在当今技术飞速发展的时代，自主设计CPU及其相关软硬件生态成为不少计算机专业学生和研究人员的追求。东京大学信息科学系的一个学生项目以打造一台自有架构的CPU为起点，历时数月，完成了自主指令集架构设计、FPGA硬件实现，同时基于自研C语言编译器，成功将MIT的教育用Unix类操作系统Xv6移植并运行于此CPU之上。这个极具挑战性的项目不仅涵盖了计算机体系结构、编译原理、操作系统底层实现，同时因应Xv6对底层硬件的多重假设及限制，也在整个开发过程中经历了诸多磨难与优化。本文将深入剖析该项目展开的背景、核心技术细节、遇到的主要困境及解决方案，揭示一段从设计CPU核心到操作系统成功启动的精彩历程。最重要的是，这一过程彰显了理论知识向实际工程转化的丰富细节和宝贵经验，为未来自主体系软件硬件协同开发提供了范例。 首先，项目启动于一门名为“CPU实验”的课程。
这是一门号称极具挑战性的综合性课程，旨在锻炼学生们从架构设计、编译器开发到软件移植的全方位能力。学生们组成小组，通过自行设计指令集架构（ISA），以硬件描述语言（通常是Verilog/VHDL）实现CPU核心，并将其加载到FPGA中验证功能。虽然课程表面目标是让CPU能运行交付的基于OCaml编写的光线追踪程序，然而其中的扩展空间极大，部分团队选择继续优化性能，部分则寻求更有趣的毫无保障探索，比如游戏开发、音频播放甚至尝试操作系统移植。项目团队最终决定挑战更高目标——在自制CPU上成功运行一个Unix-like操作系统，并由此诞生了名为Group X的多团队联合任务组，成员来自不同小组，协同完成操作系统的相关开发与调优。 这次操作系统的选择是MIT开发的Xv6。Xv6以早期Unix第六版为蓝本，专为教学设计，源代码清晰且功能适度，是学习操作系统原理的绝佳范例。
它基于x86架构，采用ANSI C语言开发，因而代码依赖于特定CPU架构的数据类型大小假设和硬件特性。直接在完全不同的架构上移植Xv6，虽然具备较高教育价值，但面临编译环境、指令集不匹配、CPU特性缺失及操作系统与硬件接口重构等多方面挑战。团队工作之一是为所设计的CPU架构开发专用的C语言编译器，以适配Xv6代码的编译需求。 开发编译器的选择对项目至关重要。最初团队考虑过LLVM或GCC的移植方案，但由团队一成员所展示的轻量级C89编译器原型吸引了大家，并促使以从零开始搭建一个自有编译器为方案。该编译器，命名为Ucc，基于OCaml语言实现，拓展了语法分析及代码生成功能。
OCaml在处理抽象语法树方面具备天然优势，显著提高了开发效率，减少了指针漏洞等低级错误的风险。尽管编译器团队起步较晚，但凭借敏捷开发和强烈动力，在短时间内实现了对绝大多数Xv6代码的完整编译。 自研编译器的成功也带来了新的数据类型定义难题，特别是针对Xv6默认 char 和 int 的大小假设。默认情况下，团队设计的编译器将char和int均设为32位宽，而x86架构下char通常为8位。Xv6内核及应用程序广泛依赖这一字节大小和内存布局，数据指针运算和栈操作极大程度假设了这一点。为避免大量因类型大小不符导致的bug，编译器最终调整策略，使char恢复为8位，保证与Xv6代码兼容性。
此举虽然增加了编译器实现复杂度，但为操作系统正常运行奠定了基础。 除此之外，CPU的指令集设计也面临严苛要求。运行操作系统意味着必须支持中断、虚拟地址转换（MMU）等功能，这与普通课程项目注重的单纯CPU指令执行能力有着天壤之别。项目组通过深入研究x86和MIPS架构中操作系统依赖的重要CPU机能，从中提取核心必要特性，设计出带有硬件层级中断机制和页表硬件页遍历功能的简化架构。为了保持实现的可管理性和项目周期，放弃了某些复杂特性，比如硬件特权级别（Ring 保护），采用了页面着色（Page Coloring）策略解决缓存别名问题，保证虚拟地址到缓存线的一致映射，避免多缓存别名带来的数据不一致风险。 联调阶段，团队还需构建实用模拟器以便调试整个软硬件系统。
观察到课程原有的模拟器功能简单，不支持中断和内存管理功能，团队二次开发和扩展模拟器，加入了中断仿真、地址转换流程以及调试输出和反汇编工具，为理解操作系统启动流程和定位功能缺陷提供关键支持。该模拟器成为该项目的重要工具，使得操作系统能够在真实硬件FPGA加载前便部分运行测试，极大缩短开发周期，降低调试难度。 通过持续的代码阅读和移植实践，团队人员对操作系统内部及其与硬件接口之间的工作机制建立起系统认知。值得一提的是，主导者尝试先将Xv6移植到MIPS架构并实现了大部分调度及中断功能，积累了丰富经验后，再反哺自制CPU设计原则。此举不仅增强了对操作系统底层的理解，也为后续设计自带中断和虚拟内存支持的GAIA CPU提供了重要借鉴。 经过数月日以继夜攻关，到了2016年3月，项目团队成功让Xv6操作系统启动并运行在自己的GAIA CPU模拟器中。
此时，操作系统已能够完成基本启动流程，执行用户进程，甚至运行自带的小型应用程序如 sl（显示动画火车）、2048游戏等。持久战后，CPU的硬件实现也成功加载进FPGA，真正意义上实现了软硬件全栈自主设计闭环。团队成员甚至开发了简易汇编器和交互式文本编辑器，支持用户交互和程序直接写入，体现了仿佛“活”CPU的完整体验。 该项目的成功运行不仅满足了课程的形式要求，更开辟了未来深入探索的可能。后续几年，东京大学乃至更多学子陆续以此为基础，更进一步推动了自主CPU指令集设计、RISC-V兼容CPU实现以及Linux内核移植等复杂挑战。多代学生持续结合软硬件技术，逐步完成技术生态链全盘打造，实现了由单一课程实验走向真实工业级基础架构创造的跃迁。
整体来看，此项目的价值超越了纯粹技术本身。它强调了理解技术原理必然伴随的“自己动手”精神。重新造轮子带来的并非重复劳动，而是深刻的内涵理解与技能积累，无论是硬件描述语言的时序感知，还是操作系统底层的底层机制，亦或是编译器设计中的语言语义映射，都因亲历实践而变得清晰且内化。更重要的是，它激发了团队成员的自主创新思维，使得在未来面对技术挑战时，能够提出建设性的架构优化和系统改进方案。 总结而言，将类Unix操作系统Xv6成功移植在自研CPU上，此过程覆盖了指令集设计、FPGA实现、C语言编译器开发、操作系统源码深入解析、模拟器扩展以及软硬件联调等复杂环节。每一步都充满技术难点与创新创造，最终实现了不凡的工程壮举。
这也证明了全面的软硬件知识体系，结合扎实的团队协作与强烈的主动学习意识，是造就高质量计算机系统实验的关键要素。在未来，类似的全栈自主设计实验将助力培养更多既懂硬件又掌握系统软件的复合型人才，推动计算机体系结构和操作系统领域持续创新与突破。
