LU-MOP-b13
Mašīnorientētā programmēšana (MOP)
LU DF bakalaura studiju kurss DatZ4017, meklēt eStudijās.
- Pasniedzējs: Leo Seļāvo (epasts: vards.uzvards @ gmail.com)
- Vēstkopa komunikācijai par kursa aktualitātēm, uzdevumiem, termiņiem un problēmām:
- Google grupa lu-mop-b@googlegroups.com Lai pieteiktos, sekot http://groups.google.lv/group/lu-mop-b un pieslēgties ar savu google kontu, vai arī sūtīt epastu pasniedzējam.
Kursa mērķis
Kursa mērķis ir iepazīstināt ar zema līmeņa programmēšanu Asemblerā, ņemot ARM platformu kā konkrētu izstrādes mērķi. Asemblera instrukcijas ir aparatūrai tuvākās procesora izpildes komandas, līdz ar to kursā tiek stāstīts arī par to, kā darbojas procesors, kādi ir tā resursi, un kā to ietekmēt ar Asemblera programmām. Tiek apskatīts arī kā veidot saskarni starp Asembleru un augstāka līmeņa programmām, tai skaitā C.
Vērtējums
Gala vērtējums kursā tiks aprēķināts sekojoši:
- MK1 + MK2 + MK3 = 25%
- MD1 = 15%
- MD2 = 20%
- KD1 = 20%
- Eksāmens = 20%
Kalendārs
| Datums, nedēļa | Kursa saturs | Uzdevumi |
|---|---|---|
| 04.02.2013. |
Ievads kursā. Kursa mērķi. Iegultās un mazo procesoru sistēmas. ARM arhitektūra. Mācību izstrādes vide. |
|
| 11.02.2013. |
Sešpadsmitnieku un citas skaitīšatas sistēmas datoriem. Pārveidojumi starp dažādām sistēmām, aritmētiskās darbības. Biti, baiti, vārdi, nibbles. |
|
| 18.02.2013. | Lekcija pārcelta. | |
| 25.02.2013. |
Procesora uzbūve. Operatīvā atmiņa. Procesora un atmiņas sadarbība. Adreses. Reģistri. Procesora režīmi. |
|
| 04.03.2013. |
Skaitļu attēlošana papildkodā. Programmu izstrādes vide. |
|
| 11.03.2013. |
Programmu izstrādes vide. "asm1" serveris praktiskajiem darbiem. |
|
| 18.03.2013. |
Komandu pieraksts, aritmētiskās un bitu operācijas. |
Notiek praktiskie darbi |
| 25.03.2013. |
Lieldienu brīvdienas |
|
| 01.04.2013. |
Lieldienu brīvdienas |
|
| 08.04.2013. |
Vadības maiņas komandas, testi, bitu operācijas. |
|
| 15.04.2013. |
Adresācijas režīmi, darbs ar atmiņu. |
Kontroldarbs MK3 |
| 22.04.2013. |
Apakašprogrammu izsaukumi, saskarne ar "C". |
|
| 29.04.2013. |
Simboliskie dati, kodu tabulas. |
|
| 06.05.2013. |
Brīvdiena - jo 4.maijs ir sestdiena |
MD1 termiņš 12:00 |
| 13.05.2013. |
Izteiksmes un makro valoda. Iekļautais asemblers. |
MD1 atkārtotas iesūtīšanas termiņš: trešdien, 15.maijā 12:00, (rezultāts*=0.7) |
| 20.05.2013. |
Lielais kontroldarbs KD1 |
Otrais MD1 atkārtotas iesūtīšanas termiņš: ceturtdien, 23.maijā 12:00, (rezultāts*=0.5) |
| 27.05.2013. |
Programmatūras izstrādē lietoto rīku darbības principi. Instrukciju izpildes laiki. Sistēmas sāknēšana, priviliģētās operācijas. Kursa vielas pārskats. |
Pasludināts lielais mājas darbs MD2. Termiņš: 14.jūlijs 12:00. |
| 17.06.2013. | 10:00 Eksāmens |
|
Kontroldarbi
- MK1 - Skaitļu formāti un pārvediošana: decimālā, heksadecimālā, oktālā, binārā.
