LU-MOP-b16

Mašīnorientētā programmēšana (MOP)

LU DF bakalaura studiju kurss DatZ4017, meklēt eStudijās.

• Pasniedzējs: Leo Seļāvo (epasts: vards.uzvards @ gmail.com)
• Kurss notiek attālināti: lekcijas un darbu apraksti pieejami tiešsaistē.
• Komunikācija ar pasniedzēju iespējama gan kursa formumā, gan pa epastu. Atsevišķos gadījumos iespējama arī videokonference. Klātienē ar jautājumiem un komentāriem iespējams vērsties pie Prof. Gunta Arnicāna.

Kursa mērķis

Kursa mērķis ir iepazīstināt ar zema līmeņa programmēšanu Asemblerā, lietojot ARM platformu kā konkrētu izstrādes mērķa vidi. Asemblera instrukcijas ir aparatūrai tuvākās procesora izpildes komandas, līdz ar to kursā tiek stāstīts arī par to, kā darbojas procesors un cita aparatūra, 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.

Šis ir nopiens kurss ar būtisku slodzi. Piemēram, varat iepazīties ar to, kā iepriekšējie studenti vērtējuši šo kursu: MOP-m kursa atsauksmes 2013. Veiksmi šajā gadā.

Vērtējums

Gala vērtējums kursā veidosies no sekojošiem faktoriem:

• Dalība kursā: jautājumi, atbildes, un diskusijas kursa komunikācijas vietnē.
• 40% - mājas darbi (MD)
• 30% - vidussemestra kontroldarbs (KD)
• 30% - eksāmens (EX). Eksāmena forma: kursa projekts vai rakstisks.

Lai saņemtu sekmīgu vertējumu visā kursā, kopumā jānopelna vismaz 40%, kas rezultātā dod atzīmi 4. Tātad, ar eksāmenu vien nepietiek, japilda arī citi darbi. Citu ierobežojumu nav.

Akadēmiskā goda sistēma - noteikumi, kuriem jums kā studentiem jāpiekrīt lai varētu sekmīgi piedalīties šajā kursā.

Kalendārs

Datums, nedēļa	Kursa saturs	Uzdevumi
08.02.2016.	Ievads kursā (lekcija). Kursa prasības un uzdevumi.
15.02.2016.	Ievads kursā (slaidi). Kursa mērķi. Iegultās un mazo procesoru sistēmas. ARM arhitektūra. Mācību izstrādes vide.	Uzdots MD0 mājas darbs, pieejams no e-studijām.
22.02.2016.	Sešpadsmitnieku un citas skaitīšatas sistēmas datoriem. (slaidi) Pārveidojumi starp dažādām sistēmām, aritmētiskās darbības. Biti, baiti, vārdi, nibbles.	MD0 termiņš
29.02.2016.	Skaitļu attēlošana papildkodā. (slaidi)
07.03.2016.	Procesora uzbūve. Operatīvā atmiņa. Procesora un atmiņas sadarbība. Adreses. Reģistri. Procesora režīmi. Programmu izstrādes vide. Serveris praktiskajiem darbiem ("asm1").
14.03.2016.	Programmu izstrādes vide un darba plūsma.
21.03.2016. - 28.03.2016.	Lieldienu brīvdienas
28.03.2016.	Komandu pieraksts, aritmētiskās un bitu operācijas.	Pasludināts MD1.
04.04.2016.	Vadības maiņas komandas, testi, bitu operācijas.
11.04.2016.	Adresācijas režīmi, darbs ar atmiņu.	Termiņš MD1 23:59.59 Pasludināts MD2.
18.04.2016.	Apakašprogrammu izsaukumi, saskarne ar "C".
25.04.2016.	Simboliskie dati, kodu tabulas.	Lielais kontroldarbs KD1 Tiešsaistē, pieejams no eStudijām, no 10:30 līdz 22:30. Kontroldarba ilgums 90 minūtes, tiks piefiksēts, bet jākontrolē pašiem.
02.05.2016.	Izteiksmes un makro valoda.	Termiņš MD2 23:59.59 Pasludināts kursa projekts KP.
09.05.2016.	Iekļautais asemblers.	KD1 noskaņto programmēšanas uzdevumu iesniegšanas termiņš līdz 23:59.
16.05.2016.	Programmatūras izstrādē lietoto rīku darbības principi. Instrukciju izpildes laiki. Sistēmas sāknēšana, priviliģētās operācijas.
23.05.2016.	Kursa vielas pārskats.	Termiņš eksāmena formas izvēlei KD/KP (23:59)
06.06.2016.	Eksāmens - Kontroldarbs KD2	Eksāmens būs pieejams tiešsaistē, e-studijās no 10:30 līdz 22:30.
13.06.2016.	Eksāmens - termiņš kursa projektam	Termiņš visiem iesniedzamajiem darbiem 23:59. Tai skaitā noskaņotam KD2 programmēšanas uzdevumam.

