Search
Cílem cvičení je seznámení s učebnou, zopakování základních pojmů na téma reprezentace dat v počítači.
Na cvičení budeme vycházet z následujícího programu v C, který budeme dále modifikovat.
Program pro zobrazování reprezentace čísel:
/* Simple program to examine how are different data types encoded in memory */ #include <stdio.h> /* * The macro determines size of given variable and then * prints individual bytes of the value representation */ #define PRINT_MEM(a) print_mem((unsigned char*)&(a), sizeof(a)) void print_mem(unsigned char *ptr, int size) { int i; printf("address = 0x%08lx\n", (long unsigned int)ptr); for (i = 0; i < size; i++) { printf("0x%02x ", *(ptr+i)); } printf("\n"); } int main() { /* try for more types: long, float, double, pointer */ unsigned int unsig = 5; int sig = -5; /* Read GNU C Library manual for conversion syntax for other types */ /* https://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Formatted-Output.html */ printf("value = %d\n", unsig); PRINT_MEM(unsig); printf("\nvalue = %d\n", sig); PRINT_MEM(sig); return 0; }
Učebna KN:E-2 je vybavena počítači se síťovou instalací operačního systému Debian GNU/Linux Jessie.
Po zapnutí počítače je zaveden z lokálního serveru přes PXE zavaděč PXElinux. Ten umožňuje volit
DCE 4.9 stretch app
Volba menu zajistí natažení image jádra GNU/Linux a počátečního RAM-disku ze sítě s využitím protokolu TFTP. Po spuštění jádra je připojen přes NFS kořenový svazek. Ten je ale připojen jen v režimu pro čtení. Pro dočasné uložení lokálních změn je pak nad tuto adresářovou strukturu namapovaný souborový systém pro dočasné uložení lokálních změn. Jedná se buď o modul Overlayfs (dříve se používal AUFS). Pro ověření přihlašovacích údajů se používá systém Kerberos a ověřuje se proti hlavnímu ČVUT heslo. Po úspěšném přihlášení je pak do adresářové struktury stanice připojen přes NFS svazek s uživatelským kontem, ke kterému má uživatel práva pro čtení a zápis.
Další informace o použitém řešení lze nalézt na stránce Wiki Jak vytvořit bezdiskový stroj s operačním systémem GNU/Linux. Dále jsou k dispozici slide DiskLess Debian/GNU Linux z prezentace našeho řešení na konferenci/akci Install Fest.
Pro ověření oprávnění k přístupu do systému a se používá centrální ČVUT/FEL heslo.
Kromě místnosti KN:E-2 je prostředí dostupné v místnosti KN:E-s109 a na externě přístupném serveru postel.felk.cvut.cz přes SSH spojení. Pro přenos souborů lze pak použít příkaz SCP případně jiné klienty podporující SCP/SFTP protokol.
Konto si lze připojit do vlastního GNU/Linux systému přes utilitu sshfs, např.:
sshfs jmeno@postel.felk.cvut.cz: /mnt/tmp
ssh -X jmeno@postel.felk.cvut.cz
Poznámka: Jméno nebylo zvoleno pouze z důvodu pohodlného přístupu z pohodlí domova, ale je především připomínkou jedné z klíčových osobností počítačové sítě Internet - Jona Postela.
V případě problémů s instalací GNU/Linxu kontaktuje Aleše Kapicu ze skupiny IT (http://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/IT_kontakty) případně další kolegy ze skupiny IT, kteří mají správu hardware a sítí ne jen v KN:E-2 na starosti.
