ComputerSystemIII · Xpart

2024–2025 浙江大学《计算机系统 III》课程项目。本仓库自底向上贯通硬件与软件两个层次：在 FPGA / 仿真环境中实现一颗 64 位 RISC-V 处理器，并在其之上运行一个支持文件系统、进程管理与交互式 Shell 的操作系统内核。

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项目总览

ComputerSystemIII/
├── submit/         硬件：五级流水线 RISC-V CPU（SystemVerilog）
├── kernel/         软件：基础内核（Sys III 实验框架）
├── kernel_XPart/   软件：扩展内核（VFS / FAT32 / ELF / Shell / 系统调用）
├── include/        共享头文件
├── slides/         结题展示幻灯片（reveal.js / Markdown）
├── Makefile        硬件仿真与 Vivado 综合的顶层构建脚本
└── README.md

整体设计分为两大部分：

部分	目录	关键能力
硬件	submit/	64 位 RISC-V 处理器、Forwarding、分支预测、MMU（Sv39 三级页表）
软件	kernel/、kernel_XPart/	11 个系统调用、缺页处理、ELF 加载、CoW fork、VirtIO + FAT32 文件系统、RIKEShell

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硬件部分

submit/ 下为完整的五级流水线 RISC-V 处理器，采用 SystemVerilog 实现，可在 Verilator 仿真与 Vivado（Xilinx xc7a100t）综合两种流程下运行，并能直接启动软件部分的内核。

主要特性：

• 五级流水线：取指 / 译码 / 执行 / 访存 / 写回。
• Forwarding（数据前递）：通过 ForwardingUnit / ForwardingMux 解决数据冒险（Sys II Lab2）。
• 分支预测：在流水线中引入分支预测（Sys III Lab1）。
• MMU：实现 Sv39 三级页表地址翻译（Sys III Lab6），并处理「分支预测错误」与「页表遍历」之间的时序冲突——预测失败时等待 PC 恢复后再继续翻译。
• CSR / 异常：CSRModule、CSRALU、ExceptReg、IDExceptExamine 等模块支持机器态 CSR 与异常处理。
• AXI 访存桥：Mem2Axi 将核心访存请求桥接到 AXI 总线。

核心模块一览：

模块	职责
Core.sv	处理器顶层，组织各级流水线
Controller.sv	主控制器，生成各级控制信号
ALU.sv / Cmp.sv	算术逻辑运算与比较
RegFile.sv	通用寄存器堆
ImmGen.sv	立即数生成
ForwardingUnit.sv / ForwardingMux.sv	数据前递
HazardStall.sv	冒险检测与流水线暂停
MMU.sv	Sv39 虚拟地址翻译
CSRModule.sv / CSRALU.sv	CSR 读写与运算
ExceptReg.sv / IDExceptExamine.sv	异常寄存器与译码级异常检测
Mem2Axi.sv	访存到 AXI 的桥接

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软件部分

软件部分包含两套内核：

• kernel/ —— Sys III 实验基础框架，包含调度、虚拟内存、printk 等基础设施。
• kernel_XPart/ —— 在基础内核之上扩展的完整内核，是软件部分的主体。

kernel_XPart 的主要能力：

系统调用

共实现 11 个系统调用，采用与 Linux RISC-V 一致的调用号（a7 传号、a0–a2 传参，经 ecall 陷入 syscall_handler 统一分发，见 trap.c、syscalls.h）：

调用号	系统调用	说明
23	dup3	复制文件描述符（用于 I/O 重定向，框架已就绪）
56	open	打开 / 创建文件，返回 fd
57	close	关闭文件描述符
62	lseek	调整读写偏移，支持 SEEK_SET / SEEK_CUR / SEEK_END
63	read	从 fd 读取（fd 0 为标准输入，其余走文件系统）
64	write	向 fd 写入（fd 1 为标准输出，其余走文件系统）
93	exit	进程退出并回收资源
172	getpid	获取当前进程 PID
174	waitpid	等待子进程退出并回收
220	clone	fork 的底层实现（写时复制地址空间）
221	execve	从文件系统加载并执行新程序

进程与内存

• 缺页处理：实现取指 / load / store 三类缺页（scause 0xc / 0xd / 0xf）的处理，支持用户栈与代码段的按需调页。
• fork（clone）：基于写时复制（Copy-on-Write）复制父进程地址空间（fork.c）。
• execve：内建 ELF 加载器，从 FAT32 文件系统读入 ELF 可执行文件、建立用户地址空间映射并跳转执行（execve.c、elf.h，示例程序 bin/hello.elf）。
• waitpid / exit：父进程可阻塞等待指定子进程退出并回收其资源，构成进程从加载、运行到退出回收的完整生命周期。

