QtMips je simulátor a nástroj k vizualizaci zpracování instrukcí procesorem s architekturou MIPS. Program umožňuje zvolit mezi více možnými způsoby zpracování instrukcí od jednoduché jednocyklové architektury až po plně zřetězené (pipeline) zpracování v pěti stupních. Přitom je možné volit mezi řešením hazardů formou pozastavení nebo, kde je to možné, formou přeposílání výsledků. Pro demonstraci datových hazardů je k dispozici je i konfigurace zřetězeného zpracování bez detekce a řešení hazardů. Program dále umožňuje konfigurovat vyrovnávací paměti (cache) jak pro čtení instrukcí tak pro čtení i zápis dat. Obsah a struktura vyrovnávacích pamětí je opět graficky znázorněna stejně jako jsou barevně zvýrazněné buňky paměti, jejich obsah se nachází v dané chvíli ve vyrovnávací paměti.

Simulátor je výsledkem diplomového projektu Ing. Karla Kočího. V jeho diplomové práci Graphical CPU Simulator with Cache Visualization lze nalézt analýzu alternativních simulátorů architektury MIPS, popis objektového návrhu simulátoru a návod jak simulátor QtMips používat.

Jako základní modelová architektura byla pro předmět APO vybraná architektura MIPS. Důvody k její volbě:

• Jedná se o jednu z prvních architektur založených na koncepci RISC (ta nyní ve vnitřním zpracování instrukcí i původně jinak založených architektur převažuje)
• V základní verzi je kódování základní (a přitom pro programování kompletní) sady instrukcí přímočaré
• Přímo z kódu jednotlivá pole v instrukčním slovu řídí výběr registrů a operaci
• V základní sadě jsou použité pouze tři formáty kódování instrukcí a instrukce mají pevnou délku 32-bitů
• Architektura byla v určité době ve své 64-bitové podobě použitá ve stanicích SGI, které daly vznik dnešní akcelerované grafice a mnoha dalším stavebním prvkům
• Architektura se stále vyvíjí a je používaná především ve vestavných zařízeních, do nedávna převažovala v domácích WiFi routerech a pravděpodobně byla architekturou s největším množstvím vyrobených čipů (dnes je to již spíš ARM)
• Jedná se o architekturu, která je jako úvodní využitá v učebnicích, na kterých je předmět postavený

• Intel/AMD 64-bitové a 32-bitové procesory - kódování instrukcí není ortogonální, původně malý počet specializovaných registrů, později přes prefixy rozšíření na 16 registrů, komplikovaný a již opuštěný model segmentace paměti, interně jsou CISC instrukce překládané do RISC instrukční sady, ale ta není dokumentovaná
• ARM 32-bitů (Cortex-A - aplikační, Cortex-M - MCU, Cortex-R - realtime) - složitější kódování instrukcí a vkládání přímých operandů, druhý operand je kombinovaný s logickými posuny, množství režimů auto-inkrementace/dekrementace a vedlejších efektů instrukcí, komplikovaný model zpracování výjimek. Alternativní sada kódování instrukcí do délek 16 a 32 bitů (Thumb), v pevném 32-bit kódování možnost veškeré instrukce podmínit stavem příznakového registru. Obecně tyto volby umožňují uložit program do menšího prostoru, ale činní architekturu nevhodnou pro základní výuku, kdy je ještě potřeba programovat v assembleru a i obecně komplikují současné zpracování více instrukcí naráz.
• ARM AArch 64 - adresní režimy již jednodušší, příklon v mnoha směrech více k architektuře MIPS než původnímu ARM 32 například i zjednodušeným způsobem zpracování výjimek. Přesto se jedná o architekturu již komplikovanou.
• RISC-V - architektura plně otevřená s množstvím dostupných implementací v různých jazycích pro popis hardware. Velmi rychle se rozvíjející komunita a nasazení. Opět se jedná o architekturu s malým množstvím formátů instrukcí (stejně jako MIPS). Nevýhodou je pro počáteční názorné ukázky komplikovanější kódování přímých operandů.

K výuce se po dlouhou dobu používal simulátor dodávaný s učebnicemi Computer Organization and Design. Jeho architektura byla již nevyhovující, přitom aplikace byla implementovaná s využitím starého WIN 32 API. Méně problémů bylo s jejím provozem v emulaci než nativně na Windows. K aplikaci nebylo možné sehnat zdrojové kódy a problémy řešit. QtMips je výsledkem zadané diplomové práce. Jedná se již o třetí práci na toto téma a v tomto případě považujeme výsledek za zdařilý. Aby se práce soustředila na implementaci vlastního simulátoru, bylo rozhodnuté, že nebude obsahovat editor ani integrovaný překladač zdrojového kódu. K překladu se využívají plnohodnotné nástroje pro programování MISP a jiných procesorů od malých vestavných aplikací až po superpočítače - překladač GCC a GNU assembler vzniklé v rámci projektu GNU.