- MK2 - Skaitļi ar zīmi, divnieka papildkodā, to pārveidošana.
Mājas darbi
MD1
Termiņš: 6.maijs, 12:00
Izveidot programmiņu asemblerā, kas aprēķina aritmētiskās progresijas summu no 1 līdz n ar soli 1.
Skaitlis n tiek padots kā parametrs. Jāizstrādā un jāiesniedz:
- Makefile - fails, kas ļauj kompilēt jūsu programmu
- md1.h - pirmkoda fails ar funkcijas prototipu, ko iekļaus gan C gan asemblera faili.
- md1.s - programmu asemblerā, kas aprēķina aritmētiskās progresijas summu.
- md1_main.c - programmu C valodā, kas izsauc asamblera programmu un padod tai parametru n un saņem rezultātu, ko izdrukā uz ekrāna.
Testējot, parametrs n jāpadod no komandu rindas, līdzīgi kā praktisko darbu piemēros.
Tātad, jums būs jāizveido md1_main.c programma, kas saņem parametru caur argv[1], pārveido to par "int", un šis veselais skaitlis jāpadod kā parametrs funkcijai asum(), kas realizēta asemblera kodā, failā md1.s
Rezultāts jāsaņem atpakaļ C programmā un jāizdrukā, piemēram, ar printf() funkciju. Jāizdrukā tikai skaitlis un rindas beigu simbols '\n'.
Piemērs izsaukumam (tam, kā jūsu programma tiks testēta, tikai ar citiem skaitļiem):
leo@asm1:~/work/md1$> qemu-arm ./md1 10 55
Risinājums nedrīkst izmantot reizināšanas instrukcijas!
Risinājumam jābūt testētam, un jādarbojās uz asm1.linux.edu.lv servera (arm platformai, emulācijas režīmā).
Risinājumu jāiesūta elektroniski.
Risinājumam ar visiem failiem jābūt uz servera asm1.linux.edu.lv jūsu konta direktorijā md1:
~/md1/
Uzskaitītie faili tiks izkopēti no minētas direktorijas MD termiņa beigās.
Jautājumus un neskaidrības par MD lūdzu iesūtīt kursa google grupā.
MD2
Matricu reizināšana
Termiņš: 14.jūnijs, 2013.g., 12:00.
Jums, līdzīgi kā MD1, jāizstrādā asemblera procedūra matmul(...), kas reizina divas 2D matricas, un rezultātu ieliek trešajā. Jūsu asemblera programma tiks izsaukta no C valodā rakstītas, tātad parametriem jābūt atbilstošiem.
Zemāk dots programmas izsaukuma piemērs no komadu rindas. Ievaddati tiek padoti ar < operatoru no faila infile.txt uz stdin. Līdzīgi rezultāts no stdout tiek saglabāts izvada failā outfile.txt.
$> md2 < infile.txt > outfile.txt
Jāizstrādā un jāiesniedz sekojoši faili (visi papildus faili tiks ignorēti):
- Makefile - fails, kas ļauj kompilēt jūsu programmu
- md2.h - pirmkoda fails ar funkcijas prototipu, ko iekļaus gan C gan asemblera faili.
- md2.s - programmu asemblerā, kas aprēķina matricu reizinājumu.
- md2_main.c - programmu C valodā, kas izsauc asamblera programmu un padod tai matricas, saņem rezultātu, ko izdrukā uz ekrāna.
Matricu ievads
Testējot, matricas jāievada no komandu rindas. Matricas tiek padotas caur stdin, piemēram, no komandu rindas straumējot no teksta faila. Rezultējošā matrica tiek izvadīta uz stdout, ko arī var straumēt uz teksta failu. Arī rezultējošā matrica jāizvada tādā pat formātā kā ievaddati (skat. zemāk).
Matricas teksta failā tiek definētas kā skaitļu virkne. Tātad, jums jānodrošina matricu ievads un izvads sekojošā formātā:
- skaitlis H, kas norāda rindu skaitu matricā (augstumu)
- skaitlis W, kas norāda kolonu skaitu matricā (platumu)
- H*W skaitļi, kas aizpilda matricu, sākot no pirmās rindas.