Pārbaudījumi

MD1

Aritmētiskās progresijas summa (apraksts).

MD2

Matricu reizināšana (apraksts).

KD1

Isumā, KD1 paredzami jautājumi un jūsu atbildes, kā arī programmēšanas daļa 1-2 nelieliem uzdevumiem.

Sīkāki komentāri:

Kontroldarba tēmas ir visas lekcijas līdz kontroldarba datumam.

Kontroldarbā paredzami uzdevumi, kas balstīsies gan uz koda izpratni, gan arī programmu rakstīšana asemblerā.

Piemērs kontroldarbam varētu būt sekojošs:

1. Dots pirmkoda listings ar datu definīcijām. Uzrakstīt, kādās adresēs kādi dati atradīsies. Jāsaprot gan direktīvas pirmkoda izlīdzināšanai, gan datu tipi, tai skaitā simboliskie, piemēram, ascii un asciz, short, word, un tamlīdzīgi.
2. Dots pirmkods asemblerā (apmēram 8-15 rindiņas) un dažu reģistru saturs. Izsekot programmai un uzrakstīt kāds būs reģistru saturs pēc programmas izpildes. Jums jāatpazīst līdz šim apskatītās instrukcijas, tai skaitā MOV varianti, aritmētiskās, vadības kontroles (piem. BX), steka operāciju instrukcijas (piem. LDMFD), un parējās par ko runāts slaidos un video materiālā. Katram studentam uzdevums atšķirsies.
3. Uzrakstīt no C izsaucamu asemblera funkciju, kas apstrādā tai padotos datus īpašā veidā.
4. Uzrakstīt specifisku funkcijas kodu asemblerā kas lietojot "printf" izsaukumu (saskarne ar C, kā lekcijās) izvada tās rezultātu.

Komentāri par 3. un 4.: Kontroldarba laikā netiek sagaidīts, ka jūs pilnībā uzrakstīsiet šo kodu. Tā vietā tiek sagaidīts, ka jūsu rakstītais kods parādīs, ka jums ir skaidrs plāns kā rakstīt šādas programmas, un kā rakstīt saturīgu kodu asemblerā. Savukārt, pēc kontroldarba tiks dots laiks (vismaz nedēļa) lai šīs programmas uzrakstītu līdz galam, un noskaņotu. Tad tās tiek iesniegtas un vērtētas tā pat kā mājas darbi. Termiņi jau ir kursa wiki kalendārī.

Asemblera iemaņas 3. un 4. uzdevumiem nepārsniegs kursā apskatītās tēmas. Cerams, ka mājas darbu pildīšanas laikā būsiet guvuši vērtīgu pieredzi. Bez tās gan būs pagrūti.

Kontroldarba laikā nav aizliegts lietot literatūru. Savukārt, datoru lietot nav atļauts. Šeit es paļaujos uz jūsu goda prātu, kā arī uz Akadēmiskā goda sistēmu.

Kontroldarbs būs rakstāms e-studijās. Laiks tiks kontrolēts. Kontroldarba izpildei paredzētas 90 minūtes, tā pat kā lekcijas garums LU DF (2x45min).

Pirmā kontroldarba rezultātu uzlabošanas iespēja

KD1 bija divi programmēšanas uzdevumi (3. un 4.). Jums iespēja uzlabot savu rezultātu par šiem uzdevumiem iesniedzot tos elektroniski, līdzīgi kā MD1.

3. uzdevums

Uzrakstīt no “C” izsaucamu ARM asemblera funkciju,

int replace(char *str, char *alpha, char *beta);

kas tai padotā patvaļīga garuma, ar 0x00 baitu noslēgtā virknē "str" meklē burtus no "alpha" un "beta" virknēm. "alpha" un "beta" arī ir noslēgti ar 0x00 baitu.

Virknes burtus funkcijai jāaizstāj sekojoši:

• tos, kas sastopami virknē "alpha", funkcijai jāaizstāj virknē "str" ar simbolu '0' (ASCII kods 48);
• tos, kas sastopami virknē "beta" bet ne virknē "alpha", jāaizstāj virknē "str" ar simbolu '1';
• pārējos simbolus jāatstāj neskartus.
• funkcija vienmēr atgriež 0.