Pro editaci zdrojových kódů lze využít odlehčený editor Geany nebo jiný editor. Pro překlad pak GNU překladač kompilující programy pro architekturu MIPS. V nejjednodušší variantě například voláním

mips-elf-gcc -ggdb -nostartfiles -o program program.S

z příkazové řádky, kdy je výsledkem překladu zdrojového souboru v assembleru (standardizovaně přípona velké S - .S) přímo spustitelný program. Volba -ggdb určuje, že budou přidané ladící informace. Volba -nostartfiles pak určuje, že zdrojové kódy obsahují přímo vstupní bod programu. Pokud volba není zadaná, přidá se standardní inicializační část C knihovny - objektový soubor crt.o. Protože se předpokládá jeho zavedení operačním systémem, je vlastní strojový kód v instrukcích cílového procesoru vložený do obálky ve formátu ELF (Executable and Linkable Format), která určuje adresy, na které bude kód zavedený a adresu od které se má spustit. Adresy, na které bude kód a příslušná data zavedená lze zobrazit příkazem

objdump --headers program

Proložený výpis zdrojového kódu a výsledku překladu lze pak získat

objdump --source program

tento postup je pak zajímavější při kompilaci kódu z vyššího programovacího jazyka, ale pro pochopení základů zůstaňme ještě u assembleru. Minimální zdrojový soubor může vypadat následovně

.globl _start
.set noat
.set noreorder
.ent _start

_start:
        addi  $1, $0, 0x1234
        // prostor pto pokačování

loop:
        break
        beq  $0, $0, loop
	nop
.end _start

Volba .globl určuje, že návěští _start bude viditelné i vně kompilační jednotky/souboru. Volba .noat zakazuje assembleru vkládat sekvence využívající pomocný registr. Volba .noreorder zakazuje assembleru optimalizovat kód skokových instrukcí a automaticky využívat “delay slot”. Volba .ent označuje, od kterého symbolu bude kód startovat. Identifikátory před dvojtečkou jsou návěští, symbolické označení adresy, na kterou se lze odkazovat z instrukcí. Dále následují instrukce pro vlastní procesor. V přiloženém příkladu se jedná pouze o jednu instrukci, přičtení přímého operandu 0x1234 hexadecimálně k registru 0 fixovanému na hodnotu nula a uložení výsledku do registru 1. Další návěští loop slouží k zastavení programu po jeho vykonání. Zastavení kontinuálního běhu simulátoru zajišťuje zakompilovaná instrukce break. Tento strojový kód by se využil i při ladění na skutečném systému, kdy ladící program podle potřeby nahradí instrukce v programu kódem break na místo většinou určené podle čísla řádky zdrojového souboru a při jeho dosažení při normálním běhu procesoru dojde k výjimce, kterou obslouží ladící program. Následuje skoková instrukce, která zajistí i při pokusu o pokračování programu v simulátoru opětovné zastavení na instrukci break. Nakonec pseudoinstrukce .end označuje konec kódu a opět určuje adresu od které se bude program spouštět.

Podrobnější popis a formátů souborů a kompilace programů naleznete na stránce projektu QtMips. QtMips - spustitelné formáty a kompilátory

Zdrojové kódy jsou spravované na platformě GitHub. Na této platformě je možné snadno vytvořit vlastní vývojovou větev (fork). Původní práce pana Kočího se nachází na adrese https://github.com/Cynerd/QtMips, současná nejnovější větev na stránce https://github.com/cvut/QtMips. Zkompilované verze programu pro platformu GNU/Linux 64-bitů a Windows 32-bitů se nacházejí ve složce release projektu https://github.com/cvut/QtMips/releases. Zabalené archivy obsahují i potřebné knihovny. Vlastní grafická verze programu na Windows se nachází ve spustitelném programu qtmips_gui.exe. Na platformě GNU/Linux je nutné buď nainstalovat potřebné knihovny (jedná se o Qt5) v odpovídající verzi do systému nebo program spouštět skriptem qtmips.sh který nastaví cesty k lokálně distribuovaným knihovnám a spustí vlastní aplikaci bin/qtmips_gui. Pro aktuální verze distribuce Ubuntu GNU/Linuxu jsou připravené zkompilované balíky na adrese https://launchpad.net/~ppisa/+archive/ubuntu/qtmips. Pro několik dalších distribucí jsou k dispozici balíky kompilované Suse Open Build Service. V laboratorní síti je aplikace nainstalovaná do systému a lze jí spouštět přímo z příkazové řádky příkazem qtmips_gui nebo z nabídky aplikací ve složce Development. Instalace se nachází v adresáři /opt/qtmips a je jí možné dotud i zkopírovat na vlastní médium nebo do emailu.

K dispozici je i experimentální verze emulátoru zkompilovaného jako WASM aplikace pro prohlížeče s podporou WebGL, WASM a Javascriptu http://cmp.felk.cvut.cz/~pisa/apo/qtmips/qtmips_gui.html.

K překladu zdrojových kódů je pak potřeba překladač, který je popsaný na stránce Křížový překladač GNU pro architekturu MIPS-ELF.

Nejdříve je potřeba nainstalovat vývojové prostředí knihoven Qt5. Na distribucích Debian i Ubuntu se instalace vývojového prostředí docílí příkazy

sudo apt-get install build-essential
sudo apt-get install qtcreator
sudo apt-get install qt5-default

Vlastní aplikaci lze z vývojového repozitáře naklonovat příkazem

git clone git://github.com/cvut/QtMips.git

K vlastní kompilaci lze buď projekt otevřít v prostředí QtCreator nebo provést kompilaci z příkazové řádky

mkdir QtMips-build
cd QtMips-build
qmake "CONFIG+=static" "CONFIG+=staticlib" -recursive ../QtMips/qtmips.pro
make

Pokud se na systému nachází jako počáteční vývojové prostředí ke Qt4 může být nutné použít plnou cestu programu qmake

/usr/lib/x86_64-linux-gnu/qt5/bin/qmake "CONFIG+=static" "CONFIG+=staticlib" -recursive ../QtMips/qtmips.pro

Více opět na stránkách projektu.