- Pēc tam var sekot nākamā matrica tieši tādā pašā formātā.
Piemēram, 2x3 matrica:
1 2 3 4 5 6
teksta failā var tikt definēta šādi:
2 3 1 2 3 4 5 6
Vai arī šādi, viss vienā rindā. Pārejas uz jaunu rindu nav nepieciešamas un tiek ignorētas, bet tās var saglabāt lasāmības dēļ:
2 3 1 2 3 4 5 6
Skaitļu ievadam C programmā iespējams izmantot funkciju scanf(), piemēram šādi:
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
...
int w,h;
int *matrix,
int *p;
...
scanf("%d", &h);
scanf("%d", &w);
/* Buferu alokācija un cikls pa visiem matricas elementiem */
matrix = (int*) malloc( w * h * sizeof(int));
p = matrix;
for(...)
{
scanf("%d", p++);
}
...Lūdzu ņemiet vērā, ka augšminētais piemērs jāpapildina ar pārbaudēm, lai, piemēram, nekorekti ievaddati nerakstītu ārpus bufera.
Procedūras matmul(...) prototips
int matmul( int h1, int w1, int *m1, int h2, int w2, int *m2, int *m3 );
- Procedūras parametri: h1 un h2 ir matricas augstums un w1 un w2 ir platums attiecīgi pirmajai un otrajai matricām m1 un m2.
- Trešās matricas m3 dimensijas nosaka matricu reizinājuma operācija.
- Procedūra atgriež skaitli int: 0 = veiksmīga izpilde, 1 = problēma, piemēram, nesaderīgas matricas. Šādā gadījumā C programmai arī jābeidz darbs ar kodu 1: exit(1);
- Visus nepieciešamos datu buferus nodrošina (izveido) izsaucošā C programma, tai skaita arī trešajai, rezultāta matricai. Tas nozīmē, ka arī C programmai jānosaka, cik liela būs rezultāta matrica, lai tai rezervētu pietiekoši daudz atmiņas.
Matricu elementi atmiņā glabājas kā divdimensiju masīvs: Int elementi. Piemēram, 2x3 matrica
1 2 3 4 5 6
atmiņā glabājas lineāri, kā 6 int elementi, katrs izmērā 4 baiti: { 1, 2, 3, 4, 5, 6 }
Visi datu izmēri (atsevišķie skaitļi) saiet int reģistrā, tātad nepārsniedz 4 baitu garumu. Visi skaitļi ir veseli.
Testēšana un iesniegšana
Risinājumam jābūt testētam, un jādarbojās uz asm1.linux.edu.lv servera, lietojot ARM emulatoru qemu-arm. Bez tam, tas, ka risinājums darbojas uz asm1 servera, nenozīmē, ka tajā nav kļūdas un ka par to automātiski pienāktos maksimālais vērtējums. Pieredze rāda, ka reizēm "paveicas", un risinājums darbojas, lai arī tajā ir kļūdas. Testējot vai lietojot to nākamreiz vai uz citas aparatūras tas var nestrādāt. Tāpēc lūdzu pieiet savam kodam kritiski. Piemēram, vai esat saglabājuši un atjaunojuši visus izmantotos reģistrus, sākot no R4 un uz augšu? Šī ir tipiska kļūda, kas var reizēm nostrādāt un reizēm nē.
Risinājumu jāiesūta elektroniski.
Risinājumam ar visiem failiem jābūt uz servera asm1.linux.edu.lv jūsu konta direktorijā md2:
~/md2/
Uzskaitītie faili tiks izkopēti no minētas direktorijas MD termiņa beigās.
Jautājumus un neskaidrības par MD lūdzu iesūtīt kursa google-grupā.
Kursa projekts
Kursa projekts ir kā alternatīva rakstiskajam eksamenam. Šogad kursa projekta ietvaros jāizstrāda grafiskā bibliotēka "Agra".