Přes sériový port, parametry:
Po zjištění adresy připojené desky přes SSH
ssh -i /opt/zynq/ssh-connect/mzapo-root-key root@192.168.202.xxx
Pro přenos souborů mezi cílovým systémem a hostitelským PC lze použít program SCP nebo si lze připojit kompletní souborový systém cílové desky do podadresáře /tmp příkazem
/tmp
/opt/zynq/sshfs-mount-target 192.168.202.xxx
ssh-add /opt/zynq/ssh-connect/mzapo-root-key
Připravený příkaz pro rychlé zavedení klíče
ssh-add-mzapo-key
A potom se k systému připojit přes ssh s uživatelem root již bez zadávání klíče nebo hesla:
ssh root@192.168.202.xxx
Do adresářové struktury cílového systému je do adresářů /opt/apo a /opt/zynq připojený shodný svazek/obsah jako je na hostitelském PC
/opt/apo
/opt/zynq
Nachází se zde i adresář se zdrojovými kódy programu pro test binární reprezentace
/opt/apo/binrep/print_binrep
Adresář vidí jak na host systému (PC) tak na target systému (Zynq). Ale na obou je jen read-only. Pro kompilaci je potřeba adresář zkopírovat a spustit v něm příkaz
cp -r /opt/apo/binrep/print_binrep /root cd /root/print_binrep make
Pro vynucení překompilování lze použít cíl clean pro smazání a cíl all pro opětovnou kompilaci. Cíl all je shodný s prvním uvedeným cílem, který je vybraný při volání bez parametrů.
clean
all
make clean all
Na cílovém systému je přidaná i kopie zdrojového kódu v adresáři /root/apo/binrep/print_binrep, ten je stejně jako většina systému překrytý pod overlayem, takže lze přímo používat. Pozor, po restartu systému budou veškerá data ztracena. Vše se odehrává jen v lokální RAM (tmpfs, zjednodušeně RAM disk). Jednoduchá kompilace a spuštění
/root/apo/binrep/print_binrep
cd /root/apo/binrep/print_binrep make ./print_binrep
Přímo na cílovém systému lze zdrojové kódy editovat programy
Ty jsou k dispozici i na hostitelském PC, kde jsou navíc nainstalované i editory/prostředí
Jednoduchý program, který kopíruje hodnotu z RGB voličů na RGB LED a řádku LED diod.
Program naleznete v adresáři /opt/apo/binrep/mzapo_binrep a na cílovém systému i v adresáři /root/apo/binrep/print_binrep.
/opt/apo/binrep/mzapo_binrep
/******************************************************************* Simple program to demostrate binary reprezentation on MicroZed based MZ_APO board designed by Petr Porazil at PiKRON mzapo_binrep.c - main and only file (C) Copyright 2004 - 2017 by Pavel Pisa e-mail: pisa@cmp.felk.cvut.cz homepage: http://cmp.felk.cvut.cz/~pisa work: http://www.pikron.com/ license: any combination GPL, LGPL, MPL or BSD licenses *******************************************************************/ #define _POSIX_C_SOURCE 200112L #include <sys/mman.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <stdint.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <malloc.h> #include <string.h> #include <byteswap.h> #include <getopt.h> #include <inttypes.h> #include <time.h> char *memdev="/dev/mem"; /* * Next macros provides location of knobs and LEDs peripherals * implemented in MZ_APO FPGA design. * * The complete list of peripheral implemented in the design * can be found on the page * https://cw.fel.cvut.cz/wiki/courses/b35apo/documentation/mz_apo/start */ /* * Base address of the region used for mapping of the knobs and LEDs * peripherals in the ARM Cortex-A9 physical memory address space. */ #define SPILED_REG_BASE_PHYS 0x43c40000 /* Valid address range for the region */ #define SPILED_REG_SIZE 0x00004000 /* * Byte offset of the register which controls individual LEDs * in the row of 32 yellow LEDs. When the corresponding bit * is set (value 1) then the LED is lit. */ #define SPILED_REG_LED_LINE_o 0x004 /* * The register to control 8 bit RGB components of brightness * of the first RGB LED */ #define SPILED_REG_LED_RGB1_o 0x010 /* * The register to control 8 bit RGB components of brightness * of the second RGB LED */ #define SPILED_REG_LED_RGB2_o 0x014 /* * The register which combines direct write to RGB signals * of the RGB LEDs, write to the keyboard scan register * and control of the two additional individual LEDs. * The direct write to RGB signals is orred with PWM * signal generated according to the values in previous * registers. */ #define SPILED_REG_LED_KBDWR_DIRECT_o 0x018 /* * Register providing access to unfiltered encoder channels * and keyboard return signals. */ #define SPILED_REG_KBDRD_KNOBS_DIRECT_o 0x020 /* * The register representing knobs positions as three * 8-bit values where each value is incremented * and decremented by the knob relative turning. */ #define SPILED_REG_KNOBS_8BIT_o 0x024 /* * The support function which returns pointer to the virtual * address at which starts remapped physical region in the * process virtual memory space. */ void *map_phys_address(off_t region_base, size_t region_size, int opt_cached) { unsigned long mem_window_size; unsigned long pagesize; unsigned char *mm; unsigned char *mem; int fd; /* * Open a device ("/dev/mem") representing physical address space * in POSIX systems */ fd = open(memdev, O_RDWR | (!opt_cached? O_SYNC: 0)); if (fd < 0) { fprintf(stderr, "cannot open %s\n", memdev); return NULL; } /* * The virtual to physical address mapping translation granularity * corresponds to memory page size. This call obtains the page * size used by running operating system at given CPU architecture. * 4kB are used by Linux running on ARM, ARM64, x86 and x86_64 systems. */ pagesize=sysconf(_SC_PAGESIZE); /* * Extend physical region start address and size to page size boundaries * to cover complete requested region. */ mem_window_size = ((region_base & (pagesize-1)) + region_size + pagesize-1) & ~(pagesize-1); /* * Map file (in our case physical memory) range at specified offset * to virtual memory ragion/area (see VMA Linux kernel structures) * of the process. */ mm = mmap(NULL, mem_window_size, PROT_WRITE|PROT_READ, MAP_SHARED, fd, region_base & ~(pagesize-1)); /* Report failure if the mmap is not allowed for given file or its region */ if (mm == MAP_FAILED) { fprintf(stderr,"mmap error\n"); return NULL; } /* * Add offset in the page to the returned pointer for non-page-aligned * requests. */ mem = mm + (region_base & (pagesize-1)); return mem; } /* * The main entry into example program */ int main(int argc, char *argv[]) { unsigned char *mem_base; /* * Setup memory mapping which provides access to the peripheral * registers region of RGB LEDs, knobs and line of yellow LEDs. */ mem_base = map_phys_address(SPILED_REG_BASE_PHYS, SPILED_REG_SIZE, 0); /* If mapping fails exit with error code */ if (mem_base == NULL) exit(1); while (1) { uint32_t rgb_knobs_value; int int_val; unsigned int uint_val; /* Initialize structure to 0 seconds and 200 milliseconds */ struct timespec loop_delay = {.tv_sec = 0, .tv_nsec = 200 * 1000 * 1000}; /* * Access register holding 8 bit relative knobs position * The type "(volatile uint32_t*)" casts address obtained * as a sum of base address and register offset to the * pointer type which target in memory type is 32-bit unsigned * integer. The "volatile" keyword ensures that compiler * cannot reuse previously read value of the location. */ rgb_knobs_value = *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_KNOBS_8BIT_o); /* Store the read value to the register controlling individual LEDs */ *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_LED_LINE_o) = rgb_knobs_value; /* * Store RGB knobs values to the corersponding components controlling * a color/brightness of the RGB LEDs */ *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_LED_RGB1_o) = rgb_knobs_value; *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_LED_RGB2_o) = rgb_knobs_value; /* Assign value read from knobs to the basic signed and unsigned types */ int_val = rgb_knobs_value; uint_val = rgb_knobs_value; /* Print values */ printf("int %10d uint 0x%08x\n", int_val, uint_val); /* * Wait for time specified by "loop_delay" variable. * Use monotonic clocks as time reference to ensure * that wait interval is not prolonged or shortened * due to real time adjustment. */ clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, 0, &loop_delay, NULL); } return 0; }
Program je zkompilovaný překladačem GCC pro architekturu ARM Cortex-A (arm-linux-gnueabihf-gcc). Pro zkrácení kódu je využitá varianta kódování instrukcí Thumb, která kombinuje instrukce kódované do 16 a 32-bitů. Pro dekódování byl použitý nástroj objdump
arm-linux-gnueabihf-objdump --source mzapo_binrep | less
Při kompilaci nebyla požadovaná žádná optimalizace, proto kód opakovaně přistupuje do lokálních proměnných a řádky v assembleru lze velmi dobře porovnávat s řádky zdrojového kódu.
