概要
- 東京大学の情報科学科で行われた CPU実験プロジェクト の体験談
- 独自ISA設計、FPGA上へのCPU実装、Cコンパイラ開発、 Xv6 OS移植 の挑戦
- 学生主体の学習と開発が求められる 高度な課題設定
- Xv6移植に伴う 技術的課題 とその解決プロセス
- 実験の進行とチームの協力による 成果と学び
東京大学「CPU実験」体験記：自作CPUとOS移植の挑戦
- 東京大学情報科学科の 冬季学生実験「CPU実験」 での体験談
- 学生4～5人のグループで 独自CPUアーキテクチャ設計 ・FPGA実装・OCamlサブセットコンパイラ作成・レイトレーシングプログラム実行
- 担当分野分担（CPU、FPU、シミュレータ、コンパイラ）による 協働開発
- 教員からは「このOCaml製レイトレーシングプログラムを自作CPUで動かせ」という シンプルな指示 のみ
- 学生の 自主学習力・実装力 が強く試される課題設定
OS移植への挑戦とXv6の選択
- 実験の基本目標（CPU完成・レイトレーシング実行）達成後は 自由課題 に移行
- 過去にはアウトオブオーダーCPUやマルチコアCPU、ゲーム実装など 多様な発展課題
- 筆者のグループ6は 「自作CPUでOSを動かす」 を目標に設定
- 複数グループ合同の Group X （約8名）を結成し、OS移植プロジェクトを開始
- 移植対象OSは MIT製教育用Unix互換OS「Xv6」 を選択
Xv6移植で直面した技術課題
- Cコンパイラとツールチェイン ：CPU実験ではMLコンパイラが主流でCコンパイラは未整備
- OSに必要なCPU機能 ：特権保護、仮想アドレス、割り込みなどの具体要件の理解不足
- シミュレータの機能不足 ：割り込み・仮想アドレス変換未対応の簡易シミュレータ
- Xv6の低移植性 ：char=1バイト、int=4バイト前提やスタック操作依存などx86依存仕様
Cコンパイラ「Ucc」開発とOSチーム発足
- 当初はgccやllvm移植を検討も、 独自C89コンパイラ開発 を決断
- Keiichiのプロトタイプを基に、Yuichi・Wataruらも加わり 「Ucc」 開発チーム結成
- 筆者はCPU完成後、Shohei・Masayoshiと共に OS移植チーム を始動
CPU実装とHDL開発の実際
- ハードウェア記述言語（HDL） によるCPU回路設計
- VivadoやQuartusで 論理合成 を行い、実回路化
- HDLはプログラミング言語に似るが 信号状態遷移の記述 が本質
- 論理合成には 長時間（30分以上） かかることも多く、合成待ちの間にSmash Bros. Melee対戦で息抜き
Xv6のMIPS移植とOS要件理解
- Xv6ソース読解・MIPS移植を通じて 割り込み・MMU実装の仕組み を実装レベルで理解
- UccもXv6の大半を コンパイル可能な段階 に成長
- シミュレータ上でXv6の 起動メッセージが表示 されるまで進捗
独自CPU「GAIA」設計とOS移植本格化
- 割り込み・仮想アドレス変換の仕様策定
- ハードウェア特権機構（Ring保護） は簡略化し、仮想アドレス変換はx86同様の ページウォーク方式 を採用
- YuichiがISA設計・CPUコア実装、CPU名は GAIA に決定
- シミュレータに 割り込み・仮想アドレス変換機能 を追加し、OS実行環境を整備
デバッグ・移植の苦労と進展
- 独自リンカの作成や割り込みハンドラ実装など 地道な開発作業
- シミュレータに デバッガ・ダンプ機能 を追加し、デバッグ効率化
- Uccのchar=32ビット問題でXv6との非互換が発生し、 char=8ビット対応 へ仕様変更
- ページング初期化・割り込み動作確認など、 Xv6の移植性課題 を克服
まとめ・学び
- 自作CPU・独自OS移植 を通じて、CPU・OS・コンパイラ・ハードウェア・デバッグ技術を実践的に習得
- 自主性・チームワーク・問題解決力 の重要性を実感
- 東京大学「CPU実験」は 極めて教育効果の高い実践型課題 であり、ソフトウェアエンジニアとしての礎となる体験