Tämän harjoituksen tavoitteet

Päätavoite:

• Tulee ultrakevyt ensiaskel ohjelmointiin symbolisella konekielellä eli assemblerilla.
• Eli pehmeä lasku edellisistä seuraavia demoja kohti.

Edelleen käytetään nykyaikaisia työkaluja, joita kurssilla on tähän asti käytetty. Tehdään AMD64 -prosessorin (ts. "x86-64") konekieltä GNU:n assemblersyntaksilla, jota on tähänkin asti nähty debuggerin tulosteissa. Ohjelma käännetään ja linkitetään komentoriviltä GNU:n työkaluilla Jyväskylän yliopiston suorakäyttökoneella (jalava tai halava), jossa sitä myös kokeillaan. Jotta työskentely olisi näppärää, screen-ohjelman, shellin ja tekstieditorin käyttö on hyvä olla hanskassa.

Johdanto

Valmistele hakemisto tätä demoa varten ja hae pieni koodipaketti seuraavin komennoin:

wget https://gitlab.jyu.fi/itka203-kurssimateriaali/itka203-kurssimateriaali-avoin/-/raw/master/2015/demot/mallikoodia/d04b/d04b_paketti.zip
unzip d04b_paketti.zip

Tutki paketista avautunutta runkoa aiemmin opituilla keinoilla (mm. komennot ls, less, tekstieditori). Mukana on Makefile, joka automatisoi käytännössä kaiken. Seuraava komento kääntää, linkittää ja ajaa kokonaan C:llä tehdyn mallikoodin:

make esimerkki

Seuraava komento kääntää, linkittää ja ajaa version, jossa yksi aliohjelmista on toteutettu suoraan konekielellä. Se ei vielä tee toimenpidettä, joka sen pitäisi. Sen vuoksi tuloste on erilainen kuin edellisessä:

make oma

Kyseinen oma kohde on määritelty Makefilessä ensimmäisenä, joten se on oletus ja voit sen sijaan komentaa pelkästään:

make

Kokeile vaikka, niin se on tässä nyt sama asia kuin make oma.

Tehtäväsi on muokata konekielisen aliohjelman tynkä asmvaihtaja.s sellaiseksi, että ohjelma toimii sen kanssa täysin samoin kuin malliesimerkki. Tiedät olevasi perillä, kun komennot make esimerkki ja make oma antavat täsmälleen saman tulosteen.

Mitään muita tiedostoja ei ole tarpeen muuttaa palautustehtävän tekemiseksi.

Muista kääntää ja kokeilla aina pienten muutosten jälkeen, ennen kuin koodi menee hallitsemattomaan tilaan liian monen muutoksen kautta!

Mitä koodiesimerkistä voi ammentaa

Esimerkkikoodi ja sen Makefile on tehty tukemaan ymmärrystä tähän asti käsitellyistä asioista.

Tällaista on tavoiteltu:

• C-koodi on suomeksi kirjoitettu ja kommentoitu, jotta sen ymmärtäisi. (Vuoden 2021 versio on nopeasti ja väsyneenä tehty, mistä voi tulla epäselkeyttä yrityksestä huolimatta; korjataan, jos/kun ilmenee jotain dramaattista ymmärtämisen estettä!)
• Kaikki muuttujat ja data ovat int64_t -tyyppisiä eli 64-bittisiä kokonaislukuja.
• Niinpä kaiken pitäisi näyttää mahdollisimman nätisti ja yksinkertaisesti 64-bittisten rekisterien (RAX, RBX, RCX, ...) kokoisilta möhkäleiltä, jotka ovat muistissa 8:lla jaollisissa osoitteissa (joiden osoitteet heksana päättyvät numeroon 8 tai 0).
• Muistiosoitteet ja kokonaislukumuuttujat ovat saman kokoisia, mikä helpottanee muistiosoitteiden ajattelemista "ihan tavallisina lukuina, jotka kertovat asioiden sijaintipaikan"
• Esimerkki demonstroi sitä, että .h -otsikkotiedosto ei ole sama asia kuin otsikon mukaisen toiminnallisuuden toteuttava aliohjelma.
• Esimerkki demonstroi ohjelman koostamista erikseen käännetyistä objektitiedostoista.
• Esimerkissä on käytelty aiemmista C-demoista tuttuja asioita, joten jospa tulisi uuden ohella vahvistusta ja kertausta edellisiin.
• Noin 130 rivin mittainen ja muutamasta tiedostosta koostuva C-koodi toivottavasti on ymmärrettävissä kokonaan, joten se olisi sopiva väliaskel tähän kohtaan oppimisen kaarta.
• Itse palautustehtävä on aivan minimaalinen, mutta siitä on mahdollista oppia jo aika paljon asioita. Mukana on väistämättä epäsuoraa muistin käyttöä osoitteen kautta, rekisterien käyttämistä, suoritusjärjestystä, GNU AT&T -syntaksin kirjoittamista, ABIn ymmärtämistä ...
• Sovellus eli "arvontasimulaatio" toivottavasti on hauska ja jättää mielenkiintoisen muistijäljen siitä, että pienillä detaljeilla on yllättävän paljon vaikutusta. Ei ainoastaan konekielen ja bittien tasolla vaan ihan algoritmivalinnoissakin.

