在低成本FPGA開發(fā)板上實現Oberon系統(tǒng)

1988年，Jürg Gutknecht 和我一起完成并出版了Oberon 編程語言[1,2]，其為我職業(yè)生涯早期開發(fā)的另外兩種編程語言Pascal和Modula-2 的后續(xù)版本。與Modula-2 相比，我們最初設計Oberon編程語言力求更加精簡和高效，以便能夠更好地幫助教學人員為計算機科學專業(yè)的學生教授系統(tǒng)編程。我們再接再勵，于1990 年針對可采用windows系統(tǒng)和具有字處理能力的工作站開發(fā)了Oberon 操作系統(tǒng)(OS)，以此作為工作站的現代實現方式。接著，我們出版了一本書，名為《Project Oberon》，詳細講解了Oberon 編譯器以及與之同名的操作系統(tǒng)。此外，書中還包括詳細的指令和源代碼。

幾年前，我的朋友Paul Reed 建議我重新修訂并再次出版這本書，不僅因為這本書對系統(tǒng)設計教學具有重要價值，同時還因為這本書可以作為良好的切入點，幫助那些想要成為創(chuàng)新者的人們從零基礎構建可靠的系統(tǒng)。

然而，我當時實際上是遇到了很大的困難。我最初開發(fā)的編譯器是將已基本消失了的處理器作為目標。因此，我的解決辦法就是為現代處理器重新編寫編譯器。但在做了不少研究之后，我無法找到一款能夠在清晰度、規(guī)律性和簡潔性上符合我標準的處理器。因此，我自己設計了這款編譯器。而我之所以能夠將該想法付諸實現，都是因為現代FPGA 能夠幫助我設計硬件以及系統(tǒng)軟件。更重要的是，選擇賽靈思FPGA 能幫助我更新系統(tǒng)，同時讓設計盡可能接近自1990 年以來的原始版本。

實現在低成本Digilent Spartan®-3開發(fā)板上的新型處理器RISC 負責托管1MB 靜態(tài)RAM (SR

AM) 內存。我唯一添加的系統(tǒng)硬件就是一個鼠標接口和一個用來替換舊系統(tǒng)中硬盤驅動器的SD 卡。

這本書和面向整個系統(tǒng)的源代碼可在projectoberon.com[3,4,5] 中查閱，也可在該網站上名為 S3RISCinstall.zip. 的單個文件中進行查閱。該文件包含指令、SD 卡文件系統(tǒng)圖像和FPGA 配置比特文件(對于Spartan-3開發(fā)板的 Platform Flash，此為PROM文件形式)，以及SD 卡/ 鼠標接口硬件的構造詳圖。

RISC處理器

該處理器由算術邏輯單元、由16 個32 位寄存器組成的陣列和帶指令寄存器、IR 及程序計數器PC 的控制單元組成。Verilog 模塊RISC5 就是該處理器的典型代表。

該處理器具有20 種指令：4 種用于移動、偏移和旋轉;4 種用于邏輯運算;4 種用于整數運算;4 種用于浮點運算;2 種用于存儲器訪問;2 種用于分支。

RISC5 通過運行環(huán)境RISC5Top導入。該運行環(huán)境包括到各種(內存映射)器件和SRAM(256M×32 位)的接口。整個系統(tǒng)(圖1)包括以下Verilog 模塊(見行統(tǒng)計)：

我將內存映射到黑白VGA 顯示器中，這樣它只占用1024×768×1位/ 像素=98304 字節(jié)，基本上占 1MB 可用主內存的10%。該SD卡將取代初始系統(tǒng)中80MB 的硬盤驅動器，其可通過能夠接受并序列化字節(jié)或32 位字的標準SPI 接口進行存取。鍵盤和鼠標通過標準PS-2 串行接口連接。此外，還提供一根串行異步的RS-232 線和一個通用8 位并行的I/O接口。模塊RISC5Top還帶有一個每毫秒采用增量式計數的計數器。

OBERON操作系統(tǒng)

該操作系統(tǒng)軟件由包括內存分配器(帶垃圾回收器)的內核、文件系統(tǒng)以及引導載入程序、文本系統(tǒng)、瀏覽器系統(tǒng)和文本編輯器組成。

名 為“Oberon”的模塊是中心任務調度程序，而“System”是基礎命令模塊。通過點擊顯示器上任何瀏覽器文本“M.P”上的中間按鈕即可觸發(fā)動作， 其中P 是模塊M 聲明的程序名。如果M 不存在，則會自動加載。但是，大多數文本編輯命令是通過簡單的鼠標點擊觸發(fā)的。其中，左邊一欄按鈕用來設置 脫字 符，標記文本位置，右邊一欄按鈕用來選擇文本字段(text stretch)。

“Kernel”模塊包括磁盤存儲管理和垃圾回收器。我保證觀察瀏覽器是平鋪的，不重疊。標準布局顯示了多個瀏覽器的兩條垂直軌跡。只需拖動標題欄，就可以放大、縮小或移動它們。圖2 顯示了在顯示器上運行的用戶界面以及Spartan-3 開發(fā)板、鍵盤及鼠標。

加載時系統(tǒng)占用模塊空間112640字節(jié)(21%)，占堆(heap) 的16128字節(jié)(3%)。系統(tǒng)包括所以下幾個模塊(見行統(tǒng)計)，如圖3 所示：