文件系统

自底向上三层结构：

• VirtIO 块设备驱动（virtio.c）：驱动 QEMU virtio-blk-device，并解析 MBR 分区表（mbr.c）。
• FAT32 文件系统（fat32.c）：支持文件的 打开、读取、写入（可带偏移）、创建 与目录项枚举（fat32_open_file / fat32_read_file / fat32_write_file / fat32_create_file / get_fat32_filenames）。
• VFS 抽象层（fs.c、fs.h）：以函数指针表（lseek / read / write）统一文件操作，每进程最多 32 个打开文件（MAX_FILE_NUMBER），路径长度上限 32 字节（MAX_PATH_LENGTH），支持 F_READ / F_WRITE / F_EXEC 权限位，写入数据持久化到磁盘镜像。

用户态程序与 C 库

• 可运行真实用户程序：用户程序通过 user/src/main.c 中的 USER_MAIN 宏选择，内置缺页测试（PFH1/PFH2）、fork / CoW / malloc 测试（FORK1–FORK4）、文件读写测试（XPART）以及默认的交互式 Shell（SHELL）；并可通过 execve 运行从文件系统加载的独立 ELF 程序。
• RIKEShell：交互式 Shell（致谢 ZJU os24fall-stu），支持 6 条命令：
  • echo <content> —— 输出文本（支持双引号包裹）
  • cat <file> —— 打印文件内容
  • edit <file> <offset> <content> —— 在指定偏移处写入文件
  • run <elf> —— 经 fork + execve 运行程序并 waitpid 等待其结束
  • help —— 显示命令帮助
  • exit —— 退出 Shell
• 用户态 C 库：malloc / free（malloc.c）、readline（行编辑，readline.c）、printf、字符串函数等。

构建产物包括 vmlinux（ELF 内核）、arch/riscv/boot/Image（裸二进制）、vmlinux.asm 反汇编与 System.map 符号表。

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构建与运行

软件：在 QEMU 上运行内核

依赖 riscv64-linux-gnu- 交叉工具链与 qemu-system-riscv64：

cd kernel_XPart

make all        # 交叉编译内核，生成 vmlinux / Image
make run        # 在 QEMU virt 平台上启动内核（挂载 disk.img 作为 VirtIO 磁盘）
make debug      # 同上，但开启 -S -s 等待 GDB 连接
make clean      # 清理构建产物

运行前请先将随仓提供的 kernel_XPart/disk.img.zip 解压为 disk.img（已在 .gitignore 中忽略），作为 FAT32 磁盘镜像。

此外还支持 Spike ISA 模拟器（make spike_run / make spike_debug / make spike_bridge）。

硬件：仿真与综合

顶层 Makefile 驱动硬件流程，依赖 Verilator（仿真）与 Vivado（综合 / 生成比特流）。其中 DIR_UPSTREAM 指向课程提供的 sys-project 工程（仿真平台、IP、测试用例等），请按实际路径配置。

make verilate        # Verilator 编译并运行测试用例（TESTCASE=sample）
make kernel          # 在仿真处理器上运行软件内核
make uart            # UART 外设测试
make conv            # 卷积测试用例
make wave            # 用 GtkWave 查看波形
make clean           # 清理仿真产物

make bitstream       # 调用 Vivado 综合生成比特流（需配置 VIVADO_SETUP 路径）
make vivado          # 打开 Vivado GUI

使用 Vivado 前，请在 Makefile 中将 VIVADO_SETUP 修改为本机 settings64.bat / settings64.sh 的实际路径；目标板默认为 xc7a100tcsg324-1。

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展示幻灯片

slides/ 为基于 reveal.js（Markdown 源 main.md）的结题展示，内容涵盖硬件与软件两部分的设计与运行结果。

cd slides
make            # 构建幻灯片

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工具链一览

用途	工具
交叉编译	riscv64-linux-gnu- GCC / LD / objcopy / objdump（rv64ia_zicsr_zifencei，lp64）
软件运行	QEMU（qemu-system-riscv64，virt 平台）、Spike
硬件仿真	Verilator、GtkWave
硬件综合	Vivado 2019.2+（Xilinx Artix-7 xc7a100t）
幻灯片	reveal.js / Markdown