Funkcija testējama izsaucot to no C valodā rakstītas funkcijas main().

Parametri uzdevuma testēšanai, tātad main() funkcijai, ir trīs simbolu virknes bez tukšumiem un pēdiņām:

• apstrādājamā virkne (bez tukšumiem)
• vārds
• uzvārds

Programmai main() jāizdrukā apstrādātā simbolu virkne (un nekas cits).

Piemēram, programmas izsaukums ar šādām virknēm dod sekojošu rezultātu

$> kd1u3 Pirmais-kontroldarbs janis berzins
P01m000-ko0t1old0110

Asemblera funkcijas nosaukums un specifikācija tieši tā, kā augstāk minēts.

Risinājumu failus kd1u3.s, kd1u3.h un kd1u3_main.c iesniegt direktorijā

~/kd1u3

4. uzdevums

Uzrakstīt no “C” izsaucamu ARM asemblera funkciju

int list_special(unsigned int N);

kas (lietojot printf izsaukumu ar formāta virkni "%x\n") drukā visus "īpašos" naturālos skaitļus no 1 līdz N (sešciparu decimāls skaitlis), ieskaitot.

Par "īpašiem" sauc tos skaitļus, kuru heksadecimālajā pierakstā ciparu summa pāra pozīcijās ir vienāda ar ciparu summu nepāra pozīcijās. Piemēram, heksadecimālais skaitlis "109a" ir īpašs, jo 1+9 == 0+a.

Funkcija testējama izsaucot to no C valodā rakstītas funkcijas main().

Parametri uzdevuma testēšanai - main() funkcijai ir skaitlis N (kā simbolu virkne). Programmai jāizdrukā atrastie skaitļi līdz N, katrs savā rindā, un nekas cits. Tos drukā jūsu asemblera programma, izmantojot printf() saskaņā ar uzdevuma nosacījumiem. Pati main() funkcija neko neizdrukā, bet atgriež 0.

Funkcija list_special vienmēr atgriež 0.

Asemblera funkcijas nosaukums un specifikācija tieši tā, kā augstāk minēts.

Risinājumu failus kd1u4.s, kd1u4.h un kd1u4_main.c iesniegt direktorijā

~/kd1u4

KD2

Jautājumi un atbildes, kā arī programmēšanas daļa nelielam uzdevumam.

9. KD2 programmēšanas uzdevums un iesniegšana

Uzrakstīt no “C” izsaucamu ARM asemblera funkciju

int erase_if_found(char *str, char *set)

kas saņem divas ar 0x00 baitu noslēgtas virknes un dara sekojošo. Tā meklē pirmajā virknē str simbolus no otrās virknes set (izņemot noslēdzošo nulles-baitu, protams) un katru atrasto no str izdzēš, pārvietojot atlikušos simbolus pa kreisi. Funkcijas atgriešanās vērtība ir nodzēsto baitu skaits. Piemēram, ja str ir "eksaamens nr. 1" un set ir "rms", tad str tiek pārtaisīts par "ekaaen n. 1" un atgriešanās vērtība ir 4.

Parametri uzdevuma testēšanai - main() funkcijai ir divas simbolu virknes bez tukšumiem tajās. Pirmā ir "str" un otrā ir "set" parametri. Programmai main() jāizdrukā apstrādātā simbolu virkne. Nodzēsto simbolu skaits nav jāizdrukā.

Asemblera funkcijas nosaukums un specifikācija tieši tā, kā augstāk minēts.

Risinājumu failus kd2u9.s, kd2u9.h un kd2u9_main.c iesniegt direktorijā

~/kd2u9

KP

Kursa projekts.

Grafiskā bibliotēka.

Literatūra

Grāmatas un citi resursi

• ARM Architecture Reference Manual, (PDF), ARM DDI 0100I, ARM Limited, 2005.
• ARM DeveloperSuite Assembler Guide: (web), (pdf).
• 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

• The “gas” manual

Pamācības

• Kā uzstādīt arm-linux-gnueabi-gcc un qemu-arm Ubuntu un Debian vidēs.
• Kā lietot atkļūmotāju gdb ar qemu emulātoru.

• GDB komandu īsais apraksts
• GDB rokasgrāmata

• Embedded Programming using the GNU Toolchain

• GNU Make rokasgrāmata

Saites

• Noderīgas Linux komandas
• Easy 6502 assembly tutorial

• The ARM Architecture - slaidi no Arm.
• ARM Architecture - Wikipedija

• Introduction to ARM at DaveSpace

• Linaro - Open source software for ARM SoCs.

Atziņas

• Teach yourself programming in 10 years by Peter Norvig