2. Instrukční sada procesoru

• pro vyučující: cvičení 2

1. seznámení se simulátorem QtMips
2. otestování a implementace jednoduchého sčítání
3. další navazující úlohy
4. zadání 1. domácího úkolu (na stránce https://dcenet.felk.cvut.cz/apo/

1. Význam a použití základních instrukcí procesoru
2. Seznámení se simulátorem architektury MIPS QtMips a simulace vykonávání jednoduchého programu
3. Upozornění na 1. domácí úkol (https://dcenet.felk.cvut.cz/apo/)

Pochopit jak jsou vykonávané instrukce na jednoduchém procesoru.

Právě jednoduchost a přímočarost kódování instrukcí je podstatným důvodem proč většina učebnic volí jako modelovou architekturu MIPS. Vlastní procesor načítá instrukce kódované v binární podobě. Vlastní osobní počítače třídy PC nám nedovolují spouštět strojový kód určený pro architekturu MIPS přímo na jejich procesoru (architektura X86), ale existuje množství simulátorů této architektury. Pro účely výuky základů byl vytvořený přímo na míru předmětu simulátor QtMips.

Bližší popis instrukcí:

O něco podrobnější popis instrukcí na Wikipedii https://en.wikipedia.org/wiki/MIPS_architecture.

Autoritativní popis architektury https://www.mips.com/:

MIPS32 Instruction Set Quick Reference v1.01

The MIPS32 Instruction Set v6.06

Pro psaní vlastního zdojového programu v assembleru lze použít libovolný textový textový editor (nainstalované jsou například vim, Emacs, atd. Pro ty, co nemají vlastní preferenci, doporučujeme na začátek Geany).

Připravíme jednoduchý zdrojový soubor v assembleru s názvem simple-lw-sw.S. Podstatná je přípona velké “.S”, ta je v standardních vývojových nástrojích vyhrazena pro zdrojový (Source) kód v assembleru a překladač se podle ní rozhoduje, jak bude se souborem nakládat. Další přípony jsou .c pro zdrojový kód v jazyce C, .cc nebo .cpp pro C++, .o (object file) pro objektové soubory (soubory kde je již zdrojový kód přeložen do nativních instrukcí procesoru ale ještě bez finálního umístění na adresy), Knihovní soubory .a (archive) slouží jako knihovny funkcí, které jsou do cílového programu vloženy podle potřeby. Výsledný spustitelný program pak bývá na systémech Unixového typu uložen bez přípony.

.globl _start
.set noat
.set noreorder

.text

_start:
	// load the word from absolute address
	lw     $2, 0x2000($0)
	// store the word to absolute address
	sw     $2, 0x2004($0)

loop:
	// stop execution wait for debugger/user
	break
	// ensure that continuation does not
	// interpret random data
	beq    $0, $0, loop
	nop

.data

src_val:
	.word  0x12345678
dst_val:

Zdrojový kód v assembleru se sestává ze

• zápisu instrukcí, kdy se používají zkrácená jména operací (lw - load word, sw - save word, add, sub - subtract ), za identifikátorem operace mohou následovat operandy, to jsou většinou čísla nebo jiné označení registrů a dále přímé číselné hodnoty
• návěští (zakončená dvojtečkou), na která se lze při zápisu instrukcí a přímých dat vkládaných do paměti odkazovat. Hodnota vkládaná na místo užití je adresa instrukce nebo datové položky, která za návěštím následuje
• řídicí konstrukce (pseudo-instrukce) pro kompilátor assembleru, většinou začínají tečkou .
• komentáře, v zdrojových souborech označených velkým .S probíhá před vlastním překladem fáze předzpracování se shodnými pravidly jako pro programy v jazyce C

V kódu jsou použity následující řídicí příkazy

• .globl - následující uvedené symboly jsou viditelné i vně kompilační jednotky. Symbol _start nebo _ _start je pak konvencí definovaný jako vstupní bod programu.
• .set noat - zákaz používání pomocného registru pro realizaci některých instrukcí sestavovaných navíc assemblerem. Například la (load address), kdy se jedná o makro, které je assemblerem převedeno na sekvenci instrukcí lui a ori.
• .set noreorder - zákaz úpravy pořadí. Assembler je schopen optimalizovat pořadí některých instrukcí a vyplňovat delay-sloty (pro začátek pro jednoduchost zakázané), pro uvedený kód to není žádoucí
• .ent jméno - označení počátku funkce
• .end jméno - označení konce funkce
• .text - přepnutí na plnění sekce .text, do které jsou ukládané vlastní instrukce programu
• .data - přepnutí na plnění sekce .data, do které jsou ukládaná inicializovaná data
• .word - požadavek na vložení přímo zapsané hodnoty do obsahu aktuálně plněné sekce

Kompletní popis lze nalézt v manuálu GNU assembleru.

