专栏首页五分钟学算法别人家的孩子!CPU、操作系统、编译器全自主写,刘知远点赞!

别人家的孩子!CPU、操作系统、编译器全自主写,刘知远点赞!

来源 | 新智元

最近,一个来自福州的男生突然火了,原因是知乎上一个热帖《清华大学计算机专业本科的这位同学是什么水平?》:

https://www.zhihu.com/question/345718537

提问者说,他在微博上看到清华刘知远教授的一条微博,对刘教授口中这个优秀同学产生了兴趣:

我看到微博很多人都说很牛逼,连刘知远老师都称赞,但是我好像不怎么能体会到(估计是我自身水平太低了),能有人做一个形象的比喻吗?

来源:刘知远老师微博

这名同学网名Miskcoo,他简历中“实现了在自己写的CPU上运行自己写的操作系统,以及自己实现的编译器生成的程序”一句尤其引起讨论,很多对 Miskcoo 比较了解的用户纷纷跟帖回应。

Miskcoo 本名周聿浩,毕业于福州一中,目前在清华大学计算机系就读。他曾经是一名 OIer,第一次参赛就拿到了省一。在个人博客简介上,他描述自己“感兴趣的是人工智能中偏理论方面的内容,以及一部分分析方向的数学。”

而且他本人也非常低调虚心。面对大家的一片赞誉,自己则表示获得刘知远教授认可的项目,单靠自己是做不出来的,特别要感谢一起战斗的小伙伴,包括陈晟祺、刘晓义等。

除了rCore on MIPS这个项目外,Miskcoo简历中另一个受到好评的项目经历是“NonTrivialMIPS - 十级流水双发射 MIPS 处理器”,这是清华计算机系团队在第三届 “龙芯杯” 全国大学生系统能力培养大赛中获得特等奖的项目。这是一个系统类的比赛,要求自己设计一个 CPU,在其上设计 SoC,运行操作系统等。在这个项目中,miskcoo 负责写 CPU(这次称为 NonTrivialMIPS),刘晓义写 cache,陈晟祺负责 Vivado 和 CI ,最终成功夺得特等奖!

清华大学计算机系团队夺得第三届“龙芯杯”特等奖

清华硬核系统类课程,“奋战二十天造台计算机”

我们先看引起讨论的“在自己写的CPU上运行自己写的操作系统”这个项目:

rCore on MIPS - Rust 语言实现的 Linux 兼容操作系统 2019年4月-2019年6月

  • 操作系统课程项目。rCore 是用 rust 编写的操作系统。支持了x86_64,RISCV,AArch64 三个平台。本项目主要将其移植到 MIPS32上,最终可以在组成原理课程编写的 MIPS32处理器上运行。
  • 实现了在自己写的CPU上运行自己写的操作系统,以及自己实现的编译器生成的程序。

编译器、操作系统、CPU是三个几乎像无底洞一样大的方向,实现了“在自己写的CPU上运行自己写的操作系统,以及自己实现的编译器生成的程序”究竟有多厉害,知乎用户霍华德言简意赅地评价道:

差不多等于下面这四本书融会贯通吧。感兴趣的朋友可以买来挑战一下自己。

miskcoo本人则在知乎回复,强调这些工作离不开与团队的合作:

我想多说一句,因为刘老师打码的原因可能大家没有注意到,这些东西实际上是我和另外几个同学一起做的。他们都十分厉害,在前面一个龙芯杯的参赛作品的 CPU、SoC、Linux 移植以及其它一些东西里面我主要做的是 CPU 的部分。如果没有他们的话一个暑假完成这样一件事情在我的能力范围内是不太可能的。

清华大学刘知远老师补充道:

刘知远老师提到的另一段项目经历,即“NonTrivialMIPS”这个项目,在第三届 “龙芯杯” 全国大学生计算机系统能力培养大赛,陈晟祺、周聿浩、刘晓义和陈嘉杰四位同学组成的清华大学计算机系代表队(指导教师:计算机系陈康、李山山)以性能分数和综合成绩第一的表现获大赛唯一的特等奖。

该大赛由龙芯中科公司提供技术支持,参赛队伍需在龙芯公司提供的 FPGA 开发板上,自行设计 CPU 核心及 SoC,并在上面运行测试程序。清华计算机系学生代表队设计并实现了双发射 10 级流水线 CPU,支持运行最新版 Linux 内核,启动 X11 图形界面,这在大赛历史上属于首次。现场答辩环节上,同学们的优异成果得到专家们的一致好评。

图来自:清华大学新闻网

清华大学计算机系对系统原理非常重视,从教学到课程项目都非常硬核。而且近期清华计算机系的系统类课程(包括组成原理、网络原理、编译原理等)都在进行比较大的改革,miskcoo表示,团队能够写出这个项目的部分原因也是由于这些课程的安排较为合理。

下面是清华大学计算机科学与技术专业本科培养方案中的专业主修课程内容:

项目开源:rCore for MIPS32 - Linux 兼容的 rust 编写的操作系统

rCore for MIPS32这个项目已经在GitHub上开源,感兴趣的读者可以去研究一下:

Github:https://github.com/rcore-os/rCore

rCore for MIPS32 - Linux 兼容的 rust 编写的操作系统(with:陈晟祺)

这是操作系统的课程项目,rCore 是用 rust 编写的一个操作系统,也是由清华的同学编写的。在我们加入之前支持了 x86_64, RISCV32/64, AArch64 三个平台。我们主要将其移植到 MIPS32 上。它最终可以在组成原理课程编写的 MIPS32 处理器上运行。

环境:

Rust toolchain at nightly-2019-03-05

Cargo tools: cargo-xbuild

QEMU >= 3.1.0

bootimage (for x86_64)

RISCV64 GNU toolchain (for riscv32/64)

AArch64 GNU toolchain (for aarch64)

musl-cross-make (for userland musl, or download prebuilt toolchain from musl.cc)

libfuse-dev (for userland image generation)

See Travis script for details.

