Oblig 3 - Assemblerprogrammering på Raspberry Pi

Assemblerprogrammering

Assembler er den laveste (med noen unntak) måten å programmere en CPU. Programmeringsspråket er en menneskeleselig versjon av instruksjonene som maskinvaren utfører. Settet av instruksjoner som kan utføres er forskjellig avhengig av prosessorarkitektur, og assemblerkode er derfor spesifikt til prosessoren det kjører på. Til sammenligning må høyere nivå språk, som C eller Python, oversettes til Assembler. Dette gjøres enten av en kompilator eller ved at koden tolkes under kjøring.

Assemblerprogrammering er noe man sjeldent kommer borti i dagliglivet som programmerer. Allikevel finnes det gode grunner til å kunne skrive og lese Assembler. For mange mikroprosessorer trenger man assemblerprogrammering for å kunne utnytte alle egenskapene til prosessoren. Assembler brukes også blandt annet dersom man skal skrive kompilatorer, drivere eller operativsystemer. I denne obligen skal vi implementere noen enkle algoritmer i Assembler. Dette vil gi en innføring i hvordan enkle byggeblokker kan kombineres for å skape funksjonalitet.

Raspberry Pi (ARMv7)

I dette kurset skal vi jobbe med ARM Assembler på Raspberry Pi (RPi fra nå av). Før vi begynner må vi finne hvilken utgave av assembler prosessoren vår støtter. Vi starter med å se på mikroprosessoren som RPi bruker. RPi 4B modellen har en BCM2711, og RPi 3B+ har en BCM2837B0. BCM2711 består av fire ARM Cortex-A72 kjerner, og BCM2837B0 består av fire ARM Cortex-A53 kjerner. Begge disse prosessorene støtter ARMv8 arkitektur. ARMv8 er den nyeste arkitekturen til ARM, men ikke all programvare er oppdatert for å støtte denne versjonen enda. Heldigvis støtter prosessoren vår også ARMv7, som er den arkitekturen vi skal bruke.

Vi kan også finne ut hvilken versjon vi skal bruke ved å kalle følgene:

$ uname -m
armv7l

Dette forteller oss at vår versjon av Raspbian støtter ARMv7 Assembler. I læreboken omtales ARMv4 som for alle formål i denne obligen vil være likt som ARMv7. Vi er nå klare til å skrive assemblerkode.

Denne obligen består av fire deler. I første del av obligen skal vi implementere en algoritme som regner ut Fibonacci sekvensen i Assembler. I andre del skal vi utvide denne koden ved å gjøre den om til en funksjon vi kan kalle. I tredje del skal vi se hvordan en kompilator oversetter fra et høyere nivå språk(C) til lav nivå Assembler. I den siste delen skal vi se hvordan moderne datamaskiner representerer flyttall og hvordan man kan legge sammen slike tall. Selv om flyttall er støttet i prosessoren vil det være en fin øvelse for å jobbe med binærtall og lære mer om lav nivå programmering.

Oppgaven skal leveres som én PDF-fil med svar på tekstoppgavene. For programmeringsoppgavene skal kildekoden legges ved som egene filer.

Nødvendig programvare

For å enklere kunne forstå hva som skjer i koden under kjøring vil vi i denne obligen benytte oss av en avluser (debugger på engelsk). På RPi er det på forhånd installert en avluser som heter GDB. Denne har kun terminalbasert brukergrensesnitt, så for å gjøre avlusingen lettere benytter vi oss i steden av et tredjeparts program, gdbgui, for å få et grafisk brukergrensesnitt.

For å installere gdbgui kan man kjøre følgende kommandoer i et terminalvindu


sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
python3 -m pip install --user pipx
python3 -m userpath append ~/.local/bin/
python3 -m pipx ensurepath

Lukk terminalen, og åpne en ny terminal. Kjør så følgende kommando:


pipx install gdbgui

Merk at man må være koblet til internett for at dette skal fungere.

En rask innføring i bruk av gdbgui finnes her.

Del 1:

Det første vi skal implementere i denne obligen er en algoritme for å beregne det N-te Fibonacci tallet. Vi kommer til å begrense oss til positive heltall og null for N. Nedenfor har vi gjengitt de fem første tallene i rekken.