Pro případ bez optimalizace
rgb_knobs_value = *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_KNOBS_8BIT_o); load value of the local variable "mem_base" from the memory location relative to the register r7 106e6: 69fb ldr r3, [r7, #28] read value from the address corresponding to the sum of "mem_base" and "SPILED_REG_KNOBS_8BIT_o" peripheral register offset 106e8: 6a5b ldr r3, [r3, #36] ; 0x24 store read value to the local variable "rgb_knobs_value" 106ea: 61bb str r3, [r7, #24] *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_LED_LINE_o) = rgb_knobs_value; read "mem_base" 106ec: 69fb ldr r3, [r7, #28] use short form (Thumb) instruction to add "SPILED_REG_LED_LINE_o" 106ee: 3304 adds r3, #4 read "rgb_knobs_value" local variable 106f0: 69ba ldr r2, [r7, #24] store "rgb_knobs_value" to the LED line peripheral register 106f2: 601a str r2, [r3, #0] *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_LED_RGB1_o) = rgb_knobs_value; load "mem_base" 106f4: 69fb ldr r3, [r7, #28] add offset of the first RGB LED 106f6: 3310 adds r3, #16 load "rgb_knobs_value" 106f8: 69ba ldr r2, [r7, #24] store value to control color 106fa: 601a str r2, [r3, #0] *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_LED_RGB2_o) = rgb_knobs_value; load "mem_base" 106fc: 69fb ldr r3, [r7, #28] add offset of the second RGB LED 106fe: 3314 adds r3, #20 load "rgb_knobs_value" 10700: 69ba ldr r2, [r7, #24] store value to control color 10702: 601a str r2, [r3, #0] int_val = rgb_knobs_value; load "rgb_knobs_value" 10704: 69bb ldr r3, [r7, #24] store value to "int_val" 10706: 617b str r3, [r7, #20] no conversion between unsigned 32-bit value and signed signed int. They are of the same size and there is no conversion between the unsigned and the second complement signed representation. The half range silently overflows/wraps. uint_val = rgb_knobs_value; load "rgb_knobs_value" 10708: 69bb ldr r3, [r7, #24] store value to "uint_val" 1070a: 613b str r3, [r7, #16] no conversion, the same size printf("int %10d uint 0x%08x\n", int_val, uint_val); the first argument register (r0 .. a0) is set to the start address of the format string 1070c: f240 70ac movw r0, #1964 ; 0x7ac 10710: f2c0 0001 movt r0, #1 load "int_val" into the second argument register (r1 .. a1) 10714: 6979 ldr r1, [r7, #20] load "uint_val" into the third argument register (r2 .. a2) 10716: 693a ldr r2, [r7, #16] call the function 10718: f7ff eea8 blx 1046c <printf@plt>
Pro případ se základní optimalizací -O1
Setup memory mapping which provides access to the peripheral registers region of RGB LEDs, knobs and line of yellow LEDs. mem_base = map_phys_address(SPILED_REG_BASE_PHYS, SPILED_REG_SIZE, 0); 106b8: 2200 movs r2, #0 106ba: f44f 4180 mov.w r1, #16384 ; 0x4000 106be: 4610 mov r0, r2 argument 0 (r0) set to physical base of the SPILED registers block. Use instruction to set upper 16 bits of the register 106c0: f2c4 30c4 movt r0, #17348 ; 0x43c4 106c4: f7ff ffa4 bl 10610 <map_phys_address> /* If mapping fails