Nämä ovat oletuksia. On mielenkiintoista kuulla palautetta demon kevään 2021 opiskelijoilta, jotka ensimmäisenä pääsevät tätä uutta demoa kokeilemaan!

Miten tätä tehtävää lähestytään

Tehtävä on yksinkertainen, mutta vasta sitten, kun palaset yhdistyvät kohdalleen.

Mallivastauksen näkeminen pilaisi sen aika totaalisesti, samoin kuin liian tarkat ohjeet.

Näin ollen on syytä antaa enemmän tai vähemmän lennokkaita vinkkejä:

• Tässä varmaankin pitää yhdistellä muutama tähän asti erillisinä luettu tiedonmurunen toisiinsa.
• C-kielisen esimerkin ymmärtäminen olisi hyvä lähtökohta. Eli saa kerrata aiempaa samalla.
• Olisi hyvä ymmärtää C:n osoittimen ja tietokoneen muistiosoitteen yhteys, koska nyt suoraan konekielellä pitää toteuttaa jotakin osoittimien päässä oleviin arvoihin.
• Assembler-syntaksi muistin ja rekisterien käyttämiseen pitää olla tiedossa, koska jotenkinhan näillä käytettävillä palikoilla tässä pitää jonglöörata. Luentomonisteessa on kattavat esimerkit, joista syntaksin periaate ja kummallisuudet pitäisi olla selvitettävissä. Tässä tehtävässä selviää todellä pienellä määrällä keskenään samankaltaisia käskyjä.
• Debuggeri auttaa oppimaan ja hahmottamaan käytännön toiminnallisuuksia sen lisäksi että selvittämään virheitä, joita tosi helposti tulee konekielellä (ja C-kielellä) ohjelmoidessa. Eli käyttele debuggeria vaan - on sallittua olla utelias!
• Muista kokeilla kääntää ja suorittaa ohjelmaa usein, niin syntaksivirheitä ei pääse kasautumaan.
• Kommentoi assembler-koodisi tarvittaessa vaikka rivi riviltä! Muuten on itsellekin tosi vaikea pysyä kärryillä, mitä koodi tekee, ja muille lukijoille se voi olla aivan mahdotonta.
• Huomaa, että tässä demossa ei vielä tarvita kokonaista "pinokehystä", jota käsitellään tarkemmin seuraavassa demossa ja joka pitää sitten olla mukana viimeisessä demossa. Tässä ei tarvita, eikä kannata turhan päiten tehdäkään, koska toteutettava aliohjelma ei kutsu muita aliohjelmia vaan se on aina kutsupinon päällimmäisenä silloin, kun tulee ylipäätään tulee kutsutuksi.

Uusia tarvittavia tietoja

Tämä asia pitää opetella alustavasti, vaikka se onkin vasta seuraavan demon pääteema:

• Miten parametrit välittyvät, kun C-kielinen ohjelma kutsuu konekieliohjelmaasi?

  Tämän määrää ABI-dokumentaatio. Pilaisi oppimisen kertoa vastaus suoraan tässä tehtäväohjeessa.

  Virallinen ABI löytyy esim. http://refspecs.linuxbase.org/elf/x86_64-SysV-psABI.pdf ja sitäkin kannattaa silmäillä yhtenä esimerkkinä reaalimaailman dokumentaatiosta.

  Luentomonisteessa on kiteytetty tähän tarpeeseen olennaisimmat kohdat poislukien seuraava:

  • ABI lupaa, että rekisterit RBX, R12, R13, R14 ja R15 ovat aliohjelmakutsun jälkeen samat kuin ennen sitä. Kutsuja voi pitää niissä jotakin tarvitsemaansa sisältöä. Sinunkin oman aliohjelmasi pitää toteuttaa tätä ABI-lupausta / sopimusta! Ota tämä huomioon. Muille rekistereille ABIssa ei ole samanlaista sääntöä.

• Parametrien ja paluuarvon välityksestä sekä pinokehyksestä tulee lisää seuraavassa demossa. Tässä demossa ei tosiaan tarvita vielä muuta tietoa kuin tuo, missä parametrit tulevat sisään.

Pakollinen palautustehtävä

Tästä demosta palautetaan tasan yksi tiedosto nimeltään asmvaihtaja.s jossa on tekemäsi assembler-aliohjelma. Sen pitää toimia yllä olevan ohjeen mukaisesti. Eli tehtäväpaketin Makefile kääntää kokonaisuuden, ja simulaattori tulostaa täysin samoin komennolla make oma kuin komennolla make esimerkki.