基于RISC-V的计算机系统综合实验设计

孙卫真，刘雪松，朱威浦，向 勇

(1.首都师范大学 信息工程学院，北京 100048；2.中国科学院 计算技术研究所，北京 101407；3.清华大学 计算机科学与技术系，北京 100084)

0 引 言

目前，高校进行计算机系统教学实验主要有以下几种教学方式：其一是使用纯硬件搭建实验平台，虽该方式可深入接触计算机硬件模块，但实验操作机械死板、硬件平台开发成本较高；其二是采用软件系统仿真的方式，该方法成本较低、易于上手，但受教育者不能在实验过程中较好体会到计算机与硬件的紧密结合[1]。

为了优化上述问题，实现设计目标，本文从硬件支持、处理器构建、系统编程语言选择三方面考虑，构建计算机系统实验平台。首先，FPGA开发板能为学生提供软硬件协作的基本实验环境，并能结合特定的实验设计达到帮助学生建立计算机系统思维的目标[2-5]，因此将其作为本研究的硬件模块平台。其次，RISC-V因具有完全开源、架构简单、易于移植、模块化设计等优势被研究人员用来构建新的片上处理器[6,7]。最后，Rust语言作为新兴系统编程语言致力于解决高并发和高安全性系统问题[8]，目前已有许多开源社区的开发人员基于Rust语言对操作系统的开发进行了尝试。清华大学教学操作系统rCore[9]的实现就具有很好的代表性。

为紧跟技术发展并及时更新实验内容，本研究以基于RISC-V CPU的组成原理实验、基于Rust语言的教学操作系统实验作为本文的实现案例，帮助学生深入理解计算机系统组成、完善知识结构，在资源与成本受限的情况下，设计满足高校需求的软硬件结合的计算机系统综合实验平台。……