exit with error code */ if (mem_base == NULL) 106c8: b910 cbnz r0, 106d0 <main+0x1c> exit(1); 106ca: 2001 movs r0, #1 106cc: f7ff ef18 blx 10500 <exit@plt> else setup r4 to virtual base of the mapping 106d0: 4604 mov r4, r0 prepare address of text "int %10d uint 0x%08x\n" outside of the loop, the 16 lower bits the first 106dc: f240 7670 movw r6, #1904 ; 0x770 set upper 16 bits 106e0: f2c0 0601 movt r6, #1 prepare value for struct timespec loop_delay 106e4: 9500 str r5, [sp, #0] 106e6: 9701 str r7, [sp, #4] rgb_knobs_value = *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_KNOBS_8BIT_o); read value from the address corresponding to the sum of "mem_base" and "SPILED_REG_KNOBS_8BIT_o" peripheral register offset 106e8: 6a61 ldr r1, [r4, #36] ; 0x24 *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_LED_LINE_o) = rgb_knobs_value; store "rgb_knobs_value" to the LED line peripheral register 106ea: 6061 str r1, [r4, #4] *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_LED_RGB1_o) = rgb_knobs_value; store value to color register LED1 106ec: 6121 str r1, [r4, #16] *(volatile uint32_t*)(mem_base + SPILED_REG_LED_RGB2_o) = rgb_knobs_value; store value to color register LED2 106ee: 6161 str r1, [r4, #20] printf("int %10d uint 0x%08x\n", int_val, uint_val); copy value of argument 1 (r1) even to argument 2 (r2) 106f0: 460a mov r2, r1 set argument r0 from saved register r6 106f2: 4630 mov r0, r6 106f4: f7ff eeda blx 104ac <printf@plt>
Šablona aplikace s definovaným cílem/pravidlem pro spouštění aplikace na vzdáleném systému se nachází v adresáři /opt/apo/mzapo_start. Rozšířená šablona i s definicemi struktur pro zobrazení znaků/textu na displeji /opt/apo/mzapo_template. Aplikace pro zobrazení čísel /opt/apo/binrep/mzapo_binrep. Příklad
/opt/apo/mzapo_start
/opt/apo/mzapo_template
ssh-add-mzapo-key cd ~/Documents cp -r /opt/apo/binrep/mzapo_binrep . cd mzapo_binrep make TARGET_IP=192.168.202.xxx make run
Případně debug místo run pro ladění.
debug
run
I další šablony kromě kompilace programu obsahují i cíl/pravidlo pro spouštění programu. Kromě požadavku na kompilaci a spuštění je potřeba uvést adresu desky, na které se má zkompilovaná aplikace pustit
TARGET_IP=192.168.202.xxx make run
Pro ladění je připravené pravidlo, které po kompilaci zkopíruje program, spustí ho v ladícím režimu na cílové desce a na hostitelském počítači pustí ladící nástroj GDB s grafickou nadstavbou DDD.
TARGET_IP=192.168.202.xxx make debug
Vlastní poloha voličů sice přibývá po jedné, ale aretace se nachází vždy na každé čtvrté poloze. Úkolem je upravit program tak, aby při otočení o čtyři původní kroky (z aretace na aretaci) přibyla hodnota G a B vždy jen o jedničku. Zároveň je požadované, aby byl zachovaný rozsah hodnot 0 až 255 při delším otáčení voliče.
Na řádku led pak budou vypsané oba osmibitové vstupy a šestnáctibitově jejich součet. Experimentujete se sčítáním osmibitových typů signed char / usigned char (případně pro daný cílový systém ekvivalentu int8_t a uint8_t).