====== 1. Seznámení s učebnou, základy reprezentace dat, číselné soustavy ====== * pro vyučující: [[..:..:internal:tutorials:01:start|cvičení 1]] ===== Osnova cvičení ===== - požadavky na zápočet, hodnocení - seznámení s učebnou - základní reprezentace čísel, program v C - výstup binární hodnoty na port hardware ===== Co bych si měl na první cvičení zopakovat / připravit ===== - K přihlášení ke GNU/Linuxu v KN:E-2 se používá Hlavní přístupové heslo (více na stránce {{https://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Hesla_a_jejich_spr%C3%A1va_na_%C4%8CVUT/FEL|o přístupových heslech}} na Wiki IT skupiny) - binární a hexadecimální reprezentace čísel - syntaxe jazyka C - pojmy little/big endian - doplňkový kód ===== Náplň cvičení ===== 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 /* * 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; } Překlad programu: gcc -Wall -ansi -pedantic ./program.c ==== Úkoly ==== - přeložte a spusťte uvedený program - interpretujte výstupy programu - modifikujte program tak, aby tiskl vnitřní reprezentaci i jiných datových typů (např. char, float, long, int*) - modifikujte program tak, aby vytiskl tabulku celých čísel čísel včetně jejich reprezentace v rozsahu -16 až 15 - modifikujte program tak, aby realizoval operace sčítání a odčítání dvou proměnných (celá čísla) a vytiskl na obrazovku vstupní operandy a výsledky těchto operací včetně jejich vnitřní reprezentace - vyzkoušejte operace s kladnými i zápornými čísly, zaměřtě se i na takové hodnoty, kdy po provedení operace dojde k přetečení - seznamte se s přípravkem MicroZed APO (MZ_APO) a vyzkoušejte si, že data/čísla jsou do paměti i na periferie ukládaná binárně ===== Užitečné odkazy ===== * [[http://support.dce.felk.cvut.cz/pos/cv-langc/|http://support.dce.felk.cvut.cz/pos/cv-langc/]] - Základy jazyka C * [[http://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Formatted-Output.html|http://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Formatted-Output.html]] - Dokumentace k řízení formátovaného výstupu pro implementaci **printf** z knihovny funkcí pro jazyk C ([[http://www.gnu.org/software/libc/|GLIBC]]) z projektu [[http://www.gnu.org/|GNU]] * [[http://free-electrons.com/doc/legacy/command-line/command_memento.pdf|Základní příkazy pro práci v příkazové řádce]] na [[http://free-electrons.com/|Free-Electrons]] * [[http://free-electrons.com/doc/training/embedded-linux/embedded-linux-slides.pdf|Embedded Linux system development]] na [[http://free-electrons.com/|Free-Electrons]] ===== Domácí úkoly ===== * domácí úkoly 1 až 4 budou zadané a odevzdávané elektronickou formou * vstup k zadání a odevzdání úkolů je přes adresu [[https://dcenet.felk.cvut.cz/apo/|https://dcenet.felk.cvut.cz/apo/]] * Na stránce "Assignments" naleznete seznam zadaných úkolů * Pro vyzkoušení práce s odevzdávacím systémem je k dispozici nehodnocená varianta prvního úkolu **1st training homework** * Případnými problémy s odevzdávacím systémem se obracejte na svého cvičícího nebo přímo na autora/správce sytému [[courses:b35apo:teacher:susta:start|Richarda Šustu]] ===== Počítačová síť v učebně KN:E-2 ===== Učebna KN:E-2 je vybavena počítači se síťovou instalací operačního systému [[https://www.debian.org/|Debian]] GNU/Linux Jessie. Po zapnutí počítače je zaveden z lokálního serveru přes PXE zavaděč PXElinux. Ten umožňuje volit * boot z lokálního disku stanice (nebudeme používat) * volba ''DCE 4.9 app'' spuštění síťové verze operačního systému [[http://www.debian.org/|Debian Jessie]] 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 [[https://git.kernel.org/cgit/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/Documentation/filesystems/overlayfs.txt|Overlayfs]] (dříve se používal [[http://aufs.sourceforge.net/|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 [[https://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/index.php/Jak_vytvo%C5%99it_bezdiskov%C3%BD_stroj_s_opera%C4%8Dn%C3%ADm_syst%C3%A9mem_GNU/Linux|Jak vytvořit bezdiskový stroj s operačním systémem GNU/Linux]]. Dále jsou k dispozici slide [[http://cmp.felk.cvut.cz/~pisa/linux/diskless/diskless_dce_slides.pdf|DiskLess Debian/GNU Linux]] z prezentace našeho řešení na konferenci/akci [[http://installfest.cz/|Install Fest]]. ===== Studentská konta a hesla ===== Pro ověření oprávnění k přístupu do systému a se používá centrální ČVUT/FEL heslo. ===== Vzdálený přístup k datům na uživatelských kontech ===== 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 Server nabízí i vzdálené připojení k na něm spouštěným grafickým aplikacím 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 - [[http://en.wikipedia.org/wiki/Jon_Postel|Jona Postela]]. ===== Řešení problémů s konty, obnova dat ===== 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. ===== Seznámení se s výukovou deskou MicroZed APO ===== * [[..:..:documentation:mz_apo:start|]] .. popis hardware desky * Popis je relativně podrobný a bude postupně doplňovaný o další zajímavé informace * Pro účely prvního a druhého cvičení je podstatný pouze seznam registrů ze sekce Blok otočných voličů, maticové klávesnice a RGB LED ===== Přihlášení ===== Přes sériový port, parametry: * Zařízení: /dev/ttyUSB0 * Přenosová rychlost: 115200 * Žádná parita a jeden stopbit * Login: root * Heslo bude sděleno na cvičení 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 /opt/zynq/sshfs-mount-target 192.168.202.xxx Případně lze privátní klíč přidat do ssh agenta: ssh-add /opt/zynq/ssh-connect/mzapo-root-key A potom se připojit přes ssh s uživatelem root: ssh root@192.168.202.xxx ===== Binární reprezentace na cílovém systému ===== Do adresářové struktury cílového systému je do adresářů ''/opt/apo'' a ''/opt/zynq'' připojený shodný svazek/obsah jako je na hostitelském PC 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 make Pro překompilování pak make clean all Na cílovém systému je přidaná i kopie do adresáře ''/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 cd apo/binrep/print_binrep make ./print_binrep Přímo na cílovém systému lze zdrojové kódy editovat programy * mcedit * vi/vim * nano (vhodne pouze pri pripojeni pres ssh) Ty jsou k dispozici i na hostitelském PC, kde jsou navíc nainstalované i editory/prostředí * geanny * eclipse ===== Přístup k periferiím na cílovém systému ===== Jednoduchý program, který kopíruje hodnotu z RGB voličů na RGB LED a řádku LED diod /******************************************************************* 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 #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include 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; } ==== Klíčová sekvence kódu přístupu k periferiím, jak jí vidí procesor ==== 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. 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 ==== Úkol na zamyšlení do příštího cvičení ==== 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). /* * [[courses:b35apo:solutions:01:start]]*/