N = 0 N = 1 N = 2 N = 3 N = 4
0 1 1 2 3

Denne rekken er beskrevet av rekurrensen F(N) = F(N - 1) + F(N - 2) med grunnstegene F(0) = 0 og F(1) = 1. Algoritmen er vist i pseudokode under


current = 0
previous = 1
n = 13
while n > 0:
    temporary = current
    current = previous + current
    previous = temporary
    n = n - 1
# `current` contains the answer!

For å komme i gang raskere benytter vi kodeskjelettet under.


.text
.global main

@ Main function of program
main:
    @ First load the desired Fibonacci number
    MOV r0, #13 @ N
    @ Initialize the first two numbers in the sequence
    MOV r1, #0  @ current
    MOV r2, #1  @ previous

@ Loop will do the main work calculating the Fibonacci sequence
loop:
    @ ! Implement your logic here !
    @ Jump to start off loop
    B loop
@ To be a good citizen we branch (and exchange) on the lr register
@ to return to the caller
exit:
    BX lr

I kodeskjelettet har vi gjort følgende for å hjelpe deg med å komme i gang:

Oppgaven er å fylle ut algoritmen og se til at resultatet plasseres i register 0 (r0). Husk at du kan endre initialiseringen av r0 for å teste forskjellige verdier av N (test med flere verdier for å forsikre deg om at oppgaven er løst riktig).

Kompilere koden

Lagre koden ovenfor i en fil med navnet part1.s. For å kunne kompilere og kjøre koden må vi benytte oss av en kompilator, som kan gjøre om kildekoden til en kjørbar fil. Den følgende kommandoen vil kompilere kildekoden:

gcc -g -o part1 part1.s

Kjør programmet ved hjelp av gdbgui med følgende kommando:

gdbgui -b chromium-browser part1

En rask innføring i gdbgui finnes her.

Innlevering:

Del 2:

En viktig inndeling i mange programmeringsspråk er funksjoner. Funksjoner kan brukes til å lage mindre blokker med separert logikk. Nå skal vi se hvordan dette fungerer på det laveste nivået.

I denne oppgaven skal vi utvide Fibonacci algoritmen fra forrige del til å bli en funksjon vi kan kalle. Når man skriver en funskjon i assembler er det viktig å følge funksjonskallkonvensjonen (calling convention på engelsk), som er beskrevet i kapittel 6.3.7 i læreboka. Denne konvensjonen beskriver hvilke registere som benyttes til inngangsverdier og returverdier, og hvilke registere funksjoner har lov til å endre på. Det er viktig å passe på at alle registere man ikke har lov til å endre har samme verdi når man returnerer fra funksjonen som det de hadde da funksjonen ble kallt. Hvis man ikke passer på dette kan funksjonskalleren få seg en overraskelse når tallene som var der har forsvunnet.

Lag en ny kildekode fil med navnet part2.s, fyll inn skjelettet under og implementer funksjonen som heter fib. Funksjonen skal ta inn et argument, det ønskede Fibonacci tallet N, og skal returnere et tall, det beregnede svaret. I main skal fib funksjonen kalles, deretter skal resultatet skrives ut med printf.

printf kan kalles på som alle andre funksjoner i Assembler (dvs. printf kalles på akkurat samme måte som fib). For våre formål vil vi behandle den som en funksjon som tar inn to argumenter, vår formateringsstreng og tallet vi ønsker å skrive ut.


.text
.global main
@ Function that `main` should call
fib:
    @ Fill in the Fibonacci algorithm here
    @ ensure that input arguments and return values
    @ follows the ARM calling convetion, section `6.3.7`
    @ Also note that if you need extra registers it might
    @ be necessary to store previous state on the stack
    BX lr

main:
    @ Always return properly to caller (even from main)
    BX lr

@ The 'data' section contains static data for our program
.data
output_string:
    .asciz "%d\n"

Formateringsstrengen kan lastes inn ved hjelp av LDR og =output_string.

Det finnes to måter å returnere fra et funksjonskall på. Vi vil i motsetning til boken anbefale at du bruker BX for å returnere fra et funksjonskall, men begge metoder godtas under innlevering.

