RISC-Vベースの自作CPUに自作OSを実装（helloコマンドしかできない）
こんにちは，めぶきぶです．
この記事は，大学院生の春休みに就活をほったらかして作成した，自作CPUに自作OSを実装する，その記録になります．
タイトルは「RISC-Vベースの自作CPUに自作OSを実装（helloコマンドしかできない）」ですが，もう少し詳しく説明すると，「RISC-VとChiselで学ぶ はじめてのCPU自作」の内容をVerilogに移植し，「Writing an OS in 1,000 lines」という記事中のhelloコマンドまでを，移植したCPU上で動作させるという意味です．完全に自作というわけではないです．
1．完成したもの
TeraTermを用いてUART通信を行っています．
コマンドを入力し，その応答が返ってきます．
↓動画です（私のポスト）
https://x.com/MebuKibu/status/1773163575554592995?s=20
2．システムの全体像
構築したシステムは図のようになっています．
動作の流れ
①C言語にてOSを作成
②RISC-VコンパイラでOSをコンパイルし，バイナリファイルを作成
③バイナリファイルから，命令部分のみを抽出し，16進数に変換
④CPUのmemory.vに16進数形式のファイルを書き込む
⑤Vivadoを用いて，Verilogで作成したCPUをbitstreamファイルに変換
⑥FPGAボードに書き込み，CPUを起動
⑦TeraTermを用いてUART通信を行い，helloコマンドを入力し「Hello World」
2.1．FPGAボード
今回使用したFPGAボードはDigilent社の「ARTY S7-50」です．
数年前に，秋月電子通商で購入しました．そのときは，13,000円くらいだったと記憶していますが，今見たら22,440円になってました．びっくり
購入理由としては，「作ろう！CPU」のサポートページ において，このボードを用いたサンプルを見つけたためです．
Vivadoのインストールからシミュレーションの方法，FPGA書き込みまでサポートしているので，初心者の方にはおすすめです．
2.2．CPU
自作CPUは，「RISC-VとChiselで学ぶ はじめてのCPU自作――オープンソース命令セットによるカスタムCPU実装への第一歩」という本で作成するCPUをVerilogに移植したものです．
私の認識では，ChiselはVerilogよりも高位なハードウェア記述言語です．おそらく，ChiselコードをVerilogコードに変換することも可能ですが，より低位な視点で１からCPUを作成したいと思ったので，Verilogで書くことにしました．
この本は，かなりボリューミーで，簡単なCPUの実装から，パイプライン処理，ベクトル命令，カスタム命令について書かれています．その中から，「簡単なCPUの実装」の部分だけ使用し，Verilogに移植しました．
自作したCPUの命令セットは，RV32Iです．これは，RISC-V 32bitの基本整数命令セットIであり，乗算，除算命令は含みません．
2.3．OS
自作OSは，「Writing an OS in 1,000 lines」という記事のhelloコマンドまでを自作CPUに合うように変更しました．
operating-system-in-1000-lines.vercel.app
この記事は，全18章で構成され，章ごとに少しずつ実装していく形式になっています．一歩ずつ進めていくので，OSを勉強する上でおすすめです．
全18章のうち，15章のシステムコールまでを対象としました．16章以降は，ホストOS(自分のPCのOS)との通信するという内容でした．私は，FPGAボードに実装が目標だったため，内容が違うなと思い，16章以降は見送りました．
「Writing an OS in 1,000 lines」のOSと私の自作OSの変更点は以下です．
・OpenSBIを用いない
OpenSBIとは，RISC-VのオープンソースなSモードインターフェースです．自作CPUは，一から構築するため，これは使用できません．QEMUでのシミュレーションでは，-bias none としています．
・文字入出力はメモリマップドなUARTモジュール
OpenSBIが使用できないと，文字の入出力も一苦労です．ここでは，xv6-riscvで使用されているUARTモジュールを参考にして，実装することにしました．
xv6は，MIT(マサチューセッツ工科大学)の授業で用いられているOSです．元々x86 CPU用に実装されたxv6をRISC-V CPU用に実装し直したものがxv6-riscvです．ソースコードは，GitHubで公開されています．
・ページングSV32が実装できなかったので，ページングなし
ページングSV32に設定するには，CSRのSATPの32bit目の立てればよいと思っていたのですが，この処理を行うと例外が発生してしまいます．色々調べたのですが，解決方法が見つからず，ページングはなしとなりました．
shell.cはユーザアプリケーションで，ベースアドレスは仮想アドレスを指定しています．しかし，ページングがないため，仮想アドレスから物理アドレスへの変換ができません．そのため，一度コンパイルしてから，その結果をダンプしてアプリケーションのベース物理アドレスを確認し，その物理アドレスをリンカスクリプトで指定してから，再びコンパイルするという方法でなんとか実装しました．（アプリケーションとは）
そもそも，自作CPUではCSRは存在するだけで，ほぼ機能していないので，ユーザモードとか意味ないです(泣)
2.4．UART通信
メモリマップドなUARTモジュールについて少し説明します．
メモリマップドとは，あるアドレスに対するメモリの読み書きが，他のデバイスの読み書きと対応する形式のことを指します．
私の自作CPUの場合だと，アドレス0x1000に対してメモリの読み書きを行うと，そのアドレスにはUARTモジュールが接続されているので，UARTモジュールに対して読み書きが行われます．
この手法の利点は，CPU側はメモリの読み書きをするだけでよく，他のデバイスのことを考える必要がないことです．
UARTのOS側動作(C言語)は，前述のようにxv6-riscvを参考にしています．
一方，CPU側(Verilog)では，主に以下の記事を参考にしました．
この記事は，UARTの送信側だけですが，受信側も検索すれば沢山出てきます．
3．まとめ
今回，RISC-Vベースの自作CPUに，helloコマンドができる自作OSを実装し，FPGAボードで動作させました．
今後は，まずページングをなんとかすることと，ファイルシステムにも挑戦してみたいと思います．
