项目描述

作为计算机系的学生，掌握 CPU、Compiler、OS 是一种必须的专业技能；但同时，作为一个本科生，很难将这三者有机整合，融会贯通。伏羲致力于从零开始，构建一个以 RISC-V 处理器为核心的软硬件全系统，包括 CPU、SoC、Compiler 和 OS，借此锻炼本科生的系统能力，并且在相关方向上做出更多的探索和创新。

学习和扩展伏羲系统，可以帮助有一定能力的同学吃透 CPU、Compiler、OS，自底向上建立计算机体系结构、组成原理、编译原理和操作系统等课程之间的内在联系，学习和理解大型软硬件工程的设计、实现和测试方法，锻炼工程能力和系统能力，在计算机系统的道路上更上层楼。

得益于 RISC-V 指令集架构灵活的扩展性，同学们还可根据实际需要，在系统中实现针对诸如高性能计算、异构计算、可信计算等方向的扩展。由于整个伏羲系统均为自行构建，我们可以针对这套体系，快速实现一个包含指令集扩展、编程语言语法/标准库支持、编译后端特殊优化、操作系统提供接口的完整的软硬件解决方案。

已有源代码

• CPU: Fuxi (伏羲), 32-bit pipelined RISC-V processor written in Chisel3
• Compiler: Yu (羽), a simple system programming language
• OS: GeeOS (寂), a lightweight, UNIX like operating system written in YuLang

所属赛道

2021 全国大学生操作系统比赛的 “OS功能设计” 赛道

参赛要求

• 以小组为单位参赛，最多三人一个小组，且小组成员是来自同一所高校的本科生（2021 年春季学期或之后本科毕业的大一 ~ 大四的学生）
• 如学生参加了多个项目，参赛学生选择一个自己参加的项目参与评奖
• 请遵循 “2021 全国大学生操作系统比赛” 的章程和技术方案要求

项目导师

邢其正 (MaxXing)

• github https://github.com/MaxXSoft
• email x@MaxXSoft.net
• web http://MaxXSoft.net/

难度

初等 ~ 中等 ~ 高等

特征

• 自己设计 CPU (伏羲 CPU)
• 设计一种编程语言 (羽语言)，并实现这种编程语言的编译器，可以把编译出的代码运行在自己设计的 CPU 上
• 用自己设计的编程语言编写 OS (寂 OS)，通过自己写的编译器生成机器码，并最终运行在自己设计的 CPU 上

License

• GPLv3

预期目标

注意：下面的内容是建议内容，不要求必须全部完成。选择本项目的同学也可与导师联系，提出自己的新想法，如导师认可，可加入预期目标

第一题: 大自然的搬运工

• 挑选合适的 FPGA 开发板, 将伏羲 SoC 移植到其上.
• 在第一步的基础上, 为伏羲 SoC 移植各类系统软件, 如 u-boot, open-sbi, xv6, rCore 等.
• 在进行第二步时, 您可能需要微调伏羲 CPU 的实现.

第二题: 扩展寂 OS

使用羽语言, 为寂 OS 实现更多的功能, 例如:

• 支持基于优先级的线程调度.
• 支持基于伙伴分配器的内存管理.
• 支持 mmap, fork, execve 等系统调用.
• 支持更丰富的文件系统.
• 支持 GUI.

第三题: Make YuLang Great Again!

以下三点为平行关系, 您只需完成其中的一点 (或几点):

• 为羽语言添加更多的功能, 例如:
• 支持 RAII, 即: 编译器负责在某个 “对象” (struct 的一个实例) 的生命周期结束后, 自动调用其 del 方法.
• 支持基于模式匹配和 AST 生成的宏.
• 支持泛型.
• 支持生成调试信息.
• 使用 Rust 或其他语言, 重新实现羽语言的编译器.
• 使用羽语言, 实现羽语言的编译器.

第四题: 伏羲的 RVC 支持

• 修改伏羲 CPU 的硬件实现, 使其支持 RISC-V 的 RVC (压缩指令) 扩展.
• 修改寂 OS 的相关部分, 使其支持这一变更, 并能正常运行于修改后的伏羲 CPU 上.

第五题: 伏羲的自定义扩展

• 为伏羲添加一个硬件加速器, 例如针对矩阵运算, 编解码, 神经网络推理的硬件实现.
• 如果您对指令集做出了扩展, 您需要修改羽语言编译器的后端 (目前是 LLVM), 使其支持在必要的情况下, 生成相关的指令.
• 修改寂 OS, 使其适配相关更改.
• 设计一个可运行于伏羲 SoC/寂 OS, 并利用该自定义扩展的应用, 以展示您所做的更改.
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