сложными и трудоёмкими задачами. Создание аппаратного описания процессора велось на HDL-языке и его синтезировали средствами Vivado или Quartus.
Несмотря на автоматизацию, сборка и тестирование HDL-кода занимали много времени, что вызывало необходимость терпения и распределения времени на параллельные занятия. Команда поделилась методиками дебага — начиная с разработки симулятора, который постепенно трансформировался, получая поддержку прерываний и виртуальной адресации, и дополненный удобными средствами для отладки. Это существенно упростило последующую разработку и позволило уверенно портировать Xv6 на собственную архитектуру. В процессе активной работы над портом Xv6 выяснился ряд проблем, присущих низкой переносимости системы. Архитектура Xv6 изначально заточена под x86, с ожиданием определённого размера типов данных, таких как char и int, что вызвало несовпадения с компилятором Ucc, где char был изначально 32-битным.
После внесения изменений в компилятор и ядро ОС, включая исправления работы с указателями и управление памятью, удалось добиться успешного запуска первых пользовательских процессов и корректной инициализации системы. Интересной инженерной задачей стала проблема работы кеша CPU. Для ускорения, GAIA использовал индексирование по виртуальному адресу, пропуская стадию преобразования адресов для кеша. Но это повлекло ошибки, связанные с кеш-алиасингом, когда разные виртуальные адреса указывали на одну и ту же физическую страницу, но обращались к различным кеш-линиям, что приводило к непрогнозируемым результатам. Решение оказалось программным — была внедрена техника Page Coloring в ядро Xv6, которая гарантировала однозначное отображение виртуальных адресов в кеши, тем самым минимизируя аппаратные сложности и увеличивая надежность.
После устранения этих проблем и доработки поддержки прерываний, виртуальной памяти и пользовательских программ Xv6 полностью заработал на симуляторе и на реальном аппаратном обеспечении GAIA. Это знаменательное событие, поскольку демонстрирует успешное завершение проекта, включающего полный цикл разработки процессора, компилятора и ОС. В дальнейшем команда добавила поддержку интерактивных приложений и игр, таких как sl, Minesweeper и популярный 2048, что расширило функциональность и повысило привлекательность платформы. Разработчики даже реализовали мини-vi и небольшой ассемблер для интерактивного программирования на FPGA, что стало впечатляющим достижением в рамках учебного проекта. Финальной демонстрацией стала запуск исходной программы трассировки лучей одновременно на операционной системе и собственном процессоре, символизируя тем самым успешное выполнение первоначальной задачи CPU Experiment, но уже на значительно более высоком уровне интеграции и функционала.
Этот проект ярко иллюстрирует важность комплексного подхода к разработке компьютерных систем — знания микроархитектуры, системного программирования и конструирования программных инструментов должны идти рука об руку. Опыт команды из Университета Токио показывает, что создание собственных процессорных архитектур и операционных систем — это не только образовательный вызов, но и возможность глубоко осознать принципы работы современных вычислительных устройств. Итоги деятельности участников CPU Experiment продолжают вдохновлять новые поколения студентов. Впоследствии появились проекты с более современной архитектурой RISC-V, где также запускались собственные ОС и даже Linux, демонстрируя рост технической культуры и амбиций в академической среде. Такие инициативы доказывают, что даже сейчас создание собственного компьютера «с нуля», включая аппаратное обеспечение и программное стекло, остаётся реальной задачей для талантливых инженеров и исследователей.
В итоге, путь группы X от первых экспериментов с разработкой процессора до полноценного функционирующего Unix-подобного окружения на своей архитектуре — наглядный пример того, как глубокое погружение в основы и желание учиться могут привести к впечатляющим результатам. На основе таких проектов растут будущие профессионалы, способные создавать инновационные аппаратно-программные решения. Тем, кто заинтересован в подобных вызовах, стоит обратить внимание на опыт команды и смело пробовать свои силы в собствеnных разработках — ведь именно в этом кроется ключ к настоящему пониманию и развитию технологий.
