uCore 操作系统移植 —— RISC-V64 → 申威 SW64

将 uCore 教学操作系统从 RISC-V64 移植到国产 申威 SW64 架构，作为「申威卓越创新班」校企协同专项的暑期实习实践内容。

实践时间：2026 年 7 月 6 日 – 7 月 16 日 实践单位：无锡先进技术研究院

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一、实践内容与结果

实验	内容	关键结果
Lab0.5	最小内核移植（RISC-V → SW64）	QEMU 成功输出 (THU.CST) os is loading ...
Lab1.0	中断 / 异常处理移植	时钟中断累计 100 → 7000 ticks；断点与非法指令异常可捕获
Lab2	物理内存管理移植	Best-Fit 分配器，评分 50/50 满分（pmm / page table / ticks 三项全通过）

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二、技术栈与环境

项目	内容
目标架构	申威 SW64（国产自主指令集）
交叉编译工具链	sw_64sw6b-sunway-linux-gnu-gcc / ld / objdump（swgcc710）
模拟器	QEMU v6.2.0-sw-2206（qemu-system-sw64）
链接格式	-m elf64sw_64
开发环境	Ubuntu 20.04（虚拟机）
调试手段	QEMU monitor pmemsave、GDB、分步隔离法

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三、主要移植工作

3.1 内核入口（SW64 汇编）

RISC-V 的 la sp, bootstacktop; tail kern_init 在 SW64 上完全不适用，重写为：

kern_entry:
    br  $27, 1f           # PC → $27，用于计算 GP
1:  ldgp $29, 0($27)      # 初始化全局指针 GP
    ldi $30, bootstacktop # 设置栈指针 SP
    jmp $31, kern_init    # 跳转到 C 入口

GP 与 SP 必须显式初始化，否则全局变量访问与 C 函数调用都会崩溃。

3.2 HMCODE 固件调用封装（libs/sw.h）

SW64 使用 HMCODE 固件而非 OpenSBI，中断不走 stvec 而是通过 wrent 注册入口。 用 GCC 内联汇编封装了四个 HMCODE 调用：

封装函数	sys_call 编号	作用
wrent	0x34	注册中断 / 异常入口地址
swpipl	0x35	设置中断优先级屏蔽
wrkgp	0x37	注册内核全局指针
wrtimer	0x3B	设置时钟中断（oneshot 模式）

3.3 中断上下文与地址空间

• 定义 pushregs 结构体保存 36 个寄存器字段，实现 SAVE_ALL / RESTORE_ALL
• 处理 HMCODE 在 old_sp - 0x30 处保存 PS/PC/GP/r16~r18 的约定
• SW64 为四段地址空间（不同于 RISC-V 的单一地址空间），重写 PADDR / KADDR 宏：

#define PAGE_OFFSET          0xfff0000000000000UL
#define __START_KERNEL_map   0xffffffff80000000UL

#define PADDR(kva)  (kva >= __START_KERNEL_map ? \
                     kva - __START_KERNEL_map : kva - PAGE_OFFSET)
#define KADDR(pa)   ((void *)((uintptr_t)(pa) | PAGE_OFFSET))

3.4 物理内存管理（kern/mm/best_fit_pmm.c）

实现 Best-Fit 页面分配器，替换原 First-Fit 参考实现：

• 空闲链表按物理地址升序维护
• 分配时遍历链表，选取满足需求且 property 最小的块
• 释放时向前 / 向后合并相邻空闲块
• 配套 best_fit_check() 自检函数

3.5 其他移植改动

• 页大小由 4KB 调整为 8KB
• 内核打印不再依赖 OpenSBI，改为写入约定内存缓冲区（虚拟 0xffffffff80700000 / 物理 0x700000），通过 QEMU pmemsave 读取
• Makefile 全面切换至 SW64 工具链，移除 -mcmodel=medany

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四、实验报告

报告	链接
Lab0.5 最小内核实验报告	labs/lab0/Lab0.5实验报告.md
Lab1.0 中断机制实验报告	labs/lab1/Lab1.0实验报告.md
Lab2 物理内存管理实验报告	labs/lab2/Lab2实验报告.md
暑期实习实践反馈	labs/lab2/暑期实习反馈.md

各实验目录下的 .score 文件为自动评分记录（Lab2 为 50/50 满分）。

Lab1 的评分记录为 10/40：评分脚本仍按 x86 架构检查 cs / ds / ring 等分段寄存器， 而 SW64 架构不存在这些概念，故仅 ticks 一项可通过。此为评分脚本架构不匹配所致，非实现缺陷。

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五、目录结构

labs/
├── lab0/   # 最小内核移植（交叉编译环境、SW64 汇编入口、内存缓冲区输出）
├── lab1/   # 中断与异常（HMCODE 封装、SAVE_ALL/RESTORE_ALL、rti 返回）
└── lab2/   # 物理内存管理（PADDR/KADDR 四段地址、Best-Fit 分配器）

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六、说明

• 基础代码来自 uCore 教学操作系统（RISC-V64 版本）
• Lab1 的起始框架参考了 ring00/bbl-ucore 的 lab1 代码，在其基础上完成 SW64 移植
• SW64 架构相关的入口汇编、HMCODE 封装、地址映射与内存分配器为本次实践移植实现