值得注意的是，該系統(tǒng)在加電或重置時，完成初始化僅需兩秒鐘。這包括文件目錄中垃圾回收掃描。

OBERON編譯器

系統(tǒng)自帶的編譯器采用簡單的自上而下遞歸下降分析法。用戶使用ORP.Compile @ 命令即可激活模塊選定的源文本上的編譯器。 包解析器通過掃描儀輸入各種符號，包括識別符、數字和特殊符號(如BEGIN、END、+等)。該方案已被證明在許多應用中有效且均表現不凡。這點在我著的書《編譯器結構》[6,7] 中有詳細說明。

該包解析器調用代碼生成程序模塊中的程序。這些程序直接將指令添加在代碼陣列上。如果已知所有分支目的地，向前跳轉指令(forwardbranch instructions)在模塊編譯結束時則會提供跳轉地址(修正)。

所有可變地址都與基址寄存器關聯。這就是用于局部變量(運行時設置在程序輸入)的R14(堆棧指示器)或用于全局和輸入變量的R13。

基址地址按要求通過地址保存在寄存器R12 內的系統(tǒng)全局模塊表載入。R15 用于RISC 架構確定的返回地址(鏈接)。因此，R0-R11 可用于表達式評估和傳遞過程參數。

整個編譯器由4 個相對較小的有效模塊組成(見行統(tǒng)計)：

編譯器占用115912 字節(jié)(22%)的模塊空間和17508 字節(jié)(4%)的堆空間(編譯之前)。其源代碼長約65KB。編譯器自身的編譯在25 MHzRISC 處理器上只需幾秒鐘[8]。

編譯器通常使用值為NIL的指示檢查數組索引和基準值。如果違反規(guī)定，這會造成陷阱。這種技術具有高度的安全性，防止錯誤和崩潰。事實上，只能通過采用偽模塊SYSTEM中的操作，即PUT 和COPY，才能防礙系統(tǒng)的完整性。這些操作必須局限于接入器件接口的驅動模塊。在輸入列表中，通過SYSTEM 很容易識別它們。整個系統(tǒng)采用Oberon 編程，無需使用匯編碼。

我選擇Digilent Spartan-3開發(fā)板是由于其成本低、操作簡便，這使其適于教育機構，以獲得整套課堂教學套件。一個重大優(yōu)勢就是該開發(fā)板上有靜態(tài)RAM，使得接口連接非常簡單直觀(甚至用于字節(jié)選擇)。遺憾的是，所有新開發(fā)板均采用動態(tài)RAM，雖然存儲空間更大，但接口連接復雜得多，因此刷新和初始化(校準)需要電路。這一電路與帶靜態(tài)RAM的整個處理器一樣復雜。即使控制器以單片式提供，這有悖于我們的開放檢查原則。

最后的想法

40多年前，C.A.R. Hoare 說，在科學技術的所有分支學科中，學生在被要求用實驗嘗試自己的想法之前，容易受到許多示范性設計實例的影響。編程和軟件設計與這種明智模式形成了鮮明對比。這里，在閱讀任何實例之前，要求學生從一開始就編寫程序。

這種可怕事實的原因就是：幾乎不存在大小合適的示范實例。因此，我決定稍微修正這種情形，我在1975年編寫了《算法與數據結構》一書。隨后(與J. Gut-knecht)負責操作系統(tǒng)教學任務，我設計了Oberon 系統(tǒng)(1986-88)。

此后，編程教學并沒有明顯提高，而系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性顯著增加。雖然開源的努力頗受歡迎，但它并沒有真正改變這種形勢，因為大多數程序已經建成“運行”，但卻沒有真正投入使用。

我繼續(xù)大膽提議，應重新設計所有程序，不光是計算機，還有讀取方式。這些程序應是可發(fā)行的。即便這種方法正確而有效，但這是一項比創(chuàng)建可執(zhí)行程序更為艱難的任務。這意味著，沒有任何部分必須用匯編碼指定。

忽略在這種“人為因素”的結果就是，在許多地方，新的應用沒有得到精心設計，而是通過消除程序中錯誤來實現，其結果有時是令人擔憂的。要做到“易懂”的關鍵就是堅持簡單性和規(guī)律性，放棄不必要的修飾，避免花里胡哨，正確區(qū)分傳統(tǒng)與便捷。

該系統(tǒng)所占空間小，是小資源實現大作為的見證。雖然Oberon 系統(tǒng)包含一個文件系統(tǒng)、文本編輯器和瀏覽器(Windows)管理程序，但相比多數現代操作系統(tǒng)而言，其占用的空間少得可憐。意外的是它僅僅依靠一些簡單規(guī)則，因此便于學習如何使用。

最后，這種簡單的系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢就是，用戶可以在該基礎系統(tǒng)上安全構建所需程序，而不必擔心是否存在未知特征與功能，如后門程式(back door)。從系統(tǒng)完整性易受到攻擊的角度看，這是一個基本屬性，是關鍵安全型應用不可或缺的。值得注意的是，我們的系統(tǒng)硬件沒有這種隱藏元件。畢竟，在如此之大而又沒人能夠完全了解的基礎上構建的任何系統(tǒng)也不能予以保證。