Kompilere koden

Som i forrige deloppgave kompileres programmet ditt ved å kjøre følgende:

gcc -g -o part2 part2.s

Bruk gdbgui for å teste programmet ditt. Når du er ferdig prøv å kjøre programmet uten gdbgui ved å kalle på programmet ditt i en terminal (./part2).

Tekstoppgaver

  1. Hvem er det som har ansvar for å ta vare på verdiene i registrene, og hvilke registre, når det kalles en funksjon under ARM funksjonskallkonvensjon?
  2. Hva skjer med input argumentet til fib funksjonen etter at fib returnerer?
  3. Hvilken endring måtte du gjøre fra Del 1 slik at programmet avsluttes riktig og hvorfor måtte dette gjøres?

Innlevering:

Del 3:

Det er kanskje ikke så mange tilfeller hvor man får bruk for å skrive ren Assembler kode i hverdagen, men det er viktig å kunne forstå Assembler koden som høyere nivå programmeringsspråk produserer. Dette kan være for å finne feil eller for å oppdage bedre måter å utnytte CPU ressursene på. I denne oppgaven skal vi se på hvordan kompilatoren GCC oversetter C-kode til Assembler instruksjoner.

Under har vi laget et C program for å regne ut det N-te Fibonacci tallet.


#include <stdio.h>

// Our now familiar Fibonacci function
int fib(unsigned int n) {
    // Initialize variables
    int curr = 0;
    int prev = 1;
    // Loop until done
    while(n != 0) {
        int tmp = curr;
        curr = curr + prev;
        prev = tmp;
        n = n - 1;
    }
    // Return as usual
    return curr;
}

// Main is required in C and "should" return an integer,
// for now we can ignore the arguments to this function
int main(int argc, char** argv) {
    // Calculate the 13th Fibonacci number
    const int f = fib(13);
    printf("%d\n", f);
    // In C main should return a "status" of the program when
    // exiting, '0' means successful (program terminated as
    // expected)
    return 0;
}

Lagre dette i en fil med navnet part3.c.

Tekstoppgaver

For å undersøke hva kompilatoren gjør med kildekoden må vi stoppe kompilatoren før den gjør om kildekoden til maskinkode. Dette kan gjøres ved å sende inn et flag, -S. Kjør følgende kommando og undersøk den produserte Assembler koden for å svare på spørsmålene under.

gcc -Os -S -o part3.s part3.c

Legg merke til at vi har fjernet -g og lagt til -Os. For denne oppgaven så trenger vi ikke avluserinformasjon (debug information) som kan lage mye støy i den produserte Assembler koden. -Os forteller kompilatoren at vi ønsker å optimere for størrelse noe som burde gi en Assembler kode som er enklere å tolke.

  1. Undersøk den produserte Assembler koden og sammenlign med din egen kildekode fra Del 2, er det noen store forskjeller mellom det du lagde og det GCC produserer?
  2. Endre -Os til -O2, hvordan påvirker dette den produserte koden? Prøv å endre til -O3, ser du noen forandring nå?
  3. Hvilke argumenter er det for og i mot å bruke en kompilator sammenlignet med å skrive Assembler? Tenk spesielt på hvor mye jobb det ville være å oversette programsnuttene i Del 1, 2 og 3 til en annen prosessorarkitektur.

Innlevering:

Flyttall (IEEE 754)

Flyttall, mer spesifikt IEEE 754 32-biter flyttall (beskrevet i kapittel 5.3.2), er en måte å representere desimaltall i binær på, slik at man kan regne med dem på en datamaskin. IEEE 754 er en standard som så godt som alle prosessorarkitekturer støtter. Standarden beskriver hvordan flyttall skal operere, og gjør at det er forutsigbart hva som skjer når vi jobber med desimaltall på forskjellige maskiner.

Når vi lagrer desimaltall som flyttall på en datamaskin mistes noe informasjon grunnet avrunding. I titallsystemet kan tallet 1/10 representeres nøyaktig som 0.1. På grunn av representasjonen vi bruker for flyttall kan ikke dette tallet representeres nøyaktig i datamaskinen, det nærmeste vi kommer er 0.10000000000000001. Dersom vi gjør mange flyttallsoperasjoner kan disse små avrundingsfeilene etter hvert "balle på seg", og svaret vårt kan bli feil. Det er derfor viktig at man kjenner til styrkene og svakhetene til flyttall slik at man ikke ender opp med feil.