Apraksta statuss: NAV PABEIGTS, bet alļauts komentēt
Grafiskās bibliotēkas mērķis ir realizēt efektīvus algoritmus grafisko primitīvu konstruēšanai kadra (frame) buferī.
Termiņš: 17.jūnijs, 2013.g., 10:00.
Jums jāizstrādā asemblera procedūru bibliotēka Agra. Jūsu asemblera programmas tiks izsauktas no C valodā rakstīta pirmkoda, tātad parametriem jābūt atbilstošiem.
Jāizstrādā un jāiesniedz sekojoši faili (visi papildus faili tiks ignorēti):
- Makefile - fails, kas ļauj kompilēt jūsu programmu
- agra.h - pirmkoda fails ar funkcijas prototipu, ko iekļaus gan C gan asemblera faili.
- agra.s - programmu asemblerā, kas realizē grafisko bibliotēku.
- agra_main.c - programmu C valodā, kas testē asemblera programmas.
Realizējamās funkcijas un datu tipi ir sekojošie:
// Krāsas tips punktam:
// r,g,b ir sarkanā, zaļā, un zilā krāsu komponentes,
// op ir operācija, kas jāizpilda šim pikselim ar fona krāsu. 0 - nozīmē rakstīt pāri.
typedef struct {
int r : 10;
int g : 10;
int b : 10;
int op: 2;
} pixcolor_t;
// Funkcija krasas (un operācijas) uztādīšanai
void setPixColor( pixcolor_t * color_op);
// Funkcija viena pikseļa uzstadīšanai
void pixel(int x, int y, pixcolor_t * colorop);
// Funkcija līnijas zīmēšanai starp punktiem
void line(int x1, int y1, int x2, int y2);
// Funkcija trijstūra aizpildīšanai ar tekošo krāsu
void triangleFill(int x1, int y1, int x2, int y2, int x3, int y3);
// Funkcija riņķa līnijas zīmēšanai
void circle(int x1, int y1, int radius);Jūsu funkcijām jaizmanto kadra bufera pieejas funkcijas.
// Kadra bufera sākuma adrese
pixcolor_t * FrameBufferGetAddress();
// Kadra platums
int FrameBufferGetWidth();
Kadra augstums
int FrameBufferGetHeight();Kļūdu konstatēšana un apstrāde
Iespējamas sekojošas kļūdas, uz kurām attiecīgi jāreģē:
- Tiek zīmēts ārpus kadra - pikseļi ārpus kadra jāignorē.
Testēšana un iesniegšana
Risinājumam jābūt testētam, un jādarbojās uz asm1.linux.edu.lv servera, lietojot ARM emulatoru qemu-arm.
Risinājumu jāiesūta elektroniski.
Risinājumam ar visiem failiem jābūt uz servera asm1.linux.edu.lv jūsu konta direktorijā agra:
~/agra/
Uzskaitītie faili tiks izkopēti no minētas direktorijas MD termiņa beigās.
Jautājumus un neskaidrības par projektu lūdzu iesūtīt kursa google-grupā.
Literatūra
Grāmatas un citi resursi
- ARM Architecture Reference Manual, ARM DDI 0100I, ARM Limited, 2005.
- Intel R XScaleTM Microarchitecture Assembly Language Quick Reference Card ARM Instruction Set, Intel Corporation, 2001
- Intel XScale R Core Developer’s Manual, ON: 273473-002, Intel Corporation, 2004
- Intel R IXP42X Product Line of Network Processors and IXC1100 Control Plane Processor Developer’s Manual, ON: 252480-006US, Intel Corporation, 2006
- Patterson and Hennessy, Computer Organization and Design, 4th Edition (@Amazon)
- "Building Embedded Linux Systems" O'Reilly Media, 2008, ISBN 0596529686
Pamācības
- Kā uzstādīt arm-linux-gnueabi-gcc un qemu-arm Ubuntu vidē
- Kā lietot atkļūmotāju gdb ar qemu emulātoru.
Saites
- Noderīgas UNIX komandas
- Easy 6502 assembly tutorial
- The ARM Architecture - slaidi no Arm.
Atziņas
- Teach yourself programming in 10 years by Peter Norvig