如何运行:

$ rustup component add rust-src llvm-tools-preview
$ cargo install cargo-binutils
$ cargo install cargo-xbuild --force
$ cargo install bootimage --version 0.5.7 --force
$ git clone https://github.com/rcore-os/rCore.git --recursive
$ cd rCore/user
$ make sfsimg arch={riscv32,riscv64,x86_64,aarch64,mipsel} # requires $(arch)-linux-musl-gcc
$ cd ../kernel
$ make run arch={riscv32,riscv64,x86_64,aarch64,mipsel} mode=release
$ make run arch=x86_64 mode=release pci_passthru=0000:00:00.1 # for ixgbe real nic, find its pci (bus, dev, func) first

miskcoo的其他项目还包括:

  • NonTrivialMIPS - 十级双发射顺序 MIPS32 处理器

(with:陈晟祺,刘晓义,陈嘉杰)

这是参加 “龙芯杯” 的作品,获得特等奖。我们自己实现了一个十级双发射顺序 MIPS32 处理器,包含 32 位浮点单元和一个 AES 加速单元。在其上自行设计了 SoC 同时移植了 Linux 操作系统。可以运行图形界面(X 服务)以及 Python 等一大类程序,在 OpenSSL 上利用 AES 单元加速后吞吐率大约为 10MBps(CPU 主频 80MHz,在 i7-8750H 上不利用 AESNI 指令的实现吞吐率大约为 100MBps)。同时浮点单元能够较快地绘制 Mandelbrot 集的图像,我们还实现了通过变分自编码器(VAE)生成手写数字图像等。

Github: https://github.com/miskcoo/nontrivial-mips

  • TrivialMIPS - 五级双发射顺序 MIPS32 处理器

(with:陈晟祺,姚沛然)

这是大三上学期组成原理、软件工程的联合实验,在组成原理的 ThinPad 实验板上编写的 MIPS32 处理器。由于仅有 SRAM,处理器不带有 Cache,和 “龙芯杯” 的相比较为简陋。不过,加上之后操作系统和编译原理的成果,还是实现了在自己写的 CPU 上运行自己写的操作系统,同时运行自己写的编译器生成的程序。

Github: https://github.com/trivialmips/trivialmips

  • FPGA Console - 硬件实现的 VT220 兼容终端

(with:陈晟祺)

这是大二下学期数字逻辑设计的项目,也是我的第一个 FPGA 项目。主要是通过 FPGA 接受键盘的输入,将输入转化为控制命令通过串口输出给计算机。同时也通过串口接受计算机传回的控制命令名且解析、执行,修改对应位置的字符,再将字符进行渲染通过 VGA 输出到屏幕。支持 VT220 以及部分 xterm-256color 的控制序列。

Github: https://github.com/Harry-Chen/fpga-virtual-console

  • TrivialDB - 简易 SQL 数据库引擎

这是数据库系统概论的课程项目,用 C++ 实现的一个 SQL 数据库引擎。实现了大部分常见的 SQL 语句和类型。同时支持多表连接、复杂表达式运算、多主键约束、外键约束、CHECK 约束、UNIQUE 和 DEFAULT 约束、聚集查询、利用 B + 树索引的查询优化,同时,它支持任意长度的 VARCHAR 类型。

Github: https://github.com/miskcoo/TrivialDB

  • rubik-cube - 快速魔方解算器

大学后的第一个课程项目,利用 Kociemba 算法实现的三阶魔方求解器。大约能够在 1 秒内通过不多于 32 步复原一个三阶魔方。另外,还实现了 Krof 算法,可以计算最少复原方案,不过这需要很长的时间。同时,我利用 OpenGL 对复原过程进行了动画展示。

Github: https://github.com/miskcoo/rubik-cube

其它项目(较为简单,部分没有公开。有需要代码可以联系我)

  • Mandelbrot-Render,一个高精度 Mandelbrot 渲染器。
  • SimpleTomasulo - Tomasulo 算法模拟器。
  • SimilaritySearch - 近似查找 / 近似连接算法,以及一个 “互联网打车” 应用。
  • OfficeOnline - 在线审批系统。
  • RIPRouter - 支持 RIP 协议的路由器。
  • TrivialNews - Java 实现的 Android 新闻阅读器。
  • 数独 - Qt 编写的数独,可生成及求解不同难度数独。
  • 国际跳棋 - Qt 编写的双人国际跳棋游戏。
  • 人物信息检索 - Python 编写的爬虫,可以抓取 Wikipedia 的人物信息并且显示。

最后,Miskcoo同学的主页请收好:

Miskcoo’s Space - 一个数学和计算机爱好者的博客

blog.miskcoo.com

讨论地址:

https://www.zhihu.com/question/345718537

本文分享自微信公众号 - 五分钟学算法(CXYxiaowu)

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原始发表时间:2019-09-22

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