I bildet under kan du se hvordan IEEE 754 32-biter flyttall er representert.

IEEE 754 flyttall
IEEE 754 flyttall

Et flyttall består av et fortegn (sign på bildet), eksponent (exponent) og en desimal (fraction). Tallet representerer desimaltall ved hjelp av vitenskapelig notasjon, men isteden for å bruke 10 som grunntall brukes 2.

For å representere 228 som flyttall (ikke IEEE 754) konverterer vi først tallet til binær, 228 = 11100100, deretter konverterer vi til vitenskapelig notasjon 11100100 = 1.11001 x 2^7. Tallet 111001 kan så plasseres i desimalen, mens 7 kan plasseres i eksponenten. IEEE 754 går litt lengre for å få litt mer ut av bitene, men det er best forklart i boken (legg merke til biasert eksponent og utnyttelse av desimalen).

Del 4:

Før vi implementerer en algoritme for å legge sammen flyttall trenger vi litt oppvarming i flyttallsregning. Gjør følgende oppgaver for hånd og vis fremgangsmåten din.

  1. Oversett 2.0 til IEEE 754 32-biter flyttall.
  2. Oversett 3.0 til IEEE 754 32-biter flyttall.
  3. Oversett 0.50390625 til IEEE 754 32-biter flyttall.
  4. Legg sammen tallene 2.0 og 0.50390625 med samme fremgangsmåte som Figur 5.30 i boka. (du trenger ikke å ta hensyn til avrunding).

Innlevering:

Del 5:

Til slutt skal vi implementere addisjon av flyttall i Assembler uten bruk av innebygde flyttallsoperasjoner. Vi anbefaler at du leser deg opp på assembleroperasjonene AND/ORR, LSR/LSL og BIC beskrevet i kapittel 6.3.1 og 6.3.2.

For å gjøre oppgaven litt enklere kommer vi til å anta at det bare er positive heltall som skal adderes. Koden trenger heller ikke å ta hensyn til avrunding. Du trenger ikke å lage en egen funksjon for addisjonen, men kan utføre hele beregningen i hovedfunksjonen.

For å komme i gang kan du bruke skjelettet under og lagre det som part5.s.


@ The two numbers we want to add
num1:   .word   0x3f800000
num2:   .word   0x3f800000

.text
.global main
main:
    @ Load numbers
    LDR r0, num1
    LDR r1, num2
    @ ! Perform addition here !
    @ When done, return
    BX lr

Algoritmen

Flyttallsaddisjonen dere skal utføre er beskrevet i kap. 5.3 i læreboka. Oppsummert skal koden din gjøre følgende.

  1. Maskere ut og flytte ned eksponenten i begge tall, slik at eksponenten ligger i de minst signifikante bitsene i registeret.
  2. Maskere ut desimalen. Legg til et ledende 1 tall på desimalen dersom eksponenten ikke er 0.
  3. Trekke den minste eksponenten fra den største og sette eksponenten til det nye tallet lik den største av de to eksponentene.
  4. Høyre skifte desimalen til det minste tallet med forskjellen av eksponentene fra steget over.
  5. Summere desimalene.
  6. Normalisere resultatet hvis nødvendig. (høyre skift desimalen og øk eksponenten med 1)
  7. Fjerne ledende 1 fra den nye desimalen og konstruere det nye flyttallet med fortegn, eksponent og desimal.
  8. Legg resultatet i r0.

Test algoritmen din med følgende addisjoner for å overbevise deg selv om at alt er riktig. Lagre resultatet av addisjonene i en tekstfil med navn addisjoner.txt.

  1. 1.0 + 1.0 = 2.0 (0x3F800000 + 0x3F800000 = 0x40000000)
  2. 2.0 + 1.0
  3. 3.0 + 3.5
  4. 2.0 + 0.50390625

Kompilere koden

Som i tidligere deloppgaver så kompileres programmet ditt ved å kjøre følgende

gcc -g -o part5 part5.s

Bruk gdbgui for å teste programmet ditt (gdbgui -b chromium-browser part5).

Innlevering:

Lever alle filene i canvas i en zippet mappe.