Překlad provedeme křížovým překladačem mips-elf-gcc (křížový proto, že běží na architektuře PC, ale překládá pro architekturu MIPS).

mips-elf-gcc -Wl,-Ttext,0x1000 -Wl,-Tdata,0x2000 -nostdlib -nodefaultlibs -nostartfiles -o simple-lw-sw simple-lw-sw.S

Volání obsahuje množství parametrů, protože běžné programy v jazyce C jsou doplněné o inicializační sekvence a knihovní funkce. Účelem našeho výkladu je nejdříve ukázat, jak pracuje úplný základ a poté pochopit, jak může být obalen a rozšířen automaticky pracující inicializace a konstrukce, které umožňují pohodlné psaní programů na vyšší úrovni i ve vyšších jazycích. Volby -Wl, jsou přidávané sestavovacímu programu (linkeru) a určují, na jaké adresy bude umístěna sekce s instrukcemi .text a datová sekce .data. Další volby postupně zakazují vložení standardní startovací sekvence (-nostartfiles) a automatické použití knihoven. Volba -o a následující argument určují jméno výstupního souboru (output). Dále následuje jeden nebo více zdrojových souborů.

Na Windows je možné nainstalovat buď kompletní MSys s make nebo používat jen holý kompilátor mips-elf-gcc-i686-mingw32 a dávkový soubor.

PATH=%PATH%;c:\path\to\mips-elf-gcc-i686-mingw32\bin
mips-elf-gcc -Wl,-Ttext,0x1000 -Wl,-Tdata,0x2000 -nostdlib -nodefaultlibs -nostartfiles -o simple-lw-sw test.S

Pro provedení programu použijeme simulátor QtMips. Volíme nejednodušší variantu procesoru “No pipeline no cache”. Do pole “Elf executable” vložíme po vyhledání přes tlačítko “Browse” zkompilovaný soubor simple-lw-sw (bez přípony).

Dále v záložce dialogového okna Core vypneme položku Delay slot. Tím se sice simulátor odkloní od reálného chování architektury MIPS, ale návrh programů v režimu set .noreorder bude přímočaře odpovídat předpokládanému chování skokových instrukcí. Později se k problematice vrátíme.

V zobrazeném diagramu dvojklikem na čítači instrukcí (PC) otevřeme okno s programem. Dvojklikem na bloku zápisníkové paměti (Registers) je otevřený náhled na soubor registrů a nakonec dvojklikem na datech dojde k zobrazení paměti. Doporučené rozložení oken může být následující

V okně “Program” navolíme “Follow fetch”, kdy je vždy v okně vybraná právě procesorem načtená instrukce/řádka. V okně “Memory” nastavíme adresu 0x2000 na kterou byla umístěna data 0x12345678. Program krokujeme příkazem v menu “Machine” → “Step” nebo z nástrojové lišty příslušným tlačítkem. Hodnota je nejdříve načtena do registru a poté zapsaná do paměti o jednu buňku dále.

Nyní upravte program tak, aby prováděl kopírování periodicky. Při úpravách bude potřeba vypustit instrukci break, která slouží k zastavení/přechodu do ladícího stavu. Vyzkoušejte, že modifikovaná hodnota na adrese 0x2000 je vždy překopírovaná na adresu 0x2004. Modifikujete program tak, aby sčítal dvě vstupní hodnoty na adresách 0x2000 a 0x2004 a výsledek ukládal na adresu 0x2008.

Dále program upravte tak, aby sčítal dva vektory o délce čtyř slov. Využijte k nastavení registru na počáteční adresu vektoru makroinstrukce assembleru la vect_a (load address).

	...
.data

vect_a:
	.word  0x12345678
	.word  0x12345678
	.word  0x12345678
	.word  0x12345678
vect_b:
	.word  0x12345678
	...

Dále navrhněte program pro počítání průměru z osmi čísel.

Volání kompilátoru je vhodné minimálně dokumentovat a lépe zautomatizovat. Jednou z možností je vytvořit skript pro shell (na GNU/Linuxu obvykle BASH nebo DASH). Při překladu větších projektů je ale nepraktické překládat všechny kompilační jednotky opakovaně, když dojde k malé změně jen v některém ze zdrojových souborů. proto bylo vytvořeno množství programů speciálně navržených pro účel překladu a sestavení programu (Make, Ant, qmake, Cmake, meson, atd.).

Make je nástroj pro automatickou kompilaci zdrojových kódů, potřebná konfigurace je uložena v souboru Makefile.

Makefile šablona pro překlad zdrojového kódu v assembleru:

ARCH=mips-elf

CC=$(ARCH)-gcc
AS=$(ARCH)-as
LD=$(ARCH)-ld
OBJCOPY=$(ARCH)-objcopy

CFLAGS  += -ggdb -O1
AFLAGS  += -ggdb
LDFLAGS += -ggdb
LDFLAGS += -nostdlib -nodefaultlibs -nostartfiles
LDFLAGS += -Wl,-Ttext,0x1000 -Wl,-Tdata,0x2000

all:default

.PHONY:clean

%.srec:%
        $(OBJCOPY) -O srec $< $@

%.o:%.S
        $(CC) -D__ASSEMBLY__ $(AFLAGS) -c $< -o $@

%.s:%.c
        $(CC) $(CFLAGS) $(CPPFLAGS) -S $< -o $@

%.o:%.c
        $(CC) $(CFLAGS) $(CPPFLAGS) -c $< -o $@

# default output
default:change_me.srec

# executable file:object file.o
change_me:change_me.o
        $(CC) $(LDFLAGS) $^ -o $@

# all generated that would be cleaned
clean:
        rm -f change_me change_me.o change_me.out change_me.srec

Sestavovací soubor Makefile se sestává z definic (přiřazení hodnot proměnným) a pravidel. Pravidla začínají řádkou, která určuje závislost cílů na jejich závislostech uvedených za dvojtečkou. Pravidla mohou přímo uvádět jména souborů nebo mohou být obecná, kdy zástupným znakem pro doplňovanou část jména je znak procento “%”. Kompletnější šablonu pro překlad na cílovou architekturu MIPS i s nalezením závislostí na hlavičkových souborech naleznete na počítačích v laboratoři v adresáři /opt/apo/qtmips_template.

Kompilace probíhá příkazem make (příkaz make je nutné zadávat v adresáři, ve kterém je upravený Makefile a zdrojový kód programu). Make vygeneruje několik souborů, z nichž pro import do simulačního prostředí QtMips použijeme soubor bez koncovky. Překlad nejdříve převádí kompilační jednotky (jednotka je zjednodušeně jeden zdrojový soubor včetně vložených hlavičkových souborů) do objektového tvaru (.o) v relokovatelné podobě. Objektové soubory jsou linkerem složeny, vzájemné reference/odkazy vyřešeny a provedeno umístění na finální adresy. Pro uložení vlastních instrukcí strojového kódu je potřeba přidat obálku s informacemi, kde je potřeba kód upravit při konečném umístění .o souborů. Data a instrukce v konečném spustitelném tvaru je také potřeba doplnit informací na které adresy má být daná část/sekce umístěna. K uložení těchto informací je v našem případě a obecně na většině standardům odpovídajících systémů použitý formát ELF (Executable and Linkable Format).

Zjištění adres, na které byly jednotlivé funkce a datové položky linkerem umístěny lze zjistit

mips-elf-nm program

Rozmístění sekcí

mips-elf-objdump --headers program

Porovnání vstupu a výsledku překladu

mips-elf-objdump --source program

1. seznámení se simulátorem a vývojovým řetězcem
2. rozšíření jednoduchého programu na sčítání čísel
3. práce s vektorem
4. implementace výpočtu n-tého členu Fibonacciho řady
5. začátek práce na programu bubble-sort

• Křížový překladač GNU pro MIPS-ELF - překladač jazyka C a assembleru, balíčky pro Debian GNU/Linux x86_64, i586 a Windows, konfigurace a kompilace ze zdrojových kódů
• gcc-binutils-newlib-mips-elf_4.4.4-1_mingw32.zip - MIPS-ELF GCC 4.4.4 zkompilované pro MinGW32 (Windows) - pro složitější programy vyžaduje přidat přepínače -lm -lgcc -lc , pro jednoduché programy v assembleru bez knihoven je potřeba přidat -nostdlib -nodefaultlibs -nostartfiles
• Popis procesoru MIPS - včetně kompletní instrukční sady.
• MARS (MIPS Assembler and Runtime Simulator)
  • Missouri State University - Velmi povedený simulátor v jazyce Java
  • Vyžaduje assembler bez makro definic (předzpracovaný). Pro předzpracování lze použít např. GCC

gcc -E assembler.S -o predzpracovany-pro-mips.s

• Emulátory MIPS na Linux-MIPS.org