CS152 · Lab 3

Lab 3: BOOM Out-of-Order Core

这个实验把第 11-15 课的乱序执行、寄存器重命名、分支预测理论，变成对一颗真实乱序超标量核心（BOOM）的直接操作——并且用一次真实的 Spectre 攻击复现，让"推测执行会泄露信息"这件事不再是抽象的安全新闻标题，而是你亲手触发、亲手观测到的具体现象。

发布：2023-03-02（随第 14 课）截止：2023-03-23 难度：较难

实验目标

在 Chipyard 框架中使用 BOOMv3（Berkeley Out-of-Order Machine）超标量核心
亲手调整 ROB 大小、物理寄存器数、分支预测结构，观察第 12、13 课讲过的这些参数如何直接影响真实 CPI
理解推测执行与缓存旁路结合，如何构成真实的硬件安全漏洞（Spectre Variant 1）

指导性部分（约占 20% 分数）

核心任务：从一个"最差情况"的 BOOM 配置（33 项物理寄存器堆、4 项 ROB、无分支预测）开始，通过 config-mixins.scala 里的 WithNCS152BaselineBooms 逐步升级到一个"改进版"配置（64 项物理寄存器堆、16 项 ROB、BTB+BHT+8 项返回地址栈），在 dhrystone、median、multiply、qsort、spmv、towers、vvadd 等基准测试上，对比乱序 BOOM 与顺序 Rocket 核心的 CPI 差异——这是第 11、12 课"ROB 大小、物理寄存器数量限制乱序执行效果"这一理论在真实硬件上的直接验证。

开放性部分（约占 80% 分数，二选一）

自定义分支预测器：用 C++（predictor_sw.cc）设计一个分支预测器，目标是打败 256 项双模态基线预测器（CS152SWPredBoomConfig），可选择性地与内置的 TAGE 实现对比——这是第 15 课讲过的两级预测器、TAGE 等结构的直接实践
复现真实的 Spectre Variant 1 攻击：针对 CS152SmallBoomConfig，训练分支预测器使其偏向某个方向，预热（prime）缓存，利用 pk（proxy kernel）中一个故意植入的、存在越界推测性读取漏洞的 sys_leak 系统调用接口，配合缓存计时侧信道（Prime+Probe 技术），一次一位地窃取一段 128 字节的秘密数据。仓库中已经附带了一份可运行的概念验证代码（lab/open2/spectre.c）、预编译好的 pk-spectre，以及一份真实运行日志作为参考。

关于这个安全实验的说明：这是课程官方设计的教学实验，目的是让学生在受控、隔离的教学环境中，亲手理解 Spectre 这一类推测执行侧信道攻击的真实机制——这是计算机体系结构与安全交叉领域的经典教学案例（该漏洞本身在 2018 年由学术界公开披露，影响了几乎所有现代乱序处理器）。本页只描述这个作业已经公开的任务背景，不提供额外的攻击代码或漏洞利用细节；具体实现请参照课程仓库中已经提供的教学用代码。

交付物与评分说明

指导性部分独立完成；开放性部分可以组队（每组一个问题）
报告须为可读的英文摘要，不接受日志文件转储
全学期至少完成 3/5 个实验，否则自动判定为 F

知识检查

问题 1：Lab 3 指导性部分对比"最差情况"与"改进版"BOOM 配置的 CPI，主要验证了第几课的哪条理论？

问题 2：本页对开放性部分选项 2（复现 Spectre Variant 1 攻击）采取了什么处理方式？

参考资料与延伸阅读

课程依赖内容：第 11-13 课（复杂流水线、寄存器重命名、ROB）、第 15 课（分支预测）
BOOM 文档：github.com/riscv-boom/riscv-boom

